А. А. Е ВСЮ КОВ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Допущено Министерством просвещения СССР
в качестве учебного пособия
по физическим специальностям для студентов
педагогических институтов
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1979

31.2
E26
Рецензенты:
Кафедра общетехнических дисциплин МГПИ им. В И. Ленина
(зав. кафедрой доктор физ.-мат. наук профессор Ю. Л. Хотунцев),
доктор технических наук, профессор | А. Я. Яшкин I (МГЗПИ)
Александр Андреевич ЕВСЮКОВ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Редактор А. И. Юдина
Художник переплета Б. К- Мирошин
Художник форзацев и цветных вклеек С. Ф. Лухин
Художники Б. Б. Константинов, А. Ф. Сысоев
Художественный редактор В. М. Прокофьев
Технический редактор М. М. Широкова
Корректор Р. Б. Штутман
ИБ № 3342
Сдано в набор 05.02 79. Подписано к печати 15 08 79. 60X90Vi6. Бумага
типографская № 2. Литер, гарн. Высокая печать Условн. печ. л. 15,504-0,25
форзаца+0,25 накидки. Уч-нзд л 16,26+0,30 форзаца + 0,30 накндки. Тираж
50 000 экз. Заказ № 5144. Цепа 95 коп.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение»
Государственного комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии
и книжной торговли. Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Отпечатано с матриц саратовского ордена Трудового Красного Знамени поли-
полиграфического комбината Росглавполиграфпрома Государственного комитета
РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли в типографии
издательства «Горьковская правда», г. Горький, ул Фигнер, 32.
Евсюков А. А.
Е26 Электротехника: Учеб. пособие для студентов физ. спец.
пед. ин-тов.— М.: Просвещение, 1979.— 248 с, ил.
В пособии описаны линейные цепи переменного тока, трехфазные цепи, элект*
рические измерения и приборы, трансформаторы, электрические машины перемен»
ного и постоянного токов, элементы автоматики, а также техника безопасности.
Приведены осьовные правила работы в учебной электротехнической лаборатории.
60602—737 ББК 31.2
4079 430902110° «П2Л
© Издательство «Просвещение», 1979 г,

Матери моей
Анастасии Петровне посвящаю
ПРЕДИСЛОВИЕ
Изучение курса электротехники студентом-физиком педагоги-
педагогического института должно обеспечить электротехническую подго-
подготовку будущего учителя физики к осуществлению политехнического
обучения учащихся в средней школе. При этом значение отдель-
отдельных разделов этого курса различно. Изучение электроизмеритель-
электроизмерительных приборов, трансформаторов и выпрямителей переменного тока
должно подготовить студента к успешному освоению курса радио-
радиотехники и к использованию знаний, умений и навыков, получен-
полученных на лекционных и лабораторно-практических занятиях, в пре-
преподавании физики в средней школе. Другие разделы курса пред-
предназначены для расширения политехнического кругозора будущего
учителя физики, для подготовки его к организации школьного фи-
физического кабинета и к проведению внеклассной работы с учащими-
учащимися средней школы. Все это определило во многом как подход к
рассмотрению всех тем и вопросов, так и их конкретный перечень.
При этом много внимания уделено выяснению физической сущно-
сущности рассматриваемых явлений в электрических цепях и приборах.
При написании пособия был использован опыт чтения автором
курса электротехники в педагогическом институте.
Пользуясь случаем, приношу мою сердечную благодарность ре-
рецензентам — коллективу кафедры общетехнических дисциплин Мо-
Московского государственного педагогического института имени
В. И. Ленина во главе с заведующим кафедрой доктором физико-
математических наук, профессором Ю. Л. Хотунцевым, доктору
технических наук профессору |А. Я. Яшкину|, а также кандидату
педагогических наук доценту М. А. Ушакову, доброжелательные
советы и замечания которых способствовали улучшению книги.
Автор

ВВЕДЕНИЕ
Электротехника — это наука об электрических явлениях, о про-
производстве, передаче, распределении, преобразовании и использо-
использовании электрической энергии.
Развитие электротехники началось со второй половины XVIII в.,
когда были заложены ее теоретические и практические основы.
Очень быстрое развитие электротехники объясняется тем, что элек-
электрическая энергия по сравнению с другими видами имеет целый
ряд преимуществ, важнейшими из которых являются:
а) электрическая энергия легко преобразуется в другие виды —
в теплоту, механическую, химическую (и наоборот);
б) КПД электрических установок значительно выше (иногда
достигает 98—99%), чем КПД установок, работающих за счет дру-
других видов энергии;
в) электрическая энергия легко делится, т. е. ее можно под-
подводить к потребителям и расходовать в любых количествах;
г) электрическую энергию можно передавать по проводам (а
для связи — и без проводов) на значительные расстояния, это об-
обстоятельство дает возможность строить электростанции на месте
природных энергетических ресурсов и передавать ее к источни-
источникам промышленного сырья, ие имеющим местной энергетической
базы;
д) широкое применение электрической энергии в народном хо-
хозяйстве дает возможность объединять много мелких и крупных элек-
электростанций в общую энергосистему, бесперебойно снабжающую
электроэнергией целый экономический район или даже ряд районов.
Широкое использование электрической энергии в народном хо-
хозяйстве началось лишь после Великого Октября. Советское госу-
государство придавало и придает исключительную роль электрификации
народного хозяйства — основному условию непрерывного роста
производства на базе высшей техники. Широко известна ленинская
формула коммунизма: «Коммунизм — это есть Советская власть
плюс электрификация всей страны»*.
Уже в первые годы Советского государства начато строительст-
строительство Каширской, Шатурской и Волховской электростанций. В 1920 г.
* Л е н и н В. И. Поли. собр. соч., т. 42, с. 159.

на III съезде Советов был принят вошедший в историю план
ГОЭЛРО, названный В. И. Лениным «второй программой партии».
По плану ГОЭЛРО намечалось в течение 10—15 лет построить
30 электростанций общей мощностью 1,75 ГВт. В 1931 г. план
ГОЭЛРО был в основном выполнен, а к концу 1935 г. перевыпол-
перевыполнен в 2,5 раза! В последующие годы в нашей стране продолжено
плановое строительство больших и малых электростанций. В СССР
построены крупнейшие в мире Красноярская ГЭС им. 50-летия
СССР F ГВт), Братская ГЭС им. 50-летия Великого Октября
D,1 ГВт), Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС B,53 ГВт) и Волж-
Волжская ГЭС им. В. И. Ленина B,3 ГВт). Первая в мире атомная элект-
электростанция была построена в 1954 г. в Советском Союзе.
В соответствии с директивами XXV съезда КПСС в настоящее
время ведется интенсивное строительство новых, более мощных
электростанций, линий электропередач сверхвысоких напряжений.
О размахе этих работ можно судить по тому, что в 1978 г. выработ-
выработка электроэнергии в нашей стране составила 1202 млрд. кВт-ч,
а к 1980 г. —к последнему году X пятилетки — выработка электро-
электроэнергии составит 1340—1380млрд. кВт-ч и общая мощность электро-
электростанций будет 287—290 ГВт.
Большое внимание уделяется объединению электростанций в
энергосистемы. В 1970 г. было завершено формирование Единой
энергетической системы Европейской части СССР (ЕЭС), объеди-
объединившей свыше 600 электростанций. Вступила в действие Единая
энергетическая система «Мир», объединившая СССР, Болгарию,
Венгрию, ГДР, Польшу, Румынию и Чехословакию.
В десятой пятилетке A976—1980 гг.) продолжены работы по
созданию Единой энергетической системы СССР, ведется строитель-
строительство дальних линий электропередач переменного тока напряжением
750 и 1150 кВ и постоянного тока напряжением 1500 кВ.
В Программе Коммунистической партии Советского Союза за-
записано: «Электрификация, являющаяся стержнем строительства
экономики коммунистического общества, играет ведущую роль в
развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении
всего современного технического прогресса»*.
Постоянное расширение сфер применения электрической энер-
энергии влечет за собой глубокое внедрение электротехники во все от-
отрасли народного хозяйства. Развитие промышленности и сельского
хозяйства, средств транспорта и связи потребуют дальнейшего
подъема энерговооруженности. Планом десятой пятилетки наряду
с большим объемом производства электроэнергии предусматри-
предусматривается огромный рост электровооруженности труда, широкая авто-
автоматизация производственных процессов, использование автомати-
автоматизированных систем управления на основе электронно-вычислитель-
электронно-вычислительной техники.
* Программа Коммунистической партии Советского Союза. М., 1976, с. 69.
5

В становлении и начальном развитии электротехники выдаю-
выдающуюся роль сыграли работы русских ученых и изобретателей
А. Н. Лодыгина, Н. Г. Славянова, Э. X. Ленца, М. О. Доливо-
Добровольского и др. Большой вклад в дело электрификации на-
нашей страны, а также в развитие науки электротехники внесли вы-
выдающиеся советские ученые и инженеры Г. М. Кржижановский,
М. А. Шателен, Р. Э. Классон, Г. О. Графтио, С. И. Вавилов,
К. М. Шенфер и многие другие.

ГЛАВА I
ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1. ОДНОФАЗНЫЕ ЦЕПИ
§ 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
До середины XIX столетия пользовались в основном химичес-
химическими источниками постоянного тока — крайне дорогими и неэко-
неэкономичными гальваническими элементами. Это сильно ограничивало
использование электрической энергии для практических целей.
Однако проблема не была решена до конца и после создания генера-
генераторов постоянного тока. Главным тормозом в решении проблемы
была практическая невозможность передачи электрической энергии
на значительные расстояния. Так, при передаче энергии иа рас-
расстояние 57 км постоянным током при напряжении 2000 В француз-
французский электротехник Депре получил КПД всего лишь 22%. Как из-
известно, для дальних линий электропередач необходимо значитель-
значительное повышение напряжения. Однако получить высокое напряжение
непосредственно от генератора постоянного тока из-за наличия в
нем коллектора и скользящих контактов нельзя. Последовательное
соединение нескольких генераторов постоянного тока для этой
цели не нашло практического применения из-за сложности эксплу-
эксплуатации и ненадежности такой установки.
Следует отметить, что внедрению в практику переменного элек-
электрического тока в некоторой степени препятствовало существо-
существовавшее тогда предубеждение о якобы его практической непригод-
непригодности и особой опасности для человека, о чем высказывались даже
некоторые крупные ученые.
Проблема электропередачи была решена применением перемен-
переменного тока и трансформаторов.
Переменный ток по сравнению с постоянным имеет ряд преиму-
преимуществ, главными из которых являются:
а) генераторы переменного тока значительно дешевле в произ-
производстве, чем генераторы постоянного тока;
б) переменный ток легко трансформируется;
в) переменный ток легко преобразуется в постоянный;
г) двигатели переменного тока благодаря простоте конструк-
конструкции и невысокой стоимости являются основой современного элект-
электропривода.
Среди переменных (периодических) ЭДС и токов наибольшее
распространение в электротехнике получили синусоидальные (ко-
синусоидальные). Это объясняется следующими их достоинствами:

а) ври подведении синусоидального напряжения к трансформа-
трансформатору вторичные напряжения также синусоидальны;
б) если форма кривой тока отлична от синусоиды (несинусои-
(несинусоидальный ток), то такой ток порождает в электрических установках
и в линиях электропередач дополнительные потери по сравнению
с потерями при синусоидальном токе;
в) несинусоидальная ЭДС порождает появление несинусоидаль-
несинусоидального тока в цепи; при этом формы кривых тока и напряжения мо-
могут сильно отличаться друг от друга;
г) синусоидальные ЭДС, напряжения и токи позволяют значи-
значительно упростить математический анализ электрических цепей по
сравнению с анализом цепей с несинусоидальными ЭДС, напряже-
напряжениями и токами.
Изучение курса электротехники мы начнем с простейших ли-
линейных цепей переменного тока, т. е. с цепей, состоящих из рези-
резистора, конденсатора и катушки индуктивности.
Из курса физики известно, что электрические цепи постоянного
тока, в которых выполняются законы Ома и Кирхгофа, характери-
характеризуются основным параметром — сопротивлением (или проводимо-
проводимостью). В таких цепях предполагается, что их параметры постоян-
постоянны и не зависят от токов в элементах цепи и от напряжений на их
зажимах. Элементы эти имеют линейную характеристику — пря-
прямую линию для зависимости тока от напряжения. Такие элементы
называют линейными. Применение к линейным цепям законов Ома
и Кирхгофа, представляющих собой линейные зависимости, при-
приводит, как известно, к линейным алгебраическим уравнениям, ре-
решение которых не представляет собой принципиальных трудностей.
Во многих практических задачах для цепей переменного тока
линейными элементами можно считать резистор, катушку индуктив-
индуктивности без стального сердечника и конденсатор с диэлектриком без
потерь.
В линейных цепях переменного тока приходится учитывать ие
только их активные сопротивления, в которых электрическая энер-
энергия безвозвратно преобразуется в другие виды энергии, ио и так
называемые реактивные сопротивления, в которых электрическая
энергия «циркулирует» между этими сопротивлениями и источни-
источником переменного тока. В этих случаях исследование линейных це-
цепей усложняется применением математических действий дифферен-
дифференцирования и интегрирования.
§ 1.2. ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОЙ
СИНУСОИДАЛЬНОЙ ЭДС
Пусть в однородном магнитном поле TVS (рис. 1-1) равномерно
вращается рамка, активные стороны которой а и Ь, расположенные
перпендикулярно к плоскости чертежа и пересекающие линии
магнитной индукции, движутся с некоторой линейной скоростью и
по часовой стрелке. При этом в них будут наводиться ЭДС проти-

воположной полярности, в чем легко убе-
убедиться, применяя Правило правой руки.
Полярность ЭДС в сторонах а и b изменя-
изменяется на противоположную при переходе их
через точки А и В.
Из закона электромагнитной индукции
следует:
е = Blvt = Blv sin a, A.1)
где е — мгновенное значение ЭДС; В —
среднее значение магнитной индукции;
/ = а + Ъ — активная длина рамки; vt —
горизонтальная составляющая скорости;
а — угол между плоскостью рамки аЬ и го-
горизонтальным направлением.
Для данной рамки Blv — const и при
sin a = I Blv = ?m является амплитудой
ЭДС.
Так как а = at — — / = 2nft, то зна-
Рис. 1-1
чение ЭДС можно
венно:
представить соответст-
2л,
e~?msin<xit; e = gmsm—t и е = Smsin2nft. A.2)
Величину at = — / = 2nft, стоящую под знаком синуса или ко-
косинуса, называют фазой колебаний, описываемых этими функциями.
Фаза определяет значение ЭДС в любой момент времени t.
Время Т одного полного изменения ЭДС (в нашем случае время
одного оборота рамки) называют периодом ЭДС.
Изменение ЭДС со временем может быть представлено времен-
временной диаграммой (рис. 1-2).
Величину, обратную периоду / = —»
называют частотой. В СССР и в других
государствах Европы и Азии выбрана
стандартная промышленная частота пе-
переменного тока 50 Гц (в США и Япо-
Японии — 60 Гц).
Выбор частоты переменного тока для
промышленных и бытовых нужд («.про-
(«.промышленная частота») обусловлен тех-
технико-экономическими соображениями.
Так, при пониженных частотах габари-
габариты, расход материалов и стоимость элек-
электрических машин выше; заметным ста-
становится мигание света в осветительных
приборах и т. д. При более высоких Рис. 1-2

частотах увеличиваются потери энергии в сердечниках и про-
проводах. Поэтому наиболее оптимальной частотой оказалась
частота 50—60 Гц. Однако в некоторых специальных слу-
случаях используются токи как пониженных, так и более высоких
частот. Например, при электрификации железных дорог исполь-
используют переменный ток частотой 25 Гц и даже 16 — Гц. В то же время
О
в металлургии и в металло- и деревообрабатывающей промыш-
промышленности широкое применение находят переменные токи повышен-
повышенных частот — от нескольких сот до нескольких тысяч герц.
Если рассматриваемая рамка замкнута накоротко (или на не-
некоторую активную внешнюю цепь), то в ней будет протекать пере-
переменный ток, изменяющийся по тому же закону, что и ЭДС:
i = / sin со/,
A.3)
где i — мгновенное значение тока; 1т — амплитуда тока.
Синусоидальную ЭДС можно получить и другим способом. Мож-
Можно рамку сделать неподвижной, а вращать магнитное поле, индук-
индукция которого распределена внутри машины по закону косинуса
В = Вт cos (at
и максимальна на оси полюсов. Близкое к такому распределению
индукции можно получить специальной формой полюсных наконеч-
наконечников (рис. 1-3). Тогда
d(BS)
d _
~~ dt ~
dt
= <aSBm sin (at = Sm sin at.
A.4)
§ 1.3. ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЗНАЧЕНИЯ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
При расчетах цепей переменного тока,
а также при электрических измерениях
неудобно пользоваться мгновенными или
амплитудными значениями токов и напря-
напряжений, а их средние значения за период
равны нулю. Кроме того, об электрическом
эффекте периодически изменяющегося то-
тока (о количестве выделенной теплоты, о
совершенной работе и т. д.) нельзя судить
по амплитуде этого тока. Наиболее удоб-
удобным оказалось введение понятий так назы-
называемых действующих значений тока и нап-
напряжения. В основу этих понятий положено
тепловое (или механическое) действие тока,
не зависящее от его направления.
Действующее значение переменного то-
тока — это значение постоянного тока, при
котором за период переменного тока в
Рис. 1-3

проводнике выделяется столько же теплоты, сколько и при пере-
переменном токе.
Исходя из определения, установим соотношение между действу-
действующим и амплитудным значениями.
Пусть при постоянном токе / (и равном ему действующем значе-
значении переменного тока) в некотором активном сопротивлении R за
период Т переменного тока выделится теплота Q:
Q = PRT. A 5)
Теплота dQ, выделяемая переменным током в том же сопротив-
сопротивлении R за бесконечно малый промежуток dt в любой момент цикла,
может быть выражена через мгновенное значение тока г.
dQ = i*Rdt.
Примем далее, что ток изменяется по закону синуса:
i = /то sin со?,
тогда
dQ = l2mR sin2 a>t dt,
и за период Т выделится теплота
т
Q=. f?
о
после некоторых преобразований —
г г
Q = 1/^ Г dt — U\R Г cos
о о
dt.
Легко видеть, что второй интеграл равен нулю, тогда остается"
Q = -\rImRT. A 6)
Приравняв A.5) и A 6), найдем действующее значение перемен-
переменного тока:
^ A7)
Выражения для действующих значений ЭДС и напряжения ана-
аналогичны выражению A.7)-
S = i| = 0,707?m; U = ^f^ 0,707t/m.
В соответствии с ГОСТом действующие значения силы тока,
ЭДС и напряжения обозначают соответственно прописными латин-
латинскими буквами без индексов /, S и U
Электроизмерительные приборы переменного тока градуируют
в действующих значениях измеряемых величин
II

§ 1.4. СРЕДНЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
i
В цепях несинусоидальных токов, а также в цепях со сталью
и в цепях выпрямленных нефильтрованных токов пользуются сред-
средним за полпериода значением переменного тока и напряжения.,
Для синусоидального переменного тока его среднее значение
равно
Г/2 Г/2
Аналогично для напряжения и ЭДС:
'ср
¦it/.
'ср
A.9)
Средние значения тока и напряжения показывают детекторные
электроизмерительные приборы (например, прибор магнитоэлект-
магнитоэлектрической системы с полупроводниковым диодом), хотя шкалы этик
приборов градуируют в действующих значениях.
§ I.S. МЕТОД ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ
Помимо аналитического изображения периодически изменяю-
изменяющихся величин (§ 1.2) в электротехнике получил широкое приме-
применение метод векторных диаграмм. Сущность этого метода состоит в
следующем.
Если за амплитудное значение тока (или напряжения) принять
отрезок (вектор) длиной ОА (рис. 1-4) и вращать его, например,
против часовой стрелки @Ах, 0Аг, ...) так, чтобы за период пере-
переменного тока он совершал один оборот, то проекция этого отрезка
на вертикальную ось в любой момент времени будет равна мгно-
мгновенному значению переменного тока
(или напряжения) в данный момент.
Если изобразить две периодичес-
периодические величины (например, ток и нап-
напряжение) в выбранных масштабах
(изменения этих величин происходят
с одинаковой частотой, но отличают-
отличаются по фазе на некоторый угол), то
при вращении и* векторов угол сдви-
сдвига фаз (угол между векторами) оста-
остается постоянным в течение всего пе-
периода (оборота).
Этот способ и положен в основу
Рис. 1-4 метода векторных диаграмм:
12

а) длину вектора выбирают равной (в масштабе) амплитуде изо-
изображаемой периодической величины, а направление — произ-
произвольное;
б) при построении нескольких векторов на одном и том же чер-
чертеже один из них выбирают основным и направляют произвольно,
а остальные — в соответствии со сдвигом по фазе относительно ос-
основного;
в) поворот вектора против часовой стрелки соответствует опе-
опережению по фазе, по часовой — отставанию по фазе.
На одной и той же векторной диаграмме могут быть изображе-
изображены периодические величины только равных частот. Одна и та же
векторная диаграмма справедлива как для амплитудных, так и
для действующих значений периодических величин (разные лишь
масштабы).
Метод векторных диаграмм очень нагляден. По правилам век-
векторного сложения легко осуществляют сложение и вычитание век-
векторов, а вместе с этим — сложение и вычитание самих переменных
величин.
§ 1.6. СОПРОТИВЛЕНИЯ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Как известно, металлический проводник оказывает электриче-
электрическому току вполне определенное сопротивление, обусловленное
материалом, из которого он изготовлен, и размерами этого провод-
проводника. Но один и тот же проводник по-разному ведет себя в цепях
постоянного и переменного токов, оказывая им разные сопротивле-
сопротивления. Так, в результате поверхностного эффекта проводник оказывает
большее сопротивление переменному току, нежели постоянному.
Правда, при промышленной частоте 50 Гц разница между этими
сопротивлениями весьма незначительна и на практике их считают
равными. Однако сопротивления, оказываемые переменному току
катушкой индуктивности (индуктивностью) и конденсатором (ем-
(емкостью) коренным образом отличаются от сопротивления, которым
обладает резистор (например, электронагревательный прибор).
Особенности цепей переменного тока с различными сопротив-
сопротивлениями рассмотрим несколько подробнее.
§ 1.7. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С АКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
Если цепь переменного тока содержит только резистор R (лам-
(лампа накаливания, электронагревательный прибор и т. д.), к которо-
которому приложено переменное синусоидальное напряжение и (рис. 1-5, а):
и — Um sin <ot,
то ток i в цепи будет определяться значением этого сопротивления:
i = — = -^ sin not = /„ sin at,
R R m
13

где /т =
= — — амплитуда
R
тока; при
и
Рис. 1-5
жительной и пульсирует
можно представить так,
этом ток i и напряжение и совпадают по
фазе. Обе эти величины, как видно, мож-
можно изобразить на временной (рис. 1-5, б)
и векторной A-5, в) диаграммах. Теперь
установим, как изменяется мощность в
любой момент времени — мгновенная
мощность, характеризующая собой ско-
скорость преобразования электрической
энергии в другие виды энергии в дан-
данный момент времени*
p = iu = ImVm sin2 tat — JS~- x
X A — cos 2to{) = IU — W cos 2orf,
где W — произведение действующих
значений тока и напряжения.
Из полученного следует, что мощ-
мощность в течение периода остается поло-
с удвоенной частотой. Графически это
как показано на рисунке 1-6. В этом
случае электрическая энергия превращается необратимо, на-
например, в теплоту независимо от направления тока в цепи.
Кроме мгновенного значения мощности р различают еще сред-
среднюю мощность Рср за период:
О О О
но так как второй интеграл равен нулю, то окончательно имеем:
L,U,
Рис. 1-6
Средняя за период мощность
переменного тока называется
активной мощностью, а соответ-
соответствующее ей сопротивление —
активным.
Средняя мощность и актив-
активное сопротивление связаны с
безвозвратным преобразованием
электрической энергии в другие
виды энергии. Активное сопро-
сопротивление электрической цепи
р
R — —- не сводится только к
14

сопротивлению проводников, в
которых электрическая энергия
превращается в теплоту. Это по-
понятие значительно шире, так
как средняя мощность Рср элек-
электрической цепи равна сумме
мощностей всех видов энергии,
полученной из электрической,
на всех участках цепи (теплота,
механическая и др.).
Из полученных соотношений
следует, что
/ U
которое является математичес-
математической записью закона Ома для
цепи переменного тока с актив-
активным сопротивлением.
0 *-
LJU,
U,L, €L
U
Рис. 1-7
§ 1.8. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИНДУКТИВНОСТЬЮ
Пусть к катушке индуктивности L, для которой R = О
(рис. 1-7, а), приложено синусоидальное напряжение и:
A.10)
При установившемся режиме протекающий через катушку пере-
переменный ток i создаст на ее обмотке переменную ЭДС самоиндукции
eL. Тогда в соответствии со вторым законом Кирхгофа для такой
цепи можно записать:
u + eL=0. A.11)
Выясним форму установившегося тока, соотношение фаз тока и
напряжения и закон изменения мощности.
Значение ЭДС самоиндукции, как известно, можно записать
так:
*L~ Ldt'
откуда с учетом уравнения A.11) имеем:
di е, и Uт ¦ ,
- = — -L — — = —- sin mt.
dt L L L
Проинтегрируем последнее уравнение и получим:
i = — U-^-cosat + А = ^ sin lad — —) + А,
где А — постоянная интегрирования (А = 0 при отсутствии по-
постоянной составляющей тока в данной цепи). Кроме того, при
15

sin (w/ — — ] = 1 ток t становится максимальным:
Окончательно имеем:
A 12)
A 13)
Сравнивая соотношения A.10) и A.13), видим, что ток i в катуш-
катушке также синусоидальный. Однако, имея одинаковую частоту, ток
отстает по фазе от приложенного напряжения на четверть периода,
т. е. на —.
Векторная и временная диаграммы для цепи переменного тока
с индуктивностью изображены на рисунках 1-7, б и 1-7, в соответ-
соответственно.
Деля соотношение A.12) на ]/, получим:
JL-/-JL. A.,4)
wL Ч
Здесь (oL имеет размерность сопротивления и называется индуктив-
индуктивным сопротивлением, обозначается: xL = coL.
Соотношение / = — представляет собой математическую за-
XL
пись закона Ома для цепи переменного тока с индуктивностью.
Найдем выражения для мгновенной и средней (активной) мощ-
мощности в случае чисто индуктивной цепи.
Мгновенная мощность
p=iu=lmUm sin &t sin (cof—— j —
= — IU sin2(dt
изменяется по закону синуса с
удвоенной частотой (рис. 1-8).
При этом положительные значе-
значения мощности (четные четверти
периода) соответствуют потреб-
потреблению энергии катушкой (энер-
(энергия запасается магнитным, по-
полем катушки), отрицательные
значения мощности соответст-
соответствуют возврату запасенной энер-
энергии обратно источнику.
Средняя за период мощность
(активная мощность) в этой це-
Рнс 1-8 пи равна нулю:

1
= -L Гpdt = —
= 0.
Индуктивность вызывает лишь «перекачивание» электрической
энергии по проводам от источника (когда ток и напряжение на гра-
графике имеют одинаковые знаки) и обратно (ток и напряжение имеют
разные знаки).
§ 1.9. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С АКТИВНО-ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ
Рассмотрим цепь переменного тока, состоящую из активного
сопротивления R и катушки индуктивности L, соединенных после-
последовательно (рис. 1-9, а). Такая цепь имеет существенное значение
для выяснения зависимости сдвига фаз между током и напряжением
от соотношения значений R и L. Кроме того, все реальные цепи,
содержащие индуктивность, имеют и активное сопротивление (со-
(сопротивление провода обмотки и подводящих проводов, потери в
сердечниках и т. д.). Для такой цепи условие электрического равно-
равновесия (по второму закону Кирхгофа) можно записать в следующем
виде:
= uL +uR
15)
т. е. приложенное напряжение и уравновешивается суммой «ал.ря-
жений на элементах цепи R и L.
Предположим, что в рассматриваемой цепи установился Сину-
Синусоидальный ток:
0—*-
i = Im sin o>t,
тогда напряжения на
R и L будут равны:
A.16)
элементах
Ч = ит^
а приложенное напряжение
и = UmRsinoit
(/mLsin
-f). A.18)
Полученный результат A.18)
показывает, что. приложенное
напряжение и также синусои-
синусоидально, т. е. наше допущение
A.16) верно. Для нахождения
Рис. 1-9
17

окончательного уравнения приложенного напряжения, которое
может обеспечить предполагаемый нами ток {' в цепи, построим в
соответствии с соотношениями A.16) и A.17) векторную диаграм-
диаграмму (рис. 1-9, б), на которой найдем вектор приложенного напря-
напряжения U.
Из полученной векторной диаграммы следует, что в рассмат-
рассматриваемой цепи ток / отстает по фазе от приложенного напряжения
О, но не на —, как в случае чистой индуктивности, а на некото-
некоторый угол ф. Причем, 0 < ф <— и при заданной индуктивности
зависит в конечном счете от значения активного сопротивления:
угол ф уменьшается с увеличением R.
Таким образом, для рассматриваемой цепи приложенное напря-
напряжение и следует представить в виде
и = Um sin (wt + ср),
где Um=V U2mR + UmL (из векторной диаграммы).
Временные диаграммы тока и напряжений в цепи с R и L пред-
представлены на рисунке 1-9, в.
На векторной диаграмме (рис. 1-9, б) векторы UR, UL и U об-
образуют так называемый треугольник напряжений. Если все сто-
стороны этого треугольника разделить на значение тока в цепи /, то
получится треугольник, подобный данному, — треугольник сопро-
сопротивлений (рис. 1-10). Стороны этого треугольника не являются
векторами. Это отрезки, так как сопротивления постоянны и не
изменяются гармонически подобно току или напряжению.
Из треугольника сопротивлений (см. рис. 1-10) имеем:
2 = J/V + 4;
где г — полное, R — активное и xL — индуктивное сопротивление.
Тогда закон Ома для цепи с активным и индуктивным сопротив-
сопротивлениями можно представить в виде
U U
Г У* ___
A.19)
) + ()
Теперь определим угол ф из соотношения
h
A.20)
R
Рис. 1-10
Выясним, как изменяется мощность в цепи с
R и L. Поскольку мгновенные значения и и i
можно представить как
и = Um sin (at, i — lm sin ((at — ф),
18

то мгновенное значение мощности равно
р = iu = lmVm sin (Ы — (() sin mt =-
= (Я/ — IU cos 2ci>/) cos ф — IU sin 2g^ sin <p.
Как видно, мгновенное значение мощности имеет две состав-
составляющие: активную (IU—IU cos 2a>t) cos ф и индуктивную
— Ill sin 2coi sin ф, причем обе составляющие зависят от угла
сдвига фаз ф между током и напряжением. Так, в случае ф = О
(при xL = 0) цепь становится чисто активной (см. рис. 1-6) и мгно-
мгновенная мощность равна
р = IU — IU cos 2<at,
а в случае ф = — (при R = 0) — чисто индуктивной (см. рис. 1-8).
pL — — IU sin 2<jit.
Временную диаграмму мгновенной мощности можно построить,
перемножая ординаты соответствующих диаграмм тока и напряже-
напряжения для каждого момента времени (рис. 1-11).
В случае 0 < ф < — средняя за период мощность не равна
нулю:
т
= — Г
= — /f/cos
т т
<pf<tf — ^-/f/cos ф Г
cos
— — IU sin i
т
и представляет собой ак-
активную мощность. Соответ-
Соответствующая этой мощности
электрическая энергия по-
поступает от источника и
превращается в активном
сопротивлении R, напри-
например, в теплоту. В самом
деле, подставив в форму-
формулу A.21) значение cos ф из
соотношения A.20), полу-
получим:
рср = р = Ю cos ф =
= IU-^- = PR.
sin 2oitdt == IU cos q>
A.21)
Рис. 1-11
19

Среднее же значение реактив-
реактивной (индуктивной) составля-
составляющей мощности равно нулю:
Итак, в цепи переменного
тока с R и L угол сдвига фаз
между током и напряжением
зависит от соотношения зна-
значений R и L и изменяется в
пределах 0 < <р < —-.
# 1.10. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА С ЕМКОСТЬЮ
Пусть к обкладкам кон-
конденсатора емкостью С (рис.
1-12, а) приложено синусоидальное напряжение и= ?/msin to*. Ак-
Активным и индуктивным сопротивлениями этой цепи пренебрежем, счи-
считая R = 0 и xL = 0. Тогда при установившемся режиме через конден-
конденсатор С, как известно, будет протекать некоторый переменный
ток i. Выясним форму и определим фазу этого тока и сравним их
соответственно с формой и фазой приложенного напряжения и.
Мгновенное значение тока в цепи с емкостью представим рав-
равным скорости изменения электрического заряда q на обкладках кон-
конденсатора
~~&t
Так как q — Сис и в любой момент времени напряжение на обклад-
обкладках конденсатора уравновешивается приложенным напряжением
и, то
i = ^ = А (Си) = аСит cos <at = <i>CUm sin /<»* + —\
При sin (at + -^-) = 1 ток i становится максимальным:
тогда
i = u>CUm = Im,
A.22)
т. е. ток, как и приложенное напряжение, изменяется по закону
синуса, н© опережает его по фазе на —.
20

^ Векторная и временная диаг-
диаграммы для цепи переменного
тока с емкостью приведены
на рисунках 1-12, б и 1-12, в
соответственно.
Деля соотношение A.22) на
получим:
©С?/ = /, или [/ /,
1
здесь — имеет размерность со-
противления и называется ем-
емкостным сопротивлением; обоз-
обоз—•
Соотношение / = — пред-
начается хс — —•
С
Рис 1-13
ставляет собой математическую запись закона Ома для цепи пере-
переменного тока с емкостью.
Найдем выражения для мгновенной и средней (активной) мощ-
мощности в случае чисто емкостной цепи.
Мгновенная мощность
р = iu = ImUm sin (<at + —\ sin cat = IU sin 2a>t
\ 2 /
изменяется по закону синуса с удвоенной частотой (рис. 1-13).
При этом положительные значения мощности (нечетные четверти
периода) соответствуют потреблению энергии конденсатором (энер-
(энергия запасается электрическим полем конденсатора), отрицательные
значения соответствуют возврату запасенной энергии обратно ис-
источнику.
Средняя за период мощность (активная) в этой цепи равна нулю:
г г
р = J_ Г pdt = -Liu Г sin ы<и = о,
о о
т. е. в идеализированной цепи переменного тока с конденсатором
происходит лишь периодический обмен электрической энергией
между источником и этим конденсатором.
§ 1.11. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С АКТИВНО-ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКОЙ
В реальных цепях переменного тока с емкостью всегда имеется
активное сопротивление (сопротивление проводов, активные потери
в конденсаторе и т. д.). Поэтому реальную цепь с емкостью следует
рассматривать состоящей из последовательно соединенных актив-
активного сопротивления R и конденсатора С (рис. 1-14, а).
21

Для такой цепи уравнение
электрического равновесия в
соответствии со вторым законом
Кирхгофа можно записать так:
u~uR+uc, A.23)
т. е. приложенное напряжение
и уравновешивается суммой нап-
напряжений на элементах цепи R и
С соответственно.
Если установившийся ток i в
цепи принять равным
t = /msmerf, A.24)
го напряжения uR и ис на эле-
ментах R и С этой цепи будут
равны
uR —- iR = RImR sin at =
A.25)
i=C^?, или ^ ==±.A.26)
dt dt С v
Интегрируя уравнение A.26),
получим:
ыс =—— Г idt = — Г /m sin
С J С J
= /m cos
A -=
Здесь А = 0 (постоянная интегрирования). При синусоидальном
токе напряжение на конденсаторе также синусоидально. При
' — —I = 1 имеем:
Окончательно:
ис — Umc sin I (at — — J.
A.27)
Подставим соотношения A.26) и A.27) в условие электрического
равновесия A.23):
и = UmR sin at + Umc sin (at +
Следовательно, приложенное напряжение и является также сину-
синусоидальным, поэтому допущение A.24) о синусоидальной форме
тока является правильным.
22

Из векторной диаграммы (рис. 1-14, б) следует, что в рассмат-
рассматриваемой цепи ток опережает по фазе приложенное напряжение,
но не на —, как в случае чистой емкости, а на некоторый угол ф,
причем 0 < ф < — и при заданной емкости С зависит от значения
активного сопротивления R (угол ф уменьшается с увеличением R).
Таким образом, для рассматриваемой цепи приложенное напря-
напряжение можно представить в виде
и — Umsm(o>t — ф),
где Um= yUmFt + Umc (из векторной диаграммы).
Временные диаграммы тока и напряжений в цепи с R и С пред-
представлены на рисунке 1-14, в.
На векторной диаграмме (см. рис. 1-14, б) векторы Ur., Uc, U
образуют треугольник напряжений, из которого следует:
откуда
j UUU
где z =1/ R2 + [— —полное сопротивление цепи с R и С, а
V Ww
выражение
1 = 0-
г
представляет собой закон Ома для активно-индуктивной цепи.
Разделив стороны треугольника напряжений на значение тока
в цепи /, получим треугольник сопротивлений, из которого найдем
угол ф из соотношения
R R
COS ф = — — ===== .
г Vv + 4
Для выяснения закона изменения мощности в цепи с R и С пред-
представим ток и напряжение в следующем виде:
и = Um sin (at, i = /m sin (со* + ф),
тогда мгновенное значение мощности равно
р = ш— (IU — IU cos 2cof) cos ф + IU sin 2м* sin ф.
Как видно, мгновенное значение мощности имеет две составляю-
составляющие: активную (IU — IU cos 2co*) cos ф и реактивную (емкостную)
+ W sin 2co* sin ср, причем обе составляющие зависят от угла
сдвига ф между током и напряжением. Так, в случае ф = 0 цепь
становится чисто активной (см. рис. 1-6):
p = IU — IU cos 2co*,
23

а в случае <р = — (R —_,
—0) — чисто емкостной (см.
рис. 1-13):
Временную диаграмму
мгновенной мощности мож-
можно построить, перемножая
ординаты соответствующих
диаграмм тока и напряже-
напряжения для каждого момента
времени (рис. 1-15). Когда
0 < ф <—¦, средняя за пе-
период мощность (активная) не равна нулю; электрическая энергия
при этом безвозвратно расходуется в активном сопротивлении
тут
Рис. 1-15
+ — IU cos <p Г sin 2atdt;
о
PCB = /t/ cos ф = /(/— = PR.
v z
Среднее же значение реактивной (емкостной) составляющей мощ-
мощности равно нулю:
Рсь ~ — С pcdt = — [ IU sin 2<atdt = 0.
к i
Таким образом, в случае цепи переменного тока с R и С измене-
изменение значений R и С приводит к изменениям сдвига фаз ср в преде-
пределах 0 < <р < —.
§ 1.12. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ R. L И С.
КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ
Рассмотрим цепь переменного тока (рис. 1-16), состоящую из
последовательно соединенных R, L и С. Условие электрического
равновесия для таХой цепи следующее:
u = «« + ul + «c. A.28)
Полагая, что общий для всех элементов цепи ток i изменяется
по закону синуса:
24

напряжения на элементах этой цепи будут
соответственно равны
tic = U„с sin (at—-j\.
Для получения фазовых соотношений
тока / и приложенного напряжения U по-
построим векторную диаграмму (рис. 1-17, а),
исходя из условия A.28), записанного в
векторной форме:
где
UR = ?R;UL = 7xL =
i i j
В результате построений получим тре-
треугольник напряжений, гипотенуза которо-
которого численно (в масштабе) равна приложен-
приложенному напряжению U. При этом разность
фаз ф определяется соотношением векторов
UL, Uc и UR. Так, при UL > Uc (рис.
1-17, а) угол ф положителен (индуктив-
(индуктивный характер нагрузки), при UL < Uc
(рис. 1-17, б) угол ф отрицателен (емкост-
(емкостный характер нагрузки) и при UL = Uc
(рис. 1-17, в) угол ф равен нулю (нагрузка
становится чисто активной).
Деля стороны треугольника напряже-
напряжений (см. рис. 1-17, а) на значение тока в
цепи /, получим треугольник сопротив-
сопротивлений (рис. 1-18), в котором R — актив-
активное, х — реактивное иг — полное сопро-
сопротивление цепи. Из треугольника сопротив-
сопротивлений следует:
г = VR2 + х\
где
или
_1_
z==
Кроме того, R = г cos ц> и х = z sin <p.
Рис. 1-16
LI
uc-uL
и» Т
9-0
и Г
в
Рис. 1-17
25

Закон Ома для цепи переменного тока, содержащей R, L и С,
имеет вид
/ и
coL )
Q>C)
От треугольника напряжений легко перейти (умножением на зна-
значение тока /) к треугольнику мощностей (рис. 1-19). Здесь S —
полная мощность, Q — реактивная составляющая мощности и Р —
активная составляющая мощности.
Из треугольника мощностей следует:
S = VP* + Q2; Q = Ssinq>; Я = S cos ср..
Так как S = IU, то Q = W sin <p, тогда
Р = IU cos ф.
На практике широко используют следующие формулы:
S = Рг; Q = 1Ч\ Р = PR.
Реактивная мощность Q всегда порождает наличие обменной
энергии. Ее измеряют в вольт-амперах реактивных (ВАр) и кило-
киловольт-амперах реактивных (кВАр).
Полную мощность S, содержащую в себе активную и реактив-
реактивную мощности, иначе называют кажущейся, т. е. такой, которую
может дать источник (генератор, трансформатор). При Р = 0 пол-
полная мощность 5 становится вся реактивной, а при Q = 0 — актив-
активной, т. е. ее составляющие определяются характером нагрузки.
Единицами измерения полной мощности являются вольт-ампер
(ВА) и киловольт-ампер (кВА). Эта мощность и указывается в пас-
паспортах генератора и трансформатора переменного тока.
Активная мощность Р соответствует электрической энергии,
используемой для совершения механической работы, для получения
теплоты"и т. д. Она измеряется в ваттах (Вт) и киловаттах (кВт):
Р = S cos ф =- IU cos ф. A.29)
Активная мощность Р кроме тока и напряжения зависит еще
и от cos <р: с увеличением ф убывает cos <р и Р, а с уменьшением <р
активная мощность Р возрастает. Поэтому множитель cos ф в фор-
26

муле A.29) показывает, какую часть полной мощности безвозврат-
безвозвратно расходует нагрузка. Этот множитель (cos <p) называют коэффи-
коэффициентом мощности.
Для более рационального использования мощности станции надо
стремиться сделать нагрузку такой, чтобы cos ф = 1. Однако на
практике в масштабе промышленного предприятия добиться этого
весьма трудно, хотя часто значение cos ф доводят до 0,9—0,95.
Низкие значения cos ф порождают значительные дополнительные
потери на нагревание проводов обмоток генератора и линий электро-
электропередач. Покажем это.
Пусть одинаковые активные мощности передаются к двум рав-
равным нагрузкам с cos ф0 = 1 и с cos <р < 1, т. е.
Р9 = I0U cos ф0; Рг = I-JJ cos фх.
Приравняв Ро и Рх, получим:
cos<p
Мощность Ро, расходуемая на нагревание проводов в цепи с
cos ф = 1, равна
а мощность Ръ расходуемая на нагревание таких же проводов, но с
cos ((х < 1, равна
рх = i\r = iIr-L-,
cos2 <р
т. е. потери на нагревание проводов обратно пропорциональны
квадрату коэффициента мощности. Этого и следовало ожидать,
так как реактивная мощность (она велика при низких cos ф) со-
создает в проводах дополнительный реактивный ток, а потери на
теплоту пропорциональны квадрату тока.
Повышение cos ф является задачей государственной важности.
Так, повышение cos ф в энергосистемах Советского Союза всего
лишь на 0,01 может дать экономию электроэнергии более 500 млн.
кВт-ч в год (годовое производство Волжской ГЭС им. В. И. Ле-
Ленина).
§ 1.13. РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ
В последовательной цепи с R, L и С (см. рис. 1-16) приложенное
напряжение U равно сумме падений напряжений на активном со-
сопротивлении, индуктивности и емкости. Векторная диаграмма та-
такой цепи изображена на рисунке 1-17, в, из которой находим
U =
Обозначив полное сопротивление цепи через г:
27

можно записать закон Ома для данной цепи:
U =У-
/=
В рассматриваемой цепи при xL > хс нагрузка является актив-
активно-индуктивной, а при xL <хс — активио-емкостной.
Важным является случай, когда xL — xc. Тогда ток в цепи
равен
, и
_ и
~ R'
т. е. цепь в данном случае имеет наименьшее возможное сопротив-
сопротивление, как будто в нее включено только активное сопротивление /?.
При этом напряжения на индуктивности и емкости UL и Uc, сдви-
сдвинутые по фазе на я, полностью компенсируют друг друга
(рис. 1-17, в). Напряжение, приложенное к цепи, равно напряжению
иа активном сопротивлении, и ток совпадает по фазе с напряжением.
Этот случай получил название резонанса напряжений.
Итак, условием резонанса напряжений является равенство ин-
индуктивного и емкостного сопротивлений цепи:
%l — Хс, или ©L = —.
соС
Явление резонанса напряжений имеет важное значение для
практики.
Прежде всего, если в цепь с индуктивностью включить последо-
последовательно переменную емкость и постепенно изменять ее, например
увеличивая, то ток в цепи будет сначала расти до наступления ре-
резонанса, а затем убывать (рис. 1-20). Уменьшение реактивного
сопротивления цепи за счет введения в цепь емкости называют
последовательной компенсацией. При хс < xL получается недоком-
пенсация, при хс > xL — перекомпенсация, а при хс = xL —
полная компенсация (ток ста-
становится максимальным, а
cos ф = 1). Такой способ ком-
компенсации иногда применяют
на практике для повышения
cos ф в сетях. Продольная
(последовательная) компенса-
компенсация применена, например,.в
линии электропередачи Куй-
| ^ бышев — Москва.
у - х. Хп Кроме того, если взять
с отношение приложенного нап-
Рис. 1-20 ряжения к напряжению ин-
1,0
cosp
kc>xl
28

дуктивного (или емкостного) Тр
участка: - *""™"*'
U h г ,,
ГГ = -г— = —, ~ U
—^^ \\Г
^ Uc ^ P>CL_
откуда
т. е. при xL > R напряжение
на реактивном участке U, (и рав-
Рис 1 -21
ное ему Uc) окажется больше
Хт
приложенного в -д~ раз. Это озна-
означает, чтопри резонансе напряжений на отдельных участках Цепи мо-
могут возникнуть напряжения, опасные для изоляции обмоток приборов
и машин, включенных в данную цепь. Например, при наступлении
резонанса напряжений индуктивное напряжение UL на обмотке
трансформатора (рис. 1-21) может оказаться значительно больше
того напряжения, на которое рассчитана сама обмотка, в резуль-
результате чего изоляция ее будет повреждена.
Однако резонанс напряжений может быть не только нежела-
нежелательным явлением, которое приходится учитывать при расчетах
силовых цепей, но и полезным. В частности, в радиотехнических
колебательных контурах благодаря резонансу напряжений полу-
получают значительное усиление слабых радиосигналов за счет образо-
образования больших напряжений на емкости и индуктивности. Для этого
специально делают индуктивное сопротивление контура xL во много
раз больше его активного сопротивления R.
§ 1.14. РЕЗОНАНС ТОКОВ
Рассмотрим параллельное соединение емкости С с ветвью, со-
состоящей из индуктивности L и активного сопротивления R (рис. 1-22).
Обе ветви находятся под одним и тем же приложенным напряже-
напряжением и. Построим векторную диаграмму для этой цепи. За основ-
основной вектор выберем вектор приложенного напряжения G(рис. 1-23).
Затем найдем длину вектора тока Тх из соотношения
' и
/
и отложим этот вектор по отношению к вектору U под углом ф„
определяемым по формуле
Полученный таким образом вектор тока 7, разложим на две со-
составляющие: активную /„ = ?! cos % и реактивную 7р1 = Тх sin «p.,
29

Рис. 1-22
Значение вектора тока /2 находим из соотношения
и и
1/юС
= /с
и откладываем этот вектор на 90° против часовой стрелки относитель-
относительно вектора приложенного напряжения U. Находим общий ток /
как геометрическую сумму токов /#1 и /2:
Так как /а1 = /а, а
= /р =
/ =
— 1п, то можно записать:
/а2 +
Угол сдвига фаз между общим током / и приложенным напря-
напряжением О можно определить из соотношения
t?(p_J?t=, 'l-'c
•ai 'ai
Из рассмотрения векторной диаграммы видно, что длина и по-
положение вектора общего тока зависят от соотношения реактивных
токов IL и 1С. В частности, при IL > /с общий ток может отставать
по фазе от приложенного напряжения, при IL <. 1С — опережать и,
наконец, при IL = /с — совпадать по фазе с приложенным напря-
напряжением.
Последний случай соотношения реактивных токов ветвей
(lL = /с) получил название резонанса токов. При резонансе токов
общий ток равен активной составляющей тока в катушке, т. е. про-
процессы в цепи таковы, будто в ней содержится только активное со-
сопротивление (в этом случае q> = 0 и cos <р = 1).
Таким образом, подключение емкости параллельно катушке
индуктивности уменьшает угол сдвига фаз между током и напря-
напряжением как и при последовательном их соединении. Но параллель-
30

ное подключение имеет и свою особенность: общий ток в цепи при
этом уменьшается и становится чисто активным, хотя в самих вет-
ветвях реактивные токи не равны нулю; реактивные же токи имеют
противоположные фазы. При увеличении тока в катушке потребля-
потребляемая энергия запасается в магнитном поле, а в конденсаторе,
наоборот, при увеличении приложенного напряжения энергия
запасается в электрическом поле. Катушка и конденсатор обмени-
обмениваются между собой энергией, освобождая тем самым линию и гене-
генератор от реактивного тока. Эту особенность параллельной цепи
используют как параллельную компенсацию (реактивные токи
взаимно компенсируются) для повышения cos <p.
§ 1.15. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Одной из причин низкого значения cos ф является неполная
загрузка асинхронных электродвигателей, так как активная мощ-
мощность определяется активной нагрузкой, тогда как реактивная
зависит от общей мощности двигателя, его типа и загрузки. Следо-
Следовательно, неправильный выбор типа двигателя и его мощности
(с запасом) приводит к понижению значения cos (p.
Важнейшим условием рационального использования электро-
электроэнергии (т. е. повышения cos ф) является полная загрузка электро-
электродвигателя и недопущение его длительной работы на холостом ходу,
правильный выбор типа двигателя и его мощности. Такой способ
повышения cos ф называют естественным.
Если применение естественного способа не дает нужных резуль-
результатов, то могут быть применены и способы искусственного повыше-
повышения cos ф.
Одним из наиболее распространенных способов искусственного
повышения cos ф является компенсация сдвига фаз между напря-
напряжением и общим током в цепи потребителя (или группы потребите-
потребителей). Например, параллельно двигателю Д подключают конденса-
конденсатор (рис. 1-24). Компенсация сводится к тому, что за счет емкост-
емкостного тока /с конденсатора уменьшается сдвиг по фазе между током
и напряжением в цепи двигателя. Путем подбора емкости конден-
конденсатора С можно довести значение сдвига по фазе до нуля.
Физическая сущность явления ком-
компенсации состоит в том, что двигатель,
например, в четные четверти периода
запасает энергию в магнитном поле, а
в нечетные — отдает ее, а конденсатор,
наоборот, в нечетные четверти периода
запасает энергию в электрическом поле,
а в четные— отдает ее. Причем энергия,
накапливаемая в магнитном поле двига-
двигателя и в электрическом поле конденса-
конденсатора, является «обменной» (неиспользуе- Рис. 1-24
31

мой) энергией. Таким образом, обменная энергия будет частично
или полностью «циркулировать» между магнитным полем двигате-
двигателя и электрическим полем конденсатора. При установившемся
режиме работы источник тока и линия электропередачи будут
частично или полностью разгружены от «обменной» энергии.
Однако искусственные методы не позволяют в данной цепи изба-
избавиться от «обменной» энергии, они могут лишь локализовать ее,
освобождая при этом сети и их станции. Практическое применение
конденсаторов для компенсации несколько ограничено из-за их
высокой стоимости. Поэтому на практике получили широкое рас-
распространение так называемые синхронные компенсаторы — син-
синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие на хо-
холостом ходу и создающие емкостный ток (см. § 5.22).
§ 1.16. ПРОВОДИМОСТЬ И РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
В курсе общей физики для расчета электрических цепей исполь-
используют, в основном, законы Ома и Кирхгофа, в которые входят на-
напряжения, токи и сопротивления. Однако для расчета сложных
электрических цепей, и в особенности цепей переменного тока, це-
целесообразно вместо сопротивления использовать проводимость.
Проводимость в цепи постоянного тока g — величина, обратная
сопротивлению R:
Единицей измерения проводимости в СИ является сименс (в честь
немецкого электротехника XIX в. Э. В. Сименса).
1 Сим — это проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.
В цепях переменного тока, как известно, существует три типа
сопротивлений: активное R, реактивное х и полное г. По аналогии
с этим введено и три типа проводимостей: активная g, реактивная Ь
и полная у. Однако только полная проводимость у является вели-
величиной, обратной полному сопротивлению г:
Для введения активной g и реактивной Ь проводимостей рас-
рассмотрим цепь переменного тока из последовательно соединенных
активного R и индуктивного х сопротивлений (рис. 1-25, а). По-
Построим для нее векторную диаграмму (рис. 1-25, б). Ток в цепи /
разложим на активную /а и реактивную /р составляющие и от по-
полученного треугольника токов перейдем к треугольнику сопротив-
сопротивлений (рис. 1-25, в). Из последнего имеем:
R = г cos <p; cos <р = —
ш
х = z sin cp; sin <р = —.
Z
32

и
а
Из векторной диаграммы (см. рис. 1-25, б) с учетом формулы
A.30) имеем:
где g — — — активная проводимость;
г'
1„ = /sinq> = — - = U — = {/6,
1 г z г2
где 6 = -^ — реактивная проводимость.
A.31)
A.32)
Теперь установим взаимосвязь между проводимостями. Для рас-
рассматриваемой цепи имеем:
Подставив значения /а и /р соответственно из соотношений A.31)
и A.32), получим:
= Uy = jt A.33)
где у = — — Yft + b2 — полная проводимость цепи.
По аналогии с треугольником сопротивлений (рис. 1-25, в)
строим треугольник проводимостей (рис. 1-25, г). По аналогии с
индуктивным xL и емкостным хс
сопротивлениями различают ым-
дуктивную bL и емкостную Ьа
проводимости.
В случае разветвленной це-
цепи (рис. 1-26, а) схему легко пре-
образовать в так называемую эк-
эквивалентную схему (рис. 1-26, б),
в которой две ветви заменены
одной с соответствующими экви-
эквивалентными активным R3 и Рис. 1-26
\R1
1
^Лх' яП*;
а
2 Заказ 6I4<
33

реактивным ^сопротивлениями. Расчет последних сопротивлений,
как и других параметров схемы, проще с использованием проводи-
проводимостей. Установим основные закономерности для проводимостей в
разветвленной цепи.
Выразим общий ток через его составляющие или эквивалентные
проводимости:
7 = 7а + /Р = ?4 +~0ь, =7/Уэ = *L.
гэ
ь, активная составляющая общего ток
авляющих токов ветвей:
/а = /.1 + U = Ugl + Ug*~V (ft + ft) =
В свою очередь, активная составляющая общего тока равна сумме
активных составляющих токов ветвей:
откуда
g* = gi + g». A-34)
т. е. эквивалентная активная проводимость разветвления равна
арифметической сумме активных проводимостей ветвей.
Так как реактивные составляющие ветвей рассматриваемой
цепи находятся в протнвофазе, то для реактивной составляющей
общего тока имеем:
/Р = /pi - /р. = VbL -UbQ = U (bL - bc) = Ub9,
откуда
K = bL-bc, A.35)
т. е. эквивалентная реактивная проводимость разветвления равна
алгебраической сумме реактивных проводимостей параллельных
ветвей, при этом bL берется со знаком «плюс», а Ьс — со знаком
«минус».
Тогда по соотношению A.33) полная эквивалентная проводи-
проводимость разветвления равна
j + b2s A-36)
Кратко рассмотрим порядок расчета цепи при смешанном со-
соединении потребителей (рис. 1-27, а).
Сначала параллельные ветви заменяем эквивалентной схемой
из /?э и хэ (рис. 1-27, б), для чего по найденным активным gi и g2,
реактивным Ь1 и Ь2 и полным ух и у2 проводимостям находим экви-
эквивалентные проводимости ?э, Ьэ и уэ, а затем и эквивалентные со-
сопротивления R3 и хэ.
После преобразования схемы в общую последовательную цепь
легко находим общие сопротивления:
ЯОб = R3 + R; хоб = хэ + х; zo6 = ]/ R^+ x2o6
и схема еще раз преобразуется в наиболее простую (рис. 1-27, е),
34

Рис. 1-27
содержащую два элемента Ro6 и хо6. По этой схеме находят ее ос-
основные параметры:
§ 1.17. СИМВОЛИЧЕСКИЙ МЕТОД
Для расчета цепей переменного тока, а также для анализа про-
процессов в электрических машинах широкое применение получил
так называемый символический метод, основанный на использова-
использовании комплексных чисел. Поэтому символический метод часто назы-
называют еще комплексным методом.
Как известно, комплексное число А (рис. 1-28) может быть за-
записано в трех формах: алгебраической, тригонометрической и по-
показательной:
А = а + jb = A cos a + }А sin а = Ае'а, A-37)
где А = у а2 + Ь2 — модуль комплексного числа; а = arctg
а
аргумент, показывающий ориентировку вектора на числовой пло-
плоскости, и / = У—1.
Если аргумент а изменяется со временем, например а — а/,
то точка на числовой плоскости, соответствующая комплексному
числу А = Ае' , описывает окружность радиуса А с центром
iOit
в начале координат. Поэтому комплексное число А — Ае' мо-
может быть представлено вектором А, вращающимся против часо-
часовой стрелки с угловой скоростью о». Эта особенность комплексных
чисел и дает возможность применять их к гармонически изменяю-
изменяющимся величинам.
Пусть в некоторой цепи напряжение и ток изменяются по зако-
закону синуса с разностью фаз <р:
u = Um sin cat, i = Im sin (со* + q>).
2* 35

a
Рис. 1-28
Так, в активно-индуктивной цепи (рис.
1-29, а и б), где за основной вектор выбран
вектор тока /, комплекс тока / будет ра-
равен /=/, вектор UR = R1 совпадает с век-
вектором тока /, поэтому комплекс падения
напряжения на активном сопротивлении
равен
UR = RL A.38)
-*¦
Вектор UL (длина которого UL = xLl —
— a>LI) опережает вектор тока / на —,
поэтому комплекс этого вектора UL равен
i/ / A.39)
так как поворот вектора против часовой
п
стрелки на — соответствует его умноже-
нию на +/*.
По второму закону Кирхгофа прило-
приложенное напряжение U равно
Рис. 1-29
или в комплексной форме
О = R1 + jxj = 1(R + jxL) = Iz, A.40)
где z = R + jxL — комплекс полного сопротивления (не вектор!)
xL
для активно-индуктивной цепи; <р = arctg-^ сдвиг фаз.
Тогда закон Ома для цепи переменного тока в комплексной
форме имеет вид
/ = -^ A.41)
а для активно-индуктивной цепи можно получить
/ — Я- = ^ _ Л R—iXL
~ * ~ R + jxL ~~ г2 '
Комплекс полного сопротивления г может быть выражен и в
показательной форме:
г = — == = ге/ч>, A.42)
где z = V"/?2 + х\ — модуль полного сопротивления.
* Если а = —, то е'а = cos а + / sin а = + /.
36

В активно-емкостной цепи
(рис. 1-30, аиб)/=/;(/й = /?/, век-
вектор Ue, модуль которого ?/с= хс1 =
= — /, отстает от вектора тока / на —,
поэтому
(>с=—/V = —/-/, A.43)
с с ®с
так как поворот вектора по часовой
я
стрелке на — соответствует его умноже-
нию на —/.
Для этой цепи напряжение в комп-
комплексной форме равно
О = RI — / — / = /'(R — jxr) = /г, A.44)
где z = R — jxc = ze~№ — комплекс полного сопротивления ак-
тивио-емкостной цепи; ф = arctg S ¦
R
сдвиг фаз; г — модуль
полного сопротивления.
Для активно-емкостной цепи можно получить:
.-.R + \*г
A.45)
Для получения мощности в комплексной форме принято1 брать
произведение комплекса напряжения 0 на сопряженный комплекс
тока /, т. е.
0*1 = Uh™ = IV cos ф + jIU sin ф = Р + jQ. A.46)
Здесь вещественная часть W cos ф представляет собой активную
мощность, а мнимая IU sin ф (без множителя /) — реактивную.
Модуль комплекса мощности дает полную (кажущуюся) мощность:
S = У~Р* + Q2.
В заключение в качестве примера рассмотрим порядок расчета
сложной цепи (рис. 1-31) переменного тока на основе символиче-
символического метода.
Пусть известно приложенное напряжение и все сопротивления,
включенные в цепь. Необходимо найти токи.
1 Простое произведение комплексов тока и напряжения не дает нужного
выражения мощности: если i = Im sin ((at + q>i) и и = Um sin (ait + <р4), то
IU = ,
где аргумент равен сумме фазных углов вместо их разности.
37

Сначала записываем комп-
комплексы полных сопротивлений
участков цепи:
Zi = R\ + / (xLl xa)\
г2 = Ri ~r
Рис. 1-31
Затем находим комплекс полно-
полного сопротивления 2 всей цепи:
и комплекс общего тока 1г
Так как (]г = 0 — !&, то
/ _
2*
И '8
По комплексам токов можно найти их модули (действующие зна-
значения).
2. ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
§ 1.18. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
До сих пор мы рассматривали так называемые однофазные цепи,
т. е. цепи (как бы сложны они ни были), в которых действует одно
напряжение источника.
Занимаясь усовершенствованием методов применения перемен-
переменного тока, югославский изобретатель Н. Тесла изобрел двухфазную
систему переменного тока, в которой одновременно действовали два
напряжения равной амплитуды и частоты, но сдвинутые по фазе на
90° друг относительно друга. Двухфазная система переменного тока
имеет ряд преимуществ по сравнению с однофазной.
Значительно более совершенной оказалась трехфазная система
переменного тока, впервые теоретически обоснованная и практи-
практически осуществленная выдающимся русским электротехником кон-
конца XIX и начала XX в. М. О. Доливо-Добровольским. В трехфаз-
трехфазной системе одновременно действуют три напряжения равной ча-
частоты и амплитуды, но сдвинутые по фазе друг относительно друга
на 120°. Это изобретение относится к 1889 г., а в 1891 г. на Всемир-
Всемирной технической выставке во Франкфурте-на-Майне М. О. Доливо-
38

Добровольским была осуществлена передача электроэнергии по
трехфазной системе. Гидротурбина, построенная на водопаде Нек-
кар, расположенном в 175 км от выставки, приводила в действие
трехфазный генератор, напряжение от которого повышалось трех-
трехфазным трансформатором до 8500 В. Во Франкфурте это напряже-
напряжение понижалось другим трансформатором до 65 В. Током низкого
напряжения питались 1000 ламп накаливания и трехфазный асин-
асинхронный двигатель, приводящий в действие водяной насос. Гене-
Генератор, трансформатор и асинхронный двигатель были разработаны
М. О. Доливо-Добровольским для трехфазной системы. В этой пере-
передаче М. О. Доливо-Добровольский при передаваемой мощности
220 кВА получил очень высокий по тому времени КПД, равный
77,4%.
Следует заметить, что в 1882 г. французский электротехник Деп-
ре в опыте передачи энергии постоянным током на расстояние 57 км
при напряжении 2000 В получил КПД всего лишь 22%. Понятно,
что электропередача М. О. Доливо-Добровольского во Франкфурте
привлекла внимание электротехников своими достоинствами и трех-
трехфазная система быстро заняла ведущее положение в мировой элект-
электротехнике.
Основные достоинства трехфазной системы:
1) простота конструкции и эксплуатации трехфазных двига-
двигателей,
2) большая экономия в массе проводов при передаче электро-
электроэнергии на большие расстояния, достигающая 20—30% по сравне-
сравнению с однофазной системой,
3) возможность получения различных напряжений (линейные и
фазные) в одной и той же трехфазной системе.
§ 1.19. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ
Три взаимно связанные электрические цепи с ЭДС одинаковой
частоты и амплитуды, но сдвинутые по фазе одна относительно дру-
другой на 1/3 периода (на 120°) называют трехфазной системой пере-
переменного тока.
Для выяснения принципа создания трехфазной системы пред-
представим себе трехфазный генератор как машину с тремя совершенно
одинаковыми изолированными друг от друга катушками (обмот-
(обмотками) на статоре, в центре которого вращается электромагнит
(рис. 1-32). Пусть при этом форма магнита такова, что магнитный
поток, пронизывающий каждую катушку, изменяется по косинусои-
дальному закону. Тогда по закону электромагнитной индукции
в катушках будут индуцироваться синусоидальные ЭДС равной
амплитуды и частоты, но отличные друг от друга по фазе на 120°:
ег = Sms\n ad; ег = §т sin (at — 120°); е3 =» 8т sin (to/ — 240°). A.47)
Эти три ЗДС можно изобразить на временной (рис. 1-33, а) и на
39

векторной (рис. 1-33, б) диаг-
диаграммах.
Простоты ради будем счи-
считать, что все три линии генера-
генератора нагружены одинаковыми
активными сопротивлениями Ru
#а, Rs (см. рис. 1-32). Тогда то-
токи будут совпадать по фазе с
соответствующими ЭДС:
! m
= Imsm(<at—l2QP)\
Для выяснения процессов,
Рис. 1-32 происходящих в рассматривае-
рассматриваемой системе, условимся о на-
направлении токов: за положительные направления токов примем
направления от генератора к нагрузке в проводах, отходящих
от трех, например, концов (или трех начал) обмоток генера-
генератора. Тогда очевидно, что такая система электрических цепей
позволяет уменьшить число соединительных проводов. Дейст-
Действительно, соединив, например, три обратных провода AiBx, A2B2
и А3В3 в один, получим четыре провода вместо шести (рис. 1-34).
В результате такого соединения получим один провод 00' вместо
трех, в котором, очевидно, установится ток, равный сумме трех
токов.
Для того чтобы судить о значении тока в проводе 00', найдем
его мгновенное значение, сложив мгновенные значения токов ilt
i2 и /8:
1г + «2 +is = Im [sin (at + sin И — 120°) + sin (со* — 240°)] = 0,
т. е. суммарный ток в проводе 00' равен нулю.
Это же суммирование можно произвести и с помощью векторов
так, как это показано на рисунке 1-35. Здесь также
/1 +1 + 1 = 0. A.48)
*4
120
120
Рис. 1-33
40

Рис. 1-34
Рис. 1-35
В этом же убеждает простой опыт (рис. 1-36), в котором при зам-
замкнутом ключе амперметр не показывает тока, а при разомкнутом —
лампы не изменяют своего иакала.
Провод 00' (см. рис. 1-34) получил название нулевого (нейтраль-
(нейтрального) провода или нейтрали, а остальные три провода — линейных,
часто условно называемых также фазами.
На первый взгляд может показаться, что поскольку в нулевом
проводе ток равен нулю, то этот провод можно совсем убрать, ос-
оставив только три линейных провода. Однако это не всегда возмож-
возможно. Для выяснения роли нулевого провода можно заменить, на-
например, лампу JIt (см. рис. 1-36) другой лампой меньшей мощности.
При этом окажется, что без нулевого провода лампа Лх горит с пере-
перекалом, а две другие — с недокалом. Если же нулевой провод вклю-
включить, то лампы будут светиться нормальным для каждой из них
накалом, но зато в нулевом проводе появится некоторый ток /„.
Это легко подтверждают и геометрические построения (рис. 1-37).
Следовательно, нулевой провод не нужен в цепях с симметричными
нагрузками (с нагрузками равных сопротивлений и вызывающи-
вызывающими одинаковый сдвиг по фазе между током и напряжениями). К та-
таким нагрузкам относятся трехфазные двигатели, электрические пе-
печи и т. д. Эти линии называют трехпроводными.
\ Однако наличие нулевого провода обеспечивает постоянство
напряжений на элементах несимметричной трехфазной
нагрузки.
Рис. 1-36
Рис 1 37
41

Рис. 1-38
Ток в нулевом проводе
всегда меньше алгебраиче-
алгебраической суммы токов в фазах и
равен их геометрической
сумме.
Трехфазные линии с
нулевыми проводами (че-
тырехпроводные линии)
получили широкое рас-
распространение.
Рассмотренный случай
соединения обмоток трех-
трехфазного генератора и на-
нагрузок получил название соединения звездой. Рассмотрим его под-
подробнее.
§ 1.20. СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДОЙ
Рассмотрим схему соединения обмоток генератора звездой, в ко-
которой концы трех обмоток соединяются в один узел, а начала слу-
служат зажимами для подключения нагрузки.
При таком способе соединения напряжение между каждой фазой
и нулевым проводом называют фазным напряжением. Оно обозна-
обозначается (/ф или UА\ в последнем случае индекс указывает, что взято
напряжение между нулевым проводом и фазой А (рис. 1-38).
Напряжения между фазами А — В, В — С а С — А называют
Дв,
и и
ал-
линейными. Они обозначаются 1/л или U
Может показаться, что линейное напряжение, например U' Ав
вдвое больше фазного 11Д или UB. Но это не так. Для определения
соотношения между линейным и фазным напряжениями надо брать
не алгебраическую сумму фазных напряжений, а их геометрическую
разность (разность векторов). Поясним это.
Интересующие нас линейные напряжения представляют собой
разность потенциалов между точками А и В, В и С, Си Л. Чтобы
определить разность потенциалов, нужно условно выбрать точку,
потенциал которой принят за нуль. Такой точкой, вообще говоря,
может быть любая (А, В, С или 0). В трехфазных цепях потенциал
нулевого провода принимают равным нулю, а провод, как правило,
соединяют с землей (заземляют). Тогда потенциалы точек А, В н С
будут соответственно Uд, UB и Uc, а Линейные напряжения пред-
представляют собой разности потенциалов этих точек, т. е.
U =U —U ; U =U U ; U —U U A.49)
Построим векторную диаграмму фазных напряжений (рис. 1-39)
и сложим векторы:
ft.- - йА + (- <>в); "вс = "в+ ЫЪ; ^са -"
АВ
42

В результате построений полу-
получили три вектора, которые обра-
образуют симметричную трехлуче-
трехлучевую звезду линейных напряже-
напряжений, повернутую относительно
звезды фазных напряжений на
угол 30° против часовой стрелки.
Для установления соотноше-
соотношения между абсолютными значе-
значениями линейного и фазного нап-
напряжений рассмотрим тупоуголь-
тупоугольный треугольник с углом 120°
при вершине, образованной,
например, векторами 0А, — Vв
и UAB. Из этого треугольника
следует:
U2 — U2 + ( U J + 5
Так как для симметричных звезд
Рис. 1-39
(—?/n)cosl20°.
A.50)
' АВ
ТО
= Ч + и1
(~иФ)cos 120° =
откуда
ил = ифУЗ. A.51)
Например, если принять линейное напряжение ия = 220 В,
то фазное равно
U - -^- — 220в ~ 97 В
Если же напряжение 220 В принять фазным, то линейное напря-
напряжение равно
^л = t/фКЗ = 220 В КЗ « 380 В.
В соответствии с ГОСТом напряжения 127, 220 и 380 В приняты
стандартными для приемников низкого напряжения. Однако напря-
напряжения, которые создают генераторы электростанций, достигают
нескольких киловольт (до 20 кВ), поэтому напряжения 127, 220 и
380 В получают на вторичных обмотках понижающих трансформа-
трансформаторов .
В случае соединения звездой с нейтралью (четырехпроводная
линия) в линии существуют две системы напряжений, например
220/127 и 380/220 В. Два напряжения (линейное и фазное) в одной
и той же линии — достоинство четырехпроводной линии.
Система 380/220 В является более экономичной, нежели система
220/127 В, так как для электропередачи при одной и той же
43

мощности требуется меньший расход металла на провода за счет
меньшего тока.
История принятия напряжения 127 В (не 120 и не 130 В) в каче-
качестве стандартного такова. До ламп накаливания для освещения
пользовались дуговыми лампами, которые наиболее спокойно горе-
горели при переменном напряжении 55 В. Для двух таких ламп, соеди-
соединенных последовательно, нужно было 110 В, а для четырех — 220 В.
Эти напряжения были приняты еще до изобретения трехфазной си-
системы как стандартные. На них, и в особенности на напряжение
220 В, изготовлялись не только лампы, но и все электрические
приборы и машины. Поэтому при внедрении трехфазной системы
исходили из наиболее подходящего напряжения — 220 В, при
этом фазное напряжение составляет около 127 В.
Соединение звездой применяют в соединении обмоток трехфаз-
трехфазных генераторов, а соединение звездой с нейтралью (четырехпро-
водная трехфазная линия) — в технике освещения, где осветитель-
осветительные приборы включают, главным образом, на фазное напряжение.
Необходимость нулевого провода вытекает из того, что при работе
осветительных приборов практически невозможно добиться сим-
симметрии нагрузок. В таких сетях все три фазы и нейтраль подводят-
подводятся, например, к жилым домам, а внутри каждого дома стремятся
примерно одинаково загрузить каждую из фаз с тем, чтобы общая
нагрузка была более или менее симметричной. При этом к каждой
квартире подводится нулевой провод и одна из фаз. На распредели-
распределительных щитах, через которые проходят две или три фазы, в нулевой
провод предохранитель не ставится, так как его перегорание может
привести к асимметрии напряжений.
§ 1.21. СОЕДИНЕНИЕ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
Обмотки трехфазного генератора, а также трехфазные нагрузки
могут быть соединены еще одним способом: конец первой обмотки
соединяют с началом второй, конец второй — с началом третьей,
конец третьей — с началом первой, а узлы соединения служат от-
отводами (рис. 1-40). Такой
способ соединения называют
треугольником. Кажущегося
короткого замыкания в об-
обмотках генератора не прои-
произойдет, так как в любой мо-
момент времени сумма ЭДС в
его обмотках равна нулю:
и ток при отсутствии внешней
нагрузки в замкнутом тре-
треугольнике также равен нулю.
Это справедливо в том слу-
Рис. 1-40 чае, если все три ЭДС строго
44
ВС

синусоидальны. Но в работе генератора форма ЭДС может отклонять-
отклоняться от синусоидальной, поэтому соединение треугольником обмоток
генератора, как правило, не применяют. Однако соединение тре-
треугольником широко используется у трехфазных потребителей, со-
создающих симметричную нагрузку (двигатели, печи и т. д.). Именно
этот случай соединения мы и рассмотрим несколько подробнее.
Если включить три приемника тока: гАВ, гвс и гСА (см. рнс.
1-40) — непосредственно между проводами трехпроводной линии, то
получим соединение токоприемников треугольником. При таком со-
соединении нет различия между фазным и линейным напряжениями,
так как напряжение между началом и концом каждой фазы прием-
приемника является в то же время линейным напряжением. Зато здесь
появляется различие между фазными (/лв, /вс и 1СА) и линейными
токами AД> 1В и /с) приемника.
Построим векторные диаграммы токов и найдем зависимость
между их абсолютными значениями. Условимся положительными
направлениями фазных токов считать направления от А к В, от В
кСиотСкЛ.а положительными направлениями линейных токов —
направления от генератора к приемнику. Тогда по первому закону
Кирхгофа имеем:
. I
~ ' AB'
~ 'ел-
Ia +
I вс
'вс>
'ab>
*c +
7c =
ВС ~~
rcA_
'CA>
откуда
'л = 7лв — !са> 1в = 1вс — 1лв> [с = 'ел ~ !вс- A>52)
Из последних соотношений видно, что любой из линейных токов
равен геометрической разности фазных токов двух фаз, непосредст-
непосредственно соединенных с данным проводом линии; причем уменьшаемым
является фазный ток, направленный от провода, а вычитаемым —
фазный ток, направленный к проводу. Кроме того, из этих же со-
соотношений видно, что при любых равных значениях фазных токов
геометрическая сумма линейных токов равна нулю, т. е.
1, +4 + ^ = 0- О-53)
В случае симметричной нагрузки (zAB = zBC = zCA) векторы
фазных токов одинаково сдвинуты по фазе на угол ф относительно
соответствующих векторов напряжений и создают симметричную
трехлучевую звезду фазных токов (рис. 1-41).
Для построения на этой же диаграмме векторов линейных токов
воспользуемся соотношениями A.52), на основании которых вектор
каждого линейного тока представляет собой разность между двумя
соседними векторами, отсчитанными против часовой стрелки. Произ-
Произведя построения, аналогичные построениям векторов линейных
напряжений (см. рис. 1-39), получим, что векторы линейных токов
образуют трехлучевую звезду, повернутую относительно звезды
фазных токов на 30° по часовой стрелке. Из полученной диаграммы
45

видно, что линейные токи пред-
представляют собой основания рав-
равнобедренных треугольников с
углом 120° при вершине. Значе-
Значения этих токов можно найти
как стороны треугольников, ле-
лежащих против тупого угла, т. е.
аналогично линейным напряже-
напряжениям:
/л = /ФКЗ. A-54)
Таким образом, два способа
включения потребителей (звез-
(звездой или треугольником) расши-
расширяют возможности использова-
использования этих потребителей. Напри-
Например, если каждая из трех
обмоток трехфазного электро-
электродвигателя рассчитана на рабо-
рабочее напряжение 220 В, то электродвигатель может быть включен
треугольником н сеть 220/127 В или звездой в сеть 380/220 В.
Так как в соединении треугольником нет уравнительного про-
провода (нейтрали), то неравномерность нагрузки фаз может значитель-
значительнее сказаться на работе генератора, чем в случае соединения звездой
с нейтралью. Поэтому соединение треугольником чаще всего приме-
применяется в силовых установках (трехфазные двигатели и т. д.), где
можно добиться близких по значению нагрузок фаз.
В трехфазных цепях способ включения нагрузки (звезда или
треугольник) не зависит от способа включения обмоток генератора
или трансформатора, питающих данную цепь.
§ 1.22. МОЩНОСТЬ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ
Очевидно, что активная мощность трехфазного генератора или
трехфазной нагрузки всегда равна сумме активных мощностей
всех фаз:
+ Р» A-55)
т. е.
+ /фз?/ф3 cos ф3.
Р = /ф1^ф1 cos ф! +
При симметричной нагрузке
Р = 3/ф?/фСО8Фф, A.56)
где /ф и С/ф — фазные ток и напряжение; фф — сдвиг фаз между
током и напряжением.
На практике удобнее измерять мощность трехфазной системы
не через фазные, а через линейные токи и напряжения. Так, для

соединения звездой имеем:
^Ф = у^ и /ф = /л»
а при соединении треугольником —
так что в обоих случаях произведение 3/ф?/ф дает
//Л, A.57)
тогда мощность трехфазной системы при симметричной нагрузке
может быть выражена через линейные величины:
A.58)
где ср — угол сдвига между линейным током и напряжением. Часто
последнюю формулу пишут без индексов, имея в виду линейные
ток и напряжение:
P = V3IUcosy. A.59)
Для трехфазной системы остаются справедливыми соотношения:
S = )^3 W — полная мощность, Р = "КЗ IU cos <p — активная
мощность, Q = \^3 W sin ср — реактивная мощность, а также

ГЛАВА II
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
§ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Для контроля за правильной эксплуатацией электрических уста-
установок необходимо систематически проводить измерения электриче-
электрических величин, характеризующих работу этих установок. Этот конт-
контроль осуществляют электроизмерительные приборы.
Принцип измерения электрических величин был впервые пред-
предложен основоположником русской науки М. В. Ломоносовым, ко-
который экспериментально пришел к выводу, что «электричество взве-
взвешено быть может». Первый электроизмерительный прибор был
построен в России современником Ломоносова Г. В. Рихманом. Это
был электрометр со шкалой и стрелкой, принцип действия которо-
которого положен в основу устройства большинства современных приборов.
До революции в России имелось только два завода, выпускавших
электроизмерительные приборы (в Петербурге и Харькове). В на-
настоящее время промышленность Советского Союза выпускает огром-
огромное количество различных электроизмерительных приборов, обеспе-
обеспечивая не только нужды страны, но и поставляя их на мировой
рынок.
§ 2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Электроизмерительные приборы классифицируют по следующим
признакам:
/. По роду измеряемой величины: для измерения тока — ампер-
амперметры, миллиамперметры, гальванометры; для измерения напря-
напряжения — вольтметры, милливольтметры, гальванометры; для из-
измерения мощности — ваттметры, киловаттметры; для измерения
энергии — счетчики; для измерения сдвига фаз и коэффициента
мощности — фазометры; для измерения частоты — частотометры;
для измерения сопротивлений — омметры и мегомметры и т. д.
2. По роду измеряемого тока: для измерения в цепях постоян-,
ного, переменного, постоянного и переменного токов, а также в
трехфазных цепях.
3. По степени точности: приборы делят на восемь классов точ-
точности — 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0. Номер класса озна-
означает процент допустимой приведенной погрешности*. Так, приборы
* Приведенная погрешность—это отношение абсолютной погрешности
измеряемой величины к верхнему пределу шкалы прибора, выраженное в про-
процентах.
48

класса точности 1,5 имеют допустимую приведенную погрешность
1,5% и т. д. Приборы, имеющие погрешности более 4,0%, считаются
внеклассными (это щитовые и учебные приборы и т. д.). Приборы
классов точности 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5 используются для более точных
измерений как контрольные (для проверки других приборов) и как
лабораторные.
4. По принципу действия: магнитоэлектрические, электромаг-
электромагнитные, электродинамические, индукционные, тепловые, термо-
термоэлектрические, электростатические, электронные, электролитиче-
электролитические, фотоэлектрические.
Согласно ГОСТу, электроизмерительные приборы должны удов-
удовлетворять следующим требованиям:
а) погрешность прибора не должна превышать его класс точ-
точности и изменяться в процессе эксплуатации;
б) на показания прибора не должны влиять внешние электриче-
электрические поля и изменения температуры;
в) шкала или ее рабочая часть должны быть по возможности
равномерной и проградуированной в практических единицах;
г) прибор должен иметь хорошую успокоительную систему,
чтобы колебания стрелки прибора быстро прекращались (зату-
(затухали);
д) прибор должен быть стойким к перегрузкам и иметь хорошую
изоляцию.
§ 2.3. ПОГРЕШНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Действительные значения измеряемой величины, как правило,
не совпадают с результатами измерения. При измерениях электри-
электрических величин имеют место следующие основные погрешности.
Абсолютная погрешность ААХ — алгебраическая разность меж-
между результатом измерения величины Ах и ее действительным значе-
значением А*:
Относительная погрешность ух — отношение абсолютной по-
погрешности ААХ измеряемой величины к ее действительному значе-
значению А, выраженному в процентах:
у =М< Ю0%.
>х А
При тщательных измерениях (например, с использованием наи-
наиболее точных приборов) обычно А и Ах мало отличаются друг от
друга. Поэтому в выражении для ух в качестве А берут величину
Ах, полученную из опыта.
Погрешности ААХ и ух называют погрешностями измерения.
Они зависят от погрешности отсчета и погрешности самих приборов.
Отсчитанному, например, по образцовому (контрольному) прибору.
49

Погрешность отсчета порождается самим наблюдателем. Для
уменьшения этой погрешности проводят несколько отчетов: А1г А*,,
..., Ап — и за результат измерения Ах принимают среднее арифме-
арифметическое
где п — число произведенных измерений.
Кроме того, шкалы наиболее точных приборов делают зеркаль-
зеркальными, а стрелки — ножевидными.
Погрешность самих приборов называют относительной приве-
приведенной погрешностью уп. Она равна отношению абсолютной погреш-
погрешности прибора ААХ к нормирующему значению А,„ выраженному
в процентах:
где Аи —> значение, соответствующее делению конца рабочей ча-
части шкалы для равномерных или степенных шкал с нулевой отмет-
отметкой на краю или вне шкалы. Для таких же шкал с нулевой отмет-
отметкой внутри рабочей части шкалы нормирующее значение принима-
принимают равным арифметической сумме конечных значений рабочей ча-
части шкалы (без учета знаков).
§ 2.4. ОСНОВНЫЕ ДЕТАЛИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Устройство для создания противодействующего момента. Прин-
Принцип работы большинства электроизмерительных стрелочных при-
приборов основан на повороте подвижной их части под действием вра-
вращающегося момента. Последний создается током, связанным опре-
определенной зависимостью с измеряемой электрической величиной.
Если этому повороту ничем
не противодействовать, то
подвижная часть прибора
либо повернется на наиболь-
наибольший возможный угол, ли-
либо придет в ускоренное дви-
движение.
Противодействующий мо-
момент у большинства приборов
создается закручивающейся
упругой бронзовой пружиной
/ (рис. 2-1), концы которой
прикреплены один — к оси
подвижной части прибора 2,
а другой — к неподвижной
части прибора (к вилке пру-
Рис 2 1 жинодержателя) 3. Очевидно,
50

что, чем больше ток, проходящий через прибор, тем боль-
больше вращающий момент, действующий на подвижную часть
прибора. Под действием этого вращающего момента подвижная
часть прибора поворачивается, закручивая спиральную пружину.
Пружина, в свою очередь, препятствует этому повороту. Поворот
будет происходить до тех пор, пока вращающий и противодействую-
противодействующий моменты не сравняются: Мвр = Мпр. Кроме того, спиральная
пружина возвращает подвижную часть прибора в первоначальное
(нулевое) положение после того, как прибор выключен из цепи.
Для уравновешивания стрелки прибора иногда применяют гру-
грузики 4 (противовесы), навинченные на стержни с мелкой резьбой,
посредством которой можно изменять расстояние грузиков от оси
вращения.
Для установки стрелки прибора против нулевого деления слу-
служит корректор, состоящий из поводка 5 и винта 6. Эксцентрично
поворачивающийся выступ винта 6 изменяет положение пружино-
держателя 3 и одного конца спиральной пружины /, поворачивая
тем самым стрелку 7 в нужную сторону. У многих приборов по две
противодействующих пружины. Они помещаются либо рядом,
либо у концов оси подвижной системы.
Шкалы приборов. Шкала прибора служит для отсчета значений
измеряемой величины. Кроме того, на шкалу обычно наносят услов-
условные обозначения, соответствующие характеристикам данного при-
прибора (род измеряемой величины, род тока, класс точности, принцип
действия и т. д.).
В многопредельных приборах шкала имеет определенное число
условных делений, по которым путем пересчета определяют изме-
измеряемую величину в нужных единицах. Шкалы других приборов
градуируют непосредственно в значениях измеряемой величины, —
это шкалы непосредственного отсчета.
Различают равномерные и неравномерные шкалы. Достоинством
равномерной является постоянство масштаба вдоль всей шкалы,
что обеспечивает простоту отсчета измеряемой величины в любой
части шкалы.
Обычно в стрелочных приборах стрелка находится на некотором
расстоянии от шкалы, а для снятия показаний приборов приходится
проецировать положение стрелки на шкалу. При этом положение
проекции стрелки зависит от угла между лучом зрения на стрелку
и плоскостью шкалы, т. е. от положения глаза относительно стрел-
стрелки и шкалы. Этот угол должен быть прямым. На практике трудно
добиться такого угла, поэтому получается так называемая погреш-
погрешность от параллакса (параллакс — видимое смещение предмета из-за
перемены места наблюдения). Для устранения этой параллактиче-
параллактической погрешности на шкалах наиболее точных приборов укрепляют
плоскую зеркальную пластину (рис. 2-2). Отсчет показаний снимают
одним глазом, причем глаз располагают относительно стрелки и
шкалы так, чтобы стрелка и ее изображение в зеркале сливались
воедино.
51

Шкала
Рис. 2-2
Успокоители. Подвижную
часть прибора с противодейст-
противодействующей спиральной пружиной
можно рассматривать как неко-
некоторую колебательную систему.
В самом деле, при включении
прибора в цепь подвижная его
часть под действием толчка,
создаваемого быстро нарастаю-
нарастающим вращающим моментом,
поворачивается, но не сразу
может остановиться в положении, в котором вращающий и противо-
противодействующий моменты равны (подобно тому, как маятник не в со-
состоянии остановиться, проходя через положение равновесия). По-
Подвижная часть прибора будет совершать затухающие колебания, и
для снятия показаний необходимо некоторое время для полной
остановки его стрелки.
Для быстрой остановки подвижной части прибора применяют
специальные устройства — успокоители. Наиболее распространен-
распространенными успокоителями являются воздушные и магнитоиидукци-
ониые.
Воздушный успокоитель представляет собой дугообразный ци-
цилиндр / (рис. 2-3, а), запаянный с одного конца. Внутри цилиндра
находится поршень 2. Он жестко связан с подвижной частью при-
прибора и не касается стенок цилиндра. Зазор между поршнем и цилинд-
цилиндром невелик и при быстрых перемещениях поршня давление внут-
внутри цилиндра не успевает выровняться с атмосферным. В цилиндре
создаются то сгущения, то разрежения воздуха, которые препятст-
препятствуют движению поршня и тем самым быстро успокаивают подвиж-
ь
Рис 2-3
52

нуго систему. При медленном же движении поршня часть воздуха
может свободно входить в цилиндр и выходить из него через за-
зазор, не препятствуя поворотам подвижной части прибора.
Иногда воздушный успокоитель имеет форму замкнутой коро-
коробочки со щелью (рис. 2-3, б). Эта щель служит для перемещения
рычага /, на котором укреплена пластинка 2. Последняя не касается
стенок коробочки и выполняет ту же роль, что и поршень. При
движении пластинки в коробочке одновременно действуют и сгу-
сгущения (по одну сторону пластинки) и разрежения (по другую сто-
сторону), препятствующие колебаниям.
Магнитоиндукционный успокоитель представляет собой пере-
перемещающуюся между полюсами постоянного магнита М (рис. 2-3, в)
легкую алюминиевую пластину А, жестко связанную с подвижной
системой прибора. При колебаниях пластинки в магнитном поле
постоянного магнита в соответствии с законом Ленца в ней инду-
индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, поэтому коле-
колебания подвижной системы и стрелки быстро прекращаются.
Астатические измерительные приборы применяют для устране-
устранения влияния внешних магнитных полей на показания электромаг-
электромагнитных и электродинамических приборов. Астатический прибор —
это совокупность двух измерительных механизмов, подвижные
системы которых объединены в одном приборе и воздействуют на
одну и ту же ось со стрелкой. При этом измерительные механизмы
расположены так, что под
действием внешнего поля ^ Т >
вращающий момент одного из
них увеличивается, тогда как
другого на столько же умень-
Рис 2-4
5J

шается, а общий вращающий момент, действующий на всю
подвижною систему прибора, остается неизменным. На рисун-
рисунке 2-4 показано устройство астатических электромагнитного (а) и
электродинамического (б) механизмов.
Условные обозначения иа шкалах электроизмерительных при-
приборов. Для правильного выбора приборов и их эксплуатации со-
согласно ГОСТу 2.729—68 на шкалах изображают следующие обо-
обозначения:
1) Условное обозначение единицы измерения (или измеряемой
величины) либо начальные буквы наименования прибора (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Род измеряемой «еличины
Ток
Напряжение
Электрическая мощ-
мощность
Электрическая энергия
Сдвиг фаз
Частота
Электрическое сопро-
сопротивление
Название прибора
Амперметр
Миллиамперметр
Микроамперметр
Вольтметр
Милливольтметр
Ваттметр
Киловаттметр
Счетчик киловатт-часов
Фазометр
Частотометр
Омметр
Мегомметр
Условное обозначение
А
гл/
у.А
V
mV
W
kW
k\Nh
<Р
Hz
Q
MQ
2) Условное обозначение системы прибора (табл. 2.2).
Таблица 2.2
Система прибора
Магнитоэлектрическая:
с подвижной рамкой и механической противо-
противодействующей силой
с подвижными рамками, без механической про-
противодействующей силы (логометр)
Электромагнитная:
с механической противодействующей силой
Электродинамическая (без экрана):
с механической противодействующей силой
Условное обозначение
0
Q
54

3) Условные обозначения рода тока и числа фаз, класса точно-
точности прибора, испытательного напряжения изоляции, категории
прибора по степени защищенности от внешних магнитных полей.
Таблица 2.3
Условное обозначение (ГОСТ 1845—59)
1,5
Расшифровка условного обозначения
Прибор постоянного тока
Прибор постоянного и переменного
токов
Прибор переменного тока
Трехфазный прибор
Прибор класса точности 1,5
Измерительная цепь изолирована
от корпуса и испытана напряже-
напряжением 2 к В
Осторожно! Прочность изоляции
измерительной цепи не соответ-
соответствует нормам
§ Z.S. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы
(рис. 2-5) основан на взаимодействии проводника g током (рамки 3)
с магнитным полем постоянного
магнита М.
Подковообразный постоянный
магнит М, стальные полюсные на-
наконечники N и S, стальной ци-
цилиндр 2 образуют магнитную цепь
(полюсные наконечники и стальной
цилиндр служат для уменьшения
магнитного сопротивления этой це-
цепи). Благодаря форме полюсных
наконечников в большей части
воздушного зазора между цилинд-
цилиндром и наконечником создается ра-
диально направленное однородное
магнитное поле, в котором может
поворачиваться подвижная рам-
рамка 3. Рамку прибора (обмотку)
чаще всего выполняют из изоли-
изолированного провода на легком
алюминиевом каркасе, укреплен-
укрепленном на двух полуосях. Измеряемый
ток проходит в рамку через токове-
дущие спиральные пружины 5, Рис. 2-5
О
55

служащие одновременно и для создания противодействующего
момента.
При протекании тока по рамке на ее стороны, находящиеся в
воздушном зазоре, действует пара сил (токи в этих сторонах рамки
имеют противоположное направление), создающая вращающий мо-
момент и поворачивающая эту рамку в ту или иную сторону вокруг
оси. Направление силы F, действующей на одну сторону рамки,
может быть определено по правилу левой руки, а значение — по
закону Ампера:
F = BlIw sinp\
где В — магнитная индукция в зазоре, / — длина активной сторо-
стороны рамки, / — сила тока в рамке, w — число витков рамки, р1 —
угол между плоскостью рамки и вектором индукции в воздушно^
зазоре.
Благодаря тому что магнитное поле в рабочем зазоре радиаль-
радиальное (sin р = 1), то момент этой пары сил (вращающий момент)
равен
Мвр = Fd = Bllwd,
где d — ширина рамки, являющаяся плечом пары. Так как величи-
величины В, I, w и d для данного прибора постоянные, то их произведение
дает также постоянную величину, которую обозначим через kx\
^ = Btwd.
Тогда
Afep = ft1/. B.1)
Под действием этого вращающего момента рамка поворачивает-
поворачивается/закручивая (или раскручивая) спиральные пружины, создаю-
создающие противодействующий момент
Мпр = ha, B.2)
где kz — постоянная, характеризующая жесткость пружин, а —
угол поворота оси со стрелкой. Очевидно, что рамка будет поворачи-
поворачиваться до тех пор, пока противодействующий момент, увеличиваясь
с углом поворота, не окажется равным вращающему, т. е.
kj = k2a,
откуда
а = А / = kl, B.3)
где —- = k — постоянная данного прибора по току.
К
Таким образом, угол поворота стрелки магнитоэлектрического
прибора пропорционален току в рамке и шкала такого прибора
равномерная. Механизм магнитоэлектрического прибора может
быть использован для устройства гальванометра, амперметра и
56

вольтметра. Ток, проходя по обмотке рамки, создает напряжение
U = //?, равное приложенному, тогда
а = kl = k — = cU, B.4)
R
где с = постоянная прибора по напряжению.
Из последнего соотношения следует, что магнитоэлектрический
механизм можно использовать для изготовления вольтметра. В этом
случае сопротивление рамки должно быть достаточно большим g тем,
чтобы прибор можно было включать параллельно нагрузкам. Од-
Однако для этого пришлось бы рамку делать из большего числа витков
тонкой проволоки (а для амперметра — из небольшого числа вит-
витков толстой проволоки). Как в том, так и в другом случае рамка
получилась бы тяжелой, а прибор — грубым. На практике рамки
амперметров и вольтметров не имеют принципиального различия.
В первом случае рамку шунтируют, а во втором — последователь-
последовательно с ней включают добавочное гасящее сопротивление.
Принцип градуирования магнитоэлектрического прибора в ка-
качестве вольтметра основан на прямой пропорциональной зависимо-
зависимости между током в рамке и приложенным к ней измеряемым напря-
напряжением.
Для переменных токов эти приборы без дополнительных
устройств — выпрямителей — непригодны, так как направление
отклонения стрелки прибора зависит от направления тока
в рамке. Следовательно, в цепи переменного тока подвижная часть
прибора ничего не покажет. Поэтому, если нулевое деление шкалы
находится не в ее середине, а на левом краю, то около зажимов
прибора ставятся знаки «-)-» и «—», к которым следует подключать
провода соответствующей полярности. При неправильном включе-
включении такого прибора стрелка упирается в ограничитель, стремясь
уйти в противоположную сторону за нулевое деление шкалы.
Специальных успокоителей в магнитоэлектрических приборах
не делают. Их роль выполняет алюминиевый замкнутый каркас,
на который навивается рамка. При колебаниях каркаса в нем ин-
индуцируются токи, препятствующие этим колебаниям, и подвижная
система прибора быстро успокаивается.
Изменения температуры окружающей среды могут влиять на
изменения сопротивления прибора, плотности магнитного потока
в воздушном зазоре и упругих свойств пружин, создающих проти-
противодействующий момент. Однако два последних обстоятельства при-
приблизительно компенсируют друг друга. Например, повышение тем-
температуры вызывает ослабление магнитного потока в воздушном за-
зазоре, т. е. вращающий момент уменьшается, при этом уменьшение
упругости пружин примерно на столько же уменьшает противодей-
противодействующий момент. Изменение сопротивления прибора из-за изме-
изменения температуры окружающей среды значительно сказывается на
показаниях амперметров с шунтами, но почти не сказывается на
показаниях вольтметров. У вольтметра сопротивление рамки
57

значительно меньше добавочного сопротивления, а последнее изготов-
изготовляют из манганиновой проволоки, имеющей незначительный тем-
температурный коэффициент. Поэтому сопротивление всего прибора
почти не изменяется.
Для устранения температурной погрешности в некоторых при-
приборах применяют специальные схемы так называемой температур-
температурной компенсации.
К достоинствам магнитоэлектрических приборов относятся: рав-
равномерная шкала; большая точность при малой чувствительности *,
высокая чувствительность при малой точности (гальванометр);
малая чувствительность к внешним магнитным полям; малое по-
потребление энергии.
Недостатками таких приборов являются: пригодность только
для постоянных токов (без выпрямителей), большая чувствитель-
чувствительность к перегрузкам, сравнительно высокая стоимость.
§ 2.6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРИБОРЫ
Принцип действия приборов электромагнитной системы основан
на взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемого изме-
измеряемым током, со стальным сердеч-
сердечником, помещенным в это поле.
Неподвижная катушка / (рис. 2-6) со-
состоит из каркаса с навитой изолирован-
изолированной медной проволокой или медной
лентой. При протекании измеряемо-
измеряемого тока по обмотке катушки в ее
плоской щели 2 создается магнитное
поле. Вне катушки на агатовых под-
подпятниках устанавливается ось 3 с
эксцентрично укрепленным сердечни-
сердечником 4 из магнитомягкой стали со
стрелкой 5. Магнитное поле катушки
намагничивает сердечник и втягивает
его внутрь щели, поворачивая тем
самым и ось со стрелкой прибора.
Этому повороту препятствует закру-
закручивающаяся спиральная пружина 6,
создающая противодействующий мо-
момент.
Пусть катушка с током / создает
магнитное поле, которое намагничи-
намагничивает фасонный стальной сердечник и
создает некоторую силу F, стремя-
1
Рис. 2-6
Рис. 2-7
* Под чувствительностью понимают от-
отношение линейного или углового перемеще-
перемещения указателя к изменению измеряемой ве-
величины, вызвавшему это перемещение.
58

щуюся повернуть сердечник вокруг оси (рис. 2-7). При лереме*
щении точки С сердечника По дуге dl будет совершена работа
dABp = Fell = FRda,
где R — радиус вращения точки С и da — центральный угол,
соответствующий дуге dl.
Работа dABp совершается за счет энергии магнитного поля ка-
катушки dWu, поэтому
dWH = FRda,
или
^ = FR. B.5)
da
Учитывая, что Wu= —, получим:
Повороту сердечника противодействует спиральная пружина,
создавая противодействующий момент
Map^ka, - B.7)
где k — жесткость пружины, а а — угол поворота сердечника.
Тогда при достижении равновесия Мпр = Мвр,
тч. d.L
а = Р .
2Ы
Вообще говоря, — = /(«) и сильно зависит от формы сердечнн-
da.
ка. Положив в пределах поворота сердечника — = const, no-
da
лучим:
a = cP, B.8)
где c = ^=±-d-±.
2kda 2k da
Полученный результат показывает, что шкала электромагнит-
электромагнитного прибора неравномерная. Она, в основном, должна быть квад-
квадратичной, т. е. сжатой в начале и растянутой в конце. Однако пу-
путем придания фасонной формы сердечнику и расположением его в
/ dL\
катушке что приведет к изменению множителя — можно сущест-
\ da/
венно улучшить характер шкалы, сделав ее практически равно-
равномерной в рабочей части.
Направление отклонения стрелки прибора не зависит от на-
направления тока в катушке, так как при изменении направления
тока одновременно изменяется направление магнитной индукции
внутри катушки и в сердечнике, а характер их взаимодействия (при-
(притягивание) не изменяется. Этот же вывод следует и из выражения
вращающего момента B.8), в которое значение тока входит в
квадрате. Поэтому приборы электромагнитной системы пригодны
59

и для измерения переменных токов. При измерении перемен-
переменного тока подвижная система прибора поворачивается на неко-
некоторый угол, определяемый средним значением вращающего момен-
момента за период. Определим вращающий момент подвижной системы
прибора.
Пусть измеряемый ток изменяется по закону
1 = 1т5\пЫ,
тогда мгновенное значение вращающего момента равно
т — Ыг,
а среднее за период значение этого момента
г
О
Таким образом, среднее значение вращающего момента, дей-
действующего на подвижную систему электромагнитного прибора
при измерениях переменного тока, пропорционально квадрату дей-
действующего значения переменного тока, т. е. Мср = kP. Квад-
Квадратичная зависимость угла поворота подвижной системы электро-
электромагнитного прибора от тока имеет простое физическое объяснение:
ток в катушке создает магнитное поле, которое намагничивает сер-
сердечник. В результате намагниченный сердечник взаимодействует
с катушкой, при этом намагниченность сердечника изменяется
вместе с изменениями тока в катушке.
Мы рассмотрели устройство и действие приборов с плоской
катушкой. Помимо этой конструкции в настоящее время
широкое применение получили так называемые приборы с круг-
круглой катушкой (рис. 2-8). Изме-
Измеряемый ток протекает по обмот-
обмотке круглой катушки / и создает
внутри нее магнитное поле, в
котором помещаются два сталь-
стальных сердечника: один — непо-
неподвижный 2, прикрепленный к
каркасу, другой — подвижный
3, связанный с осью прибора.
Близлежащие концы сердечника
под действием магнитного поля
катушки намагничиваются од-
одноименно и отталкиваются, вы-
вызывая соответствующий измеря-
измеряемому току поворот подвижной
системы. Очевидно, что приведен-
приведенные рассуждения, относящиеся
к приборам с плоской катуш-
катушкой, справедливы и для прибо-
рис. 2-8 Ров с круглой катушкой.
60

Электромагнитные приборы применяются как амперметры и как
вольтметры. В последнем случае обмотка выполняется большим
числом витков тонкой медной проволоки.
Применение стальных сердечников в электромагнитных прибо-
приборах вызывает разные показания при измерениях в цепях постоян-
постоянного и переменного токов, так как в цепях переменного тока добав-
добавляются потери на гистерезис и на вихревые токи. Поэтому электро-
электромагнитные приборы, как правило, градуируют либо для постоян-
постоянного тока, либо для переменного. Для уменьшения погрешности от
гистерезиса сердечники некоторых приборов (класс 0,2) изготов-
изготовляют из специального сплава — пермаллоя с особо малым значением
коэрцитивной силы. Для исключения влияния внешних полей
у некоторых электромагнитных приборов применяют астатические
измерительные механизмы (см. рис. 2-4, а).
Для успокоения колебаний подвижной системы в электромаг-
электромагнитных приборах с плоской катушкой применяют воздушные ус-
успокоители, а в приборах с круглой катушкой — чаще магнитоин-
дукционные.
Достоинствами электромагнитных приборов являются: про-
простота конструкции; способность выдерживать большие перегрузки,
пригодность для постоянных и переменных токов, невысокая стои-
стоимость и возможность широкого использования в качестве щитовых
приборов.
Недостатки этих приборов — неравномерная шкала, влияние
внешних магнитных полей на показания приборов, малая чувстви-
чувствительность.
§ 2.7. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Принцип действия приборов электродинамической системы
основан иа механическом взаимодействии двух катушек с то-
токами. На рисунке 2-9 изображен измерительный механизм
электродинамического прибора
с воздушным успокоителем 3.
Неподвижная катушка / состоит
из двух секций (для создания
однородного поля) и навивается
обычно толстой проволокой.
Легкая подвижная катушка 2
помещается внутри неподвиж-
неподвижной и жестко скрепляется с
осью и стрелкой. Подвижная
катушка включается в измеря-
измеряемую цепь через спиральные
пружины, создающие проти-
противодействующий момент.
Если токи в катушках / и 2
принять равными соответственно Рис. 2-9
61

/х и /2l то их взаимодействие создаст вращающий момент Л1вр,
стремящийся повернуть подвижную катушку так, чтобы энергия
магнитного поля системы двух катушек стала наибольшей (до сов-
совпадения направлений полей). При этом поворот подвижной катушки
произойдет за счет энергии магнитного поля катушек. Тогда враща-
вращающий момент Мвр, действующий на подвижную катушку (§ 2.6),
можно представить в следующем виде:
Мвр = ^, B.9)
где Ц7М — энергия магнитного поля катушек; а — угол поворота
подвижной катушки.
Энергия магнитного поля системы двух катушек Wu склады-
складывается из энергий катушек и энергии, обусловленной их взаимной
индукцией
где Lj и L2 — индуктивность катушек; М12 — коэффициент их
взаимной индукции.
После подстановки выражения B.10) в B.9) получим:
dLl==dL2 = 0 и MBp = IJ,^.
°p da 2 da 2 da * 2 da
Так как L1 и L2 постоянны для данного прибора, то
~da~
Вообще говоря, —— = / (а) и сильно зависит от формы кату-
катушек. Положив, простоты ради, —- == const получим:
da
M3p = kJJ2. B.11)
Поворот подвижной системы будет происходить до наступления
равновесия между вращающим Мар и противодействующим Мпр
моментами, создаваемыми спиральными пружинами:
где к2 — жесткость пружины.
Окончательно имеем:
a = kljv B.12)
где k = —— постоянная данного прибора.
62

Отсюда следует, что угол поворота подвижной системы электро-
электродинамического прибора в случае постоянных токов пропорциона-
пропорционален произведению токов в его катушках.
В случае переменных токов, например /\ = lml sin u>t и /2 =
— /m2 sin (w?—if), мгновенный вращающий момент твр равен
а средний за период момент (после преобразований) равен
Mcp = V
1
= К ~? f *iM* =
, COS Ш.
При Мйр = Мар получим:
а =
cos ф.
B.13)
Пригодность электродинамических приборов для переменных то-
токов объясняется тем, что направления токов в обеих катушках изме-
изменяются на противоположные одновременно (или с постоянным сдви-
сдвигом по фазе), а следовательно, направление поворота подвижной
катушки остается неизменным. В зависимости от назначения при-
прибора катушки в нем могут быть соединены либо последовательно —
в вольтметре (рис. 2-10, а), либо параллельно — в амперметре
(рис. 2-10, б), либо в разные цепи — в ваттметре (рис. 2-10, в).
Из выражения вращающего момента B.11) следует, что изменение
направления тока в какой-либо одной из катушек приведет к изме-
изменению направления поворота подвижной системы на противополож-
противоположное. У вольтметров и амперметров взаимное соединение концов об-
обмоток сделано внутри прибора, а к зажимам прибора выведены
только два конца, подключаемые в цепь (включение ваттметра будет
рассмотрено ниже).
Шкалы электродинамических вольтметров и амперметров нерав-
неравномерны, так как токи в обоих катушках пропорциональны одной
и той же измеряемой величине: для вольтметра — ток в обоих ка-
катушках один и тот же, поэтому
11 = /2 = / и а - ft/2,
0-
0-г-
А
0-
W
5
Рис. 2-Ю
63

т. е. шкала неравномерная (квадратичная); для амперметра
где Rt и R2 — сопротивления подвижной и неподвижной катушек.
Откуда
но /t -f /2 = / и ——— = ku то
Точно так же и для /2:
тогда
т. е. шкала также квадратичная. Однако на практике добиваются
приблизительно равномерной шкалы в ее рабочей части подбо-
подбором взаимного расположения катушек и их формы.
На показания электродинамических приборов могут влиять
внешние магнитные поля, так как собственное поле катушек слабое.
Для устранения этого влияния применяют астатические измери-
измерительные механизмы (см. рис. 2-4, б).
Приборы электродинамической системы изготовляют и приме-
применяют в основном как переносные лабораторные приборы классов
точности 0,1; 0,2 и 0,5.
К достоинствам электродинамических приборов относятся:
большая точность, позволяющая применить их в лабораторной
практике как контрольные, и пригодность для измерения постоян-
постоянных и переменных токов, а к недостаткам — неравномерная шка-
шкала; большая чувствительность к перегрузкам (из-за наличия токо-
ведущих пружин); влияние внешних магнитных полей и высокая
стоимость.
§ 2.8. ФЕРРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Малое значение вращающего момента электродинамического
прибора может быть значительно увеличено введением магнитной
цепи из ферромагнитных материалов. Такие приборы получили
название ферродинамических.
Ферродинамический прибор состоит из стального сердечника 2,
на который насажена неподвижная катушка /, состоящая из двух
секций (рис. 2-11). В воздушном зазоре между сердечником и сталь-
стальным цилиндром 4 может вращаться подвижная катушка 3. Такой
прибор очень похож на магнитоэлектрический, в котором роль по-
постоянного магнита выполняет катушка с током.
64

Введение стального сердечника при-
приводит к значительному повышению чув-
чувствительности и ослаблению влияния
внешних магнитных полей, но вместе с
этим появляются потери на гистерезис
и вихревые токи, снижающие точность
приборов. Ферродинамические приборы
изготовляют классов точности 1,0 и 1,5.
§ 2.9. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ВАТТМЕТРЫ
Наличие двух катушек у электроди-
электродинамического прибора и возможность
включения их в две разные цепи поз-
позволяет использовать эти приборы для
измерения мощности электрического тока, т. е. как ваттметры.
Из выражения для угла поворота подвижной системы электро-
электродинамического прибора B.12) следует, что, если неподвижную ка-
катушку включить последовательно нагрузке z (рис. 2-12), а последо-
последовательно с подвижной катушкой включить добавочное сопротивле-
сопротивление Rjy так, чтобы эту катушку можно было включать параллельно
нагрузке, тогда ток в подвижной катушке равен
Рис. 2-11
Як + Яд
а =
IU = cIU = cP,
где RK — сопротивление катушки; U — напряжение на нагрузке;
с = постоянная данного прибора по мощности; Р—мощ-
Я+К
ность, потребляемая нагрузкой. Такой прибор называют ваттмет-
ваттметром. Его шкала равномерная.
Для измерения электрической мощности в цепях переменного
тока используют ваттметры активной и реактивной мощности.
Ваттметр активной мощности. Если в цепь подвижной катушки
включить активное добавочное сопротивление RA так, чтобы об-
общее сопротивление этой цепи R было
равно
тогда при напряжении и в сети и
при токе i в нагрузке г
и = Umsina>t,
i =/m sin (utf — ф),
ток t'i в подвижной катушке равен
Рис. 2-12
3 Заказ 5И4
65

Мгновенное значение вращаю-
вращающего момента в этом случае
равно
т
вр
¦ Ых1г =
Рнс. 2-13
— кг1т11т sin (at sin (со/ — ф),
а среднее за период значение
этого момента
^p=^
откуда
а = kJU cos ф = ktP.
Следовательно, ваттметр с активным добавочным сопротивлени-
сопротивлением в цепи подвижной катушки измеряет активную мощность цепи
переменного тока.
Полученный вывод имеет простое физическое объяснение. В са-
самом деле, если в цепь с индуктивностью включить амперметр, вольт-
вольтметр и ваттметр (рис. 2-13), то IU ф Р, так как подвижная система
вольтметра поворачивается под действием только приложенного
напряжения, независимо от фазы этого напряжения (точнее, под
действием тока в катушке, пропорционального приложенному
напряжению), а подвижная часть амперметра поворачивается под
действием только тока в катушке, независимо от фазы этого тока.
Что касается подвижной части (катушки) ваттметра, то она повора-
поворачивается только в том случае, когда токи в обеих катушках не рав-
равны нулю, иначе не будет взаимодействия. Но в рассматриваемой
цепи ток подвижной катушки it максимален, когда ток в цепи i
равен нулю, и наоборот. Прибор ничего не покажет. Этого и сле-
следовало ожидать, так как нагрузка г то запасает энергию в магнит-
магнитном поле, то возвращает в сеть.
Из графика токов данной цепи с индуктивностью (рис. 2-14) сле-
следует, что токи совпадают по направлению (на графике — по одну
сторону от оси времени) только в течение двух (через одну) четвер-
четвертей периода за период, а в две другие четверти периода токи имеют
противоположные направления. Это означает, что направление
вращающего момента ткр изменяется четыре раза за период. По-
Поэтому подвижная система ваттметра в течение периода будет ис-
испытывать действие четырех одинаковых по значению, но противо-
противоположных по направлению толчков и прибор ничего не покажет,
так как вращающий момент, действующий на подвижную систему,
определяется его средним значением за период.
Если же угол сдвига между токами невелик (рис. 2-15), то в те-
течение периода положительные значения вращающего момента
твр сильно превосходят отрицательные (по времени и по значениям)
и подвижная система ваттметра повернется под действием среднего
66

I I
Рис. 2-14
Рис. 2-15
значения Мср, реагируя на активную мощность, потребляемую
данной нагрузкой.
Итак, ваттметр показывает активную мощность, потребляемую
из сети.
Ваттметр реактивной мощности. В этом ваттметре последова-
последовательно с подвижной катушкой специально включается индуктивное
добавочное сопротивление xL (рис. 2-16) такое, что xL > Ro6u_
Пусть в цепи действует приложенное напряжение и = Um sin a>t
и нагрузка г создает ток
t =/m sin (otf — ф).
Тогда мгновенное значение вращающего
момента твр равно
где ток «1 в подвижной катушке можно
считать пропорциональным приложенному
напряжению и, но отстающим от него по
я
фазе на —:
Рис. 2-16
3*
67

После подстановки и преобразований получим:
= k^i = k2ImUm sin (oit — ф) sin (art — — \ = kJU (sin 2<at cos ф
— sin ф — cos 2<oi sin cp).
Среднее за период значение вращающего момента равно
mBp =
г
у
о
f m.f.dt = кгЮ sin Ф = k2Q. B.14)
о
Отсюда и следует, что ваттметр с индуктивным сопротивлением в
цепи подвижной катушки показывает реактивную мощность цепи
переменного тока. Такой вывод объясняется просто: в случае, на-
например, чисто индуктивной нагрузки, когда из сети безвозвратно
не потребляется энергия, такая схема искусственно сдвигает фазу
тока в подвижной катушке до совпадения с фазой тока в неподвиж-
неподвижной, поэтому ваттметр показывает значение реактивной мощности.
Итак, у электродинамического ваттметра две катушки: одна —
токовая, включаемая последовательно нагрузке, другая— катуш-
катушка напряжения, включаемая параллельно нагрузке, потребляемую
мощность которой необходимо измерить.
Для правильного включения прибора (чтобы стрелка отклоня-
отклонялась в нужную сторону) один из зажимов его обмотки помечают
звездочкой (*); эти зажимы ваттметра называют генераторными. Их
следует подключать к тому зажиму нагрузки, который соединен
с генератором (сетью).
§ 2.10. ОДНОФАЗНЫЙ ФАЗОМЕТР
Прибор, предназначенный для непосредственного измерения
угла сдвига фаз между током и напряжением или коэффициента мощ-
мощности cos (p, называют фазометром. В настоящее время наибольшее
распространение получили фазометры электродинамической си-
системы.
Фазометр состоит из неподвижной катушки К. (ее часто делают
в виде двух секций), соединенной последовательно с нагрузкой г
(коэффициент мощности которой необходимо измерить), и двух по-
подвижных катушек Ki и /С2, помещенных внутри неподвижной
(рис. 2-17, а). Подвижные катушки жестко скреплены между собой
под некоторым углом, например 90°, и укреплены на общей оси,
образуя подвижную систему прибора вместе со стрелкой. Обе по-
подвижные катушки подключаются параллельно нагрузке, но одна
(Ki) — через активное сопротивление R, а другая (/С2) — через
большое индуктивное сопротивление xL. Противодействующих пру-
пружин фазометр не имеет, поэтому у отключенного прибора его по-
подвижная система вместе со стрелкой занимает любое положение.
68

а
5 7,
Рис. 2-17
Чтобы вывести зависимость угла поворота подвижной системы
фазометра от значения угла сдвига фаз между током и напряжением,
построим его векторную диаграмму (рис. 2-17, б). Для этого произ-
произвольно расположим вектор напряжения U. Пусть ток в цепи / от-
отстает от напряжения на угол сдвига фаз ср, магнитный поток Ф,
создаваемый этим током нагрузки, совпадает с последним по фазе.
Ток It в катушке /Ci совпадает по фазе с напряжением U (цепь с
активным сопротивлением), а ток /2 в катушке Кг отстает по фазе
от напряжения на угол 90°.
При включении фазометра в цепь на подвижные катушки начнут
действовать силы F1 и F2 (рис. 2-18), стремящиеся повернуть соот-
соответствующие им катушки в противоположные стороны (эти катушки
соединены внутри прибора так специально). Значения этих сил
можно определить, пользуясь векторной диаграммой:
Fx = kljCfr cos (IjQ)) = klt<$> cos ф;
F2 = kl/b cos (/2Ф) = ?/2Ф sin ф.
Из рисунка 2-18 видно, что
вращающие моменты, действую-
действующие на подвижные катушки,
равны соответственно
Мг =FJ cos (90° — а) = F t/ sina,
M2 = F2t cos a.
Подставив выражения для сил
Fj и F2 из соотношения B.15),
получим:
Mi = kl$>l cos ф sin a; J/2 \ g\ u
M2 = й/2Ф/зтфСО5а./ '
Под действием вращающих
моментов противоположного на- Рис. 2-18
B.15)
69

правления подвижная система начнет поворачиваться в сторону
большего вращающего момента, пока не наступит равновесие
(Mi = М2):
kljOl cos ср sin a = к12Ф1 sin <p cos а,
отк) да
sin a /2sin <p
cos a /, cos ф
Если подобрать R = xL, т. е. /2 = /2, то
tga = tgq>,
откуда
« = Ф, B.17)
т. е. угол поворота подвижной системы фазометра определяется
углом сдвига фаз в цепи нагрузки между током и напряжением.
Полученный вывод имеет следующее физическое объяснение.
Обратимся к схеме фазометра (см. рис. 2-17, а). Если отключить
цепь катушки Кг, то фазометр превратится в ваттметр активной
мощности (без противодействующего момента), так как последова-
последовательно с подвижной катушкой К.\ включено большое активное со-
сопротивление R. Если же отключить цепь катушки /Сг, то фазометр
превратится в ваттметр реактивной мощности, так как последова-
последовательно с катушкой К,2 включено большое индуктивное сопротивле-
сопротивление xL, причем их вращающие моменты противоположны по направ-
направлению. Таким образом, фазометр представляет собой прибор, в
котором объединены два ваттметра (активной и реактивной мощ-
мощности), имеющие общую подвижную систему.
При включении фазометра в цепь активной нагрузки вращающий
момент, действующий на катушку /С2, будет равен нулю (реактив-
(реактивная мощность равна нулю), а вращающий момент, действующий
на катушку К\, будет максимальным; катушка повернется так, что
ее плоскость совпадет с плоскостью неподвижной катушки (проти-
(противодействующего момента нет) и стрелка установится против край-
крайнего деления шкалы, соответствующего ср = 0 (cos ф = 1).
При включении фазометра в цепь с индуктивностью вращающий
момент, действующий на катушку К1г равен нулю (активная мощ-
мощность равна нулю), а вращающий момент, действующий на катушку
Л^, будет максимальным (в ней ток и напряжение совпадут по фа-
фазе), катушка повернется так, что ее плоскость совпадет с плос-
плоскостью неподвижной катушки. Но так как в этой катушке витки
навиты в противоположную сторону по сравнению с катушкой Klt
то стрелка прибора повернется в противоположную сторону до дру-
другого крайнего деления шкалы, соответствующего ф == 90° (cos q> =
= 0). И наконец, если нагрузка потребляет равные активную и
реактивную мощности, то подвижная система займет среднее (сим-
(симметричное) положение относительно неподвижной, а стрелка при-
70

бора займет положение оси неподвижной катушки против деления
шкалы, соответствующего <р = 45° и т. д.
Из соотношения B.17) следует, что если проградуировать шкалу
фазометра в значениях угла ф, то шкала такого прибора будет рав-
равномерной. Однако на практике чаще интересуются не углом ф, а
коэффициентом мощности (cos ф). Градуировка шкалы в значениях
cos ф делает ее сильно неравномерной. Для получения более равно-
равномерной шкалы нужно катушки К\ и /B расположить под углом 60°
(а не 90°) либо сопротивления R и xL подобрать так, чтобы токи
ft и /2 не были равными. Например, если сопротивления R и xL
выбрать так, чтобы It = У^З/2, то tg а = -~=г, т. е. шкала станет
У 3
более равномерной.
Из соотношения а = ф следует также, что при перемене знака
(при изменении характера нагрузки) направление отклонения
стрелки прибора изменится на противоположное. Значит, если ну-
нулевое деление шкалы (cos ф = 1) расположить в ее середине, то по
направлению отклонения стрелки можно судить и о характере на-
нагрузки. На половинах шкал таких фазометров обычно ставят зна-
знаки «ЕМК» и «ИНД», соответствующие емкостному или индуктивно-
индуктивному характеру нагрузок. Вместе с тем на практике встречаются при-
приборы, у которых для увеличения длины шкалы нулевое деление
ставят в начале. Такой прибор снабжается специальным переклю-
переключателем для измерения cos ф емкостной или индуктивной нагрузки.
Шкалы таких приборов обычно градуируют одновременно в значе-
значениях угла ф и в значениях cos ф.
§ 2.11. ОДНОФАЗНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Принцип действия приборов индукционной системы основан на
взаимодействии переменного магнитного потока с индукционным
током. В настоящее время промышленность выпускает лишь индук-
индукционные счетчики электрической энергии. Поэтому при изучении
приборов индукционной системы ограничимся рассмотрением толь-
только такого счетчика. При этом отметим, что индукционные приборы
по принципу их действия пригодны лишь для переменных токов,
так как в диске или цилиндре ток может индуцироваться лишь
действием переменного магнитного потока.
Если на пути переменного магнитного потока поместить, напри-
например, край алюминиевого диска, способного вращаться вокруг не-
некоторого центра, то в диске будет наводиться переменный индук-
циоиный ток, взаимодействующий с этим потоком. Однако, применив
правило левой руки, легко убедиться, что результирующая сила,
действующая на диск, равна нулю. В результате взаимодействия
ток будет растйгиваться (или сниматься). Поэтому для создания
вращающего момента часто используют два магнитных потока,
71

сдвинутых относительно друг друга по фазе на некоторый (напри-
(например, на —) угол. При этом осуществляется взаимодействие потоков
с «чужими» (а не «со своими») индукционными токами.
Индукционный счетчик имеет две катушки с сердечниками: то-
токовую и катушку напряжения.
Токовую катушку (рис. 2-19, а) навивают толстым проводом на
стальной сердечник и включают последовательно с нагрузкой. Маг-
Магнитный поток Фу в ней пропорционален току нагрузки.
Катушку напряжения (рис. 2-19, б) обычно навивают большим
числом витков тонкого провода на стальной сердечник. Индуктив-
Индуктивное сопротивление xL этого электромагнита несравненно больше
активного R {xL^> R), поэтому эту цепь можно считать чисто
индуктивной (ток /у в катушке напряжения отстает по фазе на —].
Край алюминиевого диска одновременно пронизывается обоими
потоками: дважды — потоком Ф; токовой катушки и один раз —
потоком Фу катушки напряжения (рис. 2-20). Эти потоки индуци-
индуцируют в диске токи /д, н I и соответственно. При этом происходит
взаимодействие: ток /дУ взаимодействует с потоком Ф; (рис. 2-21, а),
а ток /д/ — с потоком Фи (рис. 2-21, б). Направление индукцион-
индукционных токов /д{/ и /д/ зависит от того, возрастает или убывает создаю-
создающий в данный момент поток. Это надо учесть при определении на-
направления действующих на диск сил Fx и F2. Учитывая изменения
токов /д/ и /д[; (рис. 2-22), используя правило Ленца и применяя
правило левой руки, находим, что силы Fx и F2, создающие вращаю-
вращающий момент, имеют одинаковое направление — от опережающего
потока к отстающему. Найдем значения этих сил.
По закону Ампера
F = BtI sin a,
где В = —, sin а = 1; В и / — переменные величины. Тогда
мгновенное значение силы / равно
/ = «Ф, B.19)
где с = —. Для сил /j и /2 можно записать:
Построим векторную диаграмму (рис. 2-23). За основной вектор при-
примем вектор приложенного напряжения U. Пусть нагрузка такова,
что ток / отстает по фазе от напряжения на некоторый угол ф. Этот
ток создает в электромагните магнитный поток Ф;, совпадающий с
72

ft
4
4,
1
r—
Л1
«к
^ V I
Рис. 2-19
И В Ш
V
Фи
Диск
Рие. 2-20
l-ф, )
Рис 2 21
II
Рис 2 22
73

ним по фазе. Магнитный поток Ф; индуцирует в диске ЭДС § г
которая, как известно*, отстает по фазе от потока на 90°. Под дей-
действием этой ЭДС в диске возникает индукционный ток / 7. Если
предположить сопротивление материала диска чисто активным,
то /д/ и SAl совпадут по фазе.
Катушку напряжения, имеющую большое число витков и сталь-
стальной почти замкнутый сердечник, можно рассматривать как чисто
индуктивную нагрузку. Поэтому ток в этой катушке 1Ц можно
считать «отстающим» по фазе напряжения U на 90°. Этот ток созда-
создает магнитный поток Фи, совпадающий с ним по фазе. Магнитный
поток Фу, в свою очередь, наводит в диске ЭДС индукции Sд[/, от-
отстающую от него по фазе на 90°. Под действием ЭДС ?Аи в диске
возникает индукционный ток /ди, совпадающий по фазе с ЭДС S ц.
На основании векторной диаграммы можно записать:
sin И - я) = - /дит sin at;
Ф7 = Ф/т sin (©f — ф);
тогда
fi = — с,/дСЛя sin at ¦ Ф1т sin (at — Ф);
T
F1 = — Г ftdt = с,' Я/ cos Ф; B.21)
о
/2 = сг1 - sin j со/ ф) ¦ фу sin | at ——);
r
F, = — i* /2Л = c'/f/ cos m. B.22)
о
Значение результирующей силы F, действующей на диск, равно
F = F, -f F2 = (с; + Ф /t/ cos ф, B.23)
а вращающего момента, действующего на диск,
Мвр = Fd = с'Ю cos ф = t/P, B.24)
аФ / п'.
* Если Ф = Фт sin wt, то е = — — = Sms'm Itot — —).
74

где с' = (с; + с2) d. Под дей-
ствием вращающего момента
диск пришел бы в ускоренное
вращение и число оборотов не
соответствовало бы израсходо-
израсходованной электрической энергии,
поэтому необходимо наличие
противодействующего момента.
Противодействующий момент
в индукционном счетчике созда-
создается действием поля постоянно- Рис. 2-24
го магнита и электромагнитов
на движущийся край диска (рис. 2-24):
Млр = c"v = cnRn = d"n,
где с" — постоянный коэффициент, учитывающий толщину, материал
диска и индукцию поля постоянного магнита; v — значение линей-
линейной скорости движения диска; R — радиус диска; d" — коэффи-
коэффициент, постоянный для данного прибора.
Движение диска станет равномерным, когда вращающий и про-
противодействующий моменты окажутся равными
d"n = с'Р.
Умножим обе части последнего равенства на промежуток вре-
времени t
d"nt = dPt,
где nt = N — число оборотов за время t, Pt — электрическая энер-
энергия за то же время t. Тогда
N^^Pt^cW, B.25)
где с — постоянная счетчика; W — энергия, израсходованная на-
нагрузкой за время t.
Таким образом, число оборотов N диска индукционного прибора
пропорционально израсходованной электрической энергии. Такой
прибор называют индукционным счетчиком электрической энергии.
Схематически устройство индукционного однофазного счетчика
показано на рисунке 2-25. Легкий алюминиевый диск Д укреплен на
вертикальной оси. Диск связан со счетным механизмом через чер-
червячную передачу (на схеме не показано). На некотором расстоянии
от центра диска расположены два- неподвижных электромагнита:
М, и Ми. Электромагнит М, имеет вид опрокинутой буквы П. По
его обмотке проходит весь ток нагрузки. Магнитный поток Ф7
этого электромагнита дважды пронизывает диск в противополож-
противоположных направлениях, замыкаясь через воздух.
Электромагнит Mv имеет вид перевернутой буквы Б. Его обмот-
75

Рис. 2-25
ка рассчитана на напряжение сети и включается параллельно на-
нагрузке. Магнитный поток Ф этого электромагнита разветвляется
и частично (Фу) пронизывает диск в одном направлении, а частич-
частично (Ф^) замыкается через средний стержень с регулируемым воз-
воздушным зазором. Этот стержень называют магнитным шунтом для
потока Ф.
Система двух электромагнитов создает вращающий момент.
Противодействующий момент, пропорциональный скорости враще-
вращения диска, создается электромагнитами и постоянным магнитом М.
Наведенный полем этого магнита, индукционный ток в диске, взаи-
взаимодействуя с создавшим его потоком, препятствует (в соответствии
с законом Ленца) этому вращению, в результате создается противо-
противодействующий момент.
Счетчик регистрирует энергию в электрических единицах. Об
израсходованной энергии судят по разности показаний счетного
механизма за интересующий промежуток времени. У включенного
счетчика обмотка напряжения постоянно находится под напряже-
напряжением сети, и этим объясняется гудение счетчика даже при отклю-
отключенной нагрузке.
Для характеристики счетчика введены следующие параметры:
W Pt
1. Действительная постоянная счетчика С = — = —пред-
N N
ставляет собой значение электрической энергии в ватт-секундах,
76

действительно израсходованной за время одного оборота диска; С
зависит от нагрузки; определяют ее по показаниям контрольных
приборов при разных нагрузках.
2. Номинальная постоянная счетчика Сн—это количество
электроэнергии, которое учитывает счетный механизм за время
одного оборота диска. На практике часто применяют величину,
обратную номинальной постоянной счетчика
/!„ — — =¦
" С„ 1кВт
называемую передаточным числом счетчика. Передаточное число —
число оборотов диска, соответствующее израсходованной энергии
в 1 кВт (или 1 гВт-ч); указывается оно на щитке счетчика.
3. Относительная погрешность счетчика
Д= Г'~^ 100%,
где Wx — учтенная счетчиком энергия и W2 — действительно из-
израсходованная энергия (вычисленная по показаниям точных при-
приборов).
Так как Wt = CaN иГ, = CN, то
h=C"~C . 100%.
С
W С
4. Поправочный коэффициент k = —- = число, на которое
надо умножать показание счетчика, чтобы получить действительно
израсходованную энергию W2-
5. Чувствительность счетчика а = ^ • 100% = — • 100%—
наименьший ток или мощность, выраженные в процентах от номи-
номинального, при которых счетчик работает безостановочно при номи-
номинальном напряжении.
6. Самоход счетчика — вращение диска более 1 оборота при от-
отключенной нагрузке.
Счетчики электрической энергии должны удовлетворять сле-
следующим нормам:
1) счетчик не должен иметь самохода при напряжении от 90 до
110% номинального;
2) погрешность счетчика не должна превышать его класс точ-
точности при нагрузках 25, 50, 75 и 100% номинальной;
3) счетчик класса точности 2,5 должен иметь чувствительность
не более 2%.
Для регулировки подвижной системы счетчика применяют сле-
следующие меры:
77

а) для регулировки потока электромагнита от обмотки напря-
напряжения изменяют положение магнитного шунта этого электро-
электромагнита;
б) для регулировки потока от токовой катушки на последнюю
навивают несколько витков, замкнутых на проволоку с большим
удельным сопротивлением в виде петли, и надевают несколько тон-
тонких короткозамкнутых алюминиевых колец (индукционный ток в
короткозамкнутых обмотках и витках размагничивает электромаг-
электромагнит). Для грубой регулировки потока разрезают кольца, после чего
регулировку осуществляют плавным изменением длины проволоч-
проволочной петли;
в) для регулировки скорости вращения диска изменяют расстоя-
расстояние постоянного магнита от оси вращения, что приводит к измене-
изменению значения противодействующего момента.
Наряду со счетчиками активной энергии на практике широко
применяют счетчики реактивной энергии, принцип действия кото-
которых рассмотрен отдельно (см. § 2.18 и § 2.19).
§ 2.12. ОММЕТРЫ
Приборы, предназначенные для непосредственного измерения
сопротивлений, получили название омметров. Поясним принцип
действия омметра.
Электрическая схема простейшего омметра изображена на ри-
рисунке 2-26. В цепь магнитоэлектрического прибора (измерителя)
включены резистор переменного сопротивления R и источник по-
постоянного тока S (например, один элемент от батареи карманного
фонаря). Так как малому сопротивлению соответствует большой
ток (и наоборот), то для нахождения положения нулевого деления
на шкале накоротко замыкают зажимы 33 и перемещением движка
резистора R добиваются наибольшего отклонения стрелки. Это по-
положение стрелки соответствует нулевому делению шкалы. Затем
поочередно к зажимам 33 подключают известные сопротивления,
отмечая всякий раз их значения против положения стрелки. Так из-
изготовляется шкала, на которой фактически против определенных
значений тока наносят соответствующие этим токам при данном на-
напряжении сопротивления. Отсчет ведется по такой шкале справа
налево, а так как по закону Ома между током и сопротивлением су-
существует обратная пропорциональная
К^ /»*\ 3 зависимость, то шкала такого прибора
""* (омметра) неравномерная. Она сильно
сжата у конца, соответствующего боль-
большим значениям сопротивлений.
В выпускаемых промышленностью
омметрах резистор переменного сопро-
сопротивления, а иногда и источник тока
вмонтированы внутри приборов. Перед
Рис. 2-26 измерениями зажимы для подключения
78

мш
Рис. 2 27
измеряемых сопротивлений закорачива-
закорачивают и перемещением движка резистора
переменного сопротивления стрелка ом-
омметра устанавливается на нуль. Это
необходимо делать всякий раз, так как
ЭДС источника уменьшается по мере
эксплуатации прибора.
В некоторых омметрах установка
стрелки на нуль осуществляется с по-
помощью магнитного шунта МШ (рис. 2-27).
Здесь при использовании новой батареи
(когда ЭДС ее максимальна) значитель-
значительная часть магнитного потока замыкает-
замыкается через стальную пластинку — через
магнитный шунт МШ, минуя воздушный зазор, в котором на-
находится рамка. По мере уменьшения ЭДС батареи магнитный шунт
смещают в сторону так, что магнитный поток, замыкающийся через
воздушный зазор, возрастает. Так поддерживают значение вращаю-
вращающего момента, действующего на рамку и обеспечивающего отклоне-
отклонение стрелки на всю шкалу при коротком замыкании зажимов ом-
омметра Rx. После того как стрелка омметра установлена на нуль,
прибор подключают к тому участку (или к концам той детали),
сопротивление Rx которого хотят измерить.
Кратко рассмотрим простейшие омметры М-57 и М-471.
В омметре-пробнике М-57 (рис. 2-28) источник тока (батарею
КБС) вставляют внутрь прибора. Установку нуля осуществляют
Рис 2-28
79

магнитным шунтом (ручка ре-
регулятора выведена на заднюю
стенку).
В омметре М-471 (рис. 2-29)
источник тока подключают к
зажимам Б и при нажатой
кнопке К (цепь измеритель-
источник тока замкнута) ус-
установку стрелки на нуль осу-
осуществляют вращением ручки
МШ — регулятора магнитно-
магнитного шунта. Резистор измеряемого сопротивления Rx подключают к
зажимам /—2 или 1—3.
Для измерения изоляции обмоток приборов, машин, кабелей и
очень больших сопротивлений применяют мегомметры (меггеры), с
помощью которых можно измерять сопротивления до 100 МОм.
Принципиально это такие же омметры, но вместо батареи они снаб-
снабжены маленькими генераторами постоянного тока с ручным приво-
приводом, дающими напряжение до 500 В (рис. 2-30).
Рис 2 30
§ 2.13. ЛОГОМЕТРЫ
Логометры — электроизмерительные приборы, у которых поло-
положение подвижной системы определяется отношением токов, проте-
протекающих по двум отдельным обмоткам.
Логометры могут быть разных систем. Наибольшее распростра-
распространение получили логометры магнитоэлектрической, электродинами-
электродинамической и электромагнитной систем.
В отличие от обычных приборов, у логометров нет устройства
для создания противодействующего момента. При отключенном
приборе положение его подвижной системы безразлично, а при вклю-
включенном приборе на подвижную систему действуют два противопо-
противоположно направленных вращающих момента. Подвижная система
поворачивается в сторону большого момента до тех пор, пока оба
момента не сравняются.
В магнитоэлектрическом логометре
(рис. 2-31) неподвижная часть состоит
из постоянного магнита со стальными
полюсными наконечниками и цилиндра
из мягкой стали. Вокруг цилиндра мо-
могут поворачиваться две жестко связан-
связанные между собой рамки, укрепленные
на оси со стрелкой. Токи в рамках соз-
создают два противоположно направлен-
направленных вращающих момента.
Магнитное поле в воздушном зазоре
специально делают неоднородным (нера-
Рис 2 31 диальным). Это можно достигнуть, если
80

цилиндру или полюсным наконечникам придать специальную
форму. В этом случае вращающие моменты оказываются
зависимыми от положения подвижной системы. При пово-
повороте подвижной системы в сторону большого момента мо-
момент одной рамки возрастает, в то время как момент дру-
другой рамки уменьшается. Поэтому поворот происходит до
тех пор, пока моменты не окажутся равными при данном соот-
соотношении токов в рамках. Причем при одновременном и одинаковом
изменении токов в рамках точно так же изменяются и вращающие
моменты, оставаясь по-прежнему равными. Следовательно, поло-
положение подвижной системы логометра не зависит от абсолютных зна-
значений токов в рамках, а определяется отношением токов в них.
Магнитоэлектрические логометры часто используют как оммет-
омметры и мегомметры для непосредственного измерения сопротивлений.
В логометрах электродинамической и ферродинамической си-
систем происходит взаимодействие токов в рамках с полем неподвиж-
неподвижной катушки. Если логометры работают в цепях переменного тока,
то положение подвижной системы определяется не только отноше-
отношением токов в подвижных катушках, но и отношением сдвигов фаз
между этими токами и током неподвижной катушки. Это позволяет
использовать логометры электродинамической и ферродинамиче-
ферродинамической систем в качестве фазометров, частотометров и т. д.
Логометры получили широкое практическое применение как
щитовые, переносные и регистрирующие приборы.
§ 2.14. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Термоэлектрический прибор — это совокупность термопары с
подогревателем и магнитоэлектрического измерителя (индикатора).
Такие приборы предназначены для измерения слабых переменных
токов. Измеряемый ток проходит через подогреватель Я
(рис. 2-32, а) и нагревает его. К подогревателю прикреплен или нахо-
находится вблизи него спай термопары Т. ЭДС термопары создает ток,про-
ток,проходящий через магнитоэлектрический измеритель (прибор). Таким об-
образом, показания термоэлектрического прибора пропорциональны
мощности, расходуемой на нагревание подогревателя (т. е. дейст-
действующему значению квадрата тока в нем). Стало быть, шкала такого
прибора почти квадратична. Условное обозначение прибора изобра-
изображено на рисунке 2-32, б. ^^^
В наиболее точных приборах (до 100 — rvOl /""Ч
150 мА) для ограничения потерь тепла ^-"^ f |
подогреватель вместе с термопарой поме- I \ш,\
щают в вакуумный стеклянный баллон. ч. г Л а а
Это значительно повышает чувствитель- -, \^ - \/
ность термоэлемента. Внешний вид одного П
из термомиллиамперметров изображен на Я "
рисунке 2-33. Рис. 2-32
81

Рис. 2-33
§ 2.15. ДЕТЕКТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
Детекторные приборы — это совокупность выпрямителя, назы-
называемого детектором, и магнитоэлектрического измерителя. Такое
сочетание вызвано необходимостью измерений малых токов и напря-
напряжений переменного тока. Приборами наиболее высокой чувствитель-
чувствительности и точности являются магнитоэлектрические приборы, но они
непригодны для переменных токов, поэтому измеряемые переменные
ток пли напряжение выпрямляются с помощью специального вы-
выпрямителя, а затем измеряются магнитоэлектрическим прибором.
Возможные схемы измерителей совместно с детекторами приве-
приведены на рисунке 2-34. Схему с однополупериодным выпрямлением
(рис. 2-34, а) применяют только для вольтметров, так как последо-
последовательное включение детектора с нагрузкой значительно изменяет
сопротивление цепи и проводит ток только в одну сторону. Схема,
изображенная на рисунке 2-34, б, ие нарушает режима цепи, так
как ток при обоих направлениях проходит равные сопротивления
измерителя и резистора, поэтому по такой схеме можно включать
82

0—11
—W—vyn
-к}-с=И
a 5
Рис. 2-34
и вольтметры, и амперметры. Однако применение однополупериод-
ных схем снижает значение вращающего момента.
Наибольшее распространение получила мостовая схема с двух-
полупернодным выпрямителем (рис. 2-34, в). Если подобрать здесь
все четыре детектора одинаковыми, то сопротивления переменному
току по обоим направлениям будут также одинаковыми. Через при-
прибор проходит ток в обе половины периода в одном направлении,
вдвое увеличивая значение вращающего момента.
Детекторные приборы широко применяют для измерений пере-
переменных токов и напряжений и часто используют в комбинированных
приборах — авометрах (ампервольтомметрах).
В отличие от приборов переменного тока всех других систем
детекторные приборы измеряют среднее, а не действующее значе-
значение переменного тока и напряжения. Градуируют шкалы этих при-
приборов в действующих значениях, поэтому детекторные приборы не
пригодны для измерений в цепях несинусоидальных токов.
§ 2.16. ШКОЛЬНЫЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Внешний вид школьных демонстрационных приборов (ампермет-
(амперметра, вольтметра и ваттметра) изображен на рисунке 2-35.
По своему устройству и принципу работы демонстрационные ам-
амперметр и вольтметр одинаковы. Оба они магнитоэлектрической
системы, а отличаются сопротивлением рамок, элементами схемы и
начертанием шкал. На задние стенки приборов выведены коррек-
корректоры для установки стрелки в начальное положение.
Демонстрационный амперметр используют для измерения по-
постоянного и переменного токов, а также и как чувствительный
гальванометр для обнаружения тока и его направления в различных
опытах по физике.
Электрическая схема прибора изображена на рисунке 2-36.
Рамка измерителя содержит 500 витков изолированного медного
провода диаметром 0,05 мм. Сопротивление прибора на зажимах
гальванометра — около 385 Ом. При подключении прибора к за-
зажимам «Гальванометр» ток проходит непосредственно через изме-
измеритель и прибор используют как чувствительный к току гальвано-
гальванометр B-10~3 Л/дел.). В этом случае устанавливают шкалу с нулем
в середине E — 0 — 5). Столь большое число витков рамки (при
83

Рис. 2-35
Гальванометр
Рис. 2-36
большом сопротивлении ее) выбрано с тем, чтобы при малом токе
получить должный вращающий момент.
При измерениях постоянных токов к зажиму «Общ.» подклю-
подключают прилагаемые к прибору шунты 0—3 или 0—10 Л, при измере-
измерениях переменных токов прибор подключают к зажимам «Общ —~»
с теми же шунтами, но с другими шкалами @—3 и 0—10 А
для переменного тока). В этом случае последовательно с измерите-
измерителем И включены резистор Rx и детектор (диод) Д. Последний про-
пропускает ток только в одном направлении: от диода к измерителю
(однополупериодное выпрямление).
Демонстрационный вольтметр служит для измерения напряже-
напряжений в цепях постоянного @—5 и 0—15 В) и переменного @—15 и
0—250 В) токов, а также в качестве чувствительного гальвано-
гальванометра.
Электрическая схема прибора приведе-
приведена на рисунке 2-37. Рамка измерителя со-
содержит 40 витков медного изолированного
провода диамегром 0,23 мм, сопротивление
прибора на зажимах гальванометра — око-
около 2,3 Ом. При подключении прибора к за-
зажимам «Гальванометр» он используется
как чувствительный к напряжению
E• 10~3 В/дел.) гальванометр со шкалой в
условных единицах и с нулем в середине
E—0—5). Малое число витков рамки (при
малом ее сопротинлении) выбрано с тем,
чтобы при малых напряжениях получить
достаточный ток для создания должного
Рис. 2-37 вращающего момента.
84
Гальванометр

При измерениях в цепях постоянного
тока (зажимы «Общ. Ь») применяют
прилагаемые к прибору дополнительные
сопротивления с соответствующими шка-
шкалами (на 5 и 15 В соответственно). До-
Дополнительные сопротивления при этом
включаются последовательно с измерителем
И через зажим «+».
При измерениях напряжений в цепях пе-
переменного тока прибор подключают к зажи-
зажимам «Общ.» через дополнительные сопротив-
сопротивления со шкалами 0—15 и 0—250 В соответственно. Измеритель И
при этом оказывается включенным через гасящий резистор R и
через детекторы (диоды) Дг и Дг. Диод Дг пропускает через изме-
измеритель И ток только в одном направлении (однополупериодное
выпрямление): от диода Дх — к измерителю. Диод Дг служит для
замыкания цепи при отрицательных полупериодах измеряемого
переменного напряжения. Такая схема шунтирует диод Дх от боль-
большого обратного напряжения.
Демонстрационный ваттметр служит для измерения активной
мощности в цепях переменного тока в школьном физическом экспе-
эксперименте. В приборе использован механизм ферродинамической си-
системы. Электрическая схема ваттметра изображена на рисунке
2-38.
Токовая обмотка рассчитана на измеряемый ток до 1 А и имеет
отвод на 5 Л. Обмотку напряжения включают через добавочные
резисторы на 30, 150 и 300 В, подключаемые к зажиму «{/». Зажи-
Зажимы */ и *U (помеченные звездочками) являются генераторными.
Для успокоения колебаний подвижной системы в ваттметре при-
применен магнитоиндукционный успокоитель, состоящий из алюминие-
алюминиевой секторообразной пластины, колеблющейся в поле постоянного
магнита.
Школьные демонстрационные приборы совместно с соответствую-
соответствующими учебными таблицами служат также для изучения принципов
работы приборов магнитоэлектрической и ферродинамической си-
систем.
§ 2.17. ПОНЯТИЕ О ЦИФРОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ
В современной измерительной технике все большее распростра-
распространение получают цифровые измерительные приборы, в которых ре-
результат измерения выдается на световом табло в виде числа (рис.
2-39). Эти приборы удобны в обращении и позволяют быстро и
точно производить измерения. Существующие цифровые измери-
измерительные приборы, как правило, универсальны. Они позволяют
измерять постоянные и переменные напряжение и ток, сопротивле-
сопротивление, емкость, индуктивность, добротность, частоту, сдвиг фаз,
временные интервалы. Результаты измерений цифровых приборов
85

Рис. 2-39
удобно регистрировать с помощью цифропечатающего устройства,
а благодаря их быстродействию (до 105 — 10е измерений в секунду)
результаты измерений можно вводить в вычислительную машину
или другие автоматические системы.
К недостаткам цифровых измерительных приборов следует от-
отнести их сложность, высокую стоимость, большие габариты и массу.
Однако будущее за этими приборами: использование схем на тон-
тонкопленочных резисторах, усилителей на интегральных схемах, при-
применение сменных унифицированных блоков и т. д. позволят зна-
значительно уменьшить массу и габариты прибора, повысить точность
и расширить пределы измерения.
Принцип работы цифровых измерительных приборов состоит
в том, что они преобразуют непрерывную измеряемую величину в
дискретный сигнал (в числовой код), а затем отсчетное устройство
(устройство индикации) воспроизводит значение измеряемой ве-
величины в цифровой форме.
Существует несколько методов преобразования непрерывной
величины в дискретную, из которых наибольшее распространение
получил метод число-импульсного кодирования. Этим методом изме-
измеряемая величина преобразуется в пропорциональное ей число им-
импульсов, которое подсчитывается цифровым электронным счетчи-
счетчиком. Электронные счетчики счет импульсов ведут, как правило, в
двоичной системе счисления. В этой системе, как известно, можно
записать любое число комбинацией двух цифр: 0 и 1. Применение
двоичной системы счисления в цифровых приборах обусловлено
тем, что для записи чисел в ней нужны элементы, имеющие всего
два устойчивых состояния (например, включено — выключено),
которые можно принять из цифры 0 и 1.
В цифровых измерительных приборах результат измерения,
полученный в двоичной системе счисления, с помощью специального
86

Рис. 2-40
УУ
„Запуск"
ГЛИН
СУ
ГОЧ
СЧ
УУ
„С5/зос"
I 1^—^
устройства— дешифратора — пе-
переводится в десятичную сис-
систему, а затем выдается на све-
световое табло.
В качестве примера рассмот-
рассмотрим несколько подробнее прин-
принцип работы цифрового вольт-
вольтметра с число-импульсным ко-
кодированием. Структурная схема
цифрового вольтметра, в кото-
котором измеряемая величина пре-
преобразуется во временной интер-
интервал (время-импульсное кодиро-
кодирование), изображена на рисунке
2-40, а временные диаграммы,
поясняющие его работу, — на
рисунке 2-41.
Измеряемое постоянное нап-
напряжение их (или преобразован-
преобразованное с помощью преобразователя
переменное ~ LJX) через соот-
соответствующий делитель подается
на сравнивающее устройство
СУ. В некоторой момент време-
времени tx управляющее устройство
УУ посылает команду «Запуск»
в виде короткого импульса, ко-
которым запускает генератор ли-
линейного пилообразного напря-
напряжения ГЛИН. Линейно нарас-
нарастающее напряжение ил вместе
с измеряемым напряжением пос-
поступает на сравнивающее устрой-
устройство СУ. Последнее своим пря-
прямоугольным импульсом совместно
с запускающим импульсом уп-
управляющего устройства УУ от-
открывает электронный ключ /С. Начиная с этого момента времени
импульсы образцовой частоты f0 (например, 1 МГц) от генератора
ГОЧ начинают проходить через ключ К. в счетчик импульсов
СЧ, который также открыт запускающим импульсом управляю-
управляющего устройства УУ.
В момент /а, когда пилообразное напряжение ия окажется рав-
равным измеряемому Ux, сравнивающее устройство СУ подает сигнал
(конец прямоугольного импульса) на закрытие электронного клю-
ключа К- Счет импульсов счетчиком СЧ прекратится. При этом число
импульсов Nк образцовой частоты /0, поступивших в счетчик СЧ
за время Тх, пока электронный ключ К был открыт, оказывается
Рис. 2-41
Т
87

пропорциональным измеряемому напряжению
Nx = hTx = Uxls-, B.26)
где ат = -^ — скорость изменения пилообразного напряже-
напряжения ыл.
Полученный счетчиком СЧ результат после преобразования
в десятичную систему счисления поступит далее на отсчетное уст-
устройство ОУ.
Рассмотренные здесь показания цифрового вольтметра циклич-
ны, они повторяются с периодом следования импульсов от управ-
управляющего устройства УУ. Для сброса результата счета счетчика СЧ
управляющее устройство УУ перед каждым импульсом «Запуск»
посылает импульс «Сброс», который и устанавливает счетчик СЧ
в нулевое положение.
Погрешность цифровых вольтметров с время-импульсным преоб-
преобразованием определяется линейностью напряжения ил и стабиль-
стабильностью частоты /„. Обычно она не превышает 0,1%, но есть и более
точные приборы @,02%).
§ 2.18. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ
Мощность трехфазной системы равна сумме мощностей, потреб-
потребляемых нагрузками каждой фазы:
р = Рл + Рв + Рс B.35)
В случае равномерной нагрузки общая активная мощность рав-
равна утроенной мощности какой-либо фазы:
Р = ЗРф = 3/ф?/фсо8фф, B.36)
где /ф и (/ф — фазные ток и напряжение.
Если фазные значения тока и напряжения выразить через ли-
линейные, то получим:
B-37)
где I и U — линейные ток и напряжение.
Измерение активной мощности- Для измерения активной мощ-
мощности трехфазной системы применяют различные способы:
1. Способ одного ваттметра применяют для измерения мощности
при симметричной нагрузке в четырехпроводной или трехпровод-
ной линии, если доступна для подключения нейтральная (нулевая)
точка нагрузки (рис. 2-42). При этом общая мощность равна утроен-
утроенному показанию ваттметра:
2. Способ одного ваттметра с созданием искусственной нулевой
точки применяют для измерения мощности при симметричной
нагрузке в тех случаях, когда нулевая (нейтральная) точка токо-

A0-
Рис. 2-42
приемника недоступна или вообще отсутствует (например, в со-
соединении треугольником). При этом в одну из фаз включают токо-
токовую обмотку ваттметра, а нулевую (нейтральную точку) получают
включением двух одинаковых сопротивлений #д между двумя дру-
другими фазами (рис. 2-43). В этом случае общая мощность равна ут-
утроенному показанию ваттметра.
3. Способ трех ваттметров применяют для измерения мощности
при неравномерной нагрузке в четырехпроводной линии (рис. 2-44).
Общая мощность при этом равна сумме показаний всех трех ватт-
ваттметров.
4. Способ двух ваттметров может быть применен в трехпровод-
ных линиях во всех случаях при измерении мощности трехфазных
приемников (рис. 2-45). По этой схеме токовые обмотки ваттметров
включают в какие-либо две фазы, а обмотки напряжения между
третьей (незанятой) фазой и той фазой, в которую включена токовая
обмотка данного ваттметра. Общая мощность при этом равна сумме
показаний обоих ваттметров.
Рис. 2-44
89

Рис. 2-46
показание второго —
Для доказательства последнего
утверждения построим векторную
диаграмму токов и напряжений,
действующих на измерительные
системы приборов (рис. 2-46). Для
простоты примем нагрузку, симме-
симметричную с разностью фаз между
током и напряжением в каждой
фазе ф. Тогда в соответствии с век-
векторной диаграммой показание пер-
первого ваттметра равно
^1 = ^всо8C0° + ф), B.38)
P2 = /c?/CBcosC0°-cp).
B.39)
Здесь берем напряжение UCB, равное — i/BC, так как генераторный
конец обмотки напряжения подключен к фазе С, а не к В. Сумма
показаний ваттметров равна
Р = Pi + Рг = IAUAB cos C0° + Ф) + ICUCB cos C0э - <р) =
= 2IU cos 30° cos ф = VllU cos ф = 3/ф?/ф cos <p. B-40)
Полученный результат справедлив и для нагрузки, соединенной
треугольником. В последнем случае для доказательства надо вместо
векторов линейных напряжений строить на диаграмме векторы
линейных токов. Таким образом, способ двух ваттметров позволяет
измерить общую мощность трехфазной системы.
При сдвиге фаз более 60° (работа многих электрических машин
в режиме холостого хода) в формуле B.38) cos C0° + <р) — вели-
величина отрицательная, стрелка первого ваттметра отклонится в
обратную сторону от нуля. Для отсчета отрицательных значений
мощности по первому ваттметру переключают зажимы одной из
его обмоток (токовой или обмотки напряжения), и общая мощность
в этом случае равна разности показаний ваттметров:
Пользуясь методом двух ваттметров при равномерной нагрузке,
можно по показаниям приборов вычислить tg ф, а затем (по таб-
таблицам) ф и cos ф. Так как
cos ф + sin ф
ТО
cos C0°— ф) _
ил cos C0° + Ф) ~
>! y~3cos ф — Pj sin ф — Р2 V% cos ф -J- Рг sin ф;
= (Рг + Р2) sin ф.
90

Окончательно
о P-l *ъ
B.41)
Метод двух ваттметров широко применяют на практике. Однако
гораздо удобнее измерять мощность трехфазных приемников двух-
двухэлементным трехфазным ваттметром, в котором объединены два
однофазных ваттметра, воздействующих вращающими моментами
на ось, общую для обеих измерительных систем.
Измерение реактивной мощности. Для измерения реактивной
мощности трехфазной системы при равномерной нагрузке можно
пользоваться одним ваттметром активной мощности, при этом то-
токовую обмотку включают в одну из фаз, а обмотку напряжения —
между двумя другими фазами (рис. 2-47, а).
Векторная диаграмма величин, действующих на измерительную
систему ваттметра, представлена на рисунке 2-47, б, где сдвиг
фаз между током и напряжением равен ф.
Применяя формулу вращающего момента ваттметра активной
мощности (Мвр = cIU cos ф) и рассматривая векторную диаграмму
для данного способа включения, имеем:
р = !aUbc cos (90° — ф) = 1аил sin ф.
Если показание ваттметра умножим на У~3, то получим общую реак-
реактивную мощность трехфазной цепи:
Q = "|/3/t/sin^. B.42)
На практике применяют трехфазные реактивные ваттметры, ра-
работающие по схеме двух ваттметров (рис. 2-48).
Для включения обмоток напряжения на фазное напряжение
здесь создана искусственная нулевая точка О, образованная со-
сопротивлениями двух обмоток напряжения и добавочным сопротивле-
сопротивлением z. Из векторной диаграммы, изображенной на рисунке 2-49,
запишем:
Рис. 2-47
91

Рис. 2-48
Рис. 2-49
Qt = UCIA cos (-Uc, 1A) = UCIA cos F0° - ф) =
= Uc!a \Y COS Ф + "^ sin Ф );
Q2 = rcUA cos (fc, VA) = ICUA cos A20° — ep) =
= IJJA (— у cos ф + ^ sin ф j,
тогда
Умножив полученный результат на У~Ъ, получим общую реак-
реактивную мощность всей трехфазной нагрузки:
B.43)
Q
= 3/ф?/ф sin Ф = 1яил sin «p.
§ 2.19. ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ
Для учета активной энергии трехфазной системы широко при-
применяют двухэлементные счетчики, представляющие собой сово-
совокупность двух однофазных индукционных счетчиков, вращающие
моменты которых воздействуют на .общие ось и счетный механизм.
В основу устройства двухэлементного счетчика положен метод,
дающий возможность с помощью двух счетчиков (ваттметров) оп-
определять общую энергию (мощность), потребляемую в трехфазной
системе, при этом показания обоих счетчиков суммируются. За-
Задача намного упрощается, если объединить два счетчика в один
(рис. 2-50). Оба диска укрепляют на одной и той же оси, соединен-
соединенной с одним счетным механизмом. При этом токовые обмотки вклю-
включают в две фазы, а обмотки напряжения подключают на линейные
напряжения между третьей фазой и той, в которую включена то-
токовая обмотка данного элемента счетчика. Принципиально можно
еще более упростить конструкцию двухэлементного счетчика, за-
заставив оба измерительных элемента воздействовать на один общий
92

диск. Но взаимодействие этих
элементов через токи в одном и
том же диске сильно искажает
результаты измерений, поэтому
двухэлементные счетчики с од-
одним диском не получили рас-
распространения.
На практике применяют
трехфазные счетчики реактив-
реактивной энергии. Учет реактивной
энергии диктуется необходи-
необходимостью определения среднего
значения cos ф, положенного в
основу поощрительного и штраф-
штрафного тарифа, которые установ-
установлены для потребителей элект-
электрической энергии (один тариф
за активную энергию и двой-
двойной— за реактивную). Этот та-
тариф способствует снижению по-
потребителями реактивной мощ-
мощности своих установок и, стало
быть, приводит к уменьшению
потерь энергии в сети и спо-
способствует более рациональному
использованию мощности элек-
электростанции.
Рис. 2-50
§ 2.20. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Помимо непосредственного измерения cos ф с помощью электро-
электродинамических фазометров существуют косвенные методы опреде-
определения этой важной электротехнической величины.
. I. Определение cos ф с помощью ваттметра, амперметра и вольт-
вольтметра. Как известно из теории электроизмерительных приборов,
ваттметр электродинамической системы с активным добавочным
сопротивлением в цепи подвижной катушки показывает активную
мощность, потребляемую нагрузкой в цепи переменного тока. Про-
Произведение тока в цепи нагрузки на напряжение в общем случае
равно полной мощности, потребляемой нагрузкой, поэтому коэф-
коэффициент мощности может быть вычислен по формуле
Р Р
COS ф = — = .
^ S IU
Зная Р и S, легко найти и реактивную мощность Q, которая
равна
93

Рис. 2-51
Полное сопротивление цепи мо-
может быть вычислено по закону
Ома:
-_ и
Построив треугольник сопротив-
сопротивлений, можно легко найти реак-
реактивное и активное сопротив-
сопротивления.
2. Определение cos ф с по-
помощью счетчика электрической
энергии. Собирают схему, где в качестве нагрузки включают исследуе-
исследуемый приемник тока (рис. 2-51). За некоторое время t B—3 мин)
подсчитывают число оборотов диска счетчика N, которое, как
известно, пропорционально потребляемой активной энергии:
N = kIUt cosip.
Затем вместо исследуемой нагрузки г включают активную нагрузку
R и с помощью реостата Rt поддерживают такой же ток, что и в це-
цепи исследуемой нагрузки. Подсчитывают число оборотов диска
счетчика Nx за то же время t (cos <p = 1):
Nt = klUt.
СОБф.
B.44)
Взяв отношение N к А^, найдем значение cos
N_ _ klUt cos ф _
Nx ~ klUt
3. Определение cos ф с помощью трех амперметров. Собирают
цепь (рис. 2-52, а), где z"— исследуемый приемник тока, R — ак-
активная нагрузка. Из приведенной схемы
видно, что ток /j совпадает по фазе с при-
приложенным напряжением, а геометрическая
сумма токов 1^ и /2 равна току /. На осно-
основании этого строим векторную диаграмму
(рис. 2-52, б), на которой измеряем угол
Ф, а затем с помощью таблиц определяем
cos ф.
Значение cos ф в данном случае можно
определить без таблиц из векторной диаг-
диаграммы:
/? 1°
откуда
/!-/*
^
^B.45)
знак коэффициента мощности указывает
на характер нагрузки (плюс — при индук-
тивной нагрузке, минус— при емкостной).
94

§ 2.21. ПОНЯТИЕ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Введение автоматизации производства значительно повышает
количество и качество выпускаемой продукции и требует автомати-
автоматического быстродействующего регулирования технологических пара-
параметров (температуры, давления, скорости движения, концентрации
растворов и т. д.). Наилучшее регулирование технологических пара-
параметров достигается применением электрических методов, хотя сами
параметры не являются электрическими. Контролируемые неэлек-
неэлектрические параметры преобразуются в электрические с помощью
специального устройства, называемого датчиком. Датчик передает
ток или напряжение прибору или исполнительному механизму,
после чего происходит регулирование соответствующего пара-
параметра. У параметрических датчиков регулируемая неэлектрическая
величина вызывает изменения параметров самих датчиков(сопро-
датчиков(сопротивления, емкости, индуктивности). У генераторных датчиков
регулируемая неэлектрическая величина вызывает ЭДС индукции.
Рассмотрим некоторые примеры.
Для измерения механических сил и давлений широко применяют
угольные датчики, состоящие из нескольких угольных шайб,
зажатых между двумя стержнями. При изменениях давления со-
сопротивление угольного столбика изменяется, поэтому, подключив
к выводам этого датчика омметр, можно проградуировать шкалу
в единицах силы.
Для измерения толщины ленты или влажности ткани можно
применять емкостные датчики. Так, если между обкладками кон-
конденсатора помещать ленту различной толщины или ткань различ-
различной влажности, то емкость будет изменяться при изменениях тол-
толщины диэлектрика (ленты) и диэлектрической проницаемости.
Из индуктивных датчиков можно назвать датчик с разомкну-
разомкнутой магнитной цепью, действие которого основано на изменении
индуктивности катушки по мере внесения в нее стального сердеч-
сердечника. Если небольшой генератор соединить с вращающимся или
прямолинейно движущимся механизмом, то его ЭДС будет пропор-
пропорциональна скорости вращения (движения). Таким образом, по
значению ЭДС можно судить о скорости движения.

ГЛАВА III
ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Трансформатор — это статический электромагнитный аппарат,
служащий для преобразования посредством магнитного поля элек-
электрической энергии переменного тока одного напряжения в электри-
электрическую энергию переменного тока того же или иного напряжения
при сохранении частоты тока.
Генераторы электрических станций вырабатывают стандартные
напряжения: 3,15; 6,3; 10,5; 15,75 кВ и др. Для передачи элект-
электроэнергии на значительные расстояния в целях снижения потерь
на нагревание проводов требуются более высокие напряжения до
500 кВ и выше, поэтому на электростанциях напряжение повышается
с помощью повышающих трансформаторов. Основная часть потре-
потребителей переменного тока использует напряжения от 127 до 500 В.
Значительная часть мощных электродвигателей работает при на-
напряжениях 3—6 кВ, поэтому напряжение линии электропередачи
на месте потребления понижается до нужных значений с помощью
понижающих трансформаторов.
Различают силовые трансформаторы (от единиц до нескольких
сотен тысяч киловольт-ампер) и трансформаторы малой мощности
A0—300 ВА). Первые используют в сетях распределения электри-
электрической энергии, последние — в разных областях новой техники:
в радиоэлектронике, автоматике, реактивной технике и т. д.
§ 3.2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Простейший однофазный трансформатор состоит из стального
сердечника (рис. 3-1) и двух обмоток — первичной с числом вит-
витков wx и вторичной с числом
витков w2.
Если к первичной обмотке
подвести переменное синусои-
синусоидальное напряжение, то из-за
нелинейной магнитной харак-
характеристики ферромагнитного
сердечника ток в этой обмот-
обмотке окажется несинусоидаль-
96

ним. Об этом несколько подробнее будет сказано ниже. Отметим,
что при рассмотрении процессов в трансформаторе несинусоидаль-
несинусоидальные токи в его обмотках заменяются так называемой эквивалентной
синусоидой — синусоидальным током, эквивалентным по действую-
действующему значению несинусоидальному. Это дает возможность при-
применять к исследованиям и расчетам трансформаторов теорию си-
синусоидальных токов
Итак, если к первичной обмотке трансформатора подвести
переменное синусоидальное напряжение Ut, то в ней появится
некоторый ток i01, который в сердечнике создаст переменный маг-
магнитный поток Фо- Этот поток, будучи сцепленным с витками обе-
обеих обмоток, наведет в них ЭДС et и е2:
ех = —
dt
dt
Если приложенное напряжение равно
C 1)
то в идеальном трансформаторе (без потерь) его первичная обмот-
обмотка будет представлять собой чистую индуктивность и тогда
C 2)
C.3)
C.4)
магнитный поток совпадает по фазе с током, его создающим:
а ЭДС ех и е2 равны
— —wt —-0 =
dt
ег — —ада —» —
ег
cos ait —§тг sin w/.
Поскольку в соответствии со вторым законом Кирхгофа ых = —е1
и ы2 = Ч, то
К
или
где k — коэффициент трансформации.
Таким образом, трансформатор преобразует подведенное к нему
напряжение в соответствии с соотношением числа витков его об-
обмоток Идеализированный трансформатор передает форму преобра-
преобразуемого переменного напряжения без искажения.
4 Заказ 5И4
97

То,
Векторная диаграмма идеального транс-
трансформатора приведена на рисунке 3-2.
О | *^ *~ § 3.3. ХОЛОСТОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ
ТРАНСФОРМАТОРА
Режим работы трансформатора, при ко-
котором его вторичная обмотка разомкнута,
Рис. 3-2 называют холостым режимом или холостым
ходом (трансформатор работает без нагрузки).
Именно такой режим работы был рассмотрен в предыдущем па-
параграфе. Однако там мы пренебрегли нелинейностью кри-
кривой намагничивания стального сердечника, явлением гисте-
гистерезиса и токами Фуко, действием потоков рассеяния маг-
магнитного поля и активным сопротивлением обмотки. В
реальном же трансформаторе все эти явления влияют на
происходящие в нем процессы. Кратко рассмотрим их.
Нелинейность зависимости первичного тока от магнитного
потока, из-за которой намагничивание сердечника заходит в об-
область магнитного насыщения, приводит к тому, что ток в первич-
первичной обмотке становится несинусоидальным. Под действием сину-
синусоидально изменяющихся приложенного напряжения ы2 и магнит-
магнитного потока Фо в соответствии с кривой намагничивания получается
несинусоидальный ток i, имеющий несколько заостренную форму
(рис. 3-3).
Эквивалентная
синусоида
Рис, 3-3
98

В соответствии с теоремой
Фурье всякий периодический
несинусоидальный ток может
быть представлен бесконечным
рядом, состоящим из постоянной
составляющей и суммы перемен-
переменных составляющих с возрастаю-
возрастающими кратными частотами и
убывающими амплитудами. Их
называют гармоническими сос-
составляющими или гармониками;
частота первой (основной) гар-
гармоники равна частоте заданной
функции:
» = 'о + 'mi sin («rf
+ 1тг sin Bo>t
Рис. 3-4
/m3 sin
В зависимости от конкретной задачи такое разложение: может
не иметь постоянной составляющей; начальные фазы гармоник
могут быть равными нулю или отличаться на п; может иметь только
четные или только нечетные гармоники. Так, несинусоидальный
ток, получающийся в результате нелинейности кривой намагни-
намагничивания сердечника трансформатора, в соответствии с теоремой
Фурье может быть представлен в виде суммы двух первых нечет-
нечетных гармоник (первой и третьей, рис. 3-4) или заменен «эквива-
«эквивалентной синусоидой» (см. рис. 3-3). Эквивалентный ток, сдвинутый
по фазе относительно приложенного напряжения на —, поддер-
живает магнитный поток и является чисто реактивным током. Его
называют намагничивающим током /н.
Гистерезис также влияет на форму тока. Как известно, в ферро-
ферромагнетике, подвергнутом циклическому перемагничиванию, маг-
магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей
гистерезиса. В результате ток i в катушке (рис. 3-5) оказывается
несинусоидальным и сдвинутым по фазе относительно потока на
некоторый небольшой угол потерь E—7°). Этот ток может быть
представлен в виде суммы двух токов — намагничивающего тока
/н (реактивный ток) и тока от гистерезиса ir (активный ток). Появ-
Появление тока /г понятно из физической сущности явления гистерези-
гистерезиса: на перемагничивание сердечника затрачивается энергия, про-
пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта энергия идет на
нагревание сердечника. Для уменьшения потерь на гистерезис
сердечники электрических машин переменного тока изготавливают
из специальной трансформаторной стали.
Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках,
находящихся в переменных магнитных полях, возникают и в сер-
сердечниках трансформаторов. Замыкаясь в толще сердечника, эта

t
Рис. 3-5
токи нагревают их, создавая
потери энергии. Поскольку вих
ревые токи возникают в плос-
плоскостях, перпендикулярных нап-
направлению магнитного потока,
то для уменьшения этих токов
сердечники трансформаторов иа-
бирают из отдельных изолиро-
изолированных друг от друга стальных
пластин.
Потоки рассеяния в сердеч-
сердечнике трансформатора создаются
той частью магнитного потока,
которая замыкается не через
магнитопровод, а через воздух
в непосредственной близости от
витков. Поскольку потоки рас-
рассеяния Фр1 (рис. 3-6) замыкают-
замыкаются в основном через воздух, то
их можно считать пропорцио-
пропорциональными создающим их токам.
Потоки рассеяния составляют
лишь около 0,25% от основного
магнитного потока трансформа-
трансформатора.
Активное сопротивление пер-
первичной цепи создает потери за
счет активного тока, нагреваю-
нагревающего обмотку. Для уменьшения
этих потерь обмотки машин
выполняют, как правило, из
меди.
Теперь учтем все виды по-
потерь в трансформаторе при хо-
холостом режиме и построим векторную диаграмму.
Для первичной обмотки холостого режима на основании второго
закона Кирхгофа можно составить следующее уравнение «электриче-
«электрического равновесия»:
где Ul _ подведенное напряжение; ех — ЭДС самоиндукции в пер-
первичной обмотке, ер1 —ЭДС от потоков рассеяния.
Перепишем уравнение C.6) в векторной форме:
—0
Рис. 3-6
Полученное уравнение C.7) является уравнением электриче-
электрического равновесия для холостого режима реального трансформатора.
100

Решая его относительно U, получим век-
векторное уравнение
U = -^-Tpi + /oltfi. C-8)
на основе которого построим векторную
диаграмму холостого режима трансформа-
трансформатора. Для построения в качестве основно-
основного возьмем вектор магнитного потока Фо
(рис. 3-7). Из-за потерь на гистерезис и
на вихревые токи этот поток отстает от
создавшего его тока 701 на угол потерь б
E—7°). Кроме того, ток /01 создает еще
—>¦
поток рассеяния Фр1, замыкающийся через
воздух и потому совпадающий по фазе с
током /01. Поток Фо индуцирует в обмот-
обмотках трансформатора ЭДС St и 8г, отстаю-
отстающие от него по фазе на я/2, а поток Фр1
также индуцирует в обмотке ЭДС рассеяния &р1, отстающую от
него по фазе на —.
v 2
Выполнив геометрическое сложение векторов в соответствии с
уравнением C.8) и соединив концы векторов — ^и Uu получим
треугольник внутреннего падения напряжения в первичной обмот-
обмотке, гипотенуза которого Uл = 101гх есть полное падение напряже-
напряжения в первичной обмотке от тока холостого хода, а катеты —
<?pi — t/z-i = Ли*и и Uл — ~IqiR — векторы падений напряжений
соответственно на индуктивном и активном сопротивлениях.
Ток холостого хода обычно мал C—6% от номинального), угол
<Р! велик (около ^-) в режиме холостого хода, а полное падение
напряжения Uл на внутреннем сопротивлении равно 0,125 — 0,2%.
Поэтому приложенное к первичной обмотке напряжение Ux уравно-
уравновешивается в основном ЭДС Slt т. е. ёг ~ Ut, тогда
2 2
где k — коэффициент трансформации (отношение высшего напряже-
напряжения к низшему).
На практике режим холостого хода используется для определе-
определения коэффициента трансформации k и потерь в трансформаторе на
гистерезис и вихревые токи, на так называемые «потери в стали*
§ 3.4. РАБОЧИЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА
Режим работы трансформатора, при котором во вторичную
обмотку включена нагрузка, называют рабочим режимом или ре-
режимом нагрузки.
101

В режиме холостого хода,
как известно, основной магнит-
_,,__- . ный поток в сердечникеФо соз-
±1_ i^ — -— ^, j Дабт в первичной обмотке ЭДС
самоиндукции, уравновешиваю-
уравновешивающую основную часть прило-
приложенного напряжения. Так бу-
будет до тех пор, пока вторичная
обмотка разомкнута. Но если
во вторичную обмотку вклю-
чить какую-нибудь нагрузку, в
ней появится ток /2, возбуж-
возбуждающий в том же сердечнике свой магнитный поток Ф2
(рис. 3-8), размагничивающе действующий на сердечник (в
соответствии с законом Ленца). В результате общий маг-
магнитный поток в сердечнике должен уменьшиться. Это пос-
последнее приведет к уменьшению ЭДС Ёх в первичной обмотке.
Теперь часть приложенного напряжения иг окажется неуравно-
неуравновешенной, что приведет к увеличению тока в первичной обмотке.
Очевидно, что ток в первичной обмотке будет возрастать до тех
пор, пока не прекратится размагничивающее действие тока нагруз-
нагрузки. После этого результирующий магнитный поток восстановится
приблизительно до прежнего значения Фо.
Уменьшение нагрузки вторичной обмотки уменьшит ток /2 и
магнитный поток Ф2, что приведет к нарушению равновесия между
приложенным напряжением Ux и ЭДС ёъ поэтому ток в первичной
обмотке /j уменьшится до такого значения, при котором результи-
результирующий магнитный поток восстановится до прежнего значения.
Таким образом, магнитный поток в трансформаторе остается
практически постоянным как в режиме холостого хода, так и в
режиме переменной нагрузки (от нуля до максимальной). Это свой-
свойство трансформатора называют способностью саморегулирования,
т е способностью автоматически регулировать значение первичного
тока /L в зависимости от изменений тока нагрузки /2.
Построим векторную диаграмму нагруженного трансформатора.
Построение начнем с основного магнитного потока в сердечни-
сердечнике Фо (рис 3-9). Он остается практически неизменным в процессе
>
работы и отстает от тока холостого хода /01 на угол потерь на ги-
гистерезис б E—7°). ЭДС <§*! и 6\ отстают по фазе от потока Фо на — .
Характером и значением нагрузки во вторичной обмотке опреде-
определяется значение вторичного тока /2 и угол <р2.
Для нахождения длины и положения вектора тока в первичной
обмотке 1г надо вектор тока холостого хода /01 сложить с век-
вектором некоторого добавочного тока / 2 в этой же обмотке, обусло-
обусловленного нагрузкой трансформатора Направление этого вектора
102

противоположно вектору /2 (по-
(поток, возбуждаемый током /2,
действует размагничивающе на
общий магнитный поток), а его
длину можно найти следующим
образом.
Пусть трансформатор не име-
имеет потерь. Тогда его мощнос-
мощности S, = hUx и S2 == I2U2 рав-
равны между собой, откуда
l'4Jx = !JJtt
или
-еЛ\п
Ky 12 *
и, k
C.9) __
где k — коэффициент трансфор-
трансформации. Добавочный ток / 2, вы-
выраженный через вторичный ток,
называют приведенным вторич-
вторичным током. Рис. 3-э
После построения вектора /1 сложением его с вектором тока
холостого хода /01 находим вектор общего тока в первичной обмот-
обмотке /lf на котором строим векторную диаграмму первичной обмотки
в той же последовательности, что и для холостого хода, пользуясь
соответственно изменившимся уравнением:
_^_ 1-'1 6i + I1K1 + 'lxi.v (O.W)
где l\XLX — —Spl — падение напряжения на индуктивном сопро-
сопротивлении первичной обмотки.
Вторичный ток /2 создает некоторый небольшой поток рассея-
рассеяния Фр2, совпадающий с ним по фазе. Поток Фра, в свою очередь,
индуцирует ЭДС рассеяния <?р2, отстающую от него по фазе на — .
Ток /2 на индуктивном сопротивлении xL2 создает падение напряже-
напряжения 1гх1Г
Так как вторичная обмотка сама является источником тока, то
уравнение электрического равновесия для этой обмотки будет
Переходя к действующим значениям и решая уравнение C.11)
относительно ы2, получим в векторной форме:
7 / & 1 & Г Г) /О 1 О\
иг — в 2 -\- е р2 — 'ъК%, [у-' ^)
ИЛИ -»- -»
103

где U2 — напряжение на зажимах вторичной обмотки; /2tf 2 —
падение напряжения на активном сопротивлении обмотки; /2a:L2=
= — (?pg — падение напряжения на индуктивном сопротивлении
вторичной обмотки.
Уравнением C.13) воспользуемся для построения векторной
диаграммы вторичной обмотки. Для построения вектора U2 из
вектора S2 вычтем вектор I2xL2 = —Spi, а затем вектор I2R2,
совпадающий по направлению с вектором 72 (как ток и напряже-
напряжение на активном сопротивлении). Соединив затем начала векторов
с?г и IiRz, получим искомый вектор ?/2> а Угол Фг между вектором
/2 и найденным вектором U2 представляет собой угол сдвига фаз
между током и напряжением во вторичной обмотке.
Соединив начало вектора I2R2 с концом вектора /2%2> получим
прямоугольный треугольник, называемый треугольником «внут-
«внутреннего» падения напряжения вторичной обмотки.
Из векторной диаграммы следует также, что cos (pL при холостом
ходе мал (угол (pj велик), но по мере увеличения тока нагрузки
/2 (растет соответственно к току /01 добавка Л>) ток 11 растет, а
угол ф! уменьшается. Отсюда следует весьма важный для практики
вывод: для повышения коэффициента мощности cos ц>г следует пол-
полностью загружать трансформатор.
§ 3.5. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
В отличие от электрических машин, трансформатор не имеет
движущихся частей, поэтому он не имеет и механических потерь
при работе. К потерям, имеющим место при работе трансформатора,
относятся потери на гистерезис (в результате постоянного цикли-
циклического перемагничивания сердечника), на вихревые токи и на на-
нагревание проводов обмоток. Других потерь в трансформаторе
практически нет.
Коэффициент полезного действия трансформатора — это отно-
отношение отдаваемой активной мощности к потребляемой
4 = §10096, (ЗЛ4)
где Pj — мощность, потребляемая из сети, Р2 — мощность, от-
отдаваемая нагрузке.
Таким образом, для практического определения КПД трансфор-
трансформатора при номинальной нагрузке необходимо измерить мощности
в первичной и вторичной обмотках. Это измерение можно значитель-
значительно упростить, включив во вторичную обмотку активную нагрузку
(рис. 3-10). Тогда cos ф2 ~ 1 (поток рассеяния невелик) и
мощность Рг может быть вычислена по показаниям амперметра
и вольтметра, включенным во вторичную цепь. Такой метод
104

Рис- 30
определения КПД получил на-
название метода непосредственных
измерений. Этот метод весьма
прост, но имеет два существен-
существенных недостатка: мала точность
и неэкономичен. Малая точность
обусловлена тем, что КПД тран- 0
сформаторов очень высок (до
99% и выше) и в некоторых слу-
чаях (особенно у трансформа-
трансформаторов большой мощности) мощности Р2 и Рг мало отличаются,
поэтому незначительные ошибки в показаниях приборов повлекут
за собой значительные искажения результата вычисления КПД.
Неэкономичность этого способа состоит в большом расходе
электроэнергии за время испытания, так как трансформаторы при-
приходится нагружать до номинальных мощностей. Поэтому метод
непосредственных измерений не нашел промышленного применения,
но может быть использован для трансформаторов малой мощности
с небольшим КПД (например, в учебной практике).
На практике КПД трансформаторов определяют косвенным ме-
методом, т. е. путем раздельного определения потерь, исходя из того,
что КПД трансформатора можно представить так:
11=
C.15)
где РСТ — потери в стали (в сердечнике) и Рн — потери в меди
(в обмотках) измеряют в опытах холостого хода и короткого замы-
замыкания соответственно.
Для определения потерь обычно пользуются двумя опытами —
опытом холостого хода и опытом короткого замыкания.
В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку I
подают номинальное напряжение, а вторичную II оставляют ра-
разомкнутой, определяют потери в стали трансформатора, т. е. по-
потери на гистерезис и на вихревые токи (рис. 3-11). Эти потери за-
зависят от частоты тока и от значения магнитного потока. Так как
частота тока постоянна E0 Гц), а магнитный поток при номиналь-
номинальном напряжении на первичной обмотке также практически постоя-
постоянен, то независимо от того, нагружен трансформатор или нет, по-
потери в стали — для него величина постоянная. Таким образом,
можно считать, что в холостом режиме энергия, потребляемая
трансформатором из сети, расходуется только на потери в стали,
поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включенным
в первичную цепь. Правда, при этом не учитываются потери на
нагревание провода первичной обмотки током холостого хода. Но
этот ток незначителен и потери от него также незначительны.
В этом опыте определяется также коэффициент трансформации k
и ток холостого хода /01.
Если вторичную обмотку трансформатора замкнуть накоротко,
105

// )кз
Рис. 3-11
Рис. 3-12
а на первичную обмотку подать такое пониженное напряжение (в
школьной практике, например, от РНШ), при котором токи в об-
обмотках не превышают их номинальных значений, то энергия, по-
потребляемая трансформатором из сети, расходуется в основном на
тепловые потери в проводах обмоток трансформатора (рис. 3-12).
В самом деле, при короткозамкнутой вторичной обмотке к первич-
первичной подводится пониженное напряжение, поэтому магнитный поток
очень мал и потери в стали, зависящие от значения магнитного
потока, также малы. Этот опыт называют опытом короткого замы-
замыкания.
Следовательно, ваттметр, включен-
включенный в первичную цепь трансформатора
в опыте короткого замыкания, покажет
мощность, соответствующую потерям в
меди (Ри).
§ 3.6. ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформация тока трехфазной сис-
системы может быть осуществлена с по-
с мощью трех однофазных трансформато-
трансформаторов, обмотки которых могут быть сое-
соединены звездой (рис. 3-13) либо тре-
треугольником. Здесь каждый трансфор-
трансформатор имеет свою магнитную систему,
поэтому каждый из них работает не-
независимо от остальных как обычный
однофазный трансформатор, включенный
в одну из фаз трехфазной системы.
Такой способ трансформации требует
много стали на изготовление сердеч-
сердечников.
Значительно чаще на практике при-
применяют трехфазные трансформаторы,
выполненные на одном магнитол роводе
(рис. 3-14), при этом три магнитных по-
потока, возбуждаемых токами в первич-
первичных обмотках, замыкаются через два
Рис. 3-14 других стержня.
Рис. 3-13
106

При изготовлении трехфазных трансформаторов на каждый из
его стержней навивают по две обмотки: низкого напряжения (НН),
а поверх нее высокого напряжения (ВН). Выводы обмоток принято
обозначать: начала — прописными буквами латииекого алфавита
А, В и С для обмоток высокого напряжения и строчными буквами
a, b и с для обмоток низкого напряжения; концы — буквами X,
Y и Z для обмоток ВН и х, у и z — для обмоток НН.
При выборе способа соединения обмоток звездой или треуголь-
треугольником руководствуются следующими соображениями. Во-первых,
соединение треугольником обмоток трансформаторов применяют
лишь в тех случаях, когда нагрузки могут быть подключены без
нулевого провода. Во-вторых, при небольших нагрузках легче
изготовить обмотку на ток нагрузки, а ее изоляцию — на фазное
напряжение, поэтому при малых нагрузках обмотки соединяют
звездой. В-третьих, при больших нагрузках легче изготовить
обмотку на небольшой (фазный) ток, а изоляцию ее — на высокое
(линейное) напряжение, поэтому при больших нагрузках обмотки
соединяют треугольником.
§ 3.7. КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Трансформатор состоит из двух основных частей: магнитопрово-
да (сердечника) и обмоток. Для значительного уменьшения потерь
от вихревых токов, возникающих при перемагничивании, сердеч-
сердечники собирают из отдельных штампованных тонких @,5—0,36 мм)
пластин специальной трансформаторной стали, содержащей до
4—5% кремния. Эта сталь характеризуется малыми потерями от
гистерезиса и большим электрическим сопротивлением. Для умень-
уменьшения потерь от вихревых токов в настоящее время пластины изо-
изолируют друг от друга тонкими оксидными пленками.
По конструкции сердечники различают стержневые (рис. 3-15, а)
и броневые (рис. 3-15, б). Последние применяют, как правило, в
трансформаторах малой мощности. В них магнитный поток раз-
разветвляется, поэтому боковые стержни делают с сечением, вдвое мень-
меньшим. В этих трансформаторах все обмотки размещают на среднем
стержне. В современных радиотехнических установках все силовые
ё
Рис. 3-15

Рис. 3-16
Рис. 3-17
и выходные трансформаторы имеют сердечники броневого типа.
Они защищают обмотки от механических повреждений. Кроме
того, при такой конструкции открытыми остаются стержни, про-
пронизываемые половинным магнитным потоком трансформатора,
что уменьшает наводки от переменного тока в близко расположен-
расположенных токоведущих проводниках.
Разновидностью броневых сердечников являются сердечники
однофазных трансформаторов, навитые из холоднокатаной стали
(рис. 3-15, в). Такие сердечники дают экономию материалов на
15—20% по сравнению с броневыми, их применяют в трансформа-
трансформаторах мощностью до 500 кВА.
Сердечники трехфазных трансформаторов являются обычно
стержневыми (рис. 3-16). На каждом стержне размещаются об-
обмотки одной фазы. Обмотки трансформаторов выполняют изолиро-
изолированным медным проводом на специальных каркасах из картона
или прессованной бумаги (прессшпана), пропитанных изоляцион-
изоляционными маслами. В маломощных трансформаторах, применяемых в
радиоэлектронике, часто применяют и бескаркасные обмотки. Их
навивают в несколько слоев, тщательно изолированных друг от
друга (от сердечника и от корпуса)'. Выводы обмоток через корпус
трансформатора делают через фарфоровые изоляторы.
Сердечники и обмотки трансформаторов во время работы нагре-
нагреваются. Если выделяющуюся теплоту не отводить, то изоляция
обмоток быстро испортится и трансформатор выйдет из строя.
Нормальным является такой режим, при котором в равные про-
промежутки времени количества выделенной и отведенной теплоты
равны. У маломощных трансформаторов такой режим обеспечи-
обеспечивается теплообменом с окружающим воздухом самопроизвольно.
У трансформаторов большой мощности теплообмен принудительный.
108

Для этого трансформаторы погружают в специальные баки с транс-
трансформаторным маслом (рис. 3-17). Масло забирает выделяющееся
тепло и, обтекая трубки (или благодаря ребристой поверхности
бака), отдает его окружающему воздуху.
§ Э.8. АВТОТРАНСФОРМАТОР
Автотрансформатор представляет собой трансформатор, у ко-
которого обмотка низшего напряжения является частью обмотки
высшего (рис. 3-18). У однофазного автотрансформатора всего
одна обмотка. В режиме холостого хода автотрансформатор ничем
не отличается от обычного трансформатора. В режиме нагрузки по
общей части витков протекает ток, равный разности токов (i,—it),
так как вторичный ток ослабляет магнитный поток в сердечнике
(т. е. он имеет направление, противоположное относительно тока
первичной обмотки), поэтому общая часть обмотки может быть вы-
выполнена проводом меньшего сечения, нежели остальная ее часть.
Автотрансформатор (Amp) удобно применять для поддержания
постоянства напряжения в тех случаях, когда напряжение сети
колеблется в течение суток (для питания радиоприемников и теле-
телевизоров, в кинотехнике и т. д.), для этого от обмотки делают не-
несколько отводов с контактами (рис. 3-19). Спомощью переключателя
77 можно подобрать напряжение, близкое к номинальному. Если
с помощью скользящего контакта подключаться к каждому витку,
то напряжение на выходе можно регулировать очень плавно в широ-
широких пределах. Такие автотрансформаторы выпускает наша про-
мышаенность с марками ЛАТР — лабораторный автотрансформатор
регулировочный (рис. 3-20, а) и РНШ — регулятор напряжения
школьный (рис. 3-20, б).
Обмотки этих автотрансформаторов выполняют проводом круг-
круглого сечения на кольцевом стальном сердечнике и имеют вид зам-
замкнутого тороида На одной торцевой стороне изоляцию снимают
вместе с небольшой частью самого провода, при этом витки остаются
изолированными друг от друга (рис. 3-21). Отводы от витков не
делают, а по оголенной поверхности витков скользит небольшая
щетка, подключая нагрузку к различному числу витков и изменяя
Рис. 3-18
Рис. 3-19
109

Рис. 3-20
Щетка
Витки
Рис. 3-21
Медный
срез
Изоляция
(эмаль)
тем самым напряжение на вы-
выходе. Так как перемещающаяся
щетка замыкает накоротко сра-
сразу 1—2 витка, то при хорошем
контакте между ними они могут
сгореть. Чтобы этого не случи-
случилось, щетку делают графитовой,
сопротивление которой достаточ-
достаточно велико для ослабления то-
токов в короткозамкнутых вит-
витках (по этой причине непрерыв-
непрерывную работу РНШ ограничивают промежутком времени до 45 мин).
Автотрансформаторы нашли широкое применение в сетях низ-
низкого напряжения. Они значительно дешевле трансформаторов.
Однако для высоких напряжений их не применяют, так как вто-
вторичная обмотка электрически связана с первичной и ее выводы
находятся под высоким потенциалом сети, а это является недопу-
недопустимым по технике безопасности обслуживающего персонала.
Если часть обмотки автотрансформатора сделать первичной, а
всю обмотку сделать вторичной, то автотрансформатор будет повы-
повышающим.
§ 3.9. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
В настоящее время в технике больших токов и высоких напря-
напряжений измерения электрических величин производят только через
так называемые измерительные'трансформаторы — трансформаторы
тока (ТТ) и трансформаторы напряжения (ТН), так как непосред-
непосредственные измерения с применением шунтов и добавочных резисто-
резисторов весьма затруднительны. Так, наибольший ток, который еще
можно измерить непосредственным включением прибора, составляет
ПО

600 А, а напряжения —до 2- кВ. К тому же шунты и добавочные
резисторы получаются громоздкими и дорогими из-за применения
для них специальных сплавов, дающих незначительные темпера-
температурные погрешности, а прикосновение к таким приборам в сетях
высокого напряжения опасно- для жизни.
Трансформатор тока состоит из сердечника и двух обмоток с
числами витков wt и w2 (рис. 3-22). Сердечник набирают из тонких
листов электротехнической стали с большой магнитной прони-
цаемостью. Первичную обмотку I включают последовательно на-
нагрузке, в цепи которой необходимо измерить ток, а вторичную
II замыкают непосредственно на амперметр. Так как сопротивление
прибора мало, то можно считать, что трансформатор работает в
данном случае в режиме короткого замыкания, при котором общий
магнитный поток определяется разностью (геометрической суммой)
потоков, созданных первичной и вторичной обмотками.
Принцип работы трансформатора тока можно сравнить с прин-
принципом работы обычного силового трансформатора. В самом деле,
измеряемый ток, протекая по виткам первичной обмотки, создает
в ее незначительном сопротивлении весьма незначительиое падение
напряжения, т. е. на первичной обмотке получается небольшее
напряжение, которое и трансформируется как в силовом трансфор-
трансформаторе. Так как число витков вторичной обмотки значительно боль-
больше числа витков первичной, то магнитный поток, действующий в
первичной обмотке, создает во вторичной значительно большее
напряжение при меньшем токе.
Трансформатор тока применяют не только для включения ам-
амперметров, но и для включения токовых обмоток ваттметров, счет-
счетчиков и фазометров. Для правильности показаний последних необ-
необходима правильная передача фазы тока, поэтому выводы обмоток
трансформатора тока определенным образом маркируют: первич-
первичную — Лг и Лг (линия) и вторичную — И1 и #2 (измеритель),
К нагрузке 0- ОО 0 0~~
и, иг
Рис. 3-23
111

причем генераторному концу соответствуют зажимы Л± и Их. Один
и тот же трансформатор тока может быть использован для одно-
одновременного включения нескольких измерительных приборов (рис.
3-23), однако включение большего числа измерительных приборов
нежелательно. Это объясняется тем, что по мере увеличения числа
приборов их общее сопротивление возрастает и режим работы
трансформатора тока все более отходит от режима короткого за-
замыкания (т. е. уменьшается ток вторичной обмотки).
Помимо расширения пределов измерения трансформатор тока
отделяет вторичную цепь, в которую включен амперметр, от пер-
первичной, изолируя тем самым прибор от высоких напряжений сети.
Поэтому измерительные приборы монтируют обычными способами
на распределительных щитах. На случай пробоя изоляции между
обмотками для безопасности один вывод вторичной обмотки за-
заземляют так, чтобы при пробое изоляции провод с высоким потен-
потенциалом оказался замкнутым на землю.
Трансформаторы тока изготовляют всегда таким образом, чтобы
номинальный вторичный ток составлял 5 А. В тех случаях, когда
измерительные приборы находятся на значительных расстояниях от
трансформатора тока, для уменьшения падения напряжения в под-
подводящих проводах номинальный вторичный ток делают равным 1 А.
Если измерительный прибор предназначен для измерений с транс-
трансформатором тока, то его шкалу градуируют непосредственно в
значениях первичного (измеряемого) тока, а на шкале ставят
100
соответствующее условное обозначение, например: «С ТР. ТОКА —».
5
Это означает, что трансформатор можно применять в цепях с тока-
токами до 100 Айв его вторичную обмотку следует включить ампер-
амперметр на номинальный ток 5 А.
Вторичную обмотку работающего трансформатора тока нельзя
размыкать и оставлять разомкнутой. Она всегда должна быть замк-
замкнута на прибор или, если это невозможно в некоторых случаях,
например при замене испорченного прибора, ее следует закорачи-
закорачивать проводником. Это необходимо потому, что при разомкнутой
вторичной обмотке вторичный ток равен нулю, магнитный поток в
сердечнике обусловлен лишь большим первичным током (а не раз-
разностью потоков первичного и вторичного токов, как при его нор-
нормальной работе). Этот большой магнитный поток создаст высокое
напряжение на вторичной обмотке (до2 ^ Щ), опасное для обслу-
обслуживающего персонала. Кроме того, чрезмерно большой магнитный
поток для данного сердечника (сердечник рассчитывают па рабочий
поток) может вызвать опасное нагревание этого сердечника, поэтому
вторичную цепь делают всегда механически прочной и надежной.
Конструктивно трансформаторы тока оформляют в зависимости
от назначения по-разному. Среди переносных трансформаторов то-
тока, имеющих, как правило, несколько коэффициентов трансформа-
трансформации, наиболее удобным трансформатором являются измерительные
клещи (рис. 3-24) — трансформатор с разъемным сердечником,
112

смонтированный вместе с ампер-
амперметром. При нажатии на руко-
рукоятки сердечник размыкается и им
обхватывается провод с измеряе-
измеряемым током. После прекращения
нажима на рукоятки специальная
пружина плотно замыкает сердеч-
сердечник и амперметр показывает зна-
значение тока в проводе. В данном
случае провод с измеряемым током
является первичной обмоткой это-
этого трансформатора тока. Точность
таких измерений невысока, но
большое удобство заключается в
измерении тока без разрыва про-
провода, т. е. практически в любой
точке проводной линии. Широкое
распространение для точных изме-
измерений, а также в учебной лабо-
лабораторной практике получил уни-
универсальный трансформатор тока
УТТ-5, дающий возможность по-
получить несколько коэффициентов
трансформации. На рисунке 3-25
изображены принципиальная схема
(а) и внешний вид (б) трансфор-
трансформатора УТТ-5.
Витки перЬичной однотки
при токах 100-600 А
Рис. 3-24
ИЗ

Рис. 3-27
На случай отключения прибо-
прибора без выключения трансформато-
трансформатора из цепи имеется токопроводя-
щая скоба, которой можно замк-
замкнуть накоротко вторичную обмотку
(зажимы Их и И2).
Трансформаторы тока применя-
применяют в современных щитовых много-
многопредельных амперметрах.
Трансформатор напряжения
(рис. 3-26, а, б) состоит из сердеч-
сердечника и двух обмоток: первичной и
вторичной. Его устройство и прин-
принцип работы сходны с силовым тран-
трансформатором небольшой мощно-
мощности, работающим в режиме холос-
холостого хода. Первичную обмотку
включают на измеряемое напряжение Ult а вторичную замыкают
на вольтметр или на обмотки напряжения счетчиков, ваттметров,
фазометров и т. д. Так как сопротивление этих обмоток велико, то
режим работы трансформатора напряжения можно считать режимом
холостого хода, т. е. изменения первичного напряжения пропор-
пропорциональны изменениям вторичного при постоянном коэффициенте
трансформации k. Что же касается фазы вторичного напряжения,
то она противоположна фазе первичного, а для правильности по-
показаний ваттметров, фазометров и т. д. необходимо совпадение фаз
первичного и вторичного напряжений. Этого можно добиться соот-
соответствующей маркировкой зажимов трансформатора. Принято
зажимы первичной обмотки трансформатора напряжения марки-
маркировать А и X, а зажимы вторичной — а и х, причем генераторными
концами являются Ana. Все трансформаторы напряжения изго-
изготовляют таким образом, чтобы номинальное вторичное напряжение
у них было стандартное и равное 100 В.
На случай пробоя изоляции обмоток в целях безопасности обслу-
обслуживающего персонала один зажим вторичной обмотки и сталь-
стальной кожух трансформатора напряжения обязательно заземляют.
В конструктивном выполнении трансформаторы напряжения очень
похожи на маломощные силовые трансформаторы. При напряже-
напряжениях свыше 6 кВ их делают с масляным заполнением.
В качестве примера приведем схему включения трехфазного
индукционного счетчика через измерительные трансформаторы (рис.
3-27). Здесь обе токовые катушки счетчика включены через тран-
трансформаторы тока ТТ, а обмотки напряжения— через трансформато-
трансформаторы напряжения ТН. На случай пробоя изоляции в целях безопас-
безопасности обслуживающего персонала по одному зажиму вторичных обмо-
обмоток каждого трансформатора заземлены.

Гяам IV
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ.
ВЫПРЯМИТЕЛИ
4.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
И ЭЛЕМЕНТОВ
Нелинейными электрическими цепями называют цепи, пара-
параметры которых R, L и С зависят от тока и напряжения. В нелиней-
нелинейных цепях характеристики и = f (i) нелинейны. Строго говоря,
все реальные электрические цепи в какой-то мере нелинейны. Так,
сопротивление R резистора изменяется хотя бы потому, что при
изменениях тока изменяется его температура. Если магнитная
проницаемость вещества сердечника катушки зависит от напряжен-
напряженности магнитного поля, то индуктивность L этой катушки также
зависит от тока. Наконец, емкость С конденсатора зависит от на-
напряжения, если диэлектрическая проницаемость его диэлектрика
зависит от напряженности электрического поля. Однако во многих
практических задачах зависимость параметров цепи от тока и на-
напряжения столь незначительна, что ею пренебрегают, и такие цепи
считают линейными, описывая их линейными дифференциальными
уравнениями. Вместе с тем существуют такие цепи, нелинейность
которых проявляется весьма резко. Это приводит к тому, что при
подведении к такой цепи синусоидального напряжения ток в ней
при установившемся режиме изменяется периодически, но не си-
синусоидально. В такой цепи помимо основной составляющей в токе
появляются дополнительные составляющие (§ 3.3).
Особенности нелинейных электрических цепей позволяют осу-
осуществлять целый ряд весьма важных для практики процессов: вы-
выпрямление переменного тока, преобразование постоянного тока
в переменный, преобразование частоты переменного тока, стаби-
стабилизацию тока и напряжения и др. Нелинейные цепи широко ис-
используют в современных электрических устройствах (автоматиче-
(автоматическое управление и регулирование), в электроизмерительной тех-
технике, в радиоэлектронике.
Процессы, протекающие в нелинейных цепях постоянного и осо-
особенно переменного тока, весьма сложны. Так, в случае переменных
токов они могут быть описаны лишь нелинейными дифференциальны-
дифференциальными уравнениями, общих методов решения которых, как известно,
ие существует. Для расчета нелинейных цепей широко используют
приближенные методы решения конкретных задач. К нелинейным
элементам нелинейных электрических цепей, широко используемым
на практике, относятся, в частности, лампы накаливания, полупро-
115

Рис. 4-1
водниковые и вакуумные диоды, тирис-
тиристоры и триоды, ионные приборы (неоно-
(неоновые лампы, барретеры, стабилитроны,
тиратроны и ртутные вентили).
Характеристики нелинейных элемен-
элементов и = f (i) делят на симметричные и
несимметричные. У элементов с сим-
симметричными характеристиками сопро-
сопротивление зависит от тока одинаково для
обоих направлений (на рисунке 4-1 при-
приведены характеристики лампы накалива-
накаливания с вольфрамовой нитью /, термосо-
термосопротивления 2, электрической дуги с
одинаковыми электродами 3). У элемен-
элементов с несимметричными характеристи-
характеристиками (рис. 4-2) последние несимметрич-
несимметричны относительно осей. У них сопро-
сопротивления по-разному зависят от направ-
направления тока (характеристика / —
полупроводникового термосопротивле-
термосопротивления, 2 — тиритового (керамического)
элемента, 3 — электронного прибора,
4 — ионного прибора).
Нелинейные элементы с несиммет-
несимметричными характеристиками — диоды и
тиристоры — широко используют, в
частности, в качестве вентилей для вы-
выпрямления переменного тока.
Рис. 4-2
§ 4.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Из курса физики известно, что при плотном соприкосновении
полупроводников разных типов проводимости на границе раздела
со значительным перепадом концентрации носителей зарядов дви-
движение зарядов приобретает характер диффузионного движения, в
результате которого «-область заряжается положительно, р-об-
ласть — отрицательно. В пограничном слое возникает контактное
электрическое поле Ек, противодействующее дальнейшему перехо-
переходу электронов и дырок из одной области в другую (рис. 4-3, а).
Образовался /?-д-переход с пониженной концентрацией основных
носителей: электронов — со стороны полупроводника типа п, ды-
дырок — со стороны полупроводника типа р. Этот переход имеет
повышенное сопротивление току и называется запорным слоем или
потенциальным барьером.
Контактное поле поддерживает состояние равновесия на опре-
определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла неболь-
небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через
116

+j@
5
+ 4-4-4-
4-
4-
4-
4-
1 1 1 1
1 1 1 1
I
1
isi
i@u
I-o
J
0
®
e®e't
n ©
-l©
1+
П
J
запорный слой, создавая ток
диффузии. Однако одновре-
одновременно с этим под действием
контактного поля неосновные
носители заряда р- и п-об-
ластей (электроны и дырки)
создадут некоторый незначи-
незначительный ток проводимости.
В состоянии равновесия эти
токи взаимно компенсируются.
Электронно-дырочный р-п-
переход возникает также на
границе контакта полупро-
полупроводника с металлом. Если к
p-n-переходу подключить
внешний источник тока, то
напряжение указанной на ри-
рисунке 4-3, б полярности, на-
называемое обратным, вызовет
появление внешнего поля Е,
совпадающего по направле-
направлению с контактным полем ?к-
В результате «ширина» запор-
запорного слоя возрастает и тока
за счет основных носителей
зарядов практически не бу-
будет. В цепи возможен лишь Рис- 4
незначительный ток за счет
неосновных носителей (обратный ток /обр).
При включении напряжения прямой полярности внешнее по-
поле Е не совпадает по направлению с контактным полем Е& (рис.
4-3, в). Запорный слой сужается, его сопротивление резко уменьша-
уменьшается, в цепи возникает большой прямой ток /пр. Таким образом,
p-n-переход обладает ярко выраженной односторонней проводи-
проводимостью. Этому соответствует и его вольт-амперная характеристи-
характеристика /=/ (U), приведенная на рисунке 4-4.
При прямом токе характеристика
имеет вид круто восходящей ветви. В
обратном направлении ток быстро дос-
достигает насыщения и не изменяется до
некоторого предельного обратного на-
напряжения ?/пр, после чего резко воз-
возрастает. При напряжении, большем пре-
предельного, наступает пробой р-«-перехо-
да и его вентильное действие прекраща-
прекращается. При повышении температуры
также возможно прекращение вентиль-
вентильного свойства, так как все атомы при-
117
1,мА
U
U
1,мкА
Рис. 4-4

Рис. 4-5.
меси полностью отдают свои носители
зарядов, растет лишь собственная
электропроводность.
Одностороннюю проводимость р-п-пе-
рехода используют в устройстве гюлу-
проводниковых диодов, применяемых
для выпрямления переменного тока, а
также для других нелинейных преобра-
преобразований электрических сигналов.
В зависимости от площади области
электронно-дырочного перехода полу-
полупроводниковые диоды делят на плос-
плоскостные и точечные. Для выпрямления
переменного тока используют плоскост-
плоскостные диоды, позволяющие получать зна-
значительные выпрямленные токи.
Схематическое обозначение и устройство типового плоскостного
диода приведено на рисунке 4-5. Здесь на кристаллодержателе /'
с контактным выводом 2 крепят кристалл германия с вплавленным
кусочком (каплей) индия. От пружинящего электрода 3 отходит
внутренний вывод 4, заканчивающийся наружным выводом 5. Это
устройство помещено в герметичный корпус 6 с изолятором 7.
Кремниевые полупроводниковые диоды по своему устройству и
принципу действия аналогичны германиевым. В них в кристалл
кремния вплавляется алюминии. Обратный ток в кремниевых вен-
вентилях на несколько порядков меньше, чем у германиевых. Преиму-
Преимущество кремниевых диодов по сравнению с германиевыми — более
высокие допустимые температуры окружающей среды A35—150 °С
против 50—60 СС) и более высокие допустимые обратные напряже-
напряжения (800—1200 В против 500—600 В), поэтому в последние годы в
выпрямителях используют в основном кремниевые диоды.
Помимо моиокристаллических германиевых и кремниевых дио-
диодов практическое применение находят диоды поликристаллических
структур — селеновые и меднозакисные (купроксиые).
В селеновом вентиле р-слоем служит кристаллический селен,
получаемый из аморфного путем термической обработки. В селене
при диффузии в него атомов кадмия образуется п-слой.
Для создания медпозакисных вентилей медные пластины круг-
круглой или квадратной формы подвергают термической обработке. При
этом на поверхности одной пластины создают оксид меди (I) с некото-
некоторым избытком кислорода (слой р-проводимости), а на другой —
с некоторым недостатком кислорода (слой n-проводимости). При
их соприкосновении получается р-/г-переход меднозакисного
вентиля.
Селеновые вентили по сравнению с германиевым и кремниевым
допускают значительно меньше плотности тока и обратные напряже-
напряжения. Однако у селеновых и меднозакисных вентилей малый разброо
прямых ветвей характеристик и большой наклон обратных ветвей.
118

Это позволяет соединять вен-
вентили в последовательные и
параллельные группы без
уравнительных резисторов
соответственно в области боль-
больших напряжений при ма-
малых токах и в области малых
напряжений при больших
токах (зарядные устройства,
гальванические и электроли-
электролитические установки). Прос-
Простота изготовления, большая
перегрузочная способность и
невысокая стоимость также
являются достоинствами се-
селеновых и меднозакисных
вентилей.
Маломощные меднозакис-
ные вентили благодаря вы-
высокой стабильности парамет-
параметров используют в измеритель-
измерительных приборах детекторного
типа, а мощные—для питания
одиночных электролитических
ванн.
Полупроводниковые вен-
вентили характеризуются еле- Рис. 4-6
дующими основными парамет-
параметрами: наибольшим выпрямленным током, обратным током, макси-
максимальным обратным напряжением и максимальной температурой
корпуса.
На рисуике 4-6 изображен внешний вид некоторых полупровод-
полупроводниковых диодов: а — маломощный германиевый диод Д226Б,
б — маломощный кремниевый диод Д-302, в — мощный кремниевый
диод с воздушным охлаждением ВКД-200 иг — мощный кремние-
кремниевый диод с водяным охлаждением ВКДВ-350.
§ 4.3. ТИРИСТОРЫ
В электротехнике, электронике и особенно в автоматике широ-
широкое применение находят приборы, для которых характерны два
состояния: закрытое, при котором их сопротивление велико, и
открытое, при котором сопротивление минимально. Такие приборы
обычно выполняют роль бесконтактного электронного ключа или,
как говорят, они работают в «ключевом» режиме.
Для работы в ключевом режиме иногда еще используется ион-
ионный прибор тиратрон: в стеклянном баллоне, заполненном смесью
инертных газов или парами ртути, размещены катод, анод и управ-
119

ляющий электрод. Незажженный тиратрон, включенный в какую-либо
силовую цепь, тока не проводит. Однако прн подаче поджигающего
импульса напряжения на управляющий электрод в тиратроне на-
начинается лавииная ионизация газа, промежуток катод — анод
становится проводящим и силовая цепь замыкается. Гашение ти-
тиратрона осуществляется, например, сильным снижением анодного
напряжения. Использование тиратрона, как и всех ионных и элек-
электронных приборов, сильно ограничено.
В настоящее время широкое распространение получают четырех-
слойные полупроводниковые приборы, вольт-ампериые характери-
характеристики которых имеют (подобно тиратрону) падающий участок. По
аналогии с названиями «тиратрон» и «транзистор» эти приборы
были названы тиристорами (греч. thyra—дверь, вход и англ.
resistor — резистор).
Тиристор — это четырехслойный полупроводниковый прибор со
слоями чередующихся р- и n-проводимостей. Два крайних слоя
тиристора (по аналогии с электронной лампой) — анод и катод, а
один из средних — управляющий электрод.
На рисунке 4-7 изображены структурная схема тиристора а,
вольт-амперная характеристика б и условное обозначение в. В нем
нет управляющего электрода и управление открыванием и закры-
закрыванием может быть осуществлено лишь изменением приложенного
к тиристору напряжения Unep. Такие тиристоры получили назва-
название динисторов.
При указанной на рисунке 4-7 полярности приложенного к тири-
тиристору внешнего (переключающего) напряжения Unep основная его
часть придется на закрытый р-п-переход 2, тогда как переходы 1
и 3 оказываются открытыми. При этом дырки, перешедшие из слоя
Pi в слой р2, частично рекомбинируют с электронами в слое пг.
Их нескомпенсированный заряд в слое р2 вызовет вторичную встреч-
встречную инжекцию электронов из слоя п2. Аналогично электроны слоя
п2 пройдут через слой р2 в слой nt, частично рекомбинируя с дыр-
дырками в слое рг. Они вызовут вторичную встречную инжекцию ды-
дырок из слоя pv Эти процессы и создадут необходимые условия для
развития лавинного процесса. Однако последний начнется лишь
при некотором вполне достаточно большом внешнем напряжении
г j
в
0 "пер U
Рис. 4-7
120

Рг
п2
0—i
Рис. 4-8
оыкл.
ивкп.
Рис. 4-9
^пер- При 9том благодаря оби-
обилию зарядов в переходе 2 нап-
напряжение на нем сильно упадет
(примерно до 1 В) и энергия,
выделяемая в этом переходе,
окажется незначительной для
каких-либо необратимых процес-
процессов в структуре прибора.
Если ток через тиристор силь-
сильно уменьшить до некоторого
значения удерживающего тока
/Уд, тиристор закроется и пе-
перейдет в состояние низкой про-
проводимости (участок ОА на
рис. 4-7, б). При внешнем на-
напряжении ?/пер обратной по-
полярности вольт-амперная ха-
характеристика тиристора (участок
OD на рис. 4-7, б) такая же,
как и у обычного полупровод-
полупроводникового диода.
Рассмотренный здесь неуправляемый тиристор имеет существен-
существенный недостаток: его открывания и закрывания возможны лишь
при значительных изменениях внешних напряжения и тока. На
практике в основном используют тиристоры, в которых помимо
основной цепи есть цепь управления (рис. 4-8). За счет импульса
тока /Уд цепи управления слой р2 пополняется дырками, а слой
я2 — электронами (на самом деле электроны из слоя р2 через цепь
управления переходят в слой п2). Это приводит к тому, что ток,
протекающий через тиристор (электронный и дырочный), будет
значительно больше тока цепи управления. Отсюда и следует, что,
подбирая значения тока управления, можно открывать тиристор
при различных токах нагрузки (рис. 4-9). Закрывание тиристора
ос} ществляется импульсами тока управления обратной полярности.
Полупроводниковый элемент тиристора изготовляют из кремни-
кремниевых монокристаллических пластин или дисков с добавками бора,
алюминия и фосфора, помещая этот элемент в герметичный метал-
металлический или керамический корпус.
На рисунке 4-10 изображен внешний вид наиболее распространен-
распространенных тиристоров: а — неуправляемый мощный таблеточного типа
в керамическом корпусе; б — управляемый маломощный, исполь-
используемый в схемах радиоэлектронных приборов; е — управляемый
маломощный штыревого типа в металлическом корпусе; г — управ-
управляемый мощный штыревого типа в металлическом корпусе.
Тиристоры изготовляют на токи от 1 мА до 10s А и на напря-
напряжения от нескольких вольт до нескольких киловольт с временем
включения от нескольких десятых долей до нескольких десятков
микросекунд. Их КПД достигает 99%.
121

a
Рис. 4-10
Тиристоры широко используют в качестве вентилей в преобра-
преобразователях электрической энергии, в системах автоматики, в элект-
электронных устройствах. В последние годы тиристоры почти полностью
вытеснили электровакуумные и ионные вентили.
§ 4.4. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Для выпрямления переменного тока с помощью полупроводни-
полупроводниковых приборов существует много различных схем. Рассмотрим
основные из них, ставшие «классическими»:
1, Однополуяериодиая схема с активной нагрузкой приведена
на рисунке 4-11, где Тр — силовой трансформатор (в отличие от
выходных, входных и других типов трансформаторов, применяемых в
электронных приборах), обмотка I которого является сетевой, а
обмотка II — повышающей, В — вентиль и RH — нагрузка. Под
действием положительных импульсов переменного напряжения,
возникающего в обмотке II, через вентиль В и нагрузку RH проте-
протекает пульсирующий и прерывистый ток ?а (рис. 4-12). Сопротивле-
Сопротивление /?г вентиля В непостоянно:
оно определяется крутизной
вольт-амперной характеристики
в каждой точке. Однако при
включении последовательно с
диодом нагрузки RH сопротив-
MTL
О л 2л Зя
Рис. 4-11
Рис. 4-12
122

ление этой цепи равно Rt + RH и характеристику можно считать
линейной (динамическая характеристика).
Пусть и — переменное напряжение, подлежащее выпрямлению,
синусоидально:
и = Um sin (at,
тогда выпрямленный ток (а, имеющий форму половины синусоиды
(рис. 4-12), равен
ta = Um sin ctrf. D.1)
Я; + Я„ V '
Эффект выпрямления переменного тока в постоянный будет
лишь в том случае, когда среднее за период значение выпрямленно-
выпрямленного тока не равно нулю.
Найдем среднее за период значение выпрямленного тока /0:
Т/2 Г/2
/„ = — (*,# = — Г —Ил—Sin tddt = ^— = 7^, D.2)
О О
где 1т — амплитуда тока в импульсе.
Из соотношения D.2) имеем:
откуда постоянное напряжение Uo на нагрузке Rn равно
tfo = V?-=^-V&- D-3)
Без нагрузки (/„ = 0) напряжение на зажимах выпрямителя равно
среднему за период значению положительной полуволны синусоиды,
т. е.
?/0 = ^а = 0,318 ?/m = 0,45t/, D.4)
я
я
где U — действующее значение переменного напряжения.
С увеличением тока нагрузки напряжение линейно падает на
величину падения напряжения на вентиле (/0/?,).
Из схемы (см. рис. 4-11) видно, что в отрицательный полупериод,
когда вентиль В закрыт, он находится под напряжением вторичной
обмотки трансформатора, поэтому наибольшее обратное напряже-
напряжение, действующее на вентиль, равно
т. е. обратное напряжение на вентиле более чем в 3 раза превышает
выпрямленное напряжение на нагрузке.
123

Действующее значение импульсов тока во вторичной обмотке
трансформатора равно
I 772 / Г/2
То то
С учетом соотношения D.2) получим:
/„=-^- = 0,636/. D.7)
л
л
Разложим выражение для импульсов напряжения на нагрузке
в ряд Фурье:
я 2 л j^ п2 — 1
п
где п = 2, 4, 6...
Первый член этого ряда —— — постоянная составляющая,
я
равная UQ, второй — —cos (at — первая гармоника, имеющая
частоту напряжения сети, остальные члены — переменные состав-
составляющие более высоких частот с быстроуменьшающейся аплитудой,
поэтому при расчетах выпрямителей их можно не учитывать. Ве-
Величина пульсаций выпрямленного напряжения характеризуется
коэффициентом пульсаций:
К = ^f, D-9)
где U im— амплитуда первой гармоники.
Для однополупериодной схемы амплитуда первой гармоники по
соотношению D.8) равна
f/im=^a = =jL = 1.57?/0. D.10)
Учитывая выражение D.10), запишем коэффициент пульсаций:
*„=%*-= 1,57. D.11)
Однополупериодная схема выпрямления используется в совре-
современных выпрямительных устройствах очень редко (в основном для
получения токов нагрузки до 30 мА), так как
1) малы постоянные составляющие выпрямленных напряжения
и тока по сравнению о действующими значениями (лишь частично
используется вторичная обмотка, в результате чего мощность тран-
трансформатора должна превышать мощность выпрямленного тока при-
приблизительно в 3 раза);
2) слишком большой коэффициент пульсаций выпрямленного
напряжения (?„ = 1,57).
124

2. Двухполупериодная схема
с нейтральной точкой приведе-
приведена на рисунке 4-13, где Тр —
силовой трансформатор с от-
отводом от середины вторичной
обмотки, Вг и В2 — вентили и
RH — нагрузка. Эту схему мож-
можно рассматривать как две само-
самостоятельные однополупериод-
ные схемы, имеющие общую
нагрузку. Поскольку вентили Вг
и В2 оказываются открытыми в
разные половины периода пере-
переменного напряжения, ток через
нагрузку RH протекает в обе
половины периода, пульсируя
с двойной частотой {рис. 4-14).
Считая вентили Bt и В2 оди-
одинаковыми, можно записать зна-
значение тока для каждого вен-
вентиля :
Рис. 4-13
и„
sin tit.
D.12)
Напряжение, подлежащее
выпрямлению, определяется
половиной вторичной обмотки
трансформатора:
и = Um sin (at.
Рис. 4-14
D.13)
Каждый вентиль здесь работает как в однополупериодной схеме.
Токи вентилей складываются, поэтому постоянные составляющие
тока и напряжения равны среднему значению полусинусоидальных
импульсов, т. е. с учетом соотношений D.2) и D.3) можно записать:
Of/ 91
, +
D.15)
Из выражения D.15) следует, что в отсутствие нагрузки на-
напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя вдвое боль-
больше напряжения однополупериодного (нагрузочная характеристика
несколько лучше).
Разложим выражение для импульсов напряжения при двухполу-
периодном выпрямлении в ряд Фурье:
cosfeorf416
125

где k = 2, 4, 6, 8... Как видно, первая гармоника этого ряда с
частотой со в данном разложении отсутствует, а низшая частота
переменных составляющих вдвое больше частоты напряжения сети.
Это' облегчает условия, необходимые для последующего сглажива-
сглаживания пульсаций выпрямленного тока.
В рассматриваемой схеме обратное напряжение, действующее
на каждый вентиль, находящийся в закрытом состоянии, равно
сумме амплитуд напряжений обеих половин вторичной обмотки:
= 2Um = 2 ^ = nU0 = 3,1«/в.
<4.17)
На основании выражений D.6) и D.14) для тока, протекающего
через каждый вентиль, можно записать:
1т ^[о_ Л
— — т^ — и,
D.18)
т. е. в двухполупериодной схеме по сравнению с однополупериодной
через каждый вентиль протекает ток вдвое меньший (лучше исполь-
используются обмотки по току). Для двухполупериодной схемы коэффи-
коэффициент пульсаций
fcn = 0,67. D.19)
На практике двухполупериодную схему часто используют. Ее
недостатками являются: наличие отвода от середины вторичной об-
обмотки трансформатора и неполное использование вторичной обмот-
обмотки по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовой схеме.
3. Мостовая однофазная схема выпрямления приведена на ри-
рисунке 4-15. В нее входят силовой трансформатор Тр с двумя обмот-
обмотками и четыре вентиля Вх—В4- Диагональ моста АВ подключена ко
вторичной обмотке II трансформатора Тр, диагональ CD — к на-
нагрузке.
При подаче на первичную обмотку переменного напряжения на
концах обмотки II полярность напряжения изменяется через каж-
каждый полупериод, в результате при более высоком потенциале
точки А (-(-) по сравнению с потенциалом точки В (—) ток прохо-
проходит в течение полупериода по цепи
а в следующий полупериод
Рис. 4-15
Таким образом, через нагрузку
RH выпрямленный ток протекает
в течение всего периода перемен-
переменного тока, поэтому мостовая схема
является двухполупериодной.
Легко видеть, что в мостовой
схеме выпрямленный ток и напря-
126

жение имеют такую же форму, как и в схеме с нейтральной точкой,
поэтому значение выпрямленного тока по выражению D.14) равно
а выпрямленного напряжения по формуле D,15)
В случае отсутствия нагрузки у выпрямителя (/„ = 0) выпрямлен-
выпрямленное напряжение на выходе равно
Особенностью мостовой схемы является отсутствие во вторич-
вторичной обмотке трансформатора отвода от ее середины, поэтому для
получения одного и того же значения выпрямленного напряжения
по сравнению со схемой с нейтральной точкой в мостовой схеме
требуется обмотка с числом витков, вдвое меньшим. Это приводит
и к тому, что обратное напряжение, действующее на каждый вен-
вентиль, в два раза меньше, чем в схеме с нейтральной точкой:
Uo6v = Um = l,57U0. D.20)
Действующее значение тока, протекающего через вентиль,
равно
Следует отметить, что в мостовой схеме через каждый вентиль
ток проходит только в течение одного полупериода, тогда как во
вторичной обмотке трансформатора — в течение всего периода.
Действующее значение тока, протекающего через вторичную обмот-
обмотку, равно
г ' т __
~ V2
D-21) 0А
Частота пульсаций выпрямленного напря-
напряжения в мостовой схеме такая же, как и в
схеме с нейтральной точкой, поэтому и ко-
коэффициент пульсаций такой же (kn= 0,67).
Полупроводниковые вентили отличаются
малыми габаритами и массой, не требуют
питания цепей накала, поэтому мостовая
схема выпрямления является основной.
4. Трехфазные схемы выпрямления приме-
применяют в трехфазных сетях. Простейшая трех-
трехфазная схема с нейтральной точкой изобра-
изображена на рисунке 4-16. Здесь первичные
обмотки трехфазного трансформатора соеди-
Рис. 4-16
127

Рис. 4-17
няются звездой или треугольни-
треугольником, а вторичные — звездой с
включением в каждую обмотку
по одному вентилю. Выпрямлен-
Выпрямленный ток протекает через каждый
вентиль в течение одной трети
периода, когда напряжение на
обмотке, в которую включен
данный вентиль, выше, чем на
двух других. Так, через вен-
вентиль &! ток проходит, пока по-
потенциал его анода м^(рис. 4-17)
выше потенциалов ив и ис.
Переключение вентилей происходит в моменты, соответствующие
пересечению положительных полусинусоид напряжений. В на-
нагрузке Ra токи, проходящие через три вентиля, суммируются.
Среднее значение выпрямленного напряжения в такой схеме
равно
o=_l_ j VT
я/3
= 1,17?/ф, D.22)
а среднее за период значение выпрямленного тока, проходящего
через каждый вентиль, —
L = -?-• D.23)
Обратное напряжение, действующее на каждый вентиль, равно
амплитуде линейного напряжения, действующего в системе вто-
вторичных обмоток трансформатора, соединенных звездой, так как
один зажим вентиля подключен к одной из фаз, а второй — к
другой фазе через открытый вентиль:
Существенным недостатком рассмотренной схемы является то,
что проходящие только через вторичные обмотки токи одного на-
направления (выпрямленный ток) создают во взаимно связанных
стержнях трехфазного трансформатора дополнительный постоян-
постоянный магнитный поток (тоток вынужденного намагничивания»). Чтобы
не допускать насыщения магнитной системы за счет этого дополни-
дополнительного потока, приходится увеличивать сечение стержней транс-
трансформатора. Трехфазную схему выпрямления с нейтральной точкой
(называемую также схемой выпрямления со вторичной звездой)
применяют лишь в маломощных силовых установках, (до 25 кВт).
Мостовая трехфазная схема выпрямления переменного тока
изображена на рисунке 4-18. Здесь первичные и вторичные обмотки
128

могут быть соединены как звез-
звездой, так и треугольником. Шесть
вентилей образуют две группы —
нечетную Blt В3 и Вь и четную
В%, В4 и Вв. У первой группы
катоды соединены вместе и служат
точкой вывода с положительным
потенциалом, у второй — аноды
соединены вместе и служат точкой
вывода выпрямителя с отрицате-
отрицательным потенциалом. Каждый вен-
вентиль работает одну треть перио-
периода, причем ток проходит через
тот из них, потенциал анода кото-
которого выше потенциала анодов
двух других (в нечетной группе)
или потенциал катода которого
ниже потенциалов катодов двух других вентилей (в четной груп-
группе). Переключение вентилей происходит в моменты, соответст-
соответствующие пересечению синусоид (см. рис. 4-17).
Мостовая схема обеспечивает шестикратное повторение пульса-
пульсаций выпрямленного напряжения за период переменного напряже-
напряжения сети, поэтому среднее значение выпрямленного напряжения
может быть определено следующим образом:
Рис. 4-18
+Я/6
2я/6
/л COS ffl/Л ==
-я/6
/2 Uл sin я/6
я/6
D.25)
что является достоинством мостовой схемы.
Среднее значение тока в вентиле /в = —-, причем этот ток
проходит через два последовательно включенных вентиля.
Обратное напряжение, действующее на каждый вентиль, здесь
также является амплитудой линейного напряжения:
= l,045f/0.
D.26;
Мостовая трехфазная схема является основной в мощных вы-
выпрямителях. Она получила широкое применение в так называемых
управляемых выпрямителях, в которых, регулируя моменты откры-
открывания и закрывания вентилей (например, тиристоров), можно весьма
экономично в широких пределах регулировать среднее значение
выпрямленного тока. Управляемые выпрямители в настоящее вре-
время получили широкое практическое применение.
5 Заказ G144
129

§ 4.5. ПРИМЕНЕНИЕ ТИРИСТОРОВ ДЛЯ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА
При использовании постоянного тока в технике необходимо
плавно и в широких пределах регулировать силу тока в цепи по-
потребителя. Принципиально возможное реостатное регулирование
крайне неэкономично из-за больших потерь энергии в реостатах.
Поэтому несколько десятилетий в технике широко использовались
более экономичные ионные приборы — ртутные вентили, тиратро-
тиратроны, игнитроны и др., — приборы с управляющими сетками.
В настоящее время для этих целей широкое применение полу-
получают нелинейные элементы (управляемые полупроводниковые вен-
вентили) — тиристоры. Они компактны, экономичны и имеют хорошие
эксплуатационные показатели. Тиристорные выпрямители и преоб-
преобразователи весьма интенсивно внедряются в электрооборудование
самых различных отраслей промышленности и особенно в систему
всех видов электрифицированного транспорта (железные дороги,
метро, троллейбус, трамвай). С помощью тиристоров можно не
только выпрямлять переменный ток и регулировать среднее его
значение, но и регулировать силу тока и напряжение в цепях пе-
переменного тока.
На рисунке 4-19 показаны схема и принцип регулирования
среднего (за полпериода) значения выпрямленного напряжения с
помощью управляемого тиристора в зависимости от моментов пода-
подачи управляющих импульсов. Импульсы напряжения Um на нагруз-
нагрузке RH имеют разную длительность. Так, если управляющие импуль-
импульсы Uy подаются в начале каждого полупериода, то напряжение Ua
на нагрузке RH такое же, как и в обычной двухполупериодной схе-
схеме. Если же импульсы подавать в середине каждого полупериода,
то импульсы выпрямленного напряжения будут иметь длительность,
равную четверти периода, и т. д.
На рисунке 4-20 показано аналогичное предыдущему регулиро-
регулирование напряжения, но в цепи переменного тока. Здесь в каждую
U
m
ш
t
t
Рис. 4-19
130

a
Рис. 4-20
половину периода ток проходит через одну пару диодов (без вы-
выпрямления) и через тиристор Т. Воздействием на тиристор специ-
специальных управляющих импульсов иу можно превратить синусоидаль-
синусоидальное напряжение (и ток) в последовательность импульсов любой
длительности, амплитуды и полярности, т. е. можно регулировать
действующее значение напряжения (и тока) в широких пределах.
Наконец, на рисунке 4-21 приведена схема выпрямления и ре-
регулирования тока трехфазным выпрямителем на тиристорах. Здесь
АУ — автоматическое устройство, подающее импульсы в моменты
периода, соответствующие регулированию, а тиристоры выпрямля-
выпрямляют переменный ток и одновременно регулируют его среднее значение.
§ 4.6. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
Рассмотренные выше схемы выпрямления позволяют получить
выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания элек-
электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно: оно
создает фон переменного тока на выходе, вызывает искажения сигна-
сигналов, приводит к неустойчивой работе прибора. Для устранения пуль-
пульсаций (сглаживания) применяют так называемые сглаживающие
фильтры.
Сглаживающий фильтр сос-
состоит из реактивных элементов:
конденсаторов и катушек индук-
индуктивности (дросселей). Сущность
работы сглаживающего фильт-
фильтра — разделение выпрямленно-
выпрямленного пульсирующего тока га на
постоянную / 0 и переменную
i~ составляющие (рис. 4-22).
Постоянная составляющая (по-
(полезная) направляется в нагруз-
Рис. 4-21

Рис. 4-22
Рис. 4-23
ку, а переменная (точнее, пере-
переменные составляющие), являясь
нежелательной, замыкается че-
через конденсатор, минуя наг-
нагрузку. Физическая же сущность
работы в фильтре конденсатора
и дросселя состоит в том, что
конденсатор (обычно большой
емкости), подключенный парал-
параллельно нагрузке, заряжается
при нарастании импульсов вы-
выпрямленного напряжения и раз-
разряжается при их убывании,
сглаживая тем самым колеба-
колебания этого напряжения. Дрос-
Дроссель, наоборот, при нарастании
импульсов выпрямленного тока
в результате действия ЭДС са-
самоиндукции задерживает рост
тока, а при убывании — задер-
задерживает их убывания, сглажи-
сглаживая пульсации тока в цепи на-
нагрузки.
Конденсатор и дроссель,
кроме того, можно рассматривать
как некие резервуары энергии.
Они запасают ее, когда ток в
цепи нагрузки превышает сред-
среднее значение, и отдают, когда
ток стремится уменьшиться
ниже среднего значения. Это
и приводит к сглаживанию пуль-
пульсаций .
Рассмотрим несколько под-
подробнее действие конденсатора и
дросселя в сглаживающем
фильтре.
Емкостный фильтр. Пусть па-
параллельно нагрузке RH на выходе
двухполупериодного выпрямителя включен конденсатор С (рис. 4-23).
При нарастании выпрямленного напряжения (например, при от-
открытом вентиле Bt) конденсатор зарядится (рис. 4-24,'а), а как
только выпрямленное напряжение станет убывать, полярность
напряжения на вентиле изменится на противоположную (потенциал
катода оказывается выше потенциала анода). Вентиль закрывает-
закрывается, отключив от нагрузки вторичную обмотку трансформатора. Ток
через вентиль (рис. 4-24, б) имеет форму короткого импульса
(вх ^ со? ^ 62), при этом i = ic + iR . Так как вентиль Вг от-
(I
в1
Cjt
Рис. 4-24
132

крыт, то напряжение на конденсаторе С (напряжение на верхней
(по схеме) половине вторичной обмотки трансформатора) равно
Uc = Umsiti(at, D.27)
а ток, проходящий через вентиль Bt в течение времени заряда кон-
конденсатора, равен
/= с— + —
или
Полученное уравнение для импульса тока при открытом вентиле Вг
можно представить в виде
i = Чз y^RlC2 + 1 sin (orf + 1M), D.29)
Rn
где о|) = arctg (ю/?нС).
В момент ва конденсатор начинает разряжаться через нагруз-
нагрузку, напряжение на нем спадает медленнее, чем напряжение источ-
источника, вентиль Вг закрывается и ток прекращается (i = 0). Тогда
по соотношению D.28) имеем:
откуда
82 = arctg (—соЯнС).
Таким образом, с увеличением постоянной времени RHC (точ-
(точнее, (oRHC) импульсы тока через вентиль укорачиваются. При
больших значениях RHC амплитуда этих импульсов может дости-
достигать опасных для целостности вентиля значений. В реальной цепи
ток растет не мгновенно, поэтому передний фронт импульса тока
также закруглен.
В промежуток времени, когда вентиль закрыт, источником тока
для нагрузки Ra становится конденсатор:
тогда
Решение уравнения D.30) имеет вид
а так как при mt = ва
133

то
(й1—ва
"о = Vme
sine,.
D.32)
Рис. 4-25
Уравнение D.32) определяет напря-
напряжение на конденсаторе и на нагрузке,
пока вентиль fl, закрыт.
При отключенной нагрузке (Ra = оо)
экспоненциальный множитель в уравнении
D.32) обращается в единицу и напряжение
на конденсаторе оказывается постоянным
102 = —) и равным амплитуде переменно-
переменного напряжения Un; при малых RH конденсатор будет успевать за-
заметно разряжаться, что приведет к значительным пульсациям
напряжения на выходе выпрямителя.
Индуктивный фильтр представляет собой низкочастотный дрос-
дроссель Др (катушка индуктивности со стальным замкнутым* сердеч-
сердечником), включенный последовательно с нагрузкой Ra выпрямителя
(рис. 4-25).
Для промежутка времени, в течение которого вентиль В± от-
открыт, напряжение половины вторичной обмотки и — Um sin u>t
действует на последовательно соединенные дроссель Др и нагрузку
R». Тогда
" = Ч + uf
или
и„
= L~^ + RJ.
at
D.33)
D.34)
Поделив уравнение D.34) на L, получим
dt L L
Решение этого уравнения для переходного процесса имеет вид
D.35)
i = Ae
и для установившегося режима
Vm
I —¦
¦ sin (coi — ф),
DFB6)
D.37)
где if = arctg—.
R
* Для предотвращения захода сердечника дросселя в область магнитного
насыщения сердечник делают с небольшим воздушным зазором.
134

Для реальных импульсов тока можно составить следующее
уравнение:
i = Ae
-\
п
т
D.38)
-)
+ 1
Найдем постоянную А. В закрытом вентиле ток равен нулю
вплоть до появления на нем положительного (открывающего) на-
напряжения, поэтому в момент открывания ток через вентиль равен
нулю.
Тогда с учетом этого, по уравнению D.38), получим:
Um sin М>. D.39)
А =
7)
+ 1
Полученный результат можно подставить в уравнение D.38):
и Г -—, Л
к sin гр ,
>in (<at — xf>) + е
D.40)
откуда видно, что с увеличением — уменьшение экспоненциаль-
R
ного члена замедляется, поэтому ток i в нагрузке RH будет продол-
продолжаться и некоторое время после момента ш/ = л при отсутствии
напряжения питания (рис. 4-26, а). Положительный же потенциал
анода сохранится в интервале от п до 02 за счет ЭДС самоиндукции,
возникающей в обмотке дросселя при уменьшении тока и способ-
способствующей поддержанию последнего. При !И_ ->¦ оо диод будет за -
крываться в момент 02->-2л
от начала периода. Иначе
говоря, увеличение индук-
индуктивности или уменьшение со-
сопротивления нагрузки увели-
увеличивают длительность
импульсов, протекающих че-
через нагрузку. При двухпо-
лупериодном выпрямлении
(рис. 4-26, б) наличие дрос-
дросселя приводит к тому, что ток
одного вентиля во времени
перекрывает ток другого и
при достаточном значении
ток не падает до нуля. Кро-
Кроме того, с увеличением тока
нагрузки уменьшаются пуль-
О
а
Рис. 4-26
135

сации выпрямленного тока, так как энергия, запасаемая
в дросселе, увеличивается по мере роста среднего значения тока
/ 2\
Сравнивая с конденсатором, видно, что изменение
р
/ L/2\
$7 — 9 .
I L 2 /
I /
тока нагрузки вызывает противоположные изменения пульсаций:
при наличии конденсатора увеличение тока нагрузки вызывает
увеличение пульсаций, а при наличии дросселя, наоборот, —ослаб-
—ослабление пульсаций. Это используется в практических схемах сгла-
сглаживающих фильтров.
Практические схемы сглаживающих фильтров. Фильтры, состоя-
состоящие из индуктивности L и емкости С, получили название LC-фильт-
ров. Наиболее распространенным сглаживающим фильтром в вы-
выпрямителях электронных приборов является П-образный LC-
фильтр (рис. 4-27, а). Здесь постоянная составляющая выпрямлен-
выпрямленного тока, свободно проходящая через дроссель Др, попадает затем
в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные
же составляющие, замыкаясь через конденсаторы большой емко-
емкости С1 и С2, не попадают в нагрузку RH.
При небольших токах нагрузки успешно работает Г-образный
фильтр (рис. 4-27, б), а при очень малых токах нагрузки (напри-
(например, ток главного анода электроннолучевой трубки) в качестве
сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (рис.
4-27, в). Во многих случаях целесообразно дроссель заменить ре-
резистором (рис. 4-27, г, д), так как это удешевляет фильтр.
В наиболее ответственных случаях сглаживающий фильтр со-
составляют из нескольких ячеек П- или Г-образных LC- и RC-фнль-
тров. На рисунке 4-27, е приведена схема двухзвенного фильтра:
первое звено — Сх-Др^С^ и второе — С2-Др2-С8. В каче-
качестве конденсаторов фильтра используют обычно электролитиче-
электролитические конденсаторы емкостью 10—80 мкФ на напряжения 450—
600 В, а при более вьГсоких напряжениях — специальные высоко-
•АР АР
Вх ±С1 ФС2[|/?Н Вх ФС Шн В* Ас Л/?,
_4 I J 0 1 -Г 0 1 -Г
л 5 в
-г а -т- c2C3j
136

вольтные бумажные конденсато-
конденсаторы (индуктивность дросселей
обычно 4—20 Гн).
При значительных токах
нагрузки (зарядка аккумуля-
аккумуляторов, работа двигателей пос-
постоянного тока), а также во
всех силовых установках сгла-
сглаживающие фильтры не приме-
применяют, так как требуемые огром-
огромные значения емкостей конден-
конденсаторов и индуктивностей дрос-
дросселей привели бы к недопустимо
громоздким фильтрам и их до-
дороговизне при малой эффек-
эффективности.
1A ев 0С
Рис. 4-28
§ 4.7. ПОНЯТИЕ ОБ ИНВЕРТОРАХ
В последнее время в связи с развитием работ по передаче элек-
электрической энергии на большие расстояния постоянным током
широкое применение находят инверторы — устройства, служащие
для преобразования постоянного тока в переменный. Основным при-
прибором, входящим в это устройство, является управляемый вентиль,
в частности управляемый полупроводниковый тиристор.
Принцип преобразования постоянного тока в переменный трех-
трехфазный путем инвертирования по мостовой схеме пояснен на рисун-
рисунке 4-28. Напряжение постоянного тока подается на мост из шести
тиристоров, включенных в схемную (первичную) обмотку трехфазно-
трехфазного трансформатора. Сетевая (вторичная) обмотка этого трансформа-
трансформатора питает преобразованным переменным током трехфазные по-
потребители или включается в трехфазную сеть. Принцип работы ин-
инвертора состоит в том, что благодаря определенному изменению
потенциалов управляющих электродов тиристоры поочередно про-
проводят постоянный ток в каждую из фаз схемной обмотки трансформа-
трансформатора, что приводит к возникновению переменного трехфазного на-
напряжения в сетевой обмотке этого трансформатора. На рисунке
4-29 изображены шесть различных моментов протекания постоян-
постоянного тока через вентили и схемную обмотку трансформатора в те-
течение одного периода преобразованного переменного тока. Как
видно из приведенных диаграмм, форма переменного напряжения
на сетевой обмотке трансформатора сильно отличается от синусои-
синусоидальной. На практике (путем значительного усложнения схемы)
удается получить форму напряжения близкой к синусоидальной.
Кроме того, практические схемы инверторов усложняют дополни-
дополнительными устройствами для подавления высших гармонических
колебаний, искажающих форму напряжения.
137

и
гХ
^ J
Рис 4-29
§ 4.8. ФЕРРОРЕЗОНАНС В НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
В нелинейных электрических цепях, содержащих катушки с
ферромагнитными сердечниками, наблюдается резко выраженная
зависимость индуктивности этих катушек от значения и формы на-
напряжения или тока в них. Наибольший интерес представляет явле-
явление феррорезонанса, часто используемое при создании многих
устройств автоматики, а также в устройстве феррорезонансных ста-
стабилизаторов напряжения.
Феррорезонансная цепь — это цепь, состоящая из нелинейной
катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником и конден-
конденсатора. В качестве нелинейного элемента в такой цепи может быть
дроссель, ферромагнитный сердечник которого находится в состоя-
состоянии магнитного насыщения. В феррорезонансной цепи возможно
последовательное и параллельное соединение дросселя и конден-
конденсатора.
Для упрощения будем считать, что в феррорезонансных цепях
конденсатор имеет постоянное емкостное сопротивление, а неси-
несинусоидальный ток дросселя заменен эквивалентным синусоидаль-
синусоидальным.
Последовательная феррорезонансная цепь. Типичная последова-
последовательная феррорезонансная цепь изображена на рисунке 4-30, а,
а на рисунке 4-30, б показаны зависимости напряжения на зажимах
дросселя UL и на конденсаторе Uc от тока в цепи /, а также зави-
зависимость напряжения UR на активном сопротивлении реальной цепи
138

и
0-
i и*
a
о
Рис. 4-30
от того же тока /. При этом Uc и UR растут прямо пропорционально
току /, тогда как напряжение на дросселе UL нелинейно зависит
от /; UL и Uc сдвинуты по фазе на 180° (для удобства на графике
изображены по одну сторону от оси).
Точка пересечения графиков VL — fx (I) и Uc = /2 (/) соответ-
соответствует феррорезонансу напряжений. Здесь UL = Uc и цепь ста-
становится чисто активной.
Из полученной характеристики Uv = f (I) при достаточно ма-
малом R следует, что при постепенном увеличении питающего на-
напряжения U ток сначала плавно растет, а затем при незначитель-
незначительном увеличении U резко увеличивается и далее снова плавно воз-
возрастает. При понижении напряжения ток плавно уменьшается, а
затем при малейшем дополнительном уменьшении напряжения
скачком снижается. Как видно, устройство подобного типа обла-
обладает так называемой релейной характеристикой (юткрыто — за-
закрыто») и может быть использовано как бесконтактное реле на-
напряжения в системах автоматики.
Параллельная феррорезонансная цепь. В параллельной ферро-
резонансной цепи (рис. 4-31, а) дроссель и конденсатор соединены
параллельно. Для такой цепи вид основных характеристик приведен
на рисунке 4-31, б. Особенность зависимости Up = f (/) состоит в том,
что в области небольших токов напряжение на контуре Up мало
зависит от тока /, тогда как для отдельного дросселя область малой
Рис. 4-31
139

Рис. 4-32
зависимости приходится на значительно большие токи. Кроме того,
при параллельном феррорезонансе нет скачкообразного изменения
тока при изменении напряжения. Наоборот, плавное изменение
тока сопровождается скачкообразным изменением напряжения на
зажимах цепи. Последнее можно осуществить регулируемым рези-
резистором, включенным последовательно с цепью из дросселя и кон-
конденсатора.
В случае когда lL = /с, в цепи наступает феррорезонанс токов,
при котором ток / минимален и по фазе совпадает с питающим на-
напряжением. Феррорезонанс токов можно получить изменением на-
напряжения источника U.
§ 4.9. ФЕРРОРЕЗОНАНСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Принцип стабилизации напряжения с помощью нелинейных
элементов можно пояснить на примере цепи, состоящей из двух ре-
резисторов (рис. 4-32, а): линейного Rx (например, обычный реостат)
и нелинейного RBX (например, термистор — нелинейный рези-
резистор, сопротивление которого сильно уменьшается при нагревании
протекающим током). Характеристика нелинейного резистора
D-32, б) показывает, что изменения тока через него в пределах пря-
прямолинейного горизонтального участка не вызывает сколь-нибудь
заметного изменения напряжения на его зажимах.
В рассматриваемой (последовательной) цепи (см. рис. 4-32, а),
как известно, питающее напряжение U распределяется на Ra и
RHX пропорционально их сопротивлениям. Однако при изменениях
U напряжение на 7?л также будет изменяться, тогда как напряже-
напряжение на Rm будет оставаться практически неизменным (стабилизи-
(стабилизированным) ?/ст.
Рассмотренный простейший стабилизатор напряжения на рези-
резисторах имеет слишком низкий КПД из-за активных потерь.
В цепях переменного тока стабилизация напряжения осущест-
осуществляется реактивными сопротивлениями с использованием парал-
параллельной феррорезонансной цепи (рис. 4-33). Здесь Ьл — ли-
линейный дроссель, в его сердечнике амплитуда магнитного потока не
достигает магнитного насыщения и сердечник работает на верти-
140

Рис. 4-33
кальном участке кривой намаг-
намагничивания, JLHJI — нелинейный
дроссель, амплитуда магнитной
индукции в его сердечнике до-
доведена до насыщения; падение
напряжения (стабилизированное
напряжение) на феррорезонанс-
ном контуре почти не зависит
от тока в нем (см. рис. 4-32, б).
В практических конструкциях феррорезонансных стабилиза-
стабилизаторов осуществляют ряд мер для улучшения их показателей. Так,
для уменьшения массы и габаритов стабилизатор имеет объединен-
объединенную магнитную систему. Для получения стабилизированного на-
напряжения, равного номинальному напряжению сети, если послед-
последнее много ниже номинала, нелинейный дроссель выполняют по схе-
схеме повышающего трансформатора или автотрансформатора. Для
компенсации нестабильности напряжения на контуре из-за него-
негоризонтальности его характеристики U = f (/) вводят компенсирую-
компенсирующую обмотку, располагая ее на сердечнике линейного дросселя,
но с намоткой противоположного направления. Наконец, конден-
конденсатор С феррорезонансного контура подключают к обмотке нели-
нелинейного дросселя через дополнительную обмотку, являющуюся
продолжением основной обмотки этого дросселя.
Это позволяет за счет увеличения индуктивности уменьшить ем-
емкость (и габариты) конденсатора, а также улучшить коэффициент
мощности.
Схема улучшенного стабилизатора изображена на рисунке 4-34.
Здесь роль линейного дросселя выполняет широкий стержень с
сетевой обмоткой шс и магнитным шунтом МШ, а роль нелинейного
дросселя — узкий стержень с обмотками шнл и w3. При изменении
сетевого напряжения Uc насыщенный поток Ф8 почти не изменя-
изменяется, поэтому изменение ЭДС самоиндукции сетевой обмотки шс
осуществляется изменяющимся потоком Фш. В этом стабилизаторе
ЭДС компенсирующей обмотки шк пропорциональна напряжению
сети, а не напряжению линейного дросселя. Последнее, как извест-
известно, зависит еще и от тока на-
нагрузки. Применение трансфор-
трансформатора в стабилизаторе позво-
позволяет получить на выходе
номинальное напряжение при
низком напряжении сети, а так-
также изолировать цепи питания и
нагрузки друг от друга.
Для питания стабилизиро-
стабилизированным напряжением контро-
контрольно-измерительных приборов,
регулирующих и исполнительных рис. 4-34
141

Пр 220 в 2А
¦0 +
Рис. 4-35
устройств промышленной электроавтоматики, электроприбо-
электроприборов и аппаратуры бытового назначения (радиоприемники, теле-
телевизоры) промышленность выпускает феррорезонансные стабилиза-
стабилизаторы напряжения мощностью от 100 ВА до 8 кВА для напряжений
127Д220 и 380 В. Маломощные стабилизаторы A00—750 ВА) обыч-
обычно выполняют по схеме рисунка 4-33 на стабилизированные напря-
напряжения 110 и 220 В с пределами колебаний напряжений сети 95—
120 и 185—230 В соответственно.
§ 4.10. ШКОЛЬНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Выпрямители нашли широкое применение в школьном физиче-
физическом эксперименте вместо ранее используемых аккумуляторов.
В последние годы наиболее распространенными становятся выпря-
выпрямители, выпускаемые на основе кремниевых диодов. К таким вы-
выпрямителям относятся ВС-24М и ВУП-2.
Выпрямитель ВС-24М селеновый (модернизированный) на вы-
выходное (выпрямленное) напряжение 24 В служит для получения
плавно регулируемых напряжений: переменного от 0 до 30 В и
постоянного (выпрямленного) от 0 до 24 В при токе нагрузки до
10 А. Выпрямитель двухполупериодный, но без сглаживающего
фильтра, поэтому выпрямленный ток имеет частоту пульсаций
100 Гц.
Собран выпрямитель на трансформаторе Тр (рис. 4-35) по мос-
мостовой схеме иа селеновых вентилях 1—4. Трансформатор Тр выпол-
выполнен на тороидальном сердечнике с двумя изолированными друг от
друга обмотками. Сетевая обмотка I рассчитана на напряжение
220 В и имеет отвод для включения в сеть напряжением 127 В. В
цепь этой же обмотки входят выключатель сети Вк и предохранитель
Пр. Вторичная обмотка рассчитана на переменное напряжение 30 В
и снабжена скользящим контактом (движок Д) для плавной регу-
регулировки напряжения. К части витков обмотки II подключена
лампа СЛ. Для контроля за работой выпрямителя и внешней цепи
служат вольтметр V и амперметр А.
Выпрямитель ВУП-2 (универсальный на полупроводниковых
приборах). Он собран на трансформаторе Тр, сетевая обмотка /—3
рассчитана на напряжение 220 В и имеет отвод на 127 В (рис. 4-36).
142

¦0 + 550В
¦0 + 250 В
- 05щ.
!250В
Рис. 4-36
Поверх сетевой обмотки размещен электростатический экран
(отвод 4) в виде изолированной обмотки. Прибор имеет два само-
самостоятельных выпрямителя: основной на обмотке с выводами 9—10
и вспомогательный на обмотке с выводами 5—7—8.
Основной выпрямитель собран на четырех диодах {Д^-Д^
по мостовой двухполупериодной схеме. Он имеет сглаживающий
фильтр Сг—Др—С2 и рассчитан на получение на выходе напряже-
напряжения до 350 В. С резистора Rlt постоянно включенного на выход вы-
выпрямителя, снимается регулируемое напряжение 0—250 В. Все
напряжения указаны ориентировочно, так как они зависят от на-
нагрузки.
Вспомогательный выпрямитель с выходом 0+100 В собран на
обмотке 5—7—8 и представляет собой два последовательно включен-
включенных выпрямителя на диодах Дь и Де. Фильтр этого выпрямителя
состоит из резисторов R2 и R3 и конденсаторов С3, С4 и С6. Резисто-
Резисторы, кроме того, выполняют роль потенциометра {R2) и ограничи-
ограничительного сопротивления {Rs). Поскольку полярность выходного
напряжения изменяется с изменением положения движка потенцио-
потенциометра R2, конденсатор фильтра С6 бумажный.
Обмотка //—13 служит для питания сигнальной лампы СЛ и
цепей накала электронных ламп, используемых в экспериментах
F, 3 В). На переднюю панель прибора выведена ламповая окталь-
октальная панель в виде разъема для включения некоторых демонстрацион-
демонстрационных приборов (СВЧ-генератора, стробоскопа и др.) с помощью мно-
многожильного кабеля.

ГЛАВА V
МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Электрические машины служат для преобразования механи-
механической энергии в электрическую (генераторы) либо электриче-
электрической в механическую (двигатели). Машины переменного тока де-
делятся на асинхронные и синхронные. Такое деление связано с харак-
характером вращения магнитного потока и ротора в двигателях пере-
переменного тока. Так, в асинхронном двигателе скорость вращения
ротора несколько меньше скорости вращения магнитного поля,
создаваемого обмоткой статора. Увеличение нагрузки двигателя
вызывает уменьшение скорости вращения ротора. В синхронном же
двигателе скорость вращения ротора равна скорости вращения
магнитного поля статора и не зависит от нагрузки двигателя.
Подобное различие можно усмотреть и в работе асинхронного и
синхронного генераторов.
Асинхронные машины используют главным образом как двига-
двигатели, а синхронные — как двигатели и генераторы. Практически
все генераторы переменного тока синхронные.
Двигатель переменного тока имеет статор с сетевой обмоткой,
создающей вращающий момент, и ротор с обмоткой, создающей
противодействующий момент. Статор и ротор, выполненные из
листовой электротехнической стали, входят в общую магнитную
цепь двигателя.
В синхронных генераторах ротор под действием первичного
двигателя при своем вращении создает вращающий магнитный по-
поток, наводящий в обмотке статора ЭДС. Таким образом, обмотка
ротора создает полюсную систему — индуктор, а обмотка статора
генератора является якорем. Все электрические машины перемен-
переменного тока имеют механическую часть, куда входят: корпус машины
(станина), вал ротора, подшипники, в которых вращается вал, и
вентиляционное устройство для охлаждения машины.
Конструктивные особенности различных машин переменного
тока более подробно рассмотрены ниже.
144

§ 5.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Асинхронный двигатель изобретен в 1889 г. выдающимся рус-
русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским. Благодаря
простоте конструкции и эксплуатации асинхронный двигатель
стал основой современного электропривода.
В основу принципа действия асинхронных двигателей поло-
положено явление Араго, демонстрируемое следующим образом. Под
горизонтально подвешенным на нити медным или алюминиевым
диском помещают вращающийся подковообразный магнит, при
этом диск приходит во вращение в ту же сторону, что и маг-
магнит. Тот же диск будет вращаться и в случае, если его располо-
расположить во вращающемся магнитном поле, создаваемом, например,
тремя катушками, включенными в трехфазную сеть.
Вращение диска в описанных опытах объясняется так. Вращаю-
Вращающееся магнитное поле, создаваемое механическим вращением по-
постоянного магнита или токами трехфазной системы в катушках, ин-
индуцирует в теле диска вихревые токи. Последние взаимодействуют
с вращающимся магнитным полем и в соответствии с законом Ленца
начинают приводить диск во вращение. По мере увеличения ско-
скорости диска относительная скорость диска и поля уменьшается,
уменьшаются индукционные токи в диске и электромагнитные силы.
За счет механического трения диск начнет приостанавливаться,
однако возрастающая при этом относительная скорость диска и поля
приводит к увеличению индукционных токов и электромагнитных сил,
и диск станет снова «подталкиваться» и т. д. В конечном счете насту-
наступит равновесие между электромагнитным и тормозным моментами,
при котором диск будет вращаться с некоторой постоянной скоростью,
меньшей скорости вращения магнитного поля, т. е. асинхронно.
Явление асинхронного вращения диска из немагнитного ме-
металла во вращающемся магнитном поле положено в основу устрой-
устройства асинхронных двигателей.
Основными частями асинхронного двигателя являются (рис. 5-1):
статор / с рабочей обмоткой, ротор 2 с лопастями вентилятора 3 и
два подшипниковых щита 4 с вентиляционными отверстиями-
Сердечник статора собирают из листов электротехнической
стали. В специальных пазах, расположенных на внутренней ци-
цилиндрической поверхности статора, укладывают рабочие обмотки
двигателя. Для включения обмоток звездой и треугольником у
обмоток выведены все шесть концов. Ротор асинхронного двига-
двигателя представляет собой стальной цилиндрический сердечник,
собранный из листов электротехнической стали, с обмоткой в виде
«беличьего колеса», которое можно рассматривать как многофазную
обмотку (рис. 5-2) Здесь каждая пара диаметрально противополож-
противоположных стержней с соединительными кольцами представляет собой
короткозамкнутый виток.
145

Рис. 5-1
Рис. 5-2
Вращение ротора можно объяснить следующим образом. Если
«беличье колесо», способное вращаться вокруг оси, поместить во
вращающееся магнитное поле, то под действием ЭДС, возникающих
в стержнях, в короткозамкнутых витках появятся токи. Эти токи,
взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора, приве-
приведут «беличье колесо» в асинхронное вращение в ту же сторону, что
и поле. Получается асинхронный двигатель с короткозамкнутым
ротором, так как стержни «беличьего колеса», выполняющие роль
рабочей обмотки ротора, замкнуты накоротко через соединительные
кольца. Однако из-за большого рассеяния магнитного потока внут-
внутри статора (в воздухе) действующее на ротор усилие со стороны вра-
вращающегося поля было бы невелико, поэтому «беличье колесо» рас-
располагают на поверхности стального цилиндра. Последний соби-
собирают из отдельных листов электротехнической стали.
§ 5.3. СОЗДАНИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМОЙ
Если три катушки, включенные в трехфазную сеть перемен-
переменного тока, разместить по окружности так, чтобы между плоскостя-
плоскостями любых двух катушек был угол 120°, а в центре этой окружности
поместить магнитную стрелку на оси, то стрелка придет во вращение,
Так как магнитная стрелка в этом опыте может вращаться только
под действием магнитных сил, то совокупность магнитных полей, соз-
созданных токами трех катушек, включенных в трехфазную сеть, являет-
является вращающимся магнитным полем. Разберем причину этого явления.
Изобразим графически изменения токов в катушках (рис. 5-3)
и выберем четыре произвольных момента времени: tlt t2, /3 и tt.
Для каждого из этих моментов последовательно изобразим резуль-
результирующие магнитные потоки внутри статора трехфазной машины,
146

Рис. 5-3
условно имеющей три обмот-
обмотки, состоящие каждая из од-
одного витка (рис. 5-4). Обоз-
Обозначим начала обмоток (вит-
(витков) буквами А, В и С, а
концы — соответственно X,
Y и Z. Ток в начале обмотки
будем считать направленным
к нам, если его значение
положительно. Для момента
времени tx имеем: обмотка
А — X потока не создает
(iA= 0); в начале обмотки В ток направлен от нас (iB <-0), а в ее
конце Y — к нам; в начале обмотки С ток направлен к нам (ic>0).
а в ее конце Z — от нас. Таким образом, в двух расположенных
рядом проводниках С и Y, перпендикулярных к плоскости чертежа,
токи направлены одинаково в момент tx и создают магнитный поток,
направленный по правилу буравчика против часовой стрелки,а токи
в проводниках В и Z создают поток, направленный по часовой
стрелке. Оба потока внутри статора машины имеют одинаковое на-
направление (вверх). Направление оси общего магнитного потока от-
отметим стрелкой.
Рассматривая таким образом положение магнитного потока для
каждого из указанных моментов, приходим к выводу, что на-
направление магнитного потока изменяется на 180° за полпериода.
Легко убедиться, что за период ось магнитного потока сделает
один оборот, и очевидно, что скорость вращения ее пропорциональ-
пропорциональна частоте тока.
Мы рассмотрели положение магнитных потоков для фиксирован-
фиксированных моментов времени, но ток изменяется непрерывно. Отсюда
можно предположить, что магнитный поток поворачивается не
скачками, а непрерывно с постоянной скоростью. Количественное
рассмотрение вопроса о создании вращающегося магнитного поля
трехфазной системой приводит нас к более подробным выводам.
Пусть на статоре трехфазной машины имеются три обмотки,
включенные в трехфазную систему (рис. 5-5), а магнитная индук-
147

ция в точке О, создаваемая каждой обмот-
обмоткой, изменяется по синусоидальному за-
закону:
Bz==Bmsm(at — 120°);
Рис. 5-5
Очевидно, что для определения длины и
положения результирующего вектора ин-
индукции в точке О следует найти сумму
проекций векторов Вх, В2 и В3 на ось ко-
координат Ох:
В1х = Вт sin a>t;
B2x = — fi2 cos 60° == — — Вп sin (to/ — 120е);
Взх = — В3 cos 60° = — — Bm sin (w/ — 240°).
Сумма проекций этих векторов даст проекцию результирующего
вектора индукции:
* = О\х -f- D2x + О^х,
В2х + Вгх = Вт [sin (id — 120°) + sin (o>t — 240°)] = — Bm sin co^,
т. e.
= -Bms\nu>t.
E.1)
Точно так же поступим и для нахождения проекции резуль-
результирующего вектора Индукции на ось Оу:
Biy = — Вг cos 30° = —
Взу = B3 cos30° =
Bv =
Bmsin(w/ —120°);
„sin (@^ — 240°);
B3V = ^-
cos
E.2)
Таким образом, в результате этих преобразований мы полу-
получили две составляющие общего результирующего вектора магнит-
нон индукции В:
Вх = \Bm sin со/ и Ву = |Bm cos <ot,
по которым найдем значение суммарной индукции (рис. 5-6):
В =
148

Оказывается, что длина вектора магнит-
магнитной индукции В не зависит от времени;
при t = 0 его составляющая Вх = О
(вектор занимает вертикальное положе-
положение); с увеличением t вертикальная проек-
проекция Ву уменьшается, а горизонтальная
Вх увеличивается, в результате чего В
будет поворачиваться по часовой стрелке.
Для определения скорости вращения
вектора магнитной индукции В положим,
что в некоторый произвольный момент
времени t он образует с осью Оу угол а,
для которого можно записать:
_В?= 3/2 вя
"в.
Рис. 5-6
откуда
3/2 Вт cos cat
а — Ы,
E.4)
т. е. вектор индукции В вращается с постоянной угловой скоростью
в направлении часовой стрелки. Иначе говоря, получается посто-
постоянное по значению равномерно вращающееся магнитное поле.
Простой способ создания вращающегося магнитного поля
трехфазной системой положен в основу устройства трехфазных
двигателей. Если изменить очередность фаз (изменится и последо-
последовательность токов), то, проведя аналогичные преобразования,
получим:
Вх — —Вт cos at и Ву = —Вт sin (at.
Отсюда следует, что В будет вращаться против часовой стрелки (при
t = О, ВУ = 0 вектор В займет горизонтальное положение; с уве-
увеличением t горизонтальная проекция Вх уменьшится, а вертикаль-
вертикальная Ву увеличится, т. е. В повернется против часовой стрелки.
Изменением последовательности фаз пользуются для изменения
направления вращения роторов трехфазных двигателей, т. е. для
реверсирования двигателей.
§ S.4. СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.
ТИПЫ ОБМОТОК СТАТОРА
В предыдущем параграфе было показано, что скорость враще-
вращения магнитного поля постоянна и определяется частотой тока.
В частности, если трехфазную обмотку двигателя разместить в
шести пазах на внутренней поверхности статора (рис. 5-7), то,
как было показано (см. рис. 5-4), ось магнитного потока повернется
149

A0 2Я> ВЩ Щ С0 Y0
за половину периода переменно-
переменного тока на полоборота, а за пол-
полный период —на один оборот.
Скорость вращения магнитного
потока па можно представить
так:
Пг = 60 • — = 60f=3000 об/мин.
В этом случае обмотка статора
создает магнитное поле с одной
парой полюсов. Такая обмотка
получила название двухполюсной.
Если обмотка статора состоит из шести катушек (по две после-
последовательно соединенные катушки на фазу), уложенные в двенадца-
двенадцати пазах (рис. 5-8), то в результате построений, аналогичных для
двухполюсной обмотки, можно получить, что ось магнитного по-
потока за полпериода повернется на четверть оборота, а за полный
период — на полоборота (рис. 5-9). Вместо двух полюсов при трех
Рис. 5-7
А0 Y0
11
11^
80 10
С0 XV
¦3
•2
Рис. 5-8
Обмотки
A X
В У
с z
Начала
1,7
5,11
9,3
Концы
4,10
8,2
12,6
JXiXiXl"
N
Рис. 5-9
150

обмотках поле статора теперь имеет четыре полюса (две пары полю-
полюсов). Скорость вращения магнитного поля статора в этом случае
равна
^•60 = ^=1500 об/мин.
Т 2
Увеличивая число пазов и обмоток и производя аналогичные
рассуждения, можно сделать вывод, что скорость вращения маг-
магнитного поля в общем случае при р парах полюсов равна
п = — (об/мин).
Так как число пар полюсов может быть только целым (число
катушек в обмотке статора всегда кратно трем), то скорость враще-
вращения магнитного поля может иметь не произвольные, а вполне опре-
определенные значения (см. табл. 5.1).
Таблица 5.1
2р
п
2
3000
4
1500
6
1000
8
750
10
600
12
500
16
428
24
375
48
125
На практике для получения постоянного значения вращающего
момента, действующего на ротор в течение одного оборота, число
пазов в статоре значительно увеличивают (рис. 5-10) и каждую
сторону катушки размещают в нескольких пазах, при этом каждая
обмотка состоит из нескольких секций, соединенных между собой
последовательно. Обмотки, как правило, делают двухслойными.
В каждом пазу укладывают одну над другой две стороны секций
двух разных катушек, причем, если одна активная сторона лежит
на дне одного паза, то другая активная сторона этой секции лежит
наверху другого паза, секции и ка-
катушки соединяют между собой так,
чтобы в большей части проводников
каждого паза направление токов было
одинаковым.
§ 5.5. СКОЛЬЖЕНИЕ АСИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
Как известно, ротор асинхронного
двигателя вращается в ту же сторону,
что и магнитное поле со скоростью,
несколько меньшей скорости враще-
вращения поля, так как только при этом Рис. 5-10
151

условии в обмотке ротора будут индуцироваться ЭДС и токи и
иа ротор будет действовать вращающий момент.
Обозначим скорость вращения поля (синхронная скорость)
через nlt а скорость вращения ротора через п2. Тогда разность
и, — пг, называемая скоростью скольжения, будет представлять
собой скорость ротора относительно поля, а отношение скорости
скольжения к синхронной скорости, выраженное в процентах,
называют скольжением s:
s = h=b ЮО %. E.7)
"i
Выразим скольжение s через угловые скорости вращения поля
и ротора (и2:
откуда
2пл, 2яп„
- (о, = —- и о», = —»
1 60 2 60
60@, 60ш,
¦—- и п2 = —-
2я 2 2я
Полученные выражения подставим в формулу скольжения E.7)
s = ov-io,loo%_ (g>8
wi
Выясним влияние скольжения на мощность, развиваемую дви-
двигателем.
Пусть Рх — мощность, потребляемая двигателем, Р2 — мощ-
мощность, развиваемая ротором при его вращении. Тогда
Рл = — = — =F,/?(o1 и />=-?- = -? = F9Rd)9,
t T * Z t T 2 2>
где / — длина окружности ротора, R — его радиус, Fi и F% —
силы, действующие на ротор (соответственно электромагнитная и
механическая). Тогда
р. р,
©1 = —— И @2 = ——.
Взяв отношение щ — со2 к <olt получим:
Р F D
но F2 = F1 (обе силы электромагнитные и в установившемся ре-
режиме вращения действие равно противодействию), тогда
E.9)
откуда
152
со,—
«1
окончательно
FiRb
имеем:
»1
?1
или
A-
Pl — Pi
J
S).

Из полученного соотношения следует,
что мощность Р2, развиваемая ротором
асинхронного двигателя, зависит от сколь-
скольжения s.
Если скольжение выражать в процен-
процентах, то A — s) % от мощности Pi, потреб-
потребляемой двигателем из сети, преобразуется
в механическую мощность, а остальные
s% мощности Рг расходуются на покры-
покрытие потерь в двигателе, поэтому для по-
получения высокого КПД двигателя сколь-
скольжение необходимо делать возможно мень-
меньшим.
На практике у двигателей мощностью
от 1 до 1000 кВА при номинальной наг-
нагрузке скольжение составляет3—6%, а при
больших мощностях—1—3%. Так, при
магнитного поля 3000, 1500 и 1000 об/мин скорости вращения ро-
ротора обычно имеют соответственно значения 2800,1410 и 930 об/мин.
ф,
'S1
Рис. 5-11
скоростях вращения
§ 1.6. МАГНИТНЫЙ ПОТОК ЭДС И ТОКИ
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Магнитный поток асинхронного двигателя состоит из двух ос-
основных потоков: потока Фи создаваемого током 1г статора, и по-
потока Ф2, создаваемого током /2 ротора (рис. 5-11):
Ф = Ф1 + Ф2. E.10)
Оба потока частично замыкаются вокруг витков (через воздух),
минуя сталь статора и ротора и создавая потоки рассеяния Ф5]
и 0s2- Последние наводят в этих обмотках ЭДС рассеяния S,\
и S&. Рабочий поток Ф наводит в обмотках статора и ротора ЭДС
соответственно ?Y и 8г.
Запишем уравнение электрического равновесия для статорной
цепи в векторной форме:
% = (_?) +7А, E.11)
т. е. напряжение сети уравновешивается ЭДС самоиндукции St
и падением напряжения /^ на сопротивлении z1 обмотки.
Так как полное сопротивление гх обмотки
то
/д ="?/?!+7^ . E.12)
и уравнение электрического равновесия E.11) можно переписать:
А = (-Ж) + />i + TlXa. E.13)
153

Поскольку падение напряжения /^ на обмотке статора неве-
невелико, то можно считать, что lxzx s; 0 и ^ « [/г Тогда магнитный
поток Ф асинхронной машины, пропорциональный ЭДС самоиндук-
самоиндукции $lf можно считать практически постоянным и не зависящим
от нагрузки
Ф = U1 & const.
Этот поток Ф можно выразить через ток холостого хода двигателя
ф=?м=/о»1 E.14)
DO ч
где SM — Iaw1 — намагничивающая сила, RM = магнитное
fiS
сопротивление цепи. Так как потоки Ф1 и Ф2 имеют одинаковую
скорость, то
E.15)
отсюда
t Z (TA E.16)
т. е. ток статорной цепи /t равен геометрической сумме тока холо-
холостого хода и приведенного тока ротора, взятого с обратным знаком.
Из-за большого магнитного сопротивления цепи с двумя воздуш-
воздушными зазорами ток холостого хода асинхронного двигателя значи-
значителен и является в основном реактивным током.
Скорость вращения магнитного поля статора п1 (синхронная
скорость) определяется, как известно, частотой тока сети fx и чис-
числом пар полюсов обмотки р:
откуда
Для ротора, вращающегося относительно поля статора со ско-
скоростью п. = пг — п2, имеем:
f — El
h 60'
Но rtx — п 2 = п^, тогда
(П1-п2)Р ^f л
12 60 к '
Отсюда следует, что частота тока в роторе отлична от частоты питаю-
питающего тока и зависит от скольжения s. При пуске двигателя: п2 — 0,
s = li h = ft — 50 Гц; на холостом ходу: s << 1, пх =s n2; при
s = 2,0% частота тока в роторе f2 = 1,0 Гц. Сопротивление ротор-
154

ной обмотки резко изменяется с изменением скорости вращения
ротора:
хй = щЬл = 2n/2Li2 = 2nf1sLs2. E.18)
Обозначив 2n/2Li2 = л:^20, получим:
**=»**«»• E.19)
Пропорциональной скольжению s оказывается и ЭДС ?2 в цепи
ротора. Обозначив ЭДС в обмотке ротора в момент пуска (при
s — 1) S20, можно записать:
?2 = ёт&. E.20)
Используя полученные выше соотношения, можно представить
значение тока ротора:
I L Ji*»* —. E.21)
22 Кл§+4
т. е. ток в обмотке ротора зависит от скольжения.
Учитывая, что токи статора и ротора связаны между собой
уравнением E.16), можно сделать вывод: ток статора также за-
зависит от скольжения и имеет максимальное значение в момент пуска.
По этой причине у короткозамкнутых двигателей пусковой ток в
5—7 раз больше номинального, что затрудняет их включение в
маломощные сети.
От скольжения зависит и коэффициент мощности цепи ротора
двигателя cos \|>2:
cos ф2 = — = 2 —. E.22)
§ 5.7. ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
По характеру протекающих электромагнитных процессов асин-
асинхронный двигатель во многом подобен трансформатору. Так, пер-
первичной обмоткой здесь является обмотка статора, а вторичной —
обмотка ротора. Разница между ними состоит в том, что у трансфор-
трансформатора нагрузка электрическая, а у двигателя — механическая;
у трансформатора рабочий магнитный поток в сердечнике пульси-
пульсирующий, у двигателя — вращающийся; у трансформатора магнит-
магнитное поле токов первичной обмотки ослабляется полем токов вторич-
вторичной, у двигателя поле токов статора ослабляется полем токов ро-
ротора. Однако работа двигателя и трансформатора имеет и суще-
существенные отличия. Например, в обмотках трансформатора частота
токов неизменна, у двигателя (в роторе) частота зависит от скоро-
скорости его вращения и т. д. При этом отметим, что роторные токи созда-
создают свое магнитное поле, вращающееся с той же скоростью, что и
поле статора: поле токов ротора вращается относительно обмотки
155

ротора со скоростью скольже-
скольжения п = Пх — п2 = snlt но об-
обмотка ротора сама вращается в
направлении вращения поля
статора со скоростью пг =
—Пг A —s), поэтому поле ротора
вращается со скоростью
ni+n=nl(l —s) + n1s =
= nt. E.23)
Благодаря сходству элект-
электромагнитных процессов в асин-
асинхронном двигателе и трансфор-
трансформаторе векторные диаграммы
их также похожи. Однако при
построении векторной диаграм-
диаграммы асинхронного двигателя из-
за различия частот ЭДС и токов
в обмотках статора и ротора
последние приходится «'приво-
«'приводить» к частоте статорной цепи
(на одной векторной диаграмме
все величины должны иметь од-
одну и ту же частоту) или, что
равносильно, роторные ЭДС
и токи приводят к скольжению, равному единице. Например, ЭДС
обмотки ротора приводится к s = 1 делением обеих частей равен-
равенства E.20) на s: s'% = S20. а приведенный ток ротора h получают
делением числителя и знаменателя соотношения E.21) на s:
"!0 E.24)
Рис. 5-12
с2 + *s20
Поскольку h — /2. векторное уравнение электрического равно-
равновесия для роторной цепи можно записать так:
». E-25)
7*" ^2 I
' ' 2 I
S
т. е. ?го состоит из двух составляющих — приведенного падения
напряжения на активном и на индуктивном сопротивлениях цепи
ротора.
Векторную диаграмму асинхронного двигателя строят в следую-
следующем порядке (рис. 5-12).
За основной вектор выбирают вектор рабочего потока Ф. Ток
холостого хода /0 опережает поток Ф на небольшой угол магнит-
ного запаздывания а. ЭДС Sx и ?2о отстают по фазе от потока на —.
156

В соответствии с уравнением электрического равновесия для ротор-
роторной цепи строят вектора приведенных значений величин, входящих
в это уравнение E.25). Вектор тока в цепи статора /х находят в со-
соответствии с векторным уравнением E.16), а вектор приложенного
—>-
сетевого напряжения ?/, — с уравнением E.13).
С помощью полученной диаграммы можно наглядно объя'снить
многие особенности работы асинхронного двигателя. Например,
при увеличении нагрузки на валу двигателя ток /2 в роторе воз-
возрастает, что приводит к увеличению потребляемого тока Iv С дру-
другой стороны, увеличение тока 1± вызывает уменьшение угла сдвига
Фи т. е. увеличение активной мощности и т. д.
§ 5.8. АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОНТАКТНЫМИ КОЛЬЦАМИ
Как отмечалось выше, недостатком асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором является большой пусковой ток, пре-
превышающий в 5—7 раз его номинальное значение. Желая улучшить
пусковые характеристики двигателя, М. О. Доливо-Добровольский
разработал и некоторые специальные типы двигателей, одним из
которых является двигатель с контактными кольцами.
Асинхронный двигатель с контактными кольцами имеет обыч-
обычный для асинхронных двигателей статор с трехфазной сетевой об-
обмоткой, но его ротор имеет также трехфазную обмотку, размещен-
размещенную по поверхности ротора. Роторная обмотка соединена звездой:
три начала соединены вместе, а три ее конца соединены с тремя
изолированными друг от друга контактными кольцами. Последние
жестко укреплены на валу ротора (рис. 5-13). Посредством непод-
неподвижных щеток в цепь ротора включается пусковой трехфазный рео-
реостат, изменяющий активное сопротивление обмотки ротора в момент
пуска. Такое устройство является либо пусковым (для уменьшения
пускового тока при одновременном сохранении вращающего мо-
момента) либо регулировочным (для регулирования скорости враще-
вращения ротора двигателя). После разгона ротора пусковой реостат
Сердечник ротора
Одмотт ротора.
Контактные кольиа
Рис. 5-13
157

pi I
выключается и обмотка зако-
закорачивается либо вручную, либо
с помощью центробежного ав-
автоматического короткозамыка-
теля. Для уменьшения потерь
на трение в некоторых таких
двигателях имеются приспособ-
приспособления для отвода щеток от кон-
контактных колец после замыкания
последних.
§ 5.9. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Рабочие характеристики
Рис. 5-14 асинхронного двигателя сред-
средней мощности приведены на ри-
рисунке 5-14.
При малых нагрузках потребляемый двигателем ток / велик
(в зависимости от размеров воздушного зазора машины ток холосто-
холостого хода может составлять от 20 до 70% номинальньго тока). В
дальнейшем с увеличением нагрузки возрастает ток в цепи рото-
ротора, который приводит к соответствующему увеличению тока /
в статорной цепи. Потребляемая из сети мощность Рг при неболь-
небольших нагрузках почти пропорциональна нагрузке, однако при боль-
больших нагрузках эта пропорциональность несколько нарушается
из-за увеличения потерь в меди обмоток двигателя. Вращающий
момент двигателя (М = &Ф/3 cos\|>2) также почти пропорционален
нагрузке, но при значительных нагрузках ход графика М = / (Р2)
несколько нарушается за счет некоторого уменьшения скорости
вращения двигателя.
Коэффициент мощности cos ф двигателя на холостом ходу мал
(около 0,2), но по мере увеличения нагрузки возрастает активная
составляющая тока, потребляемого двигателем, — следовательно,
возрастает и cos <p, достигая максимального значения при нагруз-
нагрузках 0,8—0,9 от номинальной. При дальнейшем увеличении нагруз-
нагрузки cos ф несколько уменьшается, так как при этом возрастает сколь-
скольжение и частота тока в роторе, т. е. возрастает индуктивное сопро-
сопротивление обмотки ротора, а также происходит усиление полей
рассеяния, пропорциональных токам. КПД двигателя с увеличени-
увеличением нагрузки быстро возрастает, достигая максимального значения
(когда механические потери в стали двигателя оказываются равны-
равными потерям в меди обмоток).
§ 5.10. ПУСК В ХОД АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Самым простым способом пуска асинхронных двигателей явля-
является прямое их включение в сеть. Однако при этом, как было вы-
выяснено, в момент пуска в цепи двигателя появляется большой пу-
1S8

сковой ток. В маломощных сетях
этот ток может вызвать кратко-
кратковременное понижение напряже-
напряжения, что вредно отражается на
работе некоторых приемников
энергии, включенных в эту сеть.
В целях уменьшения пускового тока
на практике применяют специаль-
специальные способы пуска двигателей.
Рассмотрим простейшие из них.
Пуск двигателей с помощью
пускового реостата в цепи статора.
Реостат включают последователь-
последовательно с обмотками статора (рис. 5-15).
При пуске реостат полностью
вводится, а затем по мере разгона
ротора вручную или автоматичес-
автоматически (центробежные пускатели) вы-
выводится, при этом сопротивление
реостата уменьшает ток, но это
приводит к уменьшению вращаю-
вращающего момента. Такой способ может
быть применен лишь в тех случа-
случаях, если двигатель пускается в
ход без нагрузки. Этот способ не-
неэкономичен особенно для двига-
двигателей большой мощности из-за боль-
большого расхода энергии в пуско-
пусковых реостатах. В настоящее время
лля этих целей широко применяют
регулирование тока с помощью ти-
тиристоров.
Пуск двигателей переключением
обмоток со звезды на треуголь-
Рис. 5-15
Д
Рис. 5-16
ннк. В момент пуска обмотки статора включают звездой пока
скорость ротора не станет близкой к номинальной, а затем'соеди-
затем'соединение обмоток переключают на треугольник (рис. 5-16) Пусковой
ток при этом уменьшается в три раза. Покажем это
Пусть линейное напряжение сети ия, а полное сопротивление
каждой из обмоток двигателя г. Найдем пусковой ток (ток в ли-
линейном проводе) при соединении звездой и треугольником.
Для случая соединения звездой фазное напряжение
а ток фазы
это и есть пусковой ток, так как для звезды / ф= /л.
E.26)
159

Для случая соединения треугольником (/ф
I —Чл.
г
а линейный ток
ил и ток фазы
E.27)
это и есть пусковой ток для соединения треугольником.
Таким образом,
'л тр
'л зв
E.28)
E.29)
Этот способ можно применять лишь в тех случаях, когда у
двигателя выведены наружу все шесть концов его обмоток, об-
обмотки двигателя могут быть включены в данную сеть треуголь-
треугольником, и когда электродвигатель пускают в ход без нагрузки или
с нагрузкой не более 40% номинальной.
§ 5.11. РЕВЕРСИРОВАНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Реверсированием называют изменение направления вращения
ротора двигателя. Как известно, направление вращения ротора
зависит от направления вращения магнитного поля статора, поэто-
поэтому для изменения направления вращения ротора следует изменить
последовательность фаз. На практике это достигается переменой
местами любых двух фаз. В тех случаях, когда приходится часто
реверсировать двигатель (подъемные краиы, лебедки, различные
станки и т. д.), пользуются перекидными рубильниками или
специальными переключателями (рис. 5-17).
Скорость вращения магнитного поля и
связанная с ней скорость вращения двига-
двигателя зависят от частоты тока f и числа пар
полюсов обмотки р. Для плавного изме-
изменения скорости вращения принципиально
возможно плавное регулирование частоты
питающего тока, однако для этого приш-
пришлось бы для каждого двигателя иметь отдель-
отдельный генератор с плавно изменяющейся
частотой напряжения на выходе. Измене-
Изменение скорости вращения ступенями потре-
потребовало бы для каждого значения скорости
специальной сети с напряжением опреде-
определенной частоты. Оба названных выше спо-
способа ие нашли сколько-нибудь широкого
практического применения.
Вперед
Назад
160

На практике для ступенчатого регулирования скорости изме-
изменяют число пар полюсов, создаваемых обмоткой статора. Наша
промышленность выпускает многоскоростные двигатели на две,
три и четыре синхронные скорости, например на 1500—1000—
750—500 об/мин. Такие двигатели из-за сложности обмоток зна-
значительно дороже односкоростных Что касается плавного измене-
изменения скорости вращения асинхронного двигателя, то сколько-
нибудь простых и надежных способов для этого не существует
Максимальная синхронная скорость, которую можно получить
при частоте тока 50 Гц, равна 3000 об/мин (двухполюсный двига-
двигатель), однако в некоторых отраслях промышленности (дерево-
(деревообрабатывающей, авиационной и др.) желательно иметь скорость
двигателей порядка двух-трех десятков тысяч. Для этой цели при-
применяют специальные двигатели повышенной частоты A00—400 Гц)
По конструкции они мало отличаются от обычных асинхронных
двигателей на 50 Гц, но питаются от специальных генераторов или
от преобразователей частоты. В качестве последних часто применяют
агрегаты, состоящие из обычного асинхронного двигателя и высо-
высокочастотного генератора. Иногда преобразователь делают следую-
следующим образом. К обмотке статора асинхронной машины с контакт-
контактными кольцами подводят напряжение сети, а ротор этой машины
вращают другим, например асинхронным, двигателем в сторону,
противоположную его номинальному вращению при данной после-
последовательности фаз. В результате такого вращения в обмотке ротора
с контактными кольцами будет индуцироваться ЭДС повышенной
частоты:
f* = sf1 = I±±bfl = h + p-^. E 30)
В последние годы с появлением тиристоров получают распро-
распространение тиристорные преобразователи частоты.
§ 5.12. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
В маломощном электроприводе (стиральные и холодильные
машины, доильные аппараты, машины для стрижки овец, центри-
центрифуги, вентиляторы и др.) используются так называемые однофаз-
однофазные двигатели (до 600 Вт). Однофазный двигатель отличается от
трехфазного тем, что его статор имеет однофазную обмотку (иногда
еще и так называемую пусковую), а роторы их ничем не отличаются
(они могут быть с короткозамкнутой «беличьей клеткой» либо с
трехфазной обмоткой). Если обмотку статора однофазного двигате-
двигателя включить в сеть, то поддействием магнитного поля на половину
стержней «беличьей клетки» ротора будут действовать электро-
электромагнитные силы, создающие вращающий момент одного направле-
направления, а на другую половину стержней — момент такой же по зна-
значению, но противоположный по направлению Через полпериода
направление моментов от обеих половин «клетки» изменится на
6 Заказ 3!ц 161

и i противоположное и ротор не придет во
вращение, т. е. начальный момент такого
двигателя равен нулю. Однако ротор бу-
будет продолжать вращение, если какой-ли-
какой-либо силой извне ему сообщить некоторую
скорость вращения.
Для объяснения этого явления восполь-
воспользуемся теорией разложения пульсирующе-
пульсирующего магнитного поля, согласно которой не-
неподвижный в пространстве пульсирующий
магнитный поток, создаваемый однофазным
р ,_18 переменным током, можно рассматривать
как два потока, вращающиеся в противо-
противоположные стороны с угловой скоростью
а и имеющие значение, равное половине амплитуды неподвиж-
неподвижного потока.
Для доказательства этого утверждения предположим, что ин-
индукция пульсирующего магнитного поля пропорциональна току
и изменяется по закону:
В — Bmsin at.
Пусть в некоторой точке О имеются два равномерно и противо-
противоположно вращающихся магнитных поля с постоянной индукцией
Bi = В2 = —— (рис. 5-18). Тогда для некоторого произвольного
момента t суммарное значение индукции В в точке О можно опре-
определить следующим образом.
Найдем проекции векторов В^ и В2 на ось х:
В1Х — Вх cos at и В2Х = —В2 cos <at,
проекция суммарного вектора иа ось х равна
В, = flljr + В„ = 0. E.31)
Найдем для того же момента времени проекции этих векторов
на ось у:
В1у = Вх sin at и В2у = В2 sin со/,
проекция суммарного вектора на ось у равна
Ву = в1у + В2у = 2В1 sin ш/ = Вт sin at. E.32)
Тогда суммарная магнитная индукция в точке О равна
В = V В2Х + В2У = Вт sin at. E.33)
Таким образом, можно считать, что иа подвижный ротор дейст-
действуют два противоположно вращающихся магнитных потока: Фх —
вращающийся в сторону вращения ротора и называемый прямым
потоком и Ф2 — вращающийся навстречу ротору и называемый
обратным потоком.
162

Прямой поток Фх вращается относите-
относительно ротора с небольшой скоростью (<»!—
— <а2) и индуцирует в обмотке ротораЭДС
и ток небольшой частоты (например, при
скольжении s = 0,02 частота тока ft —
= fs = 0,02 • 50 = 1 Гц). Вращающий
момент, создаваемый этим потоком,
Мг = cl^i cos ifo E.34)
велик, так как для тока небольшой часто-
частоты обмотка ротора оказывает почти чис-
чисто активное сопротивление, поэтому по-
поток Фг и индуцируемый им ток 1Х почти
совпадают по фазе, т. е. значение cos^ ве-
велико, а значение тока /s определяется ак-
активным сопротивлением обмотки.
Обратный поток Ф2 вращается отно-
относительно ротора, наоборот, с большой
скоростью («! + ti2) и индуцирует в обмот-
обмотке ротора ЭДС и ток /2 почти вдвое
большей частоты питающего тока (напри-
(например, при том же скольжении s == 0,02
частота индуцируемого тока f% = B—s)f1 =
= B — 0,02) • 50 = 99 Гц). Вращаю-
Вращающий момент, создаваемый обратным
потоком,
М2 == с/2Ф2 cos \|>2
Рис. 5-19
ПО
Рис. 5-20
E.35)
мал, так как для тока большой частоты обмотка ротора обладает
большим индуктивным сопротивлением (xl = wL), поэтому между
током /2 и потоком Ф2 будет большой сдвиг по фазе, т. е. cos t|>2
мал, а ток /2 определяется активным и большим индуктивным со-
сопротивлениями обмотки. Итак, вращение ротора поддерживается
вращающим моментом прямого потока Mt (тормозное действие
обратного потока незначительно). На практике однофазные асин-
асинхронные двигатели иногда применяют как двигатели очень малой
мощности, разгоняемые вручную.
Усовершенствование однофазных асинхронных двигателей при-
привело к созданию специальных устройств для их предварительного
разгона. Работа большинства из этих устройств основана на исполь-
использовании свойства двух магнитных потоков (смещенных в простран-
пространстве на 90° и сдвинутых по фазе на —) создавать вращающееся маг-
магнитное поле. Рассмотрим некоторые из таких устройств.
Однофазные двигатели с пусковой обмоткой. На статоре такого
двигателя дополнительно к рабочей обмотке РО добавляется так
называемая пусковая обмотка ПО, сдвинутая в пространстве отно-
относительно главной обмотки на угол 90° (рис. 5-19). В момент пуска
6*
163

пусковая обмотка замыкается кнопкой К накоротко, в результате
трансформаторной связи в ней возникает ток, сдвинутый по фазе
относительно питающего тока почти на -^-. Эти токи создают вра-
вращающее магнитное поле, которое и разгоняет ротор. После разгона
пусковая обмотка размыкается и в дальнейшей работе не участвует.
Двигатели с таким пуском встречаются иногда в приводе бытовых
машин (стиральные машины и т. д.).
В некоторых двигателях последовательно с рабочей обмоткой
РО включают резистор R, а последовательно пусковой — индук-
индуктивность L (или наоборот), пусковая обмотка ПО на время пуска
включается кнопкой К на напряжение сети (рис. 5-20). В других
двигателях такого типа (узкопленочные кинопроекторы и др.)
проволочный резистор связан с центробежным механизмом и при
достижении определенной скорости ротора автоматически отключа-
отключается.
Конденсаторные двигатели. В этих двигателях рабочая и пуско-
пусковая обмотки смещены на статоре друг относительно друга на 90°.
На время пуска пусковую обмотку ПО
включают на напряжение сети с помощью
кнопки К через конденсатор С (рис. 5-21),
благодаря которому ток в пусковой обмот-
обмотке отличается по фазе от тока в рабочей
обмотке РО на —,
этим обеспечивается
Рис. 5-21
Рис. 5-22
разгон ротора (конденсаторный пуск).
В некоторых двигателях конденсатор
остается включенным, поэтому во время
работы двигателя обе обмотки являются
рабочими (рис. 5-22). В этих двигателях
пуск осуществляется с помощью конден-
конденсаторов Сх и С2, а во время работы вклю-
включенным остается конденсатор С2, значи-
значительно улучшающий пусковые и рабочие
характеристики двигателя.
Конденсаторные двигатели имеют луч-
лучшие пусковые и рабочие характеристики
по сравнению с другими однофазными дви-
двигателями, поэтому они получили более
широкое распространение (кинотехника
и т. д.). Мощные конденсаторные двигатели
применяют в качестве тяговых двигателей
рудничных электровозов переменного тока.
Однофазные двигатели с расщепленны-
расщепленными полюсами. Статор двигателей очень ма-
малой мощности часто выполняют с явно
выраженными полюсами, причем каждый
полюс разрезан, а на одну его часть на-
164

дето медное кольцо, играющее
роль пусковой обмотки (рис.
5-23). Под действием перемен-
переменного магнитного потока, созда-
создаваемого обмоткой статора, в
кольце индуцируется ЭДС, от-
отстающая по фазе от потока на
—. Она создает в кольце ток.
Полагая сопротивление кольца
чисто активным, ток совпадает по фазе
потока обмотки тоже
Рис. 5-23
с ЭДС и отстает от
на —. Этот ток в кольце создает свой маг-
магнитный поток, совпадающий с ним по фазе. Таким образом, под
полюсом действуют два сдвинутых по фазе на —"магнитных потока,
Z
образуя вращающееся магнитное поле. Последнее увлекает за
собой короткозамкнутый ротор.
В некоторых двигателях такого типа ротор изготовляют из
магнитожесткой стали, благодаря чему на ротор действует гисте-
резисный момент и приводит его в синхронное с магнитным полем
статора вращение.
Двигатели с расщепленными полюсами нашли широкое примене-
применение для маломощного привода (почти все радиолы и магнитофоны,
механизмы электрических часов, самопишущих приборов, кино-
кинопроекционных аппаратов, вентиляторы и т. п.).
Включение трехфазных двигателей в однофазную сеть. Во мно-
многих практических случаях, когда нет трехфазной сети, можно ис-
использовать трехфазные асинхронные двигатели, включая их опре-
определенным образом в однофазную сеть переменного тока.
На рисунке 5-24, а и б приведены схемы, на которых у двига-
двигателей выведены лишь по три конца обмоток. Подключаемый конден-
конденсатор С создает дополнительный сдвиг по фазе между током и на-
напряжением, обеспечивая начальный пусковой момент. На рисунке
5-24, виг изображены схемы включения трехфазных асинхронных
двигателей, у которых выведены все шесть концов статорной об-
Рис. 5-24
165

мотки. Приведенные схемы включения обеспечивают получение от
двигателей 40—50 % от мощности в симметричном трехфазном
включении.
§ S.13. ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Трехфазные асинхронные двигатели благодаря простоте и на-
надежности конструкции и низкой стоимости нашли широкое приме-
применение в технике. Асинхронные двигатели не требуют почти ника-
никакого ухода, просто пускаются в ход, выносят большие перегрузки.
В настоящее время энергоснабжение осуществляется по трехфазной
системе переменного тока, поэтому применение двигателей постоян-
постоянного тока требует дополнительных устройств для выпрямления
переменного тока (это не всегда оправдывает себя). Асинхронные
двигатели являются незаменимыми в приводах токарных и свер-
сверлильных станков, циркулярных пил пилорам, подъемных кранов
и лебедок, лифтов в жилых домах и шахтных клетей. В сельском
хозяйстве для привода веялок, барабанов молотилок, зернопультов,
зернопогрузчиков и т. д.
Вместе с достоинствами трехфазные асинхронные двигатели
имеют ряд недостатков. Основным их недостатком является то,
что для них не существует простых способов регулировки скорос-
скорости вращения. Вторым недостатком этих двигателей является зави-
зависимость скорости вращения от механической нагрузки на валу
двигателя. При увеличении нагрузки на ротор со стороны поля
должна действовать большая сила, а это возможно при увеличении
тока в роторе за счет уменьшения его скорости. Иначе говоря, при
увеличении нагрузки на валу двигателя снижается скорость вра-
вращения ротора, т. е. асинхронные двигатели чувствительны к пере-
переменной нагрузке. Третьим недостатком двигателя является сравни-
сравнительно низкий cos ф и зависимость его от нагрузки.
§ 5.14. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
В синхронных машинах магнитное поле токов якорной обмотки
и ротор вращаются с одинаковой скоростью (синхронно). Синхрон-
Синхронные машины обратимы, т. е. они могут работать как генераторы и
как двигатели. Однако наибольшее распространение они получили
как генераторы переменного тока, которые устанавливают на всех
современных электростанциях.
Генератор переменного тока был изобретен выдающимся рус-
русским электротехником П. Н. Яблочковым. Этот генератор был при-
применен для питания электрических свечей и по принципу работы
ничем не отличался от современных генераторов, являясь первым
многофазным генератором. На его статоре были уложены изоли-
изолированные друг от друга несколько обмоток, каждая из которых име-
имела свою цепь с группой свечей.
166

В 1888 г. другой выдающийся русский электротехник М. О. До-
ливо-Добровольский построил первый в мире трехфазный генера-
генератор мощностью около 3 кВА.
Синхронный генератор имеет две основные часш: ротор и ста-
статор.
Ротор (подвижная, вращающаяся часть машины) образует си-
систему вращающихся электромагнитов, питаемых постоянным то-
током от внешнего источника.
Статор (неподвижная часть машины) ничем не отличается от
статора асинхронной машины. В его обмотке действием вращающего-
вращающегося магнитного поля ротора наводится ЭДС, подаваемая на внешнюю
цепь генератора (в режиме двигателя на обмотку статора подается
напряжение сети). Такая конструкция генератора позволяет устра-
устранить скользящие контакты в цепи нагрузки генератора Собмотка
статора соединяется с нагрузкой непосредственно) и надежно изо-
изолировать рабочую обмотку от
корпуса машины, что весьма
существенно для современных
генераторов, изготовляемых на
большие мощности при высоких
напряжениях. Основной магнит-
магнитный поток синхронного генера-
генератора, создаваемый вращающим-
вращающимся ротором, возбуждается от
постороннего источника-еозбг/-
дителя, представляющего собой
обычный генератор постоянного
тока (мощностью 0,5—10% от
мощности генератора). Возбу-
Возбудитель устанавливается на
общем валу с генератором ли-
либо соединяется с валом гене-
генератора муфтой или ременной
передачей. Постоянный ток от
возбудителя проходит через
обмотку ротора через два коль-
кольца и неподвижные щетки, уста-
установленные на валу ротора.
По своей конструкции ро-
роторы различают явнополюсные
(рис. 5-25, а) и неявнополюсные
(рис. 5-25, б). Число пар полю-
полюсов ротора обусловлено скорос-
скоростью его вращения. При частоте
генерируемой ЭДС 50 Гц иеяв-
иополюсный ротор быстроход-
быстроходной машины—турбогенератора,
вращающийся со скоростью
167

Рис. 5-26
3000 об/мин, имеет одну пару
полюсов, тогда как явнополюс-
ный ротор тихоходного гидро-
гидрогенератора (скорость враще-
вращения которого определяется
высотой напора воды), вращаю-
вращающийся со скоростью от 50 до
750 об/мин, имеет число пар
полюсов соответственно от 60
до 4.
Маломощные синхронные ге-
генераторы (до 100 кВА), как пра-
правило, имеют самовозбуждение:
обмотка возбуждения питается
выпрямленным током того же
генератора (рис. 5-26). Цепь
возбуждения образуют транс-
трансформаторы тока ТТ, включае-
полупроводниковый выпрями-
по схеме трехфазного моста,
мые в цепь нагрузки генератора,
тель ПВ, собираемый, например,
и обмотка возбуждения генератора ОВ с регулировочным реоста-
реостатом R.
Самовозбуждение генератора происходит следующим образом.
В момент пуска генератора благодаря остаточной индукции в маг-
магнитной системе появляются слабые ЭДС и токи в рабочей обмотке
генератора. Это приводит к появлению ЭДС во вторичных обмотках
трансформаторов ТТ и небольшого тока в цепи возбуждения, уси-
усиливающего индукцию магнитного поля машины. ЭДС генератора
ьозрастает до тех пор, пока магнитная система машины полностью
не возбудится.
Такие генераторы (однофазные и трехфазные) используют в ма-
маломощных низковольтных передвижных электростанциях, приме-
применяемых, например, в сельском хозяйстве для электрострижки овец
и дойки коров, а также для питания сельских передвижных кино-
киноустановок и т. д. В этих генераторах рабочая обмотка часто выпол-
выполняется на роторе, а на внутренней поверхности статора устраивается
полюсная система с явно выраженными полюсами. Подключение
генератора к внешней нагрузке осуществляется через скользящие
токосъемы (щетки с кольцами на оси ротора).
§ 5.15. ЭДС СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
При вращении ротора синхронного генератора первичным
двигателем (гидротурбиной, паровой турбиной и т. д.) в каждой
фазе его рабочей обмотки наводится ЭДС:
е — —wk —.
dt
E.36)
168

Полагая, что магнитный поток изменяется синусоидально (ко-
синусоидально) с частотой / = —, зависящей от скорости вра-
60
щения п ротора при определенном числе пар полюсов р, и учиты-
учитывая, что со = 2nf, и переходя к действующему значению ЭДС,
можно получить:
ё = спФ, E.37)
где с — постоянный коэффициент, учитывающий конструктивные
особенности данной машины.
Таким образом, ЭДС генератора пропорциональна основному
магнитному потоку машины, при этом напряжение на зажимах
генератора меньше ЭДС на величину внутреннего падения напряже-
напряжения
U^l—7z, E 38)
где / — ток в обмотке статора (ток нагрузки); г — полное сопро-
сопротивление обмотки (одной фазы).
Для точной подгонки амплитуды ЭДС значение магнитного по-
потока регулируют изменением тока в цепи возбуждения. Синусои-
Синусоидальная форма ЭДС зависит прежде всего от распределения магнит-
магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, поэ-
поэтому полюсным наконечникам ротора придают определенную форму
(делают скосы по краям). При этом воздушный зазор увеличивается
от середины полюса к его краям, а магнитная инд} кция распре-
распределяется косинусоидально. Однако на практике ее не доводят до
косинусоидальной, так как при таком распределении вместе с
ЭДС основной частоты появляются гармонические составляющие,
сильно искажающие форму результирующей ЭДС.
В неявнополюсных машинах нужного распределения магнитной
индукции добиваются особым размещением обмотки возбуждения по
поверхности ротора. Эти и другие меры обеспечивают практически
синусоидальную форму ЭДС.
§ 5.16. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ
Магнитная система синхронного генератора в режиме холостого
хода (без нагрузки) имеет магнитный поток полюсов, который ин-
индуцирует ЭДС в обмотке статора. Однако после включения на-
нагрузки в трехфазной обмотке статора возникает ток, который, как
известно, создает свое вращающееся поле. Скорость вращения это-
этого поля равна скорости вращения поля полюсов. Следовательно,
полный магнитный поток машин при нагрузке складывается из по-
потоков ротора и статора, но отсюда не следует, что магнитное поле
статора всегда усиливает поле полюсов. Результат взаимодействия
этих полей определяется величиной и характером нагрузки.
169

Воздействие поля статора на поле полюсной системы возбужде-
возбуждения называется реакцией статора или по аналогии с машинами пос-
постоянного тока реакцией якоря.
Рассмотрим кратко реакцию якоря при различных по характеру
нагрузках, пренебрегая незначительным влиянием реактивного со-
сопротивления обмотки якоря.
В случае активной нагрузки*, при которой ток совпадает по
фазе с ЭДС, максимум тока наступит в тот момент, когда оси по-
полюсов будут находиться против обмоток фаз (рис. 5-27, а). Это
так называемая поперечная реакция якоря: потоки статора Фс и
ротора Фр взаимно перпендикулярны. В результате сложения
этих потоков общий магнитный поток генератора несколько уве-
увеличивается и смещается в пространстве, — следовательно, ЭДС
генератора возрастает.
В случае чисто индуктивной нагрузки ток отстает от ЭДС по
фазе на л/2. К рассматриваемому моменту максимального значения
тока в обмотке А—X ротор повернут на 90° по часовой стрелке
(рис. 5-27, б). Магнитные потоки Фс и Фр направлены встречно,
общий магнитный поток генератора равен их разности. Реакция
якоря размагничивает машину и уменьшает ее ЭДС.
При емкостной нагрузке генератора ток нагрузки опережает
по фазе ЭДС на я/2, — следовательно, ротор генератора еще не
дошел на 90° до вертикального положения, а ток в обмотке А—X
уже имеет максимальное значение (рис. 5-27, в). Потоки Фс и
Фр имеют одинаковое направление, увеличивают общий магнитн ый
поток Ф, а это приводит к увеличению ЭДС.
* Для получения такого режима нагрузка должна быть активно-емкостной,
при этом емкость скомпенсирует индуктивность обмотки генератора.
'А Фп
170

(P,
X
Рис. 5-28
При смешанной активно-индуктивной (рис. 5-28, а) или актив-
активно-емкостной (рис. 5-28, б) нагрузке ток и ЭДС сдвинуты по фазе
на некоторый угол. Поток от обмотки статора Фс может быть пред-
представлен в виде двух взаимно перпендикулярных составляющих:
-*¦ -»¦
ФС1 — поперечной (активной) и ФС2 — продольной (реактивной).
В результате реакции якоря результирующий магнитный поток
смещается от вертикали и изменяется по значению в зависимости
от характера нагрузки.
Во всех рассмотренных случаях мы не учитывали изменения
нагрузки. Очевидно, что реакция якоря будет тем значительней,
чем больше ток нагрузки, так как при этом поле якоря усиливается
вместе с ростом нагрузки. Таким образом, реакция якоря в син-
синхронном генераторе приводит к изменениям магнитного потока и
ЭДС, что является крайне нежелательным, так как изменение зна-
значения и характера нагрузки приведут к изменению напряжения
на зажимах генератора.
Уменьшения влияния реакции якоря можно добиться, напри-
например, увеличением воздушного зазора между статором и ротором при
одновременном увеличении тока и числа витков обмотки возбужде-
возбуждения. Это приведет к уменьшению потока якоря за счет увеличения
магнитного сопротивления цепи машины при неизменном общем по-
потоке. Однако этим методом на практике нельзя полностью устра-
устранить влияние реакции якоря, так как увеличение сечения провода
и числа витков обмотки возбуждения привели бы к нерациональной
затрате меди и увеличению размеров генератора.
На практике при всяком изменении нагрузки с помощью автома-
автоматических устройств изменяют ток возбуждения; этим ослабляют
влияние реакции якоря.
§ 5.17. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
К числу основных характеристик синхронного генератора отно-
относятся характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная
характеристики.
171

Фл
к
Рис. 5-29
и
In
Рис. 5-30
Рис. 5-31
Характеристика холостого хода гене-
генератора представляет собой график за-
зависимости ЭДС генератора ?0 на холос-
холостом ходу от тока возбуждения /„
(рис. 5-29). Эта характеристика напо-
напоминает собой кривую первоначального
намагничивания стали. При достиже-
достижении области магнитного насыщения
магнитной системы генератора скорость
роста ЭДС уменьшается, а «спрямление»
формы кривой происходит при малых
индукциях за счет воздушного зазора
в магнитной цепи машины. Эту харак-
характеристику можно получить опытным
путем, изменяя ток возбуждения при
номинальной скорости вращения рото-
ротора. Номинальный режим возбуждения
генератора выбирают в области переги-
перегиба кривой (точка А). Использование об-
области большего магнитного насыще-
насыщения для увеличения ЭДС генератора
приводит к неоправданному увеличению
тока и размеров обмотки возбуждения.
Внешняя характеристика синхрон-
синхронного генератора — это зависимость на-
напряжения U на зажимах генератора от
тока нагрузки его / при постоянных
значениях коэффициента мощности
cos <p, скорости вращения ротора п и
тока возбуждения /„ (рис. 5-30). В за-
зависимости от характера нагрузки внеш-
внешние характеристики имеют спад (кри-
(кривая 2), либо некоторый подъем (кривая
3) в соответствии с действием реакции
якоря. Номинальный режим нагрузки
(/н) выбирают таким, чтобы при cos ср=
= 0,8 изменения напряжения не пре-
превышали 35—45% от номинального (кри-
(кривая /).
Регулировочная характеристика син-
синхронного генератора представляет со-
собой график зависимости тока возбуж-
возбуждения /„ от тока нагрузки / при п =
=const и cos ф = const (рис. 5-31). Такая
характеристика показывает, как вы-
выбрать ток возбуждения, при котором
напряжение на зажимах генератора ос-
172

тавалосьбы постоянным при изменениях
нагрузки. Из приведенных характерис-
характеристик для разных значений cos ф видно,
в частности, что при нагрузках, когда
Ф ^ 0 (кривая 2), ток возбуждения
следует увеличивать, а при ф < О
(кривая 3) — уменьшать. Кривая /
соответствует оптимальному режиму.
§ 5.18. УПРОЩЕННАЯ ВЕКТОРНАЯ
ДИАГРАММА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
IxL
Рис. 5-32
Зависимость изменения напряжения от нагрузки генератора
удобно выяснять с помощью векторных диаграмм синхронного гене-
генератора при различных нагрузках. Рассмотрим случай, наиболее
часто встречающийся на практике, — случай активно-индуктивной
нагрузки.
Построение векторной диаграммы начнем с произвольного рас-
расположения вектора ЭДС 8 (рис. 5-32). От этого вектора под углом
сдвига фаз \|> отложим вектор тока /.
Поскольку в соответствии с векторным уравнением электриче-
электрического равновесия синхронного генератора E.38) напряжение U на
его зажимах меньше ЭДС 8 на величину индуктивного падения
напряжения IxL, поэтому для построения вектора напряжения U
отложим из конца вектора ЭДС 8 перпендикулярно вектору тока
/ вектор падения напряжения IxL. Соединив точку О с концом
вектора IxL, получим вектор напряжения U на зажимах генератора.
Полученный угол ф между векторами / и U определяет характер
нагрузки.
Постоянные по величине вращающиеся магнитные потоки ротора
и статора можно заменить переменными потоками, изменяющимися
по тому же синусоидальному закону, что и создаваемые ими ЭДС
и токи, поэтому на этой же диаграмме можно построить магнитные
потоки ротора, статора и результирующий магнитный поток гене-
генератора.
Магнитный поток полюсов (поток ротора Фр), индуцирующий
ЭДС S, отстает от ЭДС по фазе на четверть периода [е = ), а по-
ток статора Фс, созданный током нагрузки /, совпадает с ним по
фазе. Построив векторы Фр и фс, можно получить вектор резуль-
результирующего потока Ф из условия:
Ф = фр + фс. E.39)
173

Векторные диаграммы для различных по характеру нагрузок
показывают, что изменения напряжения на зажимах генератора
U и результирующего магнитного потока Ф зависят не только от
внутреннего индуктивного падения напряжения Ixl и магнитного
потока статора Фс, но и от характера нагрузки. Так, при активной
и актпвно-индуктивной нагрузке машина размагничивается, а при
активно-емкостной — подмагничивается, что приводит к соответ-
соответствующим изменениям ЭДС и напряжения на зажимах генератора.
§ 5.19. РАБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
ПАРАЛЛЕЛЬНО С СЕТЬЮ
Подавляющее большинство современных электрических станций
оборудовано несколькими одновременно работающими на общую
сеть генераторами. Такую работу генераторов называют параллель-
параллельной. Необходимость параллельной работы генераторов диктуется
следующими соображениями.
Если станция оборудована одним генератором, то его нагрузка
сильно колеблется в зависимости от времени года и от времени су-
суток. Замена одного генератора несколькими дает возможность
при необходимости часть генераторов останавливать, экономя тем
самым расход топлива, воды и т. д. Для надежного снабжения по-
потребителей на случай аварии станция должна иметь резервный ге-
генератор. Мощность резервного генератора может быть уменьшена,
если на станции работают не один, а несколько генераторов. На-
Наконец, параллельная работа генераторов и станций диктуется
необходимостью объединения в общую энергосистему нескольких
электростанций, что позволяет наиболее рационально загружать
станции в течение года и бесперебойно снабжать потребителей
электроэнергией.
Для включения генераторов на параллельную работу необхо-
необходимы следующие условия:
1. Равенство действующих значений напряжения сети Uc и
напряжения на зажимах генератора Ur, включаемого в сеть. Это
достигается регулированием тока возбуждения.
2. Равенство частот генератора /г и сети /с, которое достигается
регулированием скорости вращения генератора.
3. Одинаковая последовательность чередования фаз, которая
проверяется, например, с помощью специального прибора — фазо-
указателя.
4. Напряжения сети Uc и генератора Ur в момент включения
должны совпадать по фазе.
Наиболее трудным является выбор момента включения генера-
генератора, когда напряжения Ur и ?/с совпадают (или почти совпадают)
по фазе. (Получить абсолютно одинаковую частоту сети и вклю-
включаемого генератора практически невозможно.) Неправильный вы-
выбор момента включения генератора может привести к возникно-
возникновению недопустимого режима для целости генератора и другой
174

Сеть
Ucr
АС.
вспомогательной аппаратуры. Поэтому многочисленные способы
включения сводятся практически к выполнению этого условия. Для
этой цели применяются специальные устройства, называемые син-
синхроноскопами.
Для выяснения принципа включения генератора на параллель-
параллельную работу с сетью кратко рассмотрим простейший способ, назы-
называемый включением та темное» (рис. 5-33, а). Здесь три лампы
накаливания, образующие простейший синхроноскоп, включаются
на разность напряжений сети и генератора. Равенство фазных на-
напряжений и частот сети и генератора контролируется вольтметром
и частотометром. При совпадении частот и фаз напряжений сети и
генератора лампы не должны светиться, однако получить это прак-
практически невозможно. Звезда фазных напряжений генератора на
ректорной диаграмме (рис. 5-33, б) вращается относительно звезды
фазных напряжений сети в ту или иную сторону в зависимости от
соотношения частот генератора и сети (fr > fc или fz > fT), при
этом угол между одноименными векторами будет меняться от О
до я, а разностное напряжение — от нуля (когда векторы совпа-
совпадают) до удвоенной амплитуды (когда векторы противоположны).
Чем меньше различаются частоты /с и Д., тем реже будут вспыхи-
вспыхивать лампы. Регулированием скорости вращения генератора до-
биваются^ наименьшей частоты вспышек ламп; в момент, соответ-
соответствующий середине между двумя вспышками, включают генератор в
сеть. Этот момент и соответствует совпадению частот и фаз напря-
напряжений сети и генератора.
Способ «на темное» имеет тот существенный недостаток, что
по вспыхиваниям ламп нельзя определить, какая из частот /с
или /г больше, поэтому приходится регулировать генератор
«вслепую». Есть и другие, более совершенные способы.
Помимо ламповых синхроноскопов существует специальный стре-
стрелочный синхроноскоп.
175

Пуск Радота
Рис. 5-34
В настоящее время пользуются в основном методом «самосинхро-
«самосинхронизации» или «грубой синхронизации»: невозбужденный генератор
при закороченной на резистор R обмотке возбуждения (рис. 5-34)
первичным двигателем доводят до скорости, близкой к синхронной,
затем генератор включают в сеть и возбуждают его. В результате
действия механического толчка генератор втягивается в синхро-
синхронизм. Разрядный резистор R, сопротивление которого в 5—10 раз
больше сопротивления обмотки возбуждения, служит для предот-
предотвращения появления перенапряжений на обмотке в момент пуска
генератора. На современных электростанциях пуск генераторов
полностью автоматизирован.
§ 5.20. ОБРАТИМОСТЬ СИНХРОННЫХ МАШИН.
ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
В случае идеальной синхронизации (Uc = Sr и /с = /г) подклю-
подключенная к сети синхронная машина не отдает энергию в сеть и не
потребляет ее из сети. Покрытие же потерь в машине осуществляет-
осуществляется за счет энергии первичного двигателя. Для того чтобы заставить
машину (генератор) отдавать энергию в сеть, надо увеличить вра-
вращающий момент со стороны первичного двигателя. Это приведет
к некоторому смещению ротора вперед на некоторый угол в и к
нарушению взаимной компенсации ?Г и Uc. В результате появится
уравнительный ток, магнитный поток которого будет препятство-
препятствовать (по закону Ленца) вращению ротора. Иначе говоря, магнит-
магнитный поток уравнительного тока будет создавать противодействую-
противодействующий момент, на преодоление которого потребуется дополнительное
увеличение вращающего момента первичного двигателя. В этом
случае вращающееся магнитное поле ротора будет вести за собой
поле статора, а электромагнитные силы играют роль упругой
связи между двумя полями. Генератор начнет отдавать энергию в
сеть. Максимум отдаваемой генератором мощности будет при зна-
значении угла в, равном 90°.
Если же величину вращающего момента со стороны первичного
двигателя уменьшать, то угол в станет уменьшаться и при полном
176

отключении первичного двигателя, ротор вместе со своим магнит-
магнитным полем несколько отстанет от вращающегося поля статора. Вра-
Вращающееся поле статора поведет за собой ротор, являющийся элект-
электромагнитом. Синхронная машина превращается в синхронный
двигатель, в котором и поле статора и поле ротора (ротор) бул>т
вращаться с одинаковой скоростью (синхронно). По мере увеличе
ния нагрузки на валу такого двигателя угол в будет увеличиваться
(в противоположную сторону по отношению к генератору), что
также приведет к увеличению тока в цепи двигателя и, стало быть,
к увеличению потребляемой из сети электрической мощности.
В отличие от асинхронного двигателя, в котором увеличение
нагрузки на валу приводит к уменьшению скорости вращения рото-
ротора, в синхронном двигателе увеличение механической нагрузки
приводит к увеличению угла в между полюсами вращающихся
полей статора и ротора при сохранении скорости вращения ротора.
Ротор синхронного двигателя будет продолжать синхронное
вращение до тех пор, пока он будет за полпериода переменного
тока успевать поворачиваться своими полюсами к следующим про-
проводникам обмотки статора с таким же направлением тока, как и
в тех проводниках, против которых он находится в данный мо-
момент. Иначе говоря, ротор двигателя должен вращаться с такой
же скоростью, как и поле статора, проходя полюс за полпериода
переменного тока (разность скоростей поля и ротора может состав-
составлять не более 2—5%), при этом на него будет действовать вращаю-
вращающий момент одного и того же направления. При чрезмерно большой
механической нагрузке ротор двигате-
двигателя выпадает из синхронизма и оста-
останавливается. /,- ^~^>^-ч\ F
§ S.H. ПУСК И ОСТАНОВКА
СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Синхронный двигатель не может
быть пущен в работу простым вклю-
включением его в сеть. Это можно объяс-
объяснить следующим образом. Пусть в
момент включения двигателя направ-
направление питающего тока в обмотках
статора соответствует рисунку 5-35, а.
В этот момент на неподвижный
ротор будет действовать пара сил F,
стремящихся повернуть его по часо-
часовой стрелке. Через полпериода на-
направление токов в обмотках статора
изменится на противоположное
(рис. 5-35, б). Так как рогор в силу
177

своей инертности за это очень короткое время практически остался
на месте, то на него уже подействует такая же пара сил Flt стре-
стремящаяся повернуть ротор в обратную сторону. Таким образом,
при непосредственном включении синхронного двигателя в сеть
его ротор не сдвинется с места. Легко видеть, что за полпериода
переменного тока ротор должен успевать повернуться на пол-
полоборота при одной паре полюсов обмотки статора, для этого его
надо предварительно разогнать до необходимой скорости вра-
вращения.
Таким образом, необходимость предварительного разгона ро-
ротора является характерной особенностью синхронного двигателя.
Механический разгон применяется при пуске двигателей очень
малой мощности (вручную) и двигателей очень большой мощности
(от специального постороннего двигателя). В этом случае сначала
ротор разгоняется до скорости, близкой к синхронной, и вклю-
включается обмотка возбуждения, а затем включаются обмотки статора
в сеть.
У двигателей с так называемым асинхронным пуском в полюс-
полюсных наконечниках ротора укладываются металлические стержни,
соединенные с боков кольцами. Получается своеобразная допол-
дополнительная (пусковая) обмотка, подобная «беличьему колесу» асин-
асинхронного двигателя. При пуске такого двигателя обмотку возбу-
возбуждения закорачивают через разрядный резистор, а обмотку статора
включают в сеть, при этом ротор начинает разгон так же, как и
ротор асинхронного двигателя. После того, как он достигнет наи-
наибольшей возможной скорости вращения (примерно 95% синхрон-
синхронной), обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного
тока. Двигатель автоматически входит в синхронизм, а дополнитель-
дополнительная обмотка в полюсных наконечниках как бы автоматически от-
отключается, так как ЭДС индукции в ней при синхронной скорости
вращения поля и ротора равна нулю. Для получения большого
пускового момента пусковую обмотку (стержни в полюсных нако-
наконечниках) изготовляют с большим активным сопротивлением.
Закорачивание обмотки возбуждения при асинхронном пуске
синхронного двигателя необходимо для предотвращения ее от
пробоя в момент пуска. Эта обмотка при пуске создает вращающий
момент одинакового направления, что и момент пусковой обмотки.
Для остановки синхронного двигателя сначала уменьшают ток
возбуждения до значения, соответствующего минимальному току
обмоток статора, затем отключают статор и лишь после этого раз-
размыкают цепь возбуждения. Несоблюдение такого порядка (на-
(например, отключение обмотки возбуждения раньше отключения об-
обмоток статора) приведет к чрезмерному увеличению тока в обмотке
статора и к возможным опасным для целости изоляции перенапряже-
перенапряжениям в разомкнутой обмотке возбуждения.
Достоинством синхронного двигателя является строго посто-
постоянная скорость вращения, а недостатком — необходимость при-
178

менения вспомогательных уст-
устройств для автоматического управ-
управления, стоимость которых иногда
сравнима со стоимостью самого
двигателя, некоторые трудности
пуска двигателя.
§ 5.22. ВЛИЯНИЕ ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ
НА РАБОТУ СИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ. СИНХРОННЫЙ
КОМПЕНСАТОР
В
Характерной особенностью
синхронного двигателя является
его способность работать с любым
cos ф (включая и cos ф = 1). Это
осуществляется регулированием
тока возбуждения.
Векторная диаграмма двигате-
двигателя в недовозбужденном режиме _ _,._,.
приведена на рисунке 5-36 (векторы и углы: 1Ъ ф1( вг и §х < U).
Будем изменять ток возбуждения, а следовательно, и ЭДС.
Пусть нагрузка на валу двигателя постоянна. Тогда и потребля-
потребляемая из сети активная мощность Рф = 3IU cos ф постоянна. Так
как напряжение сети U постоянно, то активная составляющая
потребляемого тока / cos ф также постоянна. Это означает, что
при изменениях потребляемого тока / его проекция / cos ф на на-
направление вектора U будет также постоянной (конец вектора тока
/ будет ограничен прямой АВ). При изменениях тока возбуждения
вектор ЭДС 8 будет изменяться так, что его конец будет скользить
вдоль прямой CD, параллельной вектору напряжения U.
Таким образом, при § < U (режим недовозбуждения) ток It
отстает по фазе от напряжения U на некоторый угол щ, двигатель
помимо активной составляющей потребляемой мощности имеет и
реактивную (индуктивную) составляющую.
При увеличении тока возбуждения ЭДС растет и при некотором
значении угла 62 наступает равенство ?х = (]г и вектор падения
напряжения на индуктивном сопротивлении I2xL становится пер-
перпендикулярным вектору напряжения U, а ток /2 совпадает по фазе
с напряжением U, т. е. ф =* 0. Двигатель, имея ту же нагрузку на
валу, что и в предыдущем случае, работает теперь с cos ф = 1.
Дальнейшее увеличение тока возбуждения (режим перевозбуж-
перевозбуждения) приводит к дальнейшему росту ЭДС ?3 и уменьшению
179

угла 03, при этом изменяется знак угла ф (ф3 <0) и ток /3 опережает
по фазе напряжение U. Двигатель потребляет активно-емкостную
мощность.
Таким образом, изменение тока возбуждения синхронного дви-
двигателя порождает появление реактивных составляющих потребля-
потребляемой мощности. Это просто объясняется действием реакции якоря:
в режиме недовозбуждения возникает индуктивная составляющая
тока якоря, подмагничивающая двигатель, а в режиме перевоз-
перевозбуждения возникающая емкостная составляющая тока якоря, на-
наоборот, размагничивает двигатель, при этом при любом токе воз-
возбуждения результирующая ЭДС уравновешивает напряжение сети.
На практике синхронные двигатели работают, как правило, в
перевозбужденном режиме с потреблением из сети активной и ем-
емкостной составляющих тока. Это дает возможность улучшать cos ц>
в системах, где работают асинхронные двигатели. Широкое при-
применение получили синхронные двигатели облегченной конструкции,
работающие без механической нагрузки в перевозбужденном ре-
режиме. Такие двигатели потребляют практически чисто емкостный
ток и используются специально для улучшения cos ф (вместо доро-
дорогостоящих статических конденсаторов). Их называют синхронными
компенсаторами.
§ 5.23. РЕАКТИВНЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Синхронный двигатель с явнополюсным ротором и без обмотки
возбуждения называют реактивным. Принцип действия его состоит
в том, что ротор под действием магнитного поля статора намагни-
намагничивается, а так как поле статора вращающееся, то и намагниченный
ротор приходит в синхронное с этим полем вращение (рис. 5-37).
В результате возникновения вихревых токов в теле ротора и его
способности легко перемагничиваться реактивный синхронный
двигатель разгоняется и входит в синхронизм автоматически после
включения статорных обмоток в сеть.
Широкое применение получил однофазный маломощный син-
синхронный двигатель такого типа, объединенный вместе с редуктором
для понижения скорости вращения вала F0 или 2 об/мин), — дви-
двигатель Уоррена (рис. 5-38). Ротор /, изготовленный из стали с
заметной остаточной индукцией, поме-
помещают в систему полюсных наконечни-
наконечников 2 с расщепленными полюсами и
короткозамкнутыми витками 5. Катушка
с сетевой обмоткой 4 создает в сердеч-
сердечнике-статоре 3 переменный магнитный
поток, который, в свою очередь, сис-
системой расщепленных полюсов создает
вращающееся магнитное поле. В момент
Рис. 5-37 пуска в материале ротора возникают
180

Рис. 5-38
индукционные токи, разгоняю-
разгоняющие ротор (как в простейшем
асинхронном двигателе). При до-
достижении ротором скорости,
близкой к синхронной, благода-
благодаря остаточному намагничива-
намагничиванию ротор втягивается в син-
синхронизм и начинает устойчивое
синхронное вращение.
Эти двигатели используют в
самопишущих измерительных
приборах, а также в школьной
практике (привод моделей, раз-
различных переключателей и даже
привод устройств для вращения
небольших новогодних елок).
Широкое применение получили так называемые конденсаторные
однофазные реактивные двигатели, имеющие нормальную трехфаз-
трехфазную обмотку. В зависимости от напряжения сети обмотка такого
двигателя соединяется звездой либо треугольником (см. рис. 5-24).
Конденсатор С выбирают так, чтобы напряжение на его об-
обкладках было равно линейному напряжению, а ток в его цепи —
линейному току. Получается симметричная звезда токов, создаю-
создающая вращающееся магнитное поле. Конденсаторные двигатели не
нуждаются в предварительном разгоне ротора.
§ 5.24. ПРИМЕНЕНИЕ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Основные достоинства синхронных двигателей — это строго по-
постоянная скорость вращения, возможность работы с cos ср = 1
и возможность работы с опережающим током, улучшая cos ф всей
установки.
Рабочие характеристики синхронного двигателя изображены на
рисунке 5-39. Здесь представлен случай, когда на холостом ходу
cos ф == 1.
При неизменном токе возбуж-
возбуждения увеличение нагрузки на
валу двигателя вызывает неко-
некоторое уменьшение cos ф.
Коэффициент полезного дей-
действия быстро увеличивается с
увеличением нагрузки и дости-
достигает наибольшего значения,
когда независящие от нагрузки
механические потери и потери в
стали оказываются равными за-
зависящим от нагрузки потерям в
',
Рис. 5-39
181

меди обмоток. Дальнейшее увеличение нагрузки снижает
КПД.
Ток статора /j мал на холостом ходу и при cos q> = 1. При уве-
увеличении нагрузки ток /t растет почти пропорционально нагрузке.
Вращающий момент Л4вр, развиваемый двигателем, мал на хо-
холостом ходу, так как при высоком КПД двигателя механические
гкмери малы. При увеличении нагрузки благодаря высокому по-
постоянству скорости вращения синхронного двигателя вращающий
момент возрастает практически линейно.
Синхронные двигатели получили очень широкое применение как
двигатели большой мощности (свыше 100 кВт) при небольшой ско-
скорости вращения для нерегулируемого привода (непрерывные про-
прокатные станы, компрессоры, поршневые насосные станции, холо-
холодильные машины, камнедробилки и т. д.). Их применение жела-
желательно еще и потому, что, работая с cos q> < 1 на опережающем токе,
они одновременно улучшают коэффициент мощности системы.

ГЛАВА VI
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В современной электроэнергетике используется преимущественно
переменный ток, но достаточно широко используется и постоянный.
Это объясняется теми достоинствами постоянного тока, которые
сделали его незаменимым при решении многих практических за-
задач. Так, среди электрических машин двигатели постоянного тока
занимают особое положение. Двигатели постоянного тока позво-
позволяют осуществить плавное регулирование скорости вращения в
любых пределах, создавая при этом большой пусковой момент.
Это свойство двигателей постоянного тока делает их незаменимыми
в качестве тяговых двигателей городского и железнодорожного
транспорта (трамвай, троллейбус, метро, электровоз, тепловоз).
Двигатели постоянного тока используются также в электроприво-
электроприводе некоторых металлорежущих станков, прокатных станов, подъем-
нотранспортных машин, экскаваторов. Постоянный ток использует-
используется также для питания электролитических ванн, электромагнитов
различного назначения, аппаратуры управления и контроля, для
зарядки аккумуляторов. Это питание осуществляется от генерато-
генераторов постоянного тока, приводимых в действие, как правило, асин-
асинхронными и синхронными двигателями переменного тока. Однако
генераторы часто заменяют выпрямителями (на полупроводниковых
диодах и тиристорах) и постоянный ток получают из переменного.
Машины постоянного тока входят также в электрооборудование
автомобилей, судов, самолетов и ракет.
§ 6.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА
ПОСТОЯННОГО ТОКА. ТИПЫ ОБМОТОК ЯКОРЯ
Принцип работы генератора постоянного тока основан на воз-
возникновении ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле (рис.
6-1, а). За один оборот в каждой рабочей (активной) части рамки
ЭДС дважды меняет знак. Чтобы ток во внешней цепи имел только
одно направление (постоянное), применяют коллектор — два полу-
полукольца, соединенные с концами рамки, а рамку соединяют с внеш-
внешней цепью через вращающийся коллектор и неподвижные щетки.
Как только активная сторона рамки начнет пересекать линии маг-
магнитной индукции в противоположном направлении по сравнению с
183

предыдущим, соединенное с этой
стороной полукольцо коллекто-
коллектора начнет соприкасаться с дру-
другой щеткой. Благодаря такому
устройству направление тока во
внешней цепи остается неизмен-
неизменным, хотя его значение изменя-
изменяется (пульсирует, рис. 6-1, б).
Устройство промышленного
генератора постоянного тока
изображено на рисунке 6-2. На
внутренней поверхности стани-
станины /, изготовленной из целыю-
го чугунного литья, жестко
укреплены главные полюсы 2
с обмотками возбуждения и
дополнительные полюсы с об-
обмотками для компенсации ЭДС
самоиндукции и реакции якоря.
В большинстве случаев электро-
электромагниты питаются от самого ге-
генератора. Внутри станины поме-
помещается якорь 3, представляющий
собой металлический цилиндр,
набранный из штампованных пла-
пластин электротехнической стали. В продольных пазах на поверхности
якоря размещается обмотка якоря, состоящая из соединенных между
собой секций. Для сглаживания пульсаций ЭДС и тока обмотка
1 5
2
Рис. 6-1
Рис. 6-2
184

Рис. 6-3
якоря равномерно размещена
по всей поверхности, магнитное
сопротивление между полюсами
уменьшается благодаря сталь-
стальному сердечнику якоря. Выводы
обмоток припаивают к изоли-
изолированным друг от друга и от
корпуса машины медным пласти-
пластинам коллектора 4, причем конец
одной секции и начало следую-
следующей припаивают к одной и
той же пластине. Коллектор
жестко укреплен на валу яко>
ря, на этом же валу крепят и
вентилятор. Вал якоря поме-
помещается в подшипники подшипниковых щитов 5, укрепляемых на
боковых сторонах станины. Между якорем и полюсами статора
образуется незначительный воздушный зазор, благодаря которому
якорь может свободно вращаться. На цилиндрическую поверхность
коллектора накладываются угольные щетки, вставленные в щетко-
щеткодержатели 6. Для уменьшения сопротивления щетки часто прес-
прессуются из смеси угольного и медного порошка.
Машины постоянного тока часто делают многополюсными
(рис. 6-3), при этом в каждой секции обмотки за один оборот зна-
значение и знак ЭДС изменяются столько раз, сколько полюсов. Маг-
Магнитная цепь такой машины более сложная, при этом число пар
щеток равно числу пар полюсов, а щетки одинаковой полярности
соединяют вместе.
Принципы работы генератора постоянного тока рассмотрим бо-
более подробно.
Если якорь изготовить в виде кольца и на нем разместить об-
обмотку в виде замкнутого тороида, то такой якорь называют коль-
кольцевым, а обмотку — спиральной. При вращении этого якоря в
магнитном поле в витках его обмотки будут индуцироваться ЭДС
(рис. 6-4, а). Оказывается, что в витках одной половины обмотки
ЭДС имеет один знак, в витках другой половины — противополож-
противоположный. Если витки равномерно распределены по поверхности якоря,
то тока в обмотке не будет, так как действие ЭДС обеих половин
взаимно компенсируется. Если, например, у витков с внешней сто-
стороны частично снять изоляцию и с двух противоположных сторон
наложить две неподвижные щетки (а и Ь) так, чтобы при вращении
якоря они могли касаться каждого витка, то легко заметить, что
вся обмотка как бы разделится пополам и при вращении якоря
витки одной половины обмотки будут постепенно переходить в дру.
г>ю, при этом число витков каждой половины, полярность и зна-
значение ЭДС будут оставаться незменными. Если теперь подключить
нагрузку к щеткам, то во внешней цепи и в каждой половине обмот-
обмотки установится постоянный ток.
185

Рис. 6-4
Очевидно, что для более полного использования ЭДС обмотки
щетки надо подключать в тех точках, где ЭДС не наводится. Пря-
Прямая, проходящая через две такие точки, называется геометрической
нейтралью (ГН). При таком расположении щеток обмотка оказы-
оказывается разделенной на две параллельные ветви, соединенные между
собой и внешней цепью щетками. Если щетки сместить относительно
геометрической нейтрали, то в части витков каждой параллельной
ветви ЭДС будет иметь противоположную полярность, а под щет-
щетками может начаться искрение, так как в закорачиваемых
щетками витках (секциях) ЭДС отлична от нуля.
Кольцевой якорь можно усовершенствовать, если не снимать
изоляцию с витков обмотки, а сделать от них отводы, соединенные
с пластинами коллектора, а щетки наложить на коллектор (рис.
6-4, б). Если у такой машины сделать четыре полюса, то обмотка
разделится на четыре части (рис. 6-5, а). Если далее вместо двух
щеток поставить четыре и одноименные соединить между собой
(рис. 6-5, б), то обмотка будет иметь четыре параллельные ветви.
Легко видеть, что с увеличением числа параллельных ветвей ток
нагрузки может быть соответственно увеличен.
Рассмотренный выше кольцевой якорь со спиральной обмоткой
имеет существенные недостатки. Во-первых, магнитный поток замы-
замыкается через стенку кольца (якоря), минуя внутреннюю полость,
поэтому активной стороной каждого витка обмотки является та,
которая расположена на поверхности, а внутренняя часть витка
для получения ЭДС не используется и служит лишь соединительным
проводником. Это обстоятельство приводит к нерациональному рас-
расходу меди. Во-вторых, спиральную обмотку нельзя сделать по
шаблону, поэтому в настоящее время машины с кольцевым якорем
не изготовляют.
186

Недостатки кольцевого якоря
устраняют заменой его барабанным.
Обмотки барабанного якоря (рис.
6-6) укладывают в специальные
пазы на поверхности цилиндра
(якоря) в виде отдельных секций,
определенным образом соединен- о
ных с пластинами коллектора и
между собой. Секция — это часть
обмотки между двумя соседними
отводами к коллектору. Обе сто-
стороны каждой секции являются ак-
активными; секции изготовляют по
шаблону.
§ 6.3. ЭДС И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ
МОМЕНТ ГЕНЕРАТОРА
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Выведем зависимость ЭДС ге-
генератора от параметров машины,
скорости вращения якоря и маг-
магнитного потока.
ЭДС, индуцируемая в каждом
витке обмотки, может быть опре-
определена по формуле
е = kBlv sin a.
F.1)
Применительно к машине постоян-
постоянного тока эта формула (и весь
последующий вывод) значительно
упрощается введением понятия
средней индукции.
Пусть магнитный поток, созда-
создаваемый главным полюсом, Ф, тогда
при 2 р полюсах общий магнитный
поток равен 2р Ф. Однако можно
с достаточной точностью допусгить,
что индукция распределена равно-
равномерно во всем воздушном зазоре,
поэтому для расчетов можно взять
ее среднее значение:
ndl
Риа. 6-6
187

где d — диаметр сердечника якоря, I — образующая цилиндра
якоря (длина якоря). Тогда средняя ЭДС одного проводника об-
обмотки при а = 90° равна
$сР = ВсрЬ>, F.3)
где I — длина активной части проводника (равна образующей ци-
цилиндра якоря); v — линейная (окружная) скорость движения
проводника.
Подставим в формулу F.3) значение средней индукции Вср
и линейной скорости v = и после преобразования получим'.
1 mil 60 60
где п — скорость вращения якоря.
Пусть обмотка содержит 2а параллельных ветвей, тогда в каж-
каждой параллельной ветви будет — активных проводников. Так
как ЭДС генератора равна ЭДС параллельной ветви, то можно за-
записать:
где 8 — ЭДС генератора,
Подставим выражение F.4) в уравнение F.3), после сокраще-
сокращения получим:
ё=1±±пф=Р±Пф. F.6)
60 2а 60а v '
В полученной формуле выделенная дробь содержит параметры,
зависящие от конструкции машины. Для данной конструкции ма-
машины эта величина постоянная. Обозначим эту дробь через с, тогда
для ЭДС генератора окончательно имеем:
8 = спФ. F.7)
Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорцио-
пропорциональна значению магнитного потока Ф и скорости вращения яко-
якоря п. Следовательно, для поддержания постоянного напряжения
на зажимах генератора можно изменять ЭДС либо значением маг-
магнитного потока, либо скоростью вращения ротора (либо тем и дру-
другим). На практике ротор генератора приводят во вращение двига-
двигателем, работающим нормально при определенной скорости враще-
вращения вала, а магнитный поток изменяют путем изменения тока в
обмотке возбуждения.
Мощность генератора постоянного тока можно представить
формулой механической мощности IP = —, причем под работой А
следует понимать работу, затрачиваемую на преодоление тор-
188

мозного момента, развиваемого якорем, за один оборот при вра-
вращении якоря со скоростью п (без потерь). Тогда эту формулу мож-
можно записать так:
P = Fnd±, F.8)
где F — сила, действующая на якорь.
При таком взаимодействии на каждый проводник обмотки якоря
с током / действует сила F1 = Вср II, а на N проводников обмотки
Fcp = BepUN. F.9)
Учитывая соотношение F.2), последнее уравнение можно записать
следующим образом:
F^^l'fN-^L. F.10)
ndl 2a nda
Подставив уравнение F.10) в уравнение F.8), получим выра-
выражение для мощности:
р 60 nda 60 60s " V '
Так как — пФ = S, то окончательно имеем:
60а
P=Sh. F.12)
Для общего момента машины М можно записать:
М = Fc? ± = Р-^Ф/Я ± = ^Ф/„ = Сф/Я,
г 2 nda 2 2яа я
где с = — — постоянный для данной машины коэффициент, зави-
2яа
сящий от особенностей ее конструкции.
Таким образом, электромагнитный момент машины выражается
формулой
F,13)
§ 6.4. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ
В режиме холостого хода генератора постоянного тока в его
обмотке индуцируется только ЭДС, а тока в обмотке нет, так как
ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. При этом ма-
машина имеет только один магнитный поток — поток полюсов. Но
стоит включить нагрузку, как в обмотке якоря появится ток и, как
известно, этот ток создаст свой магнитный поток, который начнет
накладываться на ток полюсов, т. е. имеет место явление, называе-
называемое реакцией якоря.
189

n' n
n' n
Если отдельно изобразить картины полей полюсов (рис. 6-7, а)
и якоря (рис. 6-7, б) и сравнить их, то можно видеть, что поле
якоря является поперечным по отношению к полю полюсов. Оче-
Очевидно, что в результате их взаимодействия (наложения), как и в
синхронном генераторе с активной нагрузкой, под набегающими
краями полюсов при ненасыщенной магнитной системе машины
индукция будет уменьшаться, а под сбегающими — увеличивать-
увеличиваться, при этом общий поток не изменится. При больших нагрузках
наступает насыщение магнитной цепи. Тогда в результате реакции
якоря не только исказится картина поля (рис. 6-7, в), но умень-
уменьшится общий магнитный поток и связанная с ним ЭДС, при этом
как бы возрастет магнитное сопротивление полюсного наконечни-
наконечника и зубцов якоря, расположенных под этим полюсом. В резуль-
результате поток возбуждения, проходящий через них, уменьшится.
Реакция якоря приведет к тому, что в секциях, расположенных на
геометрической нейтрали, ЭДС отлична от нуля. Следовательно,
при закорачивании секций щетками могут появиться токи, по-
порождающие искрение и подгорание коллектора и щеток. От этого
нежелательного явления можно избавиться перемещением щеток
по коллектору в направлении его вращения на некоторый угол |3
(с геометрической нейтрали пп' на физическую нейтраль mm'), где
ЭДС в секциях равна нулю. Если учесть, что положение физической
нейтрали изменяется с изменением нагрузки (при возрастании на-
нагрузки угол Р возрастает), то полностью ликвидировать искрение
таким способом не удастся (придется непрерывно поворачивать
щетки одновременно с изменениями нагрузки). На практике щетки
устанавливают по наименьшему искрению при номинальной на-
нагрузке. В случае работы машины в режиме двигателя физическая
нейтраль смещается против направления вращения.
Влияние реакции якоря можно ослабить увеличением воздуш-
воздушного зазора между полюсами и якорем, но это приведет (как и в
190

Рис. 6-8
синхронной машине) к излишнему расходу меди и увеличению раз-
размеров машины. Для ослабления влияния реакции якоря в машинах
постоянного тока применяют дополнительные полюсы, одновременно
улучшающие коммутацию тока.
§ 6.5. КОММУТАЦИЯ
Во время работы машины постоянного тока происходит непре-
непрерывное переключение секций обмотки из одной параллельной ветви
в другую, при этом ток в переключенных секциях изменяет свое
направление на противоположное. Так как время этого перехода
очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если
учесть, что секция размещена на стальном сердечнике (инд} ктив-
ность велика), то процесс переключения секции может сопровож-
сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндукции и,
возможно, искрением.
Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной
ветви в другую и все сопутствующие этому переключению явления
называют процессом коммутации, а продолжительность этого про-
процесса — периодом коммутации.
Рассмотрим этот процесс несколько подробнее на примере
обмотки с двумя параллельными ветвями.
Перед началом коммутации, когда щетка соприкасается только
с коллекторной пластиной / (рис. 6-8, а), ток нагрузки /я про-
протекает от пластины / до точки а, где разветвляется в обе параллель-
параллельные ветви. Интересующая нас секция (на чертеже выделена жирной
линией) находится в правой параллельной ветви. Как только пра-
правый край щетки коснется пластины 2, начнется процесс коммута-
коммутации, который будет продолжаться, пока левый край щетки не
сойдет с пластины /, при этом в течение всего периода коммутации
выделенная нами секция будет замкнута накоротко щеткой (рис.
6-8, б) Так как за все время коммутации значение и направление
токов в проводах 2 и 3 не изменится, то по мере перехода щетки с
191

коллекторной пластины / на пластину 2 ток под набегающим краем
будет увеличиваться, а под сбегающим — уменьшаться, распре-
распределяясь обратно пропорционально площади соприкосновения, плот-
плотность тока при этом будет везде постоянной. Но так было бы при
очень медленном движении коллектора относительно щетки. На
самом же деле период коммутации длится лишь тысячные доли се-
секунды, за это время ток в выделенной секции (провода /—4) Hi-
меняется от + — до нуля и от нуля до -. Так как секция
имеет большую индуктивность, то под действием ЭДС самоиндукции
в ней появится дополнительный ток, направление которого (по
закону Ленца) совпадет с убывающим током в секции Этот до
полнительный ток сильно увеличит плотность тока под сбегающим
краем щетки, и в момент схождения щетки с пластины / между
этой пластиной и щеткой произойдет искрение.
Теперь, когда щетка стала касаться только пластины 2 (рис.
6-8, в), выделенная нами секция /—4 оказалась в левой параллель-
параллельной ветви, ток в ней изменил свое направление на противополож-
противоположное После этого начнется коммутация следующей секции, т. е.
под щеткой снова будет наблюдаться искрение.
Мы рассмотрели коммутацию под щеткой одной полярности.
Точно в таких же условиях находится и щетка другой полярности,
где направление токов во всех проводниках будет противоположным.
Для уменьшения добавочного тока, возникающего в коммутируемых
секциях, в машинах высокого напряжения применяют твердые
угольные щетки, образующие большие контактные сопротивления
в замыкаемых секциях. Улучшение условий коммутации в машинах
постоянного тока главным образом осуществляется с помощью до-
дополнительных полюсов. Этот метод основан на следующем.
ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при
прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зави-
зависит от значения тока нагрузки. Если в это время каким-нибудь
дополнительным полем в коммутируемой секции создать равную
и противоположную ЭДС, то дополнительный ток при этом может
исчезнуть. Именно так и посту-
поступают на практике. Дополните-
Дополнительные полюсы размещают на
геометрической нейтрали и
снабжают обмотками, включен-
включенными последовательно в цепь
нагрузки (рис. 6-9). Дополни-
Дополнительные полюсы своим полем
индуцируют в коммутирующих
секциях коммутирующую ЭДС,
пропорциональную току на-
нагрузки, и компенсирующую
ЭДС самоиндукции в секции,
Рис 6 9 при этом поле дополнительных
192

полюсов одновременно ослабляет и влияние реакции якоря У
генераторов за главным полюсом по направлению его вращения
ставят дополнительный полюс противоположной полярности, а у
двигателя — такой же полярности. Это условие автоматически
выполняется при переходе машины из режима работы генератора
в режим двигателя, так как направление тока изменяется на про-
противоположное.
У большинства машин постоянного тока делают по два дополни-
дополнительных полюса на каждую пару главных полюсов У маломощных
машин (до 5 кВт) на каждую пару главных полюсов делают один
дополнительный полюс.
§ 6.6. СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Возбуждением генератора называют создание рабочего магнит-
магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создает-
создается ЭДС. Генераторы постоянного тока в зависимости от способа
подключения обмоток возбуждения различают, независимого, па-
параллельного, последовательного и смешанного возбуждения
Генератор независимого возбуждения имеет обмотку возбужде-
возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику тока через ре-
регулировочный реостат (рис 6-10, а) Напряжение на зажимах та-
такого генератора (кривая / на рис 6-11) с увеличением тока нагрузки
несколько уменьшается в результате падения напряжения на внут-
внутреннем сопротивлении якоря, причем напряжения получаются всег-
всегда устойчивыми. Это свойство оказывается весьма ценным в электро-
электрохимии (питание электролитических ванн)
Генератор параллельного возбуждения является генератором
с самовозбуждением обмотку возбуждения ОВ подключают через
регулировочный реостат к зажимам того же генератора (рис. 6-10, б).
Такое включение приводит к тому, что при увеличении тока нагр\з-
ки /„ напряжение на зажимах генератора Un уменьшается из-за
падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь, вы-
t
ОВ
д
OB,
г
Рис. 6-10
7'/г Закп Z\'i
193

зывает уменьшение тока возбуж-
возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому
напряжение па зажимах генера-
генератора UH уменьшается несколько-
быстрее (кривая 2 на рис. 6-11),
чем у генератора независимого
возбуждения.
Дальнейшее увеличение нагруз-
нагрузки приводит к настолько сильному
Рис. 6—11 уменьшению тока возбуждения,
что при коротком замыкании цепи
нагрузки напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого
замыкания обусловлен лишь остаточной индукцией в машине).
Поэтому считают, что генератор параллельного возбуждения не
боится короткого замыкания.
Генератор последовательного возбуждения имеет обмотку воз-
возбуждения ОВ, включаемую последовательно с якорем (рис. 6-10, е).
При отсутствии нагрузки (/н = 0) в якоре все же возбуждается
небольшая ЭДС за счет остаточной индукции в машине (кривая 3
на рис. 6-11). С ростом нагрузки напряжение на зажимах генера-
генератора сначала растет, а после достижения магнитного насыщения
магнитной системы машины оно начинает быстро уменьшаться из-за
падения напряжения на сопротивлении якоря и из-за размагничи-
размагничивающего действия реакции якоря.
Из-за большого непостоянства напряжения с изменением на-
нагрузки генераторы с последовательным возбуждением в настоящее
время не применяют.
Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: ОВУ —
включаемую параллельно якорю, Об2 (дополнительную) — после-
последовательно (рис. 6-10, г). Обмотки включают так, чтобы они созда-
создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в
обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем
сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря были бы ском-
скомпенсированы ЭДС от потока параллельной обмотки.
§ 6.7. ОБРАТИМОСТЬ МАШИН ПОСТОЯННОГО ГОКА.
ДВИГАТЕЛИ
Электрические машины постоянного тока, как и машины пере-
переменного тока, обратимы, т. е. они могут работать как генераторы
и как двигатели. Переход генератора в режим работы двигателя
можно пояснить следующим образом.
Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в обмот-
обмотках якоря и электромагнитов установится ток, при этом электро-
электромагниты создадут постоянное магнитное поле и на каждый провод-
проводник обмотки якоря с током начнет действовать сила, стремящаяся
повернуть якорь в сторону действия силы (рис. 6-12, а). Таким
образом, взаимодействие магнитного поля якоря с полем обмотки
возбуждения приводит якорь во вращение.
144

Рис. 6-12
Применяя правило левой руки, можно легко заметить, что при
изменении направления тока только в якоре (рис. 6-12, б) или
только в обмотке возбуждения (рис. 6-12, в) направление вращения
якоря изменяется на противоположное, а одновременное изменение
направления тока в обеих обмотках не изменяет направления вра-
вращения якоря (рис. 6-12, г.)
Электродвигатели конструктивно не отличаются от генераторов
постоянного тока, т. е. они имеют точно такое же }стройство (за
исключением немногих типов двигателей специального назначе-
назначения).
Рассмотрим некоторые особенности двигателей. Если двигатель
постоянного тока с сопротивлением обмотки якоря Ra включить в
сеть с напряжением U, то в момент пуска в якоре установится
ток /п, значение которого может быть определено по закону Ома:
7" = ^"- FЛ7>
Так как сопротивление обмотки якоря мощных двигателей состав-
составляет лишь десятые и сотые доли ома, а рабочее напряжение —
порядка сотен вольт, то пусковой ток может составить сотни и
тысячи ампер, превышая номинальное значение тока для данного
двигателя в 10—30 раз. Такой ток не только не желателен, но и
опасен для двигателя, так как может разрушиться коллектор и
сгореть обмотка двигателя. Очевидно, что ограничение пускового
тока можно осуществить включением пускового реостата в цепь
якоря. Тогда пусковой ток уменьшится и б)дет равен
/п = —. F 18)
DP
An ~~ An
Сопротивление пускового реостата выбирают таким, чтобы пуско-
пусковой ток не превышал номинальный более чем в 1,1—1,5 раза.
В результате взаимодействия якоря с полем полюсов якорь
придет во вращение, обмотка его будет вращаться в магнитном
поле и в ней индуцируется ЭДС самоиндукции S, полярность ко-
которой противоположна полярности напряжения сети. Эта ЭДС
7 У/ 195

вызывает ослабление тока в якоре, а ее значение пропорционально
скорости вращения якоря, т. е. по мере разгона двигателя ток
будет уменьшаться и пусковой реостат можно выводить.
Иначе говоря, у нормально вращающегося двигателя основная
часть подводимого напряжения уравновешивается ЭДС самоиндук-
самоиндукции. Ток в якоре при выведенном пусковом реостате можно выра-
выразить уравнением
1* = ~г-. F.19)
"¦я
Для выяснения роли ЭДС самоиндукции в преобразовании элект-
электрической энергии в механическую в двигателе постоянного тока
уравнение F.19) представим в следующем виде:
U = $ + /ЯЯ„. F.20)
Получили уравнение электрического равновесия, согласно которо-
которому приложенное к зажимам двигателя напряжение сети U урав-
уравновешивается суммой ЭДС самоиндукции 8 и падением напряжения
на сопротивлении якоря /Я7?я.
Умножив обе части уравнения F.20) на /я, получим:
1JU = IJ + ilR». F.21)
В этом новом уравнении F.21) левая часть /я?/ представляет собой
не что иное, как электрическую мощность, потребляемую двига-
двигателем из сети, а последний член правой части llR^ — мощность,
поглощаемую сопротивлением якоря R4 (электрические потери
в якоре). Очевидно, что член 1Я8 представляет собой электрическую
мощность, преобразуемую в другой вид энергии. Следовательно,
1Л8 и есть та часть потребляемой из сети электрической мощности,
которая преобразуется в механическую (включая механические
потери).
Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного
тока влияет на преобразование потребляемой из сети электричес-
электрической энергии в механическую. При неподвижном якоре 8 — 0 пре-
преобразование (полезное) отсутствует {1,Л8 = 0), хотя потребляемая
из сети мощность /я?/ максимальна. Наоборот, при номинальном
режиме работы двигателя {$ Ф 0) потребляемая из сети мощность
Aяи) уменьшается, а преобразованная мощность становится от-
отличной от нуля AЯ8 ф 0).
Для получения формулы скорости двигателя подставим в урав-
уравнение F.19) значение ЭДС из соотношении F.7). После преобразо-
преобразования получим:
п = U ~ hlRiI ¦ F.22)
Учитывая, что падение напряжения на сопротивлении якоря /я/?я
значительно меньше напряжения сети U, можно считать, что ско-
скорость вращения двигателя практически прямо пропорциональна
196

Рис. 6-13
подводимому напряжению U и обратно
пропорциональна магнитному потоку
Ф. Отсюда следует, что регулирова-
регулирование скорости вращения двигателя мож-
можно осуществлять изменением сопротив-
сопротивления цепи якоря (при постоянном на-
напряжении сети) либо изменением магнит-
магнитного потока. На первый взгляд может
показаться странным, что увеличение
магнитного потока двигателя снижает
скорость его вращения (и наоборот).
Действительно, если при установив-
установившемся токе в якоре и скорости враще-
вращения уменьшить магнитный поток, то
ЭДС самоиндукции уменьшится и элек-
электрическое равновесие F.20) нарушит-
нарушится. Для восстановления этого равновесия при меньшем магнит-
магнитном потоке якорь будет вращаться быстрее, так как ЭДС само-
самоиндукции пропорциональна его скорости вращения. Значение
вращающего момента двигателя может быть выражено той же фор-
формулой, что и для генератора F.13).
Потребляя электрическую энергию из сети, двигатель постоян-
постоянного тока развивает вращающий момент, который при установив-
установившемся режиме всегда уравновешен тормозным моментом, создавае-
создаваемым нагрузкой, поэтому при увеличении механической нагрузки на
валу двигателя вращающий момент оказывается меньше тормоз-
тормозного. Двигатель уменьшает скорость вращения, а это приводит к
уменьшению ЭДС самоиндукции и увеличению потребляемого тока.
При неизменном магнитном потоке ток нагрузки увеличивается до
тех пор, пока не восстановится равенство вращающего и тормозного
моментов.
В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к
якорю двигатели, как и генераторы постоянного тока, различают
независимого, параллельного, последовательного и смешанного
возбуждения.
§ 6.8. ДВИГАТЕЛЬ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Схема включения двигателя постоянного тока параллельного
возбуждения через пусковой реостат ПР изображена на рисунке
6-13. Если обмотку возбуждения такого двигателя включить через
регулировочный реостат РВ на напряжение другого источника,
то получится двигатель независимого возбуждения.
Скоростная характеристика п = / (/я) таких двигателей при
U — const и /„ = const приведена на рисунке 6-14, для объясне-
объяснения которой обратимся к формуле скорости двигателя F.22):
U -/,ЯЯ
п —
сФ
Заказ 5U4
197

ном
п i in Изменение скорости вращения может
происходить за счет изменения нагрузки
и магнитного потока. Но изменение тока
нагрузки лишь незначительно изменяет
внутреннее падение напряжения благодаря
малости сопротивления цепи якоря, кото-
которое тем меньше, чем мощнее двигатель. Ток
нагрузки в конечном счете лишь незна-
незначительно уменьшает скорость вращения
T Двигателя. Что касается магнитного по-
ном я тока ф1 т0 вследствие реакции якоря
Рис. 6-14 ПРИ увеличении тока нагрузки он несколь-
несколько уменьшается, что приводит к незначи-
незначительному увеличению скорости вращения.
Таким образом, скорость вращения двигателя параллельного воз-
возбуждения очень мало изменяется.
Скорость вращения двигателя независимого возбуждения можно
регулировать изменением сопротивления цепи якоря либо измене-
изменением магнитного потока. Чрезмерное уменьшение тока возбуждения
и особенно случайный обрыв этой цепи являются очень опасными
для двигателей параллельного и независимого возбуждения, так
как ток в якоре возрастает до недопус-
недопустимо большого значения. В случае незна-
незначительной нагрузки (или на холостом ходу)
скорость настолько возрастает, что ста-
становится опасной для целости двигателя
(наступает аварийный режим — «разнос»
двигателя).
Двигатели независимого возбуждения
нашли широкое применение в качестве
исполнительных двигателей в схемах ав-
автоматики, а иногда в качестве так назы-
называемого электромагнитного тормоза.
Рис. 6-15
М,п,
Рис. 6-16
§ 6.9. ДВИГАТЕЛЬ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО
ВОЗБУЖДЕНИЯ
Схема двигателя постоянного тока
последовательного возбуждения изобра-
изображена на рисунке 6-15. Обмотка возбуж-
возбуждения двигателя включена последователь-
но с якорем, поэтому магнитный поток
двигателя изменяется вместе с изменени-
^. ем нагрузки. Так как ток нагрузки ве-
1Я лик, то обмотка возбуждения имеет небо-
небольшое число витков, это позволяет
несколько упростить конструкцию пуско-
198

вого реостата по сравнению с реостатом для двигателя параллель-
параллельного возбуждения.
Скоростную характеристику (рис. 6-16) можно получить на ос-
основании уравнения скорости, которая для двигателя последова-
последовательного возбуждения имеет вид:
„ U — '«(°« "г "в/ /-7 г>О\
"=—^—• G-22)
где RB — сопротивление обмотки возбуждения.
Из рассмотрения характеристики видно, что скорость двигате-
двигателя сильно зависит от нагрузки. При увеличении нагрузки увели-
увеличивается падение напряжения на сопротивлении обмоток при одно-
одновременном увеличении магнитного потока, что приводит к значи-
значительному уменьшению скорости вращения. Это характерная осо-
особенность двигателя последовательного возбуждения. Значительное
уменьшение нагрузки приведет к опасному для двигателя увели-
увеличению скорости вращения. При нагрузках менее 25% номинальной
(и особенно на холостом ходу), когда ток нагрузки и магнитный по-
поток из-за небольшого числа витков в обмотке возбуждения оказы-
оказывается настолько слабым, что скорость вращения быстро возрастает
до недопустимо больших значений (двигатель может «разнести»).
По этой причине эти двигатели применяют лишь в тех случаях,
когда их соединяют с приводимыми во вращение механизмами не-
непосредственно или через зубчатую передачу. Применение ремен-
ременной передачи недопустимо, так как ремень может оборваться либо
соскочить, двигатель при этом полностью разгрузится.
Регулирование скорости вращения двигателя последовательного
возбуждения может осуществляться изменением магнитного потока
или изменением питающего напряжения.
Зависимость вращающего момента от тока нагрузки (механи-
(механическую характеристику) двигателя последовательного возбуждения
можно получить, если в формуле вращающего момента F.13) маг-
магнитный поток выразить через ток нагрузки. В отсутствие магнит-
магнитного насыщения поток пропорционален току возбуждения, а по-
последний для данного двигателя является током нагрузки, т. е.
М = с'Ф/я = ClIBIu = ell; F.3)
На графике (см. рис. 6-16) эта характеристика имеет форм\ па-
параболы. Квадратичная зависимость вращающего момента от тока
нагрузки является второй характерной особенностью двигателя
последовательного возбуждения, благодаря которой эти двигатели
легко переносят большие кратковременные перегрузки и разви-
развивают большой пусковой момент.
Рабочие характеристики двигателя приведены на рисунке 6-17.
Из рассмотрения всех характеристик следует, что двигатели
последовательного возбуждения можно применять в тех случаях,
7* 199

n
M
1
7
Рис. 6-17
когда необходим большой пус-
пусковой момент или кратковре-
кратковременные перегрузки; исключена
возможность их полной раз-
разгрузки. Они оказались незаме-
незаменимыми как тяговые двигатели
на электротранспорте (электро-
(электровоз, метрополитен, трамвай,
троллейбус), в подъемнотранс-
портных установках (краны
и т. д.) и для пуска двигателей
внутреннего сгорания (старте-
(стартеры) в автомобилях и авиации.
Экономичное регулирование
скорости вращения в широких
пределах осуществляется в слу-
случае одновременной работы не-
нескольких двигателей путем различных комбинаций включения
двигателей и реостатов. Например, на малых скоростях они вклю-
включаются последовательно, а на больших — параллельно. Необходи-
Необходимые переключения осуществляются оператором (водителем) по-
поворотом ручки переключателя.
§ 6.10. ДВИГАТЕЛЬ СМЕШАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Схема включения двигателя постоянного тока смешанного воз-
возбуждения изображена на рисунке 6-18. На каждом полюсе такого
двигателя имеются обмотки — параллельная и последователь-
последовательная. Их можно включить так, чтобы магнитные потоки складыва-
складывались (согласное включение) или вычитались (встречное включение).
Уравнения скорости вращения и враща-
вращающего момента для них выражаются
так:
U - hR, F 24)
+0
и
п =
± Ф,,с)
= с1я (Фпр ± Фпс),
F.25)
Рис. 6-18
где знак плюс относится к согласному
включению обмоток возбуждения, минус—
к встречному. В зависимости от соотноше-
соотношения магнитных потоков обеих обмоток по
свойствам двигатель приближается к дви-
двигателям параллельного либо последовате-
последовательного возбуждения. Как правило, у дви-
двигателей смешанного возбуждения последо-
последовательная обмотка является главной
(рабочей), а параллельная— вспомогатель-
вспомогательной. Благодаря магнитному потоку парал-
200

Ргн
Рис. 6-19
лельной обмотки скорость вра-
вращения такого дпигателя не мо-
может возрастать беспредельно
при малых нагрузках (или на
холостом ходу), т. е. двигатель
не будет «разносить».
Двигатели с согласным п
включением нашли широкое
применение в тех случаях, ког-
когда необходим большой пусковой
момент и изменение скорости
при переменных нагрузках
(включая малые нагрузки и
холостой ход). Двигатели же со —
встречным включением приме-
применяют для получения постоянной
скорости при изменяющейся
нагрузке.
На рисунке 6-19 приведены для сравнения нагрузочные харак-
характеристики двигателей с различными способами возбуждения
§ 6.11. КОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Одновременное изменение тока в якоре и обмотке возбуждения
двигателя постоянного тока не изменяет его направления вращения.
Это свойство используется в коллекторных двигателях переменного
тока, где ток с частотой сети одновременно изменяет свое направ-
направление в обеих обмотках.
Конструкция коллекторных двигателей переменного тока зна-
значительно сложнее конструкции двигателей постоянного гока. Всю
магнитную систему набирают из отдельных изолированных друг от
друга листов электротехнической стали, чтобы избежать ее силь-
сильного нагревания от столь частого перемагничивания. Для уменьше-
уменьшения реактивного сопротивления двигателя, ухудшающего cos ср
сети, станину снабжают компенсационной обмоткой, расположен-
расположенной равномерно по окружности статора и соединенной последова-
последовательно с якорем. Для улучшения компенсации ЭДС самоиндукции в
секциях якоря статор делают неявнополюсным. Для получения
удовлетворительной коммутации, при которой короткозамкнутая
секция оказывается подобной короткозамкнутой обмотке трансфор-
трансформатора, число витков в секциях уменьшают, увеличивая число сек-
секций, и ограничивают ток включением между секциями и коллек-
коллектором специальных резисторов. Наличие большого числа секций
и пластин коллектора сильно увеличивает размеры коллектора, что
является внешним отличительным признаком коллекторных дви-
двигателей переменного тока от двигателей постоянного.
Почти все коллекторные двигатели переменного тока имеют
последовательное возбуждение. Двигатели параллельного возбуж-
201

дения из-за большой индуктивности обмотки возбуждения (боль-
(большого сдвига фаз между током в якоре и потоком) имеют весьма
незначительный вращающий момент, поэтому на практике такие
двигатели не применяют.
Иногда встречаются маломощные так называемые универсаль-
универсальные двигатели, которые работают как от постоянного, так и от пере-
переменного тока. В этих двигателях обмотка рассчитана на работу
постоянного тока, а часть ее (отвод) — на работу переменного
тока, так как сопротивление одной и той же обмотки меньше для
постоянного, чем для переменного тока.
Из-за сложности конструкции и дороговизны коллекторные
двигатели большой мощности применяют в редких случаях, где
это экономически оправдывает себя, например для привода одного
механизма с широкими пределами регулирования скорости. Иногда
встречаются трехфазные коллекторные двигатели с питанием со
стороны ротора, в которых перемещение щеток по коллектору дает
регулирование скорости в широких пределах, но этот двигатель
очень дорог.
Широкое распространение получили маломощные (до 200 Вт)
универсальные коллекторные двигатели последовательного возбуж-
возбуждения. Их применяют для нужд бытового электропривода (швей-
(швейных машин, пылесосов, для мелких электродрелей, вентилято-
вентиляторов и т. д.).

ГЛАВА VII
ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ
§ 7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Автоматизация — это осуществление управления различными
процессами без непосредственного участия человека. Автомати-
Автоматизация производства является высшей ступенью механизации про-
производства, поэтому в настоящее время она является основным
направлением дальнейшего развития техники, важнейшим средст-
средством увеличения производительности труда и повышения качества
продукции. Автоматизация повышает технический уровень рабо-
рабочего, обслуживающего автоматизированную систему, повышает
культуру труда.
При современном уровне производства широко применяется
автоматическое управление электроприводов (пуск, остановка,
реверсирование и т. д.). В сложных машинах применяют много-
многодвигательные автоматизированные электроприводы.
Еще более сложно взаимосвязаны процессы поточных станоч-
станочных линий, автоматических цехов, заводов-автоматов. Создание
автоматической линии станков дает возможность без участия чело-
человека производить операции процесса одну за другой в определен-
определенной последовательности, при этом перемещение обрабатываемой
детали от станка на другой станок для дальнейшей обработки осуще-
осуществляется автоматически. Широкое применение в автоматических
устройствах получили следящие системы (следящий привод), даю-
дающие возможность повторять перемещения маломощных устройств
движениями мощных приводных устройств.
В энергетических системах широкое применение находит теле-
телемеханика — техника управления, контроля и регулирования целой
группой производственных объектов, объединенных в один общий
комплекс предприятий, но разделенных территориально.
Применение автоматики и телемеханики на базе широчайшей
электрификации народного хозяйства удешевляет производство,
облегчает труд человека, повышает производительность труда.
§ 7.2. РЕЛЕ
Реле — специальный прибор, в котором при достижении опре-
определенного значения входной величины выходная величина изме-
изменяется скачкок. С помощью реле можно осуществить автомати-
203

ческое управление работой мощных контакторов, масляных выклю-
выключателей. Например, в случае короткого замыкания под действием
недопустимо большого тока реле срабатывает, включая электродви-
электродвигатель привода масляного выключателя, а последний отключает
поврежденную электрическую установку. Более того, одновремен-
одновременное применение нескольких реле позволяет автоматически повторно
включить установку немедленно после устранения повреждения.
Реле реагирует на изменения определенного параметра: тока,
напряжения, мощности, температуры, давления и т. д.
Реле различаются:
а) по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектри-
магнитоэлектрические, индукционные, электродинамические, тепловые, электрон-
электронные, газовые и др.;
б) по способу включения в контролируемую цепь: первичные,
включаемые непосредственно в контролируемую цепь, и вторичные,
включаемые через измерительные трансформаторы;
в) по способу воздействия на аппарат управления: прямого
действия, которые сами, например, выключают цепь, и косвенного
действия, которые выполняют операции через посредство промежу-
промежуточных устройств (контакторов, масляных выключателей и т. д.).
Применение первичных реле в цепях высокого напряжения за-
затруднительно, так как изоляция их получилась бы громоздкой, а
обслуживание — опасным. Такие реле применяют лишь в цепях
низкого напряжения.
Реле прямого действия применяют в маломощных цепях, так
как при больших управляемых токах пришлось бы сильно увеличи-
увеличивать размеры подвижных частей и т. д., что сделало бы реле очень
грубыми, поэтому в мощных электрических цепях высокого напряже-
напряжения получили распространение вторичные реле косвенного дейст-
действия, имеющие высокую точность срабатывания.
Рассмотрим принцип действия наиболее распространенных ти-
типов реле.
Электромагнитные реле, получившие самое широкое распрост-
распространение в промышленных и сельскохозяйственных установках, по
конструктивному исполнению выпускают трех типов: клапанного,
соленоидного и с поворотным якорем.
В клапанном реле на стальном сердечнике имеется обмотка,
соединенная со вторичной обмоткой измерительного трансформато-
трансформатора (рис. 7-1). Под действием тока этой обмотки к ярму сердечника /
притягивается шарнирно укрепленный клапан 2 и изолированной
металлической пластинкой 3 замыкает неподвижные контакты 4
цепи оперативного тока. Среди реле этого типа на практике широко
применяют электромагнитные реле максимального тока (рис. 7-2).
Здесь токовая катушка / реле включается последовательно с на-
нагрузкой. При токах нагрузки выше номинального значения якорь 3
пршягивается к сердечнику 2 и одновременно замыкает контакт 4
оперативной цепи.
204

Рис. 7-1
Рис. 7-2
Из числа электромагнитных реле широкое применение нашли
реле МКУ-48 (рис. 7-3) и реле телефонного типа (рис. 7-4).
К типу электромагнитного реле с поворотным якорем относится
токовое реле серии ЭТ (рис. 7-5). На сердечник / из листов электро-
электротехнической стали навивают обмотку 2, обычно соединяемую со
вторичной обмоткой трансформатора тока. При протекании тока
по этой обмотке легкий стальной Z-образный якорь 3 поворачи-
поворачивается по часовой стрелке до расположения вдоль магнитного пото-
Рис. 7-3
Рис. 7-4
205

Рис.
Рис. 7-5
ка, при этом неподвижные кон-
контакты 4 цепи оперативного тока
замыкаются металлической пла-
пластинкой 5, укрепленной на оси
якоря. Реле сработает. После
того как контролируемая цепь
будет отключена, сердечник раз-
размагнитится и Z-образный якорь
под действием пружины 6 вер-
вернется в исходное положение, при
котором контакты 4 снова будут
разомкнуты. Поворотом рычага 7
по шкале 8 можно регулировать натяжение пружины, устанавливая
тем самым контролируемый ток, при котором реле срабатывает.
В рассмотренных реле не предусмотрена выдержка времени,
поэтому их называют реле мгновенного действия.
Для создания максимальной независимой защиты токовые реле
мгновенного действия используют совместно с электромагнитными
реле времени.
Рассмотренные выше электромагнитные реле срабатывают неза-
независимо от направления тока в катушках, т. е. они могут работать
как на постоянном, так и на переменном токе. Такие реле получи-
получили название нейтральных.
В схемах защиты электрических установок часто применяют реле
времени серии ЭВ (рис. 7-6). Его основной узел — часовой меха-
механизм 3, запускаемый электромагнитом /. Катушка последнего вклю-
включается в цепь контактов главного реле, при срабатывании которого
электромагнит / через зубчатку 2 запускает часовой механизм. При
этом подвижный контакт 4 равномерно перемещается вдоль шкалы 6
до неподвижного контакта 5. Требуемая выдержка времени уста-
устанавливается контактом 5.
206

Поляризованные реле в отличие от нейтральных имеют допол-
дополнительный постоянный магнит, и направление движения якоря
зависит от направления тока в катушке, поэтому они срабатывают
только под действием постоянного тока Поляризованное электро-
электромагнитное реле (рис. 7-7, а) состоит из двух катушек I и 2, создаю-
создающих в стальном ярме рабочий магнитный поток Ф, и постоянно-о
магнита 6. Последний создает поляризующий магнитный поток Фо
Магнитный поток постоянного магнита замыкается через якорь 4 и
разветвляется на два потока: Ф1 и Ф2. Последние взаимодействуют
с потоком Ф (складываются в правой ветви и вычитаются в левой).
Якорь реле 4 может поворачиваться около оси 7 до упора с непод-
неподвижными контактами, замыкая правую или левую цепи.
При отсутствии тока в катушках (управляющего сигнала) дей-
действует только один магнитный поток Фо Если якорь находится в
среднем (вертикальном) положении, то действующие на него силы
справа и слева будут равны и противоположны и якорь должен
остаться в равновесии. Однако такое равновесие является неустой-
неустойчивым, и на практике якорь всегда притянут каким-либо из полю-
полюсов. Изменение направления отклонения якоря осуществляется
изменением направления тока в катушках.
На практике применяют поляризованные реле трех типов на-
настройки: нейтральная РП-4, на преобладание РП-7 и трехпози-
ционная РП-5.
Настройка на преобладание, при которой один из неподвижных
контактов смещен за нейтральную линию (рис. 7-7, б), характерна
тем, что в отсутствие управляющего сигнала якорь всегда притя-
притянут к нормально установленному контакту.
В случае трехпозиционной настройки (рис. 7-7, в) в отсутствие
управляющего сигнала якорь обязательно устанавливается в вер-
вертикальном положении с помощью двух специальных пружин
С помощью поляризованного реле можно управлять мощными
электрическими цепями при очень малой управляющей мощности,
так как на его якорь действует сумма сил, создаваемых магнит-
магнитными потоками постоянного магнита и катушки с управляющим
током
ax
? СИ
ПИ
Рис. 7-7
207

Рис. 7-8
Трехпозиционное реле РП-5 (рис.
7-8) широко используют в школьном
физическом эксперименте, в частности
в демонстрационных опытах при изу-
изучении электромагнитных колебаний и
волн. Оно сделано на специальной под-
подставке и приспособлено для использова-
использования в комплекте с другими прибора-
приборами Реле РП-5 обладает быстродейст-
быстродействием и высокой чувствительностью.
Регулировкой контактов мОжно изме-
изменять ток срабатывания от 0,058 до
0,24 мА, а контакты реле можно на-
нагружать током до 0,5 А.
Магнитоэлектрические реле по прин-
принципу действия и устройству не отлича-
отличаются от магнитоэлектрических измери-
измерительных приборов-с той лишь разницей,
что вместо стрелки на оси подвижной
системы укрепляется небольшой рыча-
рычажок / с контактом 2 (рис. 7-9).
Магнитоэлектрические реле являют-
являются очень чувствительными и применя-
применяются в сложных приборах в качестве
связующего звена между чувствитель-
чувствительным -элементом (датчиком) и управляе-
управляемыми цепями. Для более надежной ра-
работы вращающий момент этих реле
делают возможно большим. Для предот-
предотвращения порчи подвижной системы
при резком повороте и ударе ее о не-
неподвижный контакт питание реле осу-
осуществляется плавно изменяющимся током управления. При этом
реле срабатывает при незначительном токе.
Тепловое реле (рис. 7-10) используют для защиты электроуста-
электроустановок от токов перегрузки. Устроено и работает это реле следующим
образом. На биметаллическую пластинку / (спай двух металлов
с разными коэффициентами линейного расширения) навита спи-
спираль 2, по которой проходит ток нагрузки. При длительных пере-
перегрузках @,5 — 1 мин) спираль и биметаллическая пластинка
нагреваются, при этом пластинка / изгибается вверх и освобождает
рычаг 7. Рычаг пружиной 4 поворачивается вокруг оси 8 и тягой 5
размыкает контакты 6 вспомогательной оперативной цепи (на-
(например, магнитного пускателя). Установка отключается. После
устранения перегрузки и охлаждения биметаллической пластинки
реле возвращается в исходное положение нажатием кпопки 3.
Магнитоуправляемые контакты, или герконы (герметизирован-
(герметизированные контакты), представляют собой две пластины из пермаллоя,
Рис. 7-9
208

Вспомогательная цепь
Рис. 7-10
впаянные в стеклянную колбоч-
колбочку, в которую введен азот или
инертный газ (рис. 7-11). Плас-
Пластины являются и магнитопрово-
дом и контактными пружина-
пружинами, а их концы, находящиеся
в колбочке, — контактами.
Если герконы поместить в маг-
магнитное поле, направленное
вдоль пластин, то контакты за-
замкнутся. Управление контакта-
контактами можно осуществлять при-
приближением постоянного магнита
к пластинкам (контакты замы-
замыкаются) либо обмоткой с то-
током, навиваемой поверх гер-
кона (соленоид, внутри которого
помещают геркон). Для улуч-
улучшения контакта концы пластин
геркона покрывают золотом,
серебром, родием или смачива-
смачивают ртутью.
Вначале появились «сухие»
герконы с диаметром колбочки
около 2 мм, затем ртутные с
объемом 2,5 мм3 на контакт, в
настоящее время в качестве
контактов используют пленоч-
пленочные пермаллоевые покрытия, а
по размерам современные гер-
герконы соизмеримы с интеграль-
интегральными схемами.
Достоинства герконов: малое
время срабатывания (доли мил-
миллисекунды против десятков
миллисекунд у электромагнит-
электромагнитных реле); высокая надежность
коммутации в любой среде благодаря герметизации контактов; ма-
малые размеры; возможность изготовления на автоматах и неболь-
небольшая стоимость.
Электронные реле представляют собой обычно совокупность
электронных ламп или транзисторов с электронным реле. Простей-
Простейшее быстродействующее электронное реле содержит в качестве
воспринимающего органа электронную лампу Л, в анодную цепь
которой включено электромагнитное реле Р (рис. 7-12). Началь-
Начальный анодный ток (ток покоя) выбирают так, чтобы он был значи-
значительно меньше тока, при котором реле срабатывает. Для этого
от сеточной батареи на сетку подается отрицательное напряжение,
Рис. 7-11
Рис. 7-12
209

Рис. 7-13
Рис. 7-14
смещающее надлежащим обра-
образом рабочую точку анодно-се-
точной характеристики. При
подаче на сетку лампы поло-
положительного напряжения от уп-
управляющей цепи анодный ток
возрастает и реле срабатывает.
Основным недостатком тако-
такого реле является то обстоятель-
обстоятельство, что по обмотке реле по-
постоянно протекает ток покоя.
Увеличение же отрицательного
смещения с целью ограниче-
ограничения тока покоя сильно сни-
снижает чувствительность реле
Указанный недостаток ус-
устраняется применением мосто-
мостовой схемы (рис. 7-13). Здесь
плечами моста служат две оди-
одинаковые электронные лампы Л1
и Лг (обычно двойной триод) и
два одинаковых резистора Ra,
в диагональ моста включена
обмотка электромагнитного ре-
реле. При отсутствии сигнала от
управляющей цепи мост сбалан-
сбалансирован с помощью потенцио-
потенциометра R6, ток в его диагонали
отсутствует. При подаче сигна-
сигнала на вход на сетки ламп пода-
подаются противоположные по зна-
знаку потенциалы, в результате
анодные токи будут значитель-
значительно отличаться и через реле Р
будет протекать уравнительный
ток моста; реле сработает. Если
в диагональ моста включить
поляризованное реле, то полярность управляющего сигнала опре-
определит направление отклонения его якоря.
Простейшее электронное реле времени отличается от быстродейст-
быстродействующего наличием конденсатора С в цепи сетки электронной лампы
(рис. 7-14). При замкнутом контакте К верхняя обкладка конден-
конденсатора С и сетка лампы имеют отрицательный потенциал. Лампа
закрыта. При размыкании контакта К конденсатор С начнет раз-
разряжаться через резистор Rc и отрицательный потенциал сетки
станет уменьшаться, а анодный ток в лампе — увеличиваться. По
достижении определенного значения анодного тока реле Р сработает.
Выдержка во времени между размыканием контакта f( и срабаты-
210
Рис. 7-15

ванием реле Р тем больше, чем больше значения Rc и С (постоян-
(постоянная времени т = RcC). При новом замыкании контакта К сетка
триода получит большой отрицательный потенциал, анодный ток
в лампе резко уменьшится и реле Р отпустит.
Если в анодную цепь триода электронного реле времени вклю-
включить последовательно несколько электромагнитных реле, настроен-
настроенных на разные токи срабатывания, то система будет представлять
собой программное реле времени.
Пример схемы электронного реле времени на транзисторах при-
приведен на рисунке 7-15. Здесь при размыкании контактов К (начало
действия реле) заряженный от источника & конденсатор С начнет
разряжаться, что приведет к понижению отрицательного потенциала
базы транзистора Т1 и к повышению отрицательного потенциала
коллектора. В результате напряжение на базе транзистора Т2
уменьшится, а ток в цепи эмиттера начнет возрастать, достигая
значения, при котором электромагнитное реле Р сработает.
Электронные реле имеют высокую чувствительность и являются
практически безынерционными, благодаря чему они получили ши-
широкое применение в чувствительных автоматических устройствах.
Электронные реле времени позволяют получать выдержки во вре-
времени в пределах от 10~3 до десятков секунд.
§ 7.3. ДАТЧИКИ
Рассмотренные в предыдущем параграфе реле являются пер-
первичными чувствительными элементами автоматических устройств.
Они контролируют значение определенного параметра, срабаты-
срабатывая лишь только в случае достижения этим параметром определен-
определенного значения (минимального, нормального или максимального).
Таким образом, реле осуществляют прерывистое, скачкообразное
управление значением контролируемого параметра (полное или
частичное включение или отключение и т. д.). Однако во многих
случаях необходимо не скачкообразно, а плавно и непрерывно
контролировать и управлять изменениями того или иного пара-
параметра. В этих случаях применяют
датчики.
Датчиком называют чувстви-
чувствительный первичный элемент, непре-
непрерывно и плавно отображающий
технологический процесс или режим
работы механизма. В современной
технике применяют очень боль-
большое разнообразие электрических
датчиков, отличающихся друг от
друга как принципом работы, так
и конструктивным оформлением.
Рассмотрим некоторые из наи-
наиболее распространенных датчиков.
*«п
а
Рис. 7-16
211

Рис. 7-17
Потенциометрический датчик пред-
представляет собой обычный реостат, вклю-
включенный по схеме потенциометра (рис.
7-16, а). Здесь используется зависи-
зависимость тока в нагрузке от напряжения,
снимаемого с потенциометра. Если
движок потенциометра перемещать
вверх, то напряжение, на которое
включена нагрузка (например, реле),
возрастает и, следовательно, возрастает
ток в нагрузке RH. Движок же потен-
потенциометра механически связывается с
механическим чувствительным элемен-
элементом (диафрагмой, мембраной и т. д.),
перемещения которого вызывают про-
пропорциональные (или равные) переме-
перемещения движка потенциометра. В тех
случаях, когда направление тока в на-
нагрузке должно соответствовать направ-
направлению перемещения движка от некото-
некоторого начального положения, например
в следящих системах, применяют схему
со средней точкой потенциометра (рис.
7-16, б).
Потенциометрические датчики иашли
широкое применение для измерения
всевозможных угловых и линейных пе-
перемещений. Например, если движок
потенциометра связать с поплавком,
находящимся в сосуде с жидкостью,
то включенный в качестве нагрузки потенциометра электроизме-
электроизмерительный прибор может быть проградуирован в значениях высоты
уровня жидкости в сосуде {уровнемер).
Тензометр, или проволочный датчик, представляет собой тон-
тонкую A5—16 мкм) констаитановую проволоку, наклеенную на тон-
тонкой папиросной бумаге (рис. 7-17).
Тензометр применяют для измерения деформаций, для этого
его прочно наклеивают на деформируемую деталь и по изменениям
сопротивления, изменяющегося за счет изменения длины проволоки
тензометра, судят о величине деформации.
Термистор — полупроводниковое термосопротивление — пред-
представляет собой полупроводник, сопротивление которого значительно
изменяется при изменении температуры. Таким образом, по значе-
значению сопротивления термистора можно судить о температуре. Тер.ми-
сторы благодаря большой чувствительности и малой инерционности
нашли применение для измерений температуры растений, темпе-
температуры кровеносных сосудов человека, для измерения незначитель-
незначительных изменений температуры и т. д.
Рис. 7-18
212

'Л/
//////////
т
1
TfT
Рис. 7-19
Иониза
Радиоактив-
Радиоактивный слой
Рис. 7-20
питающего пере-
Индуктивный датчик состоит из катушки/
(рис. 7-18), навитой на стальном сердечни-
сердечнике 2; якорь 3 укреплен на пружине 4. Между
якорем и сердечником имеется некоторый
воздушный зазор б, размер которого изме-
изменяется в соответствии со смещением якоря.
Принцип работы индуктивного датчика
состоит в изменении индуктивного сопро-
сопротивления катушки при изменении воздуш-
воздушного зазора между сердечником и якорем. Ес-
Если якорь соединить с каким-либо смещающим
устройством, а по катушке пропускать пере-
переменный ток, то при изменениях положения
якоря индуктивное сопротивление катушки
будет изменяться. Ток в цепи катушки так-
также будет изменяться. Следовательно, по из-
изменениям тока в цепи катушки можно су-
судить о смещении. Индуктивное сопротив-
сопротивление катушки данного индуктивного дат-
датчика зависит от воздушного зазора и частоты
менного тока.
Для работы индуктивных датчиков используют переменный ток
частотой 100—1000 Гц, а для некоторых реле этого типа — 3000—
5000 Гц. Дальнейшее повышение частоты приводит к большим поте-
потерям в стали. Индуктивные датчики благодаря простоте конструк-
конструкции и надежности в работе нашли широкое применение в современ-
современных автоматических устройствах.
Простейший емкостный датчик представляет собой две пластины
конденсатора, одна из которых закреплена неподвижно, а другая
соединена с каким-либо смещающим устройством (рис. 7-19). С
изменением расстояния между пластинами б изменяется и емкость
конденсатора. Емкостные датчики применяют для измерения часто-
частоты, размеров деталей и перемещений.
Радиоактивный датчик часто представляет собой плоский кон-
конденсатор С, внутренняя поверхность одной из пластин которого
покрыта радиоактивным слоем, излучающим а-частицы (рис. 7-20).
Конденсатор С помещен в ионизационную камеру, а обкладки его
соединены с источником высокого напряжения. Излучаемые части-
частицы ионизуют воздух (газ) внутри камеры, в результате чего в цепи
конденсатора появляется ток, значение которого пропорционально
поверхности пластин и зависит от объема и состава газа между
пластинами. Это дает возможность применять радиоактивный дат-
датчик в качестве чувствительного элемента, реагирующего на изме-
изменения площади пластин, объема газа между пластинами, состава
газа (при этом изменяется интенсивность ионизации). Радиоактив-
Радиоактивные датчики нашли широкое применение для автоматического кон-
контроля, дефектоскопии, автоматического счета, анализа состава ве-
веществ и т. д.
213

§ 7.4. АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
С развитием технологии резко возрастает роль контроля ка-
качества выпускаемой продукции, т. е. роль проверки соответствия
параметров выпущенного изделия техническим требованиям. До-
Достаточно сказать, что при современном состоянии развития техники
есть много предприятий, требующих исключительной точности из-
изготовления деталей с пределами отклонений не более чем 0,05 и
даже 0,002 мм.
Возрастающие требования к точности изготовления изделий
делают автоматизацию контроля вопросом первостепенной важности,
поэтому в современном производстве такие операции, как проверка
твердости детали, ее размеров, чистоты обработки, состояния
поверхности, контроль за режимом термической обрабснки и т. д.,
по возможности стремятся автоматизировать. В случае автоматиче-
автоматического контроля автомат «следит» за ходом технологического про-
процесса, отображая его на шкалах измерительных и регистрирующих
приборов. Автоматический контроль может представлять автомати-
автоматическое измерение, либо автоматическую сигнализацию, либо соче-
сочетание того и другого.
При автоматическом измерении автомат постоянно посылает
измерительному прибору сигналы об изменениях контролируемых
параметров.
При автоматической сигнализации автомат реагирует лишь
на предельные (максимальные или минимальные) значения контро-
контролируемых параметров и посылает звуковой или световой сигнал
обслуживающему персоналу. Это так называемый пассивный конт-
контроль, при котором автомат «не вмешивается» в ход технологического
процесса, а лишь «следит» за ним. При таком контроле негодные
детали или изделия выявляются после их обработки, после завер-
завершения процесса изготовления.
В последнее время все более широкое распространение полу-
получает так называемый активный автоматический контроль. Средства
1акого контроля позволяют проверять контролируемый параметр в
процессе изготовления и в соответствии с полученными значениями
регулировать («подправлять») действия автомата. При активном
контроле автомат «вмешивается» в ход технологического процесса
и предупреждает возможные в
нем отклонения. Такой контроль
исключает, например, дальнейшую
обработку бракованной детали.
Рассмотрим два простых при-
примера автоматического контроля.
Для осуществления автоматичес-
автоматической пожарной сигнализации часто
используют устройство, схема ко-
которого изображена на рисунке 7-21.
Рис. 7-21 Здесь термоизвещатель, устанав-
3
214

Рис. 7-22
ливаемый на контролируемом
объекте, состоит из металличес-
металлического корпуса (коробки) /,
крышкой которого служит биме-
биметаллическая мембрана (дискJ,
способная при нагревании
прогибаться внутрь коробки и
контактом 3 прикасаться с не-
неподвижным контактом 4, замы-
замыкая при этом цепь электрической
сирены 5.
На рисунке 7-22 изображена
схема устройства для автомати-
автоматической сортировки деталей в за-
зависимости от их высоты. На
ленте транспортера под щупом 2
перемещаются сортируемые де-
детали 1. Щуп 2 механически связан с подвижным контактом 3, находя-
находящимся под положительным потенциалом. В анодную цепь двойного
триода включены электромагнитные реле Рх и Р2, включающие испол-
исполнительные механизмы сортировки. Если высота детали укладывается
в допускаемом интервале высот, то контакт 3 не замкнут и оба трио-
триода заперты отрицательным напряжением смещения на сетках.
Исполнительные механизмы сортировки не включены, деталь про-
проходит на ленте транспортера. Если высота детали оказалась, на-
например, выше допустимой, то щуп 2 приподнимается, подвижный
контакт 3 замыкается с верхним контактом, соединенным с сеткой
правого триода. В результате этого сетка оказывается под положи-
положительным потенциалом. В анодной цепи правого триода появится ток,
сработает реле Р2 и включит механизм сортировки, сбрасывающий
деталь с ленты транспортера, левый триод при этом остается за-
запертым.
Устройство сработает аналогично, сбросив деталь с ленты тран-
транспортера, если ее высота окажется ниже допустимой.
§ 7.5. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Автоматическое управление обеспечивает автоматический пуск
станков или агрегатов, строгое соблюдение последовательности
операций определенного процесса и их остановку. Назначение
устройств автоматического управления — исключение участия че
ловека в управлении этими операциями. В настоящее время авто-
автоматическое управление базируется главным образом на электро-
электроприводе, хотя роль других видов привода (гидропривода, пневмо-
пневмопривода) возрастает.
Получив начальный (пусковой) импульс, автоматические устрой-
устройства без участия человека осуществляют все операции технологиче-
технологического процесса в строго определенной последовательности. В за-
215

висимости от способа посылки начального импульса устройства
управления делят на полуавтоматические и автоматические.
При полуавтоматическом управлении пусковой импульс посыла-
посылает человек нажимом кнопки или поворотом ручки командоаппарата,
при этом все последующие операции осуществляются без участия
человека. Одним из примеров такого управления может служить
управление автоматизированными агрегатами гидроэлектро-
гидроэлектростанций.
При автоматическом управлении начальный импульс посылает
датчик или реле. Примером такого управления может быть автома-
автоматическая подстанция, включаемая при получении начального импуль-
импульса, например, от определенным образом настроенного часового
механизма — реле времени. Это реле времени посылает опреде-
определенный импульс и для остановки (выключения) подстанции в на-
назначенное время. В обоих случаях управления остановка станка
или агрегата может осуществляться автоматически устройствами
защиты, если в них произошли какие-либо неполадки.
Цикл автоматического управления состоит из нескольких
следующих одна за другой операций, для выполнения каждой из
которых соответствующий элемент автоматического устройства
посылает командный импульс. Момент посылки каждого последую-
последующего командного импульса, а следовательно, и начало последующей
операции определяются по одному из следующих двух принципов:
1) посылка последующих импульсов после окончания предыдущих
операций, 2) независимая посылка импульсов в функции времени.
Первый принцип допускает изменение скорости выполнения
отдельных операций, поэтому на выполнение каждой последующей
командный импульс посылается лишь после того, как предыдущая
операция завершена полностью либо завершена настолько, что
можно одновременно выполнять и последующую операцию. Этот
принцип управления наиболее правильно отражает существо по-
подавляющего большинства технологических процессов Однако
практическое осуществление этого принципа часто связано с тех-
техническими трудностями. По этому принципу осуществляется управ-
управление нескольких технологических процессов с помощью реле и
датчиков, реагирующих на предельные значения величин, которые
указывают на завершение предыдущих операций. Кроме того,
применяются различного рода блок-контакты, не допускающие на-
начала последующей операции при неоконченной предыдущей и т. д.
В случае принципа независимой посылки командных импульсов
весь цикл тщательно делится на ряд последовательных операций;
определяется продолжительность выполнения каждой операции и в
соответствии с полученным графиком времени настраивается авто-
автоматическое устройство, осуществляющее управление процессом.
Это устройство называют программным. В простейшем случае в
качестве программного устройства может быть использован пере-
переключатель, приводимый во вращение электродвигателем либо ча-
часовым механизмом. Длину контактов такого переключателя делают
216

пропорциональной продолжительности соответствующей операции.
Программное устройство можно сделать в виде системы несколь-
нескольких быстродействующих реле, настроенных на разные токи сраба-
срабатывания и включенных последовательно в цепь достаточно медленно
изменяющегося тока. Роль программного устройства могут выпол-
выполнять и несколько реле времени, каждое из которых настроено на
определенную продолжительность.
Программируя тот или иной процесс или цикл операции, стре-
стремятся исключить влияние внешних факторов, способных вызвать
изменение продолжительности выполнения отдельных операций,
так как при несоблюдении этого условия ход технологического про-
процесса легко может быть нарушен. Например, если под влиянием
внешних факторов какая-нибудь операция затянулась, то после-
последующая операция начнется при неоконченной предыдущей и т. д.
Примерами простейшей автоматизации с помощью программного
устройства могут служить различного рода иллюминации с загораю-
загорающимися и гаснущими лампами и т. д.
Автоматическое управление приобретает особое значение в много-
многодвигательном приводе мощных токарных станков, бумагодела-
бумагоделательных аппаратов, прокатных станов и т. д. Достаточно отметить,
что привод этих мэшин осуществляется десятками электродвига-
электродвигателей, суммарная мощность которых доходит до 10 МВт. Автомати-
Автоматизированный привод позволяет значительно повысить производи-
производительность труда, сократить расход электроэнергии и расходы на
содержание обслуживающего персонала.
В качестве одного из примеров автоматического управления
рассмотрим автоматический пуск электродвигателя постоянного
тока большой мощности. Как известно, непосредственное включе-
включение двигателя в питающую электрическую сеть сопровождается рез-
резким увеличением тока, поэтому пусковой ток ограничивают введе-
введением специального пускового реостата. Пуск двигателя осуществля-
осуществляют следующим образом.
Сначала вводят весь реостат, и двигатель включается в сеть,
при этом сопротивление реостата таково, что в момент начала
пуска ток не превышает
максимально допустимое
значение /тах (рис. 7-23).
Двигатель начинает раз-
разбег, в течение времени ^
потребляемый ток / убыва-
убывает до заданного значения
/Ш|1. В это время выводит-
выводится (закорачивается) первая
ступень сопротивления
реостата, что вызывает но-
новый скачок тока / до зна-
значения /шах. Скорость вра-
вращения продолжает расти,
smk:^
0
Рис. 7-23
8 Заказ 5111
217

а ток снова убывает до значения /fflln и т. д. При выведении
последней ступени реостата ток снова возрастает до значения /тах,
после чего скорость вращения и потребляемый ток принимают ус-
установившиеся значения.
Из рассмотрения этого графика изменения тока видно, что весь
процесс пуска двигателя может быть автоматизирован как в функ-
функции тока, так и в функции времени. В первом случае закорачивание
каждой секции реостата должно осуществляться срабатыванием
мгновенных реле при достижении током значения /min, а во втором —
срабатыванием реле времени с настройкой на выдержки tx,
t% и ts.
§ 7.6. АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
Автоматический регулятор — устройство, которое без непо-
непосредственного участия человека осуществляет поддержание опре-
определенного заданного значения физической величины, либо измене-
изменения ее по требуемой зависимости с необходимой степенью точности.
Если при автоматическом управлении параметры, воспринимаемые
чувствительным элементом, изменяются независимо от исполни-
исполнительного органа, то при автоматическом регулировании воздей-
воздействие на исполнительный орган вызывает изменение параметров,
воспринимаемых чувствительным элементом. Автоматическое регу-
регулирование относится к самым совершенным видам автоматизации.
Оно может также сочетаться одновременно с автоматическим управ-
управлением.
Несмотря на большое разнообразие систем и устройств автома-
автоматического регулирования, можно в любом случае выделить общие
для всех случаев основные взаимосвязанные части этих устройств.
На рисунке 7-24 изображена элементная схема системы автома-
автоматического регулирования. Здесь-регулируемый объект представляет
собой агрегат или машину, у которой одна или несколько физиче-
физических величин подлежат регулированию. Подлежащая регулирова-
регулированию физическая величина — регулируемый параметр — воздей-
Возмущающее
действие
тируемый
ъект
а
1
1
1
С|
1
1
Настройка
у
Измерительный
элемент
Преобразующий
элемент
Регулирующий
элемент
Исполнительный
элемент
Автоматический регулятор
J
Реи, 7-24
218

ствует на измерительный элемент, реагирующий на отклонения
этого параметра. Измерительный элемент воздействует на преобра-
преобразующий элемент. Последний часто выполняет роль усилителя управ-
управляющего действия. Получив преобразованный (усиленный) сигнал,
исполнительный элемент воздействует на регулирующий элемент,
а последний — на регулируемый объект. Таким образом, операции
автоматического регулирования осуществляются по замкнутой
цепи воздействий. Во многих случаях эта цепь может и не содер-
содержать таких элементов, как преобразующий и исполнительный
элементы.
Автоматический регулятор, т. е. совокупность измерительного,
регулирующего и других элементов, как правило, имеет настрой-
настройку, позволяющую задать определенное значение регулируемого
параметра. Тогда на измерительный элемент будут действовать
два воздействия: настройка и регулируемый параметр. Измери-
Измерительный элемент реагирует фактически на отклонения регулируе-
регулируемого параметра от заданного, определяет его знак и воздействует
соответственно на регулирующий элемент. Величина, показываю-
показывающая, насколько регулируемый параметр отклонился от заданного
значения, называется рассогласованием системы. Очевидно, что
рассогласование возникает лишь в случаях отклонения управля-
управляемого параметра от заданного значения.
§ 7.7. ТЕЛЕМЕХАНИКА
С введением автоматизации многих процессов человек оказыва-
оказывается не в состоянии непосредственно контролировать их выполне-
выполнение. Объединение большого числа машин в одном процессе требует
координации их работы. В связи с этим возникла необходимость в
централизации управления целой группой территориально разроз-
разрозненных предприятий, входящих в общую систему. В настоящее
время уровень развития техники настолько высок, что без центра-
централизованного управления невозможна нормальная работа многих
отраслей народного хозяйства (например, железнодорожного тран-
транспорта, энергетического предприятия и т. д.). Применение центра-
централизованного управления позволяет исключить участие человека
как посредника между диспетчером и исполнительным объектом.
Сущность централизованного управления состоит в том, что
один или несколько человек управляет работой целого комплекса
машин и механизмов (системы предприятий) из одного центра, на
котором сосредоточены измерительные и пусковые устройства, а
управляемые машины оснащены датчиками, преобразователями,
усилителями и другими устройствами.
Существуют два вида централизованного управления: дистан-
дистанционное и телемеханическое.
Дистанционное управление применяют на небольших расстоя-
расстояниях между центром управления и управляемым объектом (до
сотен метров), которые легко могут быть соединены электропрово-
8* 219

дами либо гидравлическими и
пневматическими передачами,
при этом каждый управляемый
объект (или даже его узел) со-
соединен отдельным проводом или
передачей.
Телемеханику применяют для
централизованного управления
на большие расстояния (до со-
Рис. 7-25 теп километров), где примене-
применение гидравлических и пневмати-
пневматических передач исключено, а прокладка большого числа длинных
проводов и кабелей не обеспечивает достаточной надежности рабо-
работы системы, усложняет и удорожает ее эксплуатацию и ремонт.
В системах телеуправления (телемеханики) командные сигналы
и сигналы измерения преобразуются в наиболее удобные для пере-
передачи величины (частоту, импульс и т. д.) и передаются по одной
и той же (или по нескольким) линии (каналу) связи.
Телемеханикой называют способ контроля или управления на
расстоянии, позволяющий при помощи специальных устройств
сократить количество каналов связи за счет наиболее рационального
их использования. Телемеханика объединяет телеизмерение, теле-
телеуправление, телесигнализацию, телерегулирование.
Телеизмерение представляет собой передачу показаний измери-
измерительных приборов на большие расстояния. На рисунке 7-25 изобра-
изображена простейшая схема телеизмерений с потенциометрическим дат-
датчиком. При повороте стрелки первичного измерителя ПИ изменя-
изменяется положение движка потенциометра RA. Для уменьшения ошибки
измерения в цепь включают балластное сопротивление R6 с малым
температурным коэффициентом (из манганиновой или константа-
иовой проволоки). Значение тока можно выразить через отношение
напряжения источника Uo и напряжения U, определяемого положе-
положением движка потенциометра — = k, а также через сумму сопро-
"о
тивлений цепи:
/ ки"
Отсюда видно, что при R6 + Rnp > Rx передаваемый ток мало
зависит от сопротивления линии, — следовательно, прибор при-
приемника ПП будет почти в точности воспроизводить показания пер-
первичного измерителя ПИ.
Помимо потеициометрической системы телеизмерений на прак-
практике применяют более совершенные системы: балансные, импульс-
импульсные, частотные и др., причем во многих системах телеизмерения
измеряемая величина предварительно преобразуется в другую
величину, более удобную для передачи и менее подвергающуюся
искажениям в линиях передач. В линиях ближнего действия (до
220

ч-йп
Линия связи
Рис. 7-26
10—20 км) измеряемая величи-
величина преобразуется в соответст-
соответствующие значения тока и напря-
напряжения (системы интенсивности),
а в линиях дальнего действия—
в импульсы постоянного тока
или в переменный ток изменяю-
изменяющейся частоты (импульсные и
частотные системы).
Телеуправление и телесиг-
телесигнализацию применяют для пе-
передачи команд управления ра-
рабочим процессом, сигналов о ходе процесса, о состоянии машин,
о выполнении команд (обратная телесигнализация) и т. д. Для пе-
передачи команд или сигналов, предназначенных для разных машин
и механизмов, но передаваемых по одному и тому же каналу
связи, часто применяют устройства, основанные на распределитель-
распределительном методе избирания (рис. 7-26). На обоих концах линии нахо-
находятся распределители со щетками 1 и 2. Щетки поворачиваются от-
относительно контактов синхронно, при этом нажим кнопки,
например, Ki вызовет переход щетки / на второй контакт и щет-
щетки 2 на контакт, соединяющий ее с реле Рг. Цепь источника посто-
постоянного тока замкнется, и реле Р2 сработает, включив тот или иной
исполнительный или другой промежуточный механизм. Аналогич-
Аналогично образуются замкнутые цепи и при нажатии других кнопок.
В качестве примера рассмотрим простейшую схему телеуправле-
телеуправления, осуществляемого по каналу радиочастоты, т. е. схему радиоте-
радиотелеуправления с так называемым шаговым искателем (рис. 7-27).
С помощью ключа К передающего устройства 1 посылают сигнал.
Приемное устройство 2, принимая этот сигнал, заставляет срабо-
сработать реле Р, в исполнительной цепи которого помимо источника
тока включен электромагнит 3 с якорем 4. При этом якорь притя-
притянется к электромагниту, а укрепленная на противоположном конце
якоря собачка 5 повернет на один зуб храповик 6, Легкая контакт-
Исполнительные
механизмы
Рис. 7-27
221

Рис. 7-28
ная щетка 7, жестко связанная
с осью храповика 6, повернется
а на один контакт вправо (напри-
(например, с нулевого на первый
контакт) и замкнет цепь одного
из исполнительных механизмов.
Если ключом К послать сиг-
сигнал в виде нескольких кратко-
кратковременных импульсов, то кон-
контактная щетка 7 повернется на
столько же контактов и вклю-
включит соответствующий механизм.
Поворачиваясь от контакта к контакту до замыкания нужной цепи,
контактная щетка 7 будет поочередно включать все цепи контак-
контактов, которых она касается. Для устранения этого недостатка
можно применить, например, реле времени, настроенное на такую
выдержку, при которой контактная щетка успевала бы сделать
полный круг. Нужная управляемая цепь будет включена не сразу,
как только щетка коснется соответствующего контакта, а лишь
после того, как сработает реле времени.
Технические устройства телеуправления сложны. Они позволя-
позволяют, например, одновременно передавать по одному и тому же кана-
каналу связи большое количество сигналов, одновременно управляя
несколькими процессами и контролируя их.
Телерегулирование представляет собой телеизмерение с той лишь
разницей, что сигналы первичных измерителей воздействуют не
на измерительные приборы, а на регуляторы. Телерегулирование
может быть ручным, программным или автоматическим.
В случае ручного телерегулирования посылаемые датчиком Д
сигналы изменяются путем воздействия ручного регулятора РР
(рис. 7-28, а), проходя по линии связи, эти сигналы принимаются
приемником /7, который управляет регулятором Р исполнительного
механизма ИМ.
В случае программного телерегулирования закон изменения
управляемого сигнала изменяется с помощью программного устрой-
устройства ПУ (рис. 7-28, б).
Автоматическое телерегулирование отличается от предыдущих
видов телерегулирования наличием обратной связи подобно тому,
как это осуществляется при автоматическом регулировании
(рис. 7-28, в).
Широкое применение в системах телемеханики получили радио-
радиорелейные линии, представляющие собой цепочки приемно-передаю-
щих станций, расположенных на расстоянии 50—100 км друг от
друга. Антенна каждой такой станции излучает электромагнитные
волны узким пучком, направленным к следующей станции, причем
большинство таких станций работает без обслуживающего персо-
персонала — автоматически.
222

Применение ультракоротких радиоволн в системах радиорелей-
радиорелейных линий позволяет в одном высокочастотном стволе (в узком
диапазоне частот) разместить десятки и сотни одновременно рабо-
работающих и не мешающих друг другу каналов связи.
§ 7.8. КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ
Автоматизация называется комплексной, если автоматизирова-
автоматизированы не только основные технологические процессы, но и большин-
большинство (или все) вспомогательных операций Комплексная автоматиза-
автоматизация объединяет несколько или все виды автоматизации: управле-
управление, регулирование, учет и т. д. Особую роль в деле комплексной
автоматизации производства выполняет телемеханика. Одним из
главных признаков комплексной автоматизации является центра-
централизация управления процессами и контроль за их ходом. Одна па
разновидностей комплексной автоматизации — автоматические по-
поточные линии агрегатов. Помимо основных производственных машин
в работе поточной линии участвуют автоматические устройства для
перемещений, установки, закрепления и съема деталей, устройства
для смазки и охлаждения, удаления стружки, контроля качества
изделий,смены инструмента, сигнализации, дистанционного управ-
управления всей линией и каждым ее элементом. При этом сравнительно
небольшая поточная линия заменяет работу целого цеха с большим
числом рабочих.
В настоящее время наблюдается интенсивный переход от авто-
автоматизации отдельных агрегатов и установок к комплексной авто-
автоматизации, к созданию полностью автоматизированных цехов,
технологических процессов и предприятий. В нашей стране ком-
комплексно автоматизированы такие производства и предприятия,
как гидроэлектростанции, тяговые подстанции, сталеплавильные
производства, завод по производству резиновых шин, крекинг-
завод, хлебозаводы и т. д.
Комплексная автоматизация производства является главным
средством для дальнейшего технического прогресса в народном
хозяйстве, для нового подъема производительности труда, сниже-
снижения себестоимости и улучшения качества продукции.

ГЛАВА VIII
ПРОИЗВОДСТВО, ПЕРЕДАЧА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
§ 8.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ
Электрической станцией называют предприятие, предназначен-
предназначенное для выработки электрической энергии путем преобразования
других видов энергии. На электростанциях электрическая энергия
вырабатывается генераторами, приводимыми во вращение какими-
либо первичными двигателями. В зависимости от вида энергии,
преобразуемой в электрическую, электростанции можно разделить
на следующие основные категории: тепловые, гидравлические,
атомные, станции, использующие энергию ветра, станции, исполь-
использующие энергию Солнца, и станции, использующие энергию горя-
горячих подземных источников — геотермальные станции.
Тепловые электростанции в качестве первичных двигателей
могут иметь паровые машины, паровые турбины, двигатели внутрен-
ного сгорания и газовые турбины (рис. 8-1).
Паровые машины нашли широкое применение на маломощных
сельских электростанциях, где в качестве первичных двигателей
используют локомобили и быстроходные паросиловые установки.
На мощных электростанциях паровые машины не применяют из-за
их низкого КПД и больших габаритов.
J
Рис. 8-1
224

Станции, на которых в качестве первичных двигателей исполь-
используют паровые турбины (паротурбинные станции), в свою очередь,
подразделяются на конденсационные и теплофикационные.
На конденсационных паротурбинных станциях отработанный
пар охлаждается и конденсируется в специальных конденсаторах
с проточной водой, а затем поступает в общий водоем. КПД таких
станций только 17—18%, но за последние годы благодаря созданию
высоких давлений и температур пара его удается повысить до 30—
36%.
На теплофикационных станциях или теплоэлектроцентралях
(ТЭЦ) не весь нагретый пар проходит через турбину. Некоторая
доля пара используется для н\жд теплоснабжения (отопление,
обеспечение потребителей горячей водой и т. д.). Таким образом,
от ТЭЦ потребители получают не только электроэнергию, но и теп-
тепло. Коэффициент полезного действия ТЭЦ с учетом теплоты и
электрической энергии, отдаваемой потребителям, достигает 60—
70%. ТЭЦ дает возможность ликвидировать неэкономические мелкие
отопительные и промышленные котельные установки, работающие
на ценном топливе (каменном угле, нефти).
Станции с паровыми и паротурбинными двигателями обычно
строят вблизи природных залежей дешевого твердого топлива
(торф, бурый уголь, антрацитовый штыб, сланцы и др.). Тепло-
Теплоэлектроцентрали строят вблизи городов, так как передача тепла на
расстояние связана с .большими потерями.
Двигатели внутреннего сгорания (дизели, карбюраторные и
калоризаторные) применяют для привода генераторов лишь на пере-
передвижных электростанциях ввиду высокой стоимости топлива.
Нефть и мазут, являющиеся ценным сырьем для химической про-
промышленности, в настоящее время для выработки электроэнергии
не применяют. В некоторых случаях двигатели внутреннего сгора-
сгорания работают на природном газе, доменном и коксовом газе и на га-
газе, получаемом в специальных газогенераторных установках. В
последние годы для привода генераторов стали применять газовые
турбины, имеющие большое будущее, но еще не получившие широ-
широкого распространения.
Коэффициент полезного действия тепловых станций сравни-
сравнительно низок, так как при их работе для получения электроэнергии
необходимо трехкратное превращение энергии: энергия топлива
при сжигании превращается во внутреннюю энергию водяного пара
в котле (в теплоту), затем энергия пара в паровой турбине превра-
превращается в механическую энергию и только потом механическая
энергия турбины превращается в электрическую энергию в генера-
генераторе; каждое превращение энергии сопровождается неизбежными
потерями.
Гидравлические электростанции или гидростанции (ГЭС) в ка-
качестве первичных двигателей используют гидравлические турбины,
приводимые во вращение за счет энергии падающей воды (рис. 8-2).
Гидравлические электростанции в зависимости от особенностей
225

Рис. 8-2
сооружений подразделяются на приплатинные и деривационные.
На приплотинных и русловых гидростанциях плотина и гидрогене-
гидрогенераторы находятся в одном месте. Плотиной перегораживается все
русло реки, и уровень воды поднимается. На мелких реках с малым
уклоном русла плотина создает водохранилище, из которого по
деривационному каналу вода подается в напорный бассейн, а из
него по крутопадающим трубам поступает в гидротурбины. Мощ-
Мощность гидроэлектростанции зависит от высоты напора воды и от
количества воды, проходящего через турбины. Если гидростанция
имеет большое водохранилище, то имеется возможность многолет-
многолетнего или сезонного регулирования производства электроэнергии.
При малых водохранилищах возможно лишь суточное регулирова-
регулирование выработки электроэнергии. Так, в часы малой нагрузки вода
накапливается в водохранилище, а затем расходуется в течение
нескольких часов максимальной нагрузки станции.
Коэффициент полезного действия гидравлических станций дости-
достигает 80—90%. Производство электроэнергии на них гораздо проще
и дешевле, чем на тепловых станциях, так как отпадает необходи-
необходимость в приобретении и подвозе топлива, а также значительно со-
сокращаются расходы на содержание обслуживающего персонала.
Правда, первоначальные затраты на сооружение гидроэлектростан-
гидроэлектростанций значительно выше, нежели затраты на сооружение тепловых
станций такой же мощности.
Атомные электростанции используют энергию, выделяемую при
распаде атома, для получения электрической энергии. Как извест-
известно, при делении ядер урана 2351Г выделяется большое количество
энергии в виде теплоты, которая и преобразуется затем в элект-
электрическую. Таким образом, атомная электростанция — это тепло-
тепловая станция, но от обычной тепловой станции она отличается зна-
значительной сложностью управления работой (см. цветную вклейку I).
На атомной электростанции цепная реакция происходит в атом-
атомном котле (реакторе). Атомным горючим служат стержни из урана
2S5U, покрытые защитным слоем алюминия. Стержни вставляют в
алюминиевые трубки, а затем в специальные гнезда в графитных
226

блоках. Графит является замедлителем быстрых нейтронов. Ско-
Скорость цепной реакции регулируется введеиием в те же блоки стерж-
стержней пористой стали, хорошо поглощающей нейтроны. В результате
цепной реакции в реакторе выделяется теплота, забираемая жид-
жидким теплоносителем (водой, жидким натрием или висмутом), на-
нагнетаемым в промежуток между алюминиевой трубкой и урановым
стержнем. Применение жидкого металла значительно выгоднее,
так как его легче нагреть до высокой температуры, чем воду, а от
температуры нагревателя зависит КПД установки. Теплоноситель
становится радиоактивным, его нельзя направлять в турбину,
поэтому теплоноситель сначала отдает свое тепло для перегрева
пара, а последний — паровому котлу для получения водяного
пара. Водяной пар уже не радиоактивен, он направляется в паро-
паровую турбину, в которой теплота превращается в механическую, а
затем в генераторе в электрическую энергию. Коэффициент полез-
полезного действия такой станции составляет 25—30%.
В процессе цепной реакции количество урана в стержнях умень-
уменьшается, но накапливаются плутоний и продукты деления атомов
урана. Через определенное время эти стержни удаляют из реактора
и на химическом заводе под-
подвергают разделению урана,
плутония и продуктов деле-
деления. Плутоний можно исполь-
использовать снова как атомное
горючее, так как при облу-
облучении его медленными нейт-
нейтронами выделяется большое
количество энергии и нейтро-
нейтроны, а продукты распада ура-
урана можно использовать в
промышленности как «мече-
«меченые атомы».
Во время работы реактора
приходится принимать необ-
необходимые меры для защиты
обслуживающего персонала
от радиоактивных излучений.
Ветроэлектростанции (ВЭС)
в качестве первичных дви-
двигателей используют так
называемое ветровое колесо с
лопастями, приводимое во
вращение энергией ветра
(рис. 8-3). Это вращение че-
через посредство зубчатых шес-
шестерен передается генератору.
КПД таких станций очень
низок из-за невозможности Рис. 8-3
227

Рис.
сколько-нибудь полно использовать энергию ветра. ВЭС находят
распространение в степных районах с устойчивыми продолжитель-
продолжительными ветрами (например, у г. Балаклавы в Крыму мощностью
100 кВт; у с. Ново-Ишим в Казахстане мощностью 400 кВт и мн.
ДР-)-
Гелиоэлектрические станции преобразуют лучистую энергию
Солнца в электрическую. Для этой цели на значительной площади
устанавливают систему зеркал, направляющую солнечные лучи на
зачерненную площадь парового котла (рис. 8-4). Под действием
солнечного тепла вода в котле превращается в пар и подается в
паровую турбину, вращающую генератор. Система зеркал автома-
автоматически поворачивается так, что отраженные лучи в течение всего
дня падают перпендикулярно поверхности котла.
В будущем возможно строительство более экономичных гелио-
станций с использованием полупроводников (солнечных батарей)
для непосредственного превращения лучистой энергии Солнца в
электрическую энергию. Например, в Араратской долине в Армении
будет построена такого типа станция с годовой выработкой электро-
электроэнергии 2,2 млн. кВт-ч.
Геотермальные станции преобразуют энергию горячих подзем-
подземных вод, имеющихся в местах интенсивной вулканической деятель-
деятельности, в электрическую энергию. Одна из таких станций — Паужет-
ская ГеоТЭС — на Камчатке мощностью 5 тыс. кВт.
§ 8.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
В течение суток, а также в течение года потребление элект-
электроэнергии неодинаково. Возможности выработки электроэнергии
некоторыми типами электростанций (например, ГЭС) также изме-
228

няются в течение этих же периодов времени. Однако эти измене-
изменения не совпадают во времени и не всякая электростанция может
быстро изменить режим своей работы. Например, если гидроэлектро-
гидроэлектростанция может быть пущена в работу в течение 5—15 мин, то теп-
тепловой электростанции потребуется для этого 1—2 ч. Еще сложнее
с теплофикационной станцией (ТЭЦ), так как изменение отдаваемой
электрической мощности повлечет за собой соответствующее изме-
изменение и теплоты, что недопустимо. Поэтому всегда стремятся объ-
объединить несколько электростанций, работающих в разных условиях
и использующих разные виды природной энергии, в одну общую
систему — энергетическую систему, внутри которой легко осуще-
осуществляется перераспределение нагрузки.
Так, сначала загружают ТЭЦ, затем— ГЭС, а о таток нагрузки
предназначается для тепловых станций, причем ГЭС загружают
так, чтобы полнее использовалась энергия суточного водного
потока.
Благодаря объединению многих электростанций в единую энер-
энергосистему удается значительно снизить себестоимость электро-
электроэнергии, повысить ее качество (постоянство напряжения и частоты)
и надежность в бесперебойном снабжении потребителя. При этом
генераторы отдельных станций оказываются в наиболее благоприят-
благоприятных условиях.
Например, значительные колебания нагрузки в отдельных
районах не перегружают генераторов станций, находящихся в
этих районах и объединенных в энергосистему, так как необхо-
необходимая энергия потребляется из мощной энергосистемы. Особенно
большой эффект получается от объединения разнотипных элек-
электростанций. В этом случае полезная выработка электроэнергии
может быть повышена на 30—8096.
В мощных энергосистемах снижается максимум нагрузки из-за
неодновременности максимумов на отдельных станциях; значи-
значительно снижается резервная мощность, создается возможность лег-
легкого пуска мощных электродвигателей; значительно сокращаются
расходы на содержание обслуживающего персонала благодаря авто-
автоматизации по управлению работой станций. Таким образом, объ-
объединение электростанций в энергосистему дает исключительно боль-
большие технические и экономические выгоды.
Помимо мощных энергосистем широкое распространение получи-
получили небольшие сельские энергосистемы. Последние нередко объеди-
объединяются с мощными, что повышает полезную выработку в 2—2,5
раза. Так, в период нехватки электроэнергии сельская энергоси-
энергосистема получает ее из мощной системы, а в периоды избытка —
отдает ее в систему.
В Советском Союзе все электростанции строятся так, чтобы
пол} чнлась общая энергосистема, объединяющая подавляющее
большинство электростанций страны.
229

§ 8.3. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
При современном уровне развития электротехники невозможно
ограничиться применением только одного рода тока — постоянного
или переменного, так как тот и другой имеют свойственные только
ему достоинства и недостатки как в производстве, так и в передаче
и использовании. В частности, главные достоинства переменного
тока трехфазной системы состоят в том, что трехфазные генераторы
просты по конструкции и дешевы в производстве, их можно строить
на мощности до 300 МВА, работают они с КПД до 99%. Напря-
Напряжение переменного тока легко преобразуется с помощью весьма
простого и совершенного аппарата — трансформатора. Исключи-
Исключительно прост, дешев и надежен в работе асинхронный трехфазный
двигатель.
К недостаткам переменного тока относится низкая пропускная
способность электролиний и особенно кабельных линий из-за нали-
наличия емкости между проводами и проводами и землей. В последнее
время в связи с необходимостью объединения мощных станций и
систем, расположенных на значительных расстояниях друг от дру-
друга, выяснилось, что синхронная работа станций и систем становится
при этом неустойчивой и даже невозможной. Дело в том, что син-
синхронная работа соединенных между собой систем возможна лишь
при условии, что мощность в линии передачи не превышает значе-
значения определенного предела, называемого пределом устойчивости.
Последний повышается при повышении напряжения, но сильно
понижается при увеличении длины линии. Однако при повышении
напряжения (свыше 200 кВ) быстро растет стоимость оборудования
концевых подстанций (особенно выключающей аппаратуры и транс-
трансформаторов) и стоимость самой линии, в которой для ослабления
коронного разряда (т. е. стекания электричества с проводов высо-
высокого напряжения через воздух) необходимо значительное увеличе-
увеличение диаметра проводов. Устойчивая электропередача переменным
током практически возможна на расстояниях до 450—500 км при
напряжении 400—500 кВ.
Постоянный ток неэкономичен в производстве и использовании.
Генераторы постоянного тока из-за наличия скользящих контактов
в цепи нагрузки сложны по конструкции и эксплуатации. Они
могут быть построены на мощности лишь до 20 МВт при КПД до
94%. Кроме того, не существует простых способов преобразования
постоянного напряжения и нет дешевых и простых по конструкции
и эксплуатации двигателей постоянного тока. Однако постоянный
ток имеет такие качества, которые делают его в некоторых случаях
незаменимым. Сюда относится отсутствие реактивной мощности в
цепях постоянного тока, отсутствие необходимости синхрониза-
синхронизации параллельно работающих генераторов и, следовательно, от-
отсутствие предела устойчивости и дальности передачи, возможность
значительного повышения напряжения (свыше миллиона вольт).
230

Из всего сказанного следует, что нужды сплошной электрифи-
электрификации народного хозяйства страны могут быть удовлетворены одно-
одновременным применением переменного (производство и потребление)
и постоянного (передача) тока.
Сущность современной дальней передачи электрической энергии
постоянным током, впервые предложенной в 1919 г. М. О. Доливо-
Добровольским, состоит в следующем. Электростанция вырабаты-
вырабатывает переменный ток по трехфазной системе, напряжение которого
повышается до нужного значения, затем с помощью мощных управ-
управляемых вентилей выпрямляется в постоянный и передается по
линии высокого напряжения. На приемном конце линии передачи
постоянный ток снова преобразуется в переменный трехфазный с
помощью инверторных установок и затем уже энергия распределя-
распределяется между потребителями переменным током по трехфазной системе.
Применение постоянного тока для передачи электрической
энергии на большие расстояния открывает новые возможности для
электроэнергетики, главными из которых являются следующие:
1) электропередача может иметь любую длину и мощность, так
как отпадает проблема электрической устойчивости;
2) пропускная способность воздушных и кабельных линий зна-
значительно повышается, а их протяженность ничем не ограничива-
ограничивается;
3) повышается надежность электропередачи и появляется воз-
возможность объединения станций и систем даже разной частоты, так
как отпадает необходимость их синхронизации;
4) благодаря отсутствию поверхностного эффекта и способнос-
способности постоянного тока при прохождении через землю охватывать ее
огромные толщи, возможно уменьшение сечения проводов и исполь-
использование земли в качестве обратного провода линии передачи;
5) легко регулируется значение передаваемой мощности и ее
направление с помощью управляемых выпрямителей;
6) развитие системы передачи постоянным током не требует
перестройки оборудования действующих электрических станций и
систем.
Для передачи электроэнергии постоянным током характерны
следующие недостатки:
1) сложные выполнения концевых подстанций; это повышает
их стоимость, увеличивает потери энергии и усложняет их эксплуа-
эксплуатацию;
2) невозможность простого ответвления от линии передачи
в промежуточных пунктах.
Передача электроэнергии постоянным током экономически
оправдывает себя только при передаче больших мощностей на боль-
большие расстояния. Так, мощность в 750 МВт выгоднее передавать
постоянным током, начиная с расстояний в 650 км, а мощность в
1500 МВт — начиная с 500 км.
Вопросу передачи электрической энергии постоянным током в
настоящее время придается исключительно большое значение как в
231

СССР, так и за границей. Однако за рубежом действует пока еще
единственная крупная промышленная линия передачи — в Швеции,
вступившая в действие в 1954 г. Эта линия мощностью 200 МВт
при напряжении 100 кВ связывает материк с о. Гогланд. Она выпол-
выполнена одножильным подводным кабелем, а обратным ее проводом
служит море.
В Советском Союзе в связи с чрезвычайно высокими темпами
развития электроэнергетики и большой протяженностью террито-
территории объединению энергосистем постоянным током придается исклю-
исключительное значение. С целью широких научных исследований в
1950 г. вступила в строй опытно-промышленная линия передачи
постоянного тока Кашира—Москва протяженностью 112 км и
мощностью 30 МВт при напряжении 200 кВ. В результате проведен-
проведенных исследований и эксплуатации передачи постоянного тока Ка-
Кашира — Москва были получены необходимые результаты для про-
проектирования и строительства новых более мощных передач постоян-
постоянного тока, а также подготовлены технические кадры. Это позволило
в дальнейшем построить первую в мире мощную промышленную
электропередачу постоянного тока — Волжская ГЭС им. XXII
съезда КПСС — Донбасс протяженностью 473 км, мощностью 750
МВт при напряжении 800 кВ. Эта линия связала южную энерго-
энергосистему с Волжскими гидроэлектростанциями и завершила объ-
объединение электростанций в Единую энергетическую систему Евро-
Европейской части СССР.
В настоящее время начато строительство линии передачи по-
постоянного тока Экибастуз — Центр протяженностью 2500 км при
напряжении 1,5 MB. В дальнейшем строительство новых линий
передач постоянного тока будет вестись на еще большие мощности
(до 5 ГВт) и напряжения B MB). Возможными из таких линий будут:
Донбасс — Центр, Поволжье — Центр, Воркута — Центр, Ени-
сейско-Ангарский каскад — Урал, Красноярск — Урал и мн. др.
§ 8.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
И ПОДСТАНЦИЙ
Автоматизация электрических станций и подстанций является
чрезвычайно важной. Благодаря автоматизации повышается надеж-
надежность работы агрегатов, сокращается время, необходимое для управ-
управления ими, улучшается качество электроэнергии (постоянство на-
напряжения и частоты), получаются значительные экономические
выгоды: на 15—20% снижается расход топлива и на 3—5% — рас-
расход водотока, на 10—15% уменьшаются потери в трансформаторах
и на 70—80% сокращаются расходы на содержание обслуживающе-
обслуживающего персонала. Гидроэлектростанции, особенно построенные за
последние годы, а также вновь строящиеся обычно полностью авто-
автоматизированы. Их управление осуществляют либо с помощью авто-
автооператоров (станции небольшой мощности), либо диспетчером с
главного пульта управления. В качестве автооператоров исполь-
232

зуют: указатель уровня воды перед плотиной (включение и выключе-
выключение станции в зависимости от уровня воды), часы (включение и вы-
выключение станций и подстанций согласно графику нагрузки),
фотореле (включение и выключение освещения) и т. д.
На гидроэлектростанциях обычно автоматизируются следую-
следующие операции и процессы: пуск и остановка станции, синхрониза-
синхронизация параллельно работающих генераторов, регулирование напря-
напряжения и частоты, предупредительная сигнализация а неисправно-
неисправностях в оборудовании, отключение неисправного оборудования и
его автоматическое повторное включение (например, в сетях при
кратковременных коротких замыканиях и перенапряжениях в
случае атмосферных разрядов).
Полностью автоматизированных тепловых электростанций пока
еще мало. В большинстве случаев на тепловых электростанциях
осуществляется частичная автоматизация, при которой пуск, на-
например, осуществляют вручную, а последующие управление и кон-
контроль за работой осуществляют автоматически. На этих станциях
частично автоматизируется сжигание топлива, подача воды в кот-
котлы и т. д.
Подстанции, как правило, являются полностью автоматизиро-
автоматизированными (включение и выключение трансформаторов в соответствии
с графиком нагрузки, включение и выключение синхронных компен-
компенсаторов, отключение повреждаемых линий и т. д.).
Автоматизация электрических станций и подстанций осуще-
осуществляется с помощью специальной аппаратуры, основными элемен-
элементами которой являются регуляторы скорости вращения первичных
двигателей, реле и датчики различных типов, вспомогательные дви-
двигатели, приборы для автоматического регулирования напряжения,
различные кнопочные и контактные устройства и т. д.

ГЛАВА IX
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
Советский Союз — мощная энергетическая держава. По произ-
производству электроэнергии СССР занимает первое место в Европе и
второе в мире. Производство электроэнергии в нашей стране в
1978 г. составило 1202 млрд. кВт-ч, а в 1980 г. составит 1340—
1380 млрд. кВт-ч.
В настоящее время более 80% электроэнергии в нашей стране
вырабатывают тепловые станции, 17% — гидроэлектростанции и
1% — атомные электростанции. Однако дальнейшее развитие элект-
электроэнергетики уже в ближайшие 20—30 лет существенно изменит
это соотношение за счет резкого увеличения выработки электро-
электроэнергии атомными станциями.
Первые тепловые электростанции имели КПД 3—4% при давле-
давлении пара до 10 ат. Увеличение мощности установок, давления пара
и его температуры существенно влияло на повышение КПД. В
настоящее время работающие тепловые мощные энергоблоки A50,
300, 500 и 800 тыс. кВт) используют давление пара 240—250 ат
при его температуре 550—560°С, КПД таких агрегатов достигает
40% и более. В последние годы пущен гигант тепловой энергети-
энергетики — Криворожская ГРЭС мощностью 3 млн. кВт, планируется
строительство тепловых электростанций по 4,8 млн. кВт с энерго-
энергоблоками по 500—800 МВт. На Костромской ГРЭС б>дут установлены
опытные образцы энергоблоков по 1200 МВт. Дальнейшее повыше-
повышение экономичности тепловых электростанций в ближайшие годы
неосуществимо из-за отсутствия новых жаропрочных материалов
и теплоносителей.
Гидроэлектростанции в нашей стране имеют большое будущее,
так как гидроресурсы используются пока еще далеко не полностью.
Это особенно относится к рекам Сибири. В последние годы по-
построены и строятся шесть гидроэлектростанций на Ангаре общей
мощностью 15 ГВт с годовой выработкой электроэнергии свыше
70 млрд. кВт-ч (наиболее крупные — Братская им. 50-летия Вели-
Великого Октября, Усть-Илимская). Каскад гидроэлектростанций бу-
будет построен на Енисее с общей мощностью 30 ГВт и годовой вы-
выработкой электроэнергии 130 млрд. кВт-ч: Красноярская им. 50-
летия СССР F ГВт), Саяно-Шушенская F,4 ГВт)
234

За последние годы в мировой электроэнергетике наметилась
тенденция уменьшения удельного веса гидроэлектростанций. В бу-
будущем ГЭС будут переведены на обеспечение неравномерных нагру-
нагрузок, передавая основную нагрузку тепловым и особенно атомным
электростанциям (см. цветные вклейки).
Первая в мире атомная электростанция была построена в 1954 г.
в г. Обнинске. Ее мощность составила всего 5 ГВт. В настоящее
время уже введены в действие Нововоронежская им. 50-летия СССР
E60 МВт), Белоярская им. И. В. Курчатова C00 МВт), Шевченков-
Шевченковская A50 МВт) и другие АЭС. Ведется строительство целого ряда
новых атомных электростанций мощностью до 4 ГВт — Армянская,
Кольская, Ленинградская им. В. И. Ленина, Смоленская, Черно-
Чернобыльская и др.
В СССР строятся в основном графито-водяные (с водяным тепло-
теплоносителем и графитовым замедлителем) и водо-водяные (с обычной
водой в качестве замедлителя и теплоносителя). В последние годы
атомная энергетика начала постепенный переход к реакторам на
быстрых нейтронах. Сырьем для таких станций могут быть шлаки
тепловых атомных станций. При этом в реакторах-размножителях
природный 238U, захватывая быстрые нейтроны, выделяет теплоту
и превращается в новое атомное горючее — 239Ри, выделяя у-
квант:
92U + afi-*- 92U + Y.
"gSU-^HNp + Ле,
TsNpV^Pu + _?*.
В реакторах на быстрых нейтронах используется практически
весь плутоний.
В настоящее время в Советском Союзе уже действуют атомные
электростанции с реакторами на быстрых нейтронах: в Дмитров-
граде Ульяновской области работает установка БОР-60, в г. Шев-
Шевченко — установка БН-350 (для производства электроэнергии и
для опреснения воды), а также завершается строительство блока
БН-600 на Белоярской АЭС им. И. В. Курчатова. Подготовлены к
промышленному освоению блоки на 800 МВт и проектируется на
1600 МВт. В ближайшие десятилетия реакторы на быстрых нейтро-
нейтронах станут основой атомной энергетики.
Одновременно с развитием атомной энергетики в настоящее вре-
время физики многих стран активно работают над проблемой управляе-
управляемых термоядерных реакций и возможностью использования их в
мирных целях.
В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова советские
ученые получили важные результаты по управляемому термоядер-
термоядерному синтезу на экспериментальных термоядерных установках ти-
типа «ТОКАМАК» — название от сокращения слов «тороидальная
камера со стабилизирующим магнитным полем» (последняя буква
235

7
/
/ 1
11
1
R
-1 L_
]i
Рис. 9-1
«г» заменена на «к»). Самая
мощная установка этого типа
«ТОКАМАК.-Ю» уже позволяет
получить высокотемпературную
водородную плазму и осущест-
осуществить развитую термоядерную
реакцию в лабораторных усло-
условиях. По образу и подобию
советских токамаков созданы
термоядерные установки во
многих странах мира.
Хотя до практического решения проблемы управляемых термо-
термоядерных реакций еще далеко, тем не менее уже сейчас можно пред-
предполагать, что «ТОКАМАК-Ю» послужит прообразом будущих тер-
термоядерных электростанций.
В 50-е годы в связи с бурным развишем ракетной техники и
созданием новых жаропрочных материалов, а также после разра-
разработки теории магнитной гидродинамики и физики плазмы стало воз-
возможным вернуться к идее прямого преобразования теплоты в элект-
электрическую энергию, к магнптогидродинамнческому генератору.
Принцип работы простейшего МГД-генератора пояснен на рисун-
рисунке 9-1. В камеру сгорания 2 вдувают топливо 5, воздух 4 и присадку 3
(например, пары щелочных металлов для повышения электропро-
электропроводности газа). Образующаяся при этом плазма через сопло 6 по-
поступает в пространство между электродами 7, которые соединены
последовательно с нагрузкой R. Система электродов помещена
в электромагнит, создающий сильное магнитное поле. При движе-
движении плазмы электроны и ионы между соударениями смещаются в
направлении к электродам (эффект Холла) и в цепи нагрузки воз-
возникает электрический ток.
Основное достоинство МГД-генератора состоит в отсутствии в
нем движущихся узлов и деталей, что позволяет существенно по-
повысить начальную температуру рабочего тела (плазмы) и его КПД.
Если после МГД-генератора поставить еще обычный турбогенера-
турбогенератор, то КПД такой установки может быть доведен до 50—60%.
Использование МГД-генераторов позволит строить энергобло-
энергоблоки мощностью 500—1000 МВт в сочетании с тепловыми блоками та-
такой же мощности.
Из других способов производства электроэнергии следует отме-
отметить намечающееся в будущем более интенсивное и эффективное ис-
использование энергии солнечного излучения (на основе полупровод-
полупроводниковой техники), энергии ветра и морских приливов.

ГЛАВА X
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
§ 10.1. ОПАСНОСТЬ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
ДЛЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
Тело человека является хорошим проводником электрического
тока, однако проходящий через человека ток вызывает целый ряд
специфических процессов, свойственных только живой ткани, па-
пагубно влияющих на здоровье.
В зависимости от многих причин и условий воздействие элект-
электрического тока может быть от легкого, едва ощутимого судорож-
судорожного сокращения мышц, пальцев рук, до прекращения работы серд-
сердца или легких, т. е. смертельного поражения. Опасность воздейст-
воздействия электрического тока зависит от значения тока, проходящего
через организм, длительности его воздействия, пути прохождения,
рода и частоты тока, а также от индивидуальных свойств и состоя-
состояния человеческого организма. На исход воздействия тока на чело-
человека влияют сопротивление тела человека и значение приложенного
к нему напряжения. Различают три предельных значения тока (при
его протекании по пути рука — рука): ощутимый, неотпускающий
и фибрилляционный.
Ощутимый ток @,6—1,5 мА) вызывает слабый «зуд» и легкое
покалывание. Не являясь опасным для жизни, ощутимый ток тем
не менее при длительном действии отрицательно сказывается на
здоровье человека, вызывает неуверенность и ошибки в действиях.
Ток в 3—5 мА вызывает раздражение уже всей кисти руки.
При токе 8—10 мА боль резко усиливается и охватывает всю
руку, непроизвольно сокращаются мышцы кисти руки и предплечья.
Неотпускающий ток A0—15 мА) вызывает непереносимую боль,
при этом судороги так усиливаются, что пострадавший не может
разжать руку, в которой находится токоведущая часть.
Ток 25—50 мА действует не только на мышцы рук, но и туло-
туловища, включая мышцы грудной клетки, при этом происходит суже-
сужение кровеносных сосудов, повышение артериального давления,
работа затрудняется, пострадавший теряет сознание. Длительное
действие такого тока может привести к прекращению дыхания и
даже к смерти.
Фибрилляционный ток A00 мА и более), протекая по тому же
пути, проникает глубоко в грудь, раздражая мышцы сердца. Такой
ток весьма опасен: через 1—2 с после начала его действия начина-
237

ются частые сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл), пре-
прекращается движение крови в сосудах, наступает смерть.
Ток более 5 А (как переменный, так и постоянный) приводит к
немедленной остановке сердца, минуя состояние фибриллизации.
До сих пор речь шла о переменном токе промышленной частоты
E0 Гц). При повышении частоты (начиная с 1000—2000 Гц) опас-
опасность электрического тока заметно снижается и при частотах
450—500 кГц полностью исчезает (кроме ожогов). Это объясняется
поверхностным эффектом: ток высокой частоты проходит по не-
нечувствительной поверхности кожи.
Постоянный ток приблизительно в 4—5 раз безопаснее перемен-
переменного при напряжениях до 250—300 В. При более высоких напряже-
напряжениях постоянный ток оказывается опаснее переменного.
§ 10.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
Тело человека, являясь проводником электрического тока, об-
обладает вместе с тем электрическим сопротивлением, однако значе-
значение этого сопротивления различно у разных людей. Так, при сухой
чистой и неповрежденной коже сопротивление тела человека ко-
колеблется от 3000 до 100 000 Ом и более, причем основную часть
сопротивления создает кожа человека, тогда как ткани тела обла-
обладают весьма малым сопротивлением C00—500 Ом). На сопротив-
сопротивление кожи сильное влияние оказывает ее состояние: наличие цара-
царапин, трещин, ссадин. Увлажнение кожи водой или потом, загрязне-
загрязнение кожи (особенно металлической или угольной пылью) сильно
снижают сопротивление. На сопротивление кожи сильно влияют
площадь контактов и особенно место их прикосновения. Весьма
малым сопротивлением обладают участки кожи лица, шеи, рук вы-
выше локтя, тыльной стороны кистей рук, подмышечные впадины че-
человека. Сопротивление кожи ладоней и подошв из-за ее загрубело-
загрубелости и мозолистости значительно выше. Сопротивление кожи падает
и при длительном прохождении через нее тока, так как ток вызывает
нагревание кожи, а это в свою очередь приводит к расширению со-
сосудов, усилению кровообращения и потоотделению. Сопротивление
кожи также уменьшается и при повышении напряжения. Напри-
Например, при напряжениях 50—200 В наступает электрический пробой
нечувствительного поверхностного слоя кожи — рогового слоя.
§ 10.3. ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ПОРАЖЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Поражение электрическим током происходит при замыкании
электрической цепи через тело человека. Наиболее часты случаи
поражений током в тех случаях, когда человек касается двух или
одного проводов, имея при этом контакт с землей. В первом случае
прикосновение называют двухфазным, во втором — однофазным.
238

Рис. 10-1
Рис. 10-2
При двухфазном прикосновении (рис. 10-1)
под линейное напряжение, поэтому через него i
ток
человек попадает
протекает большой
380В
1000 Ом
= 0.38А = 380мА,
где Ua — линейное напряжение и R4 — среднее (при хороших
контактах) сопротивление тела человека. Ток в этом случае являет-
является смертельно опасным, хотя человек может быть хорошо изолиро-
изолирован от земли.
В случае однофазного прикосновения в сети с заземленным ну-
нулевым проводом (рис. 10-2) образуется последовательная цепь из
сопротивлений тела человека, обуви, пола и заземления нейтрали
(нулевого провода) Ro источника тока. К этой цепи приложено
фазное (а не линейное, как в предыдущем случае) напряжение. Од-
Однако, если человек в сырой или подбитой гвоздями обуви стоит на
сырой земле или на проводящем полу, то эти сопротивления, как и
сопротивление Ro A0 Ом), пренебрежимо малы по сравнению с со-
сопротивлением тела человека. В этой цепи пройдет ток:
, Ул, 220В
1000 Ом
= 0,22А = 220 мА.
Такой ток смертельно опасен.
Однако если человек обут в специальную резиновую обувь и
находится на сухом деревянном полу, то, полагая сопротивление
обуви 45 000 Ом и пола 100 000 Ом, в рассматриваемой цепи полу-
получим значение тока:
/ ==
220В
1000 Ом + 45 000 Ом + ЮО 000 Ом
= 0,0015 А = 1,5 мА,
239

Рис. 10-3
Рис. 10-4
т. е. неопасное для человека. Последний случай показывает, на-
насколько важно в целях безопасности применение непроводящей
обуви и особенно изолирующего пола.
В случае однофазного прикосновения к сети с изолированной
нейтралью цепь замыкается через тело человека и через несовер-
несовершенную изоляцию проводов сети (рис. 10-3). В исправном состоя-
состоянии изоляция имеет очень большое сопротивление, поэтому такое
прикосновение не должно быть опасным. Это справедливо лишь для
нормальных (безаварийных) сетей. В сетях с напряжением 1000 В
и более емкость между фазами и землей может создать большой ем-
емкостный ток, опасный для человека.
§ 10.4. ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ И ЗАЗЕМЛЕНИЕ
НА НЕЙТРАЛЬ (ЗАНУЛЕНИЕ|
Защитное заземление — это преднамеренное соединение с зем-
землей корпусов электрических машин и приборов, которые могут ока-
оказаться под напряжением. Защитное заземление устраивается для
снижения напряжения между землей и корпусом машины, попав-
попавшим под напряжение, до безопасного значения. Принцип действия
защитного заземления пояснен на рисунке 10-4. Здесь в случае про-
пробоя изоляции между фазой и корпусом прибора прикоснувшийся
к прибору человек оказывается «зашунтированным» ничтожно ма-
малым сопротивлением защитного заземления и ток, проходящий
через человека, не представляет опасности.
Защитное заземление состоит из заземлителя и заземляющих
проводников. В качестве заземлителя используют стальные трубы
диаметром 3—5 см или уголковую сталь размером от 40x40 до
240

60x60 мм длиной 2,5—3,0 м. Заземлитель забивают в землю, а
верхние концы сваривают стальной полоской сечением не менее
4 х 12 мм или стальным прутком диаметром 6,0 мм и более. В каче-
качестве заземлителей часто используют проложенные в земле водопро-
водопроводные трубы, металлические конструкции, свинцовые оболочки
кабелей и др. Зазек ";яющие проводники (проводники, соединяющие
заземлитель с заземляющими приборами) обычно представляют со-
собой стальные шины, которые либо приваривают к корпусам машин,
либо соединяют болтами.
Защитному заземлению подлежат металлические корпуса элект-
электрических машин, трансформаторов, ручных электрифицированных
инструментов, каркасы щитов, пультов и шкафов, стальные трубы
электропроводок и т. д.
Зануленне отличается от защитного заземления тем, что корпу-
корпуса машин и аппаратов соединяют не с землей, а с заземленным нуле-
нулевым проводом (рис. 10-5). Это приводит к тому, что замыкание лю-
любой из фаз на корпус аппарата превращается в короткое замыка-
замыкание этой фазы с нулевым проводом. В результате большой ток
короткого замыкания вызывает срабатывание защиты и поврежден-
поврежденная установка отключается. Схема зануления включает в себя обыч-
обычно заземление нейтрали источника тока Ro, нулевого защитного
проводника О3 и повторное заземление Ra нулевого защитного
проводника О3 (рис. 10-6).
Различают нулевой рабочий проводник и нулевой защитный про-
проводник. Первый служит для питания электроустановок (нейтраль),
имеет равноценную с другими проводами сети изоляцию и доста-
достаточное сечение для длительного рабочего тока. Второй — нулевой
защитный проводник — служит для создания кратковременного
тока короткого замыкания для срабатывания защиты и быстрого
отключения поврежденной установки от питающей сети. Его про-
проводимость должна быть не меньше половины проводимости фазного
провода. В качестве нулевого защитного провода могут использо-
использоваться стальные трубы трубопроводов, электропроводок и т. д., а
также нулевые рабочие провода, которые не должны иметь предо-
предохранителей и выключателей.
Рис 10-5
Рис. 10-6
241

Рис. 10-7
§ 10.5. ЗАЩИТНЫЕ СРЕДСТВА И КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ
ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
Для защиты персонала от поражения электрическим током, воз-
воздействия электрической дуги и т. д. применяют защитные средства:
диэлектрические перчатки, слесарно-монтажный инструмент с изо-
изолирующими ручками, диэлектрические боты и ковры, защитные оч-
очки и др. (рис. 10-7). В качестве предупредительных средств приме-
применяют плакаты: «ОСТОРОЖНО! ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ»,
«НЕ ВКЛЮЧАТЬ! РАБОТАЮТ ЛЮДИ».
Действенной мерой предупреждения несчастных случаев от по-
поражения электрическим током является постоянный контроль за
состоянием изоляции электрических установок. Состояние изоля-
изоляции проверяют в новых установках, в установках после ремонта и
модернизации и после длительного перерыва в работе. Не реже 1
раза в 3 года проводят профилактический контроль изоляции. Со-
Сопротивление изоляции проводов измеряют омметрами или мегом-
мегомметрами на номинальное напряжение 1000 В на участках между
смежными (или за последними) предохранителями (при снятых
плавких вставках и при выключенных токоприемниках) между
каждым проводом и землей и между каждыми двумя проводами. Со-
Сопротивление изоляции силовых и осветительных электропроводок
должно быть не ниже 0,5 МОм.
§ 10.6. ОКАЗАНИЕ ПЕРВОЙ ПОМОЩИ ПОРАЖЕННОМУ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Современная медицина располагает многими средствами оказа-
оказания действенной помощи пораженному электрическим током, но
исход поражения зависит от того, насколько быстро и умело оказа-
оказана доврачебная помощь пострадавшему. Прежде всего следует
освободить пострадавшего от действия тока, так как зачастую даже
242

находящийся в сознании пострадавший из-за непроизвольного
сокращения мышц не может, например, разжать руку с зажатым
проводом и т. д Необходимо отключить установку находящимся
поблизости рубильником, снятием или вывертыванием предохрани-
предохранителей. Если такой возможности нет, то необходимо перерубить каж-
каждый в отдельности провод или накоротко замкнуть и заземлить
провод электроустановки.
В тех случаях, когда пострадавшего невозможно освободить от
действия тока отключением электроустановки, пострадавшего от-
отделяют от токоведущих частей. Оказывающий помощь должен при
этом соблюдать надлежащие меры предосторожности, чтобы не ока-
оказаться самому под напряжением Если одежда пострадавшего су-
сухая, то отделить его от токоведущих частей можно за одежду, дей-
действуя при этом одной рукой, держа вторую руку за спиной или в
кармане (в противном случае руки могут прикоснуться одновремен-
одновременно двух точек с разными потенциалами). Если одежда пострадав-
пострадавшего влажная, то на него следует накинуть резиновый коврик или
сухую ткань, а затем освободить от действия тока. В таких случаях
оказывающему помощь полезно использовать резиновую обувь, ди-
диэлектрические перчатки, изолирующие подставки или сухие доски.
Меры первой доврачебной помощи пострадавшему зависят от
его состояния. Если пострадавший находится в сознании, но был в
обмороке или длительное время находился под действием тока, то
его необходимо удобно уложить на сухую подстилку, расстегнуть
одежду, ослабить пояс, накрыть сверху теплой одеждой и срочно
вызвать врача.
Если пострадавший после действия тока находится в бессозна-
бессознательном состоянии, но его дыхание и пульс устойчивы, то в ожида-
ожидании врача его следует удобно уложить, расстегнуть одежду и со-
согревать тело, обеспечив приток свежего воздуха, попытаться при-
привести его в сознание (брызгать на лицо холодную воду, давать
нюхать нашатырный спирт).
Если пострадавший не проявляет признаков жизни (отсутству-
(отсутствуют дыхание и сердцебиение, зрачки расширены и не реагируют на
свет), в ожидании врача надо немедленно приступить к искусствен-
искусственному дыханию и массажу сердца. Пострадавшего в этом случае надо
положить на горизонтальную поверхность, освободить одежду,
запрокинуть голову, платком или марлей освободить полость рта
от возможных слизи и крови, а затем через марлю или носовой пла-
платок провести искусственное дыхание способом «изо рта в рот». Ока-
Оказывающий помощь при этом с силой вдыхает воздух в рот постра-
пострадавшего, а затем дает ему возможность пассивного выхода При
каждом вдувании грудная клетка пострадавшего расширяется.
Одновременно с искусственным дыханием целесообразно прово-
проводить массаж сердца. Для этого оказывающий помощь накладывает
обе руки на область, расположенную на два пальца выше мягкого
конца грудины, и быстрым толчком руками нажимает на грудину
так, чтобы ее конец сместился вниз на 3—4 см, повторяя толчки
243

Рис. 10-8
через 1 с и чередуя искусственное дыхание с надавливанием на
грудную клетку (после двух глубоких вдуваний в рот — 15 надавли-
надавливаний на грудную клетку с частотой 1 раз в секунду).
Если оказывающих помощь двое, то искусственное дыхание и
массаж сердца чередуют через 5—10 мин: после одного глубокого
вдувания — пять надавливаний на грудину (рис 10-8).
Искусственное дыхание и массаж сердца пострадавшему надо
проводить до возвращения к нему сознания, признаками которого
являются восстановление регулярного пульса, сужение зрачков с
реакцией на свет и попытка пошевелить конечностями. Этот процесс
иногда весьма длителен, однако не надо терять надежду вернуть
пострадавшему жизнь.
§ 10.7. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
В УЧЕБНЫХ ЛАБОРАТОРИЯХ
Студент до начала работы обязан изучить правила техники без-
безопасности и безопасные методы работы с электроустановками.
Об изучении правил техники безопасности и получении инструкта-
инструктажа по безопасным методам работы студент расписывается в специ-
специальном журнале. Студент, не изучивший правил техники безопас-
безопасности и не прошедший инструктажа, к выполнению лабораторных
работ не допускается.
Студент (группа студентов) выполняет только ту работу, которая
назначена преподавателем, а при выполнении работы пользуется
только теми приборами, которые находятся на его рабочем столе и
указаны в описании работы.
Перед началом работы студент должен тщательно изучить опи-
описание лабораторной работы, методику ее выполнения, усвоить
схему электрических соединений, расположение приборов, обратив
особое внимание на расположение выключателей со стороны питаю-
244

щей сети. Следует, также убедиться в исправности соединительных
проводов. При сборке схемы все соединения следует выполнять под
винты или зажимы приборов и оборудования. Сборку цепи и исправ-
исправления в ней производят при отключенных выключателях со стороны
питающей сети.
Включение студентами главного рубильника питающей сети
запрещено!
Включение источников питация разрешается только после про-
проверки правильности собранной цепи преподавателем или лаборан-
лаборантом, первое опробование собранной цепи производят в присутствии
преподавателя или лаборанта.
В аварийных случаях (короткое замыкание, попадание работаю-
работающих под напряжение и др.) отключение установки производит лю-
любой участник работы, о чем немедленно докладывают преподава-
преподавателю или лаборанту.
Проверка отсутствия напряжения производится только контроль-
контрольными лампами. Судить об отсутствии напряжения по показаниям
приборов воспрещается, так как приборы могут быть неисправ-
неисправными. Воспрещается оставлять без надзора (даже кратковременно-
кратковременного) установки под напряжением; по прекращении работы выключа-
выключатели должны быть отключены от сети.
При радиотехнических работах перед монтажом, исправлением
или разборкой цепи необходимо разрядить конденсаторы; прикос-
прикосновение к конденсаторам, имеющим остаточный заряд, опасно.
Во время работы на рабочем месте необходимо поддерживать
порядок. Класть на столы одежду, сумки, портфели, головные убо-
уборы не разрешается.
После окончания работы необходимо отключить установку от
питающей сети, разобрать цепь, привести в порядок приборы, ра-
рабочее место, сдать лаборанту проводники и шнуры.
ЛИТЕРАТУРА
Электротехника. Под ред. проф. В. С. Пашюшина. М., Высшая школа,
1976.
Борисов Ю. М., Липатов Д. II. Общая электротехника. М,, Выс-
Высшая школа, 1974.
Касаткин А. С. Электротехника. М., Энергия, 1973.
Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М,, Высшая
школа, 1973.
Электрические измерения. Под ред. А. В. Фремке. М., Энергия, 1973.
ВольдекА. И. Электрические машины. М., Энергия, 1974.
Каганов И. Л. Промышленная электроника. М., Высшая школа, 1968.
Р а й д с р Дж. Техническая электроника. Л., Судпром1из, 1961.
Попов В. С., Николаеве. А. Общая электротехника с основами
электроники. М., Энергия, 1977.
Гинзбург С. А., ЛехтманИ. Я., МаловВ. С. Основы авто-
автоматики и телемеханики. М., Энергия, 1968.
Калашникове. Г. Электричество. М., Наука, 1977.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
ГЛАВА I
ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1 Однофалше цепи
§ 1 1 Общие сведения . 7
§ 1 2 Поинцип получения переменной синусоидальной ЭДС ... 8
§ 1 3 Действующие значения тока и напряжения 10
§ 1 4 Среднее значение переменного тока . 12
§ I 5 Метод векторных диаграмм 12
§ 1 6 Сопротивления в цепях переменного тока . 13
§ 1. 7 Цепь переменного тока с активным сопротивпением 13
§ 1 8 Цепь переменного тока с индуктивностью 15
§ 1 9 Цепь переменного тока с активно индуктивной нагрузкой . 17
§ I 10 Цепь переменного тока с емкостью . 20
§ I 11 Цепь переменного тока с активно емкостной нагрузкой . . 21
() 1 12 Последовательное соединение R,LnC Коэффициент мощности 24
§ 1 13 Резонанс напряжений 27
§ 1 14 Резонанс токов . . . 29
§ 1 15 Способы повышения коэффициента мощности 31
§ 1 16 Проводимость и расчет эчектрических цепей 32
§ 1 17 Символический метод .... . 35
2 Трехфазные цепи
§ 1 18 Общие сведения . . .... 38
§ 1 19 Принцип построения трехфазной системы .... 39
§ 1 20 Соединение звездой . . 42
§ 1 21 Соединение треугольником . . . ... 44
§ 1 22 Мощность трехфазнои системы . . 46
ГЛАВА II
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ
§ 2 1 Общие сведения . 48
§ 2 2 Классификация электроизмерительных приборов 48
§ 2 3 Погрешности электрических измерении 49
§ 2 4 Основные детали электроизмерительных приборов . ... 50
§ 2 5 Магнитоэлектрические приборы 55
§ 2 6 Электромагнитные приборы . . 58
§ 2 7. Электродинамические приборы .... . .... 61
§ 2 8 Ферродинамические приборы 64
§ 2 9 Электродинамические ваттметры 65
§ 2 10 Однофазный фазометр . 68
§ 2 11 Однофазный индукционный счетчик электрической энергии . 71
§ 2 12 Омметры ... 78
§ 2 13 Логометры . .... S0
§ 2 14 Термоэлектрические приборы 81
§ 2 15 Детекторные приборы . . .82
§ 2 16 Школьные демонстрационные энектроизмеритечьные приборы 83
§ 2 17 Понятие о цифровых измерительных приборах 85
§ 2 IS Измерение мощности трехфазной системы .... 88
§ 2 19 Измерение энергии трехфазной системы 92
§ 2 20 Способы определения коэффициента мощности . . . .93
§ 2 21 Понятие об измерениях неэлектрических величин электрическими
методами .... . 95

ГЛАВА HI
ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 3. 1. Общие сведения 96
§ 3. 2. Устройство и принцип работы трансформатора 96
§ 3. 3. Холостой режим работы трансформатора 98
§ 3. 4. Рабочий режим трансформатора 101
§ 3. 5. Коэффициент полезного действия трансформатора 104
§ 3. 6. Трехфазные трансформаторы 106
§ 3. 7. Конструкции трансформаторов 107
§ 3. 8. Автотрансформатор 109
§ 3. 9. Измерительные трансформаторы 110
ГЛАВА IV
НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ. ВЫПРЯМИТЕЛИ
§4. 1. Характеристики нелинейных электрических цепей и элемеьтов . 115
§ 4. 2. Полупроводниковые диоды , 116
§ 4. 3. Тиристоры 119
§ 4. 4. Основные схемы выпрямления переменного тока 122
§ 4. 5. Применение тиристоров для выпрямления и регулирования тока 130
§ 4. 6. Сглаживающие фильтры 131
§ 4. 7. Понятие об инверторах 137
§ 4. 8. Феррорезонанс в нелинейных электрических цепях .... 138
§ 4. 9. Феррорезонансный стабилизатор напряжения 140
§ 4.10. Школьные выпрямители 142
ГЛАВА V
МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 5. 1. Классификация машин переменного тока 144
§5. 2.* Принцип работы и устройство асинхронного двигателя . . . 145
§ 5. 3. Создание вращающегося магнитного поля трехфазной системой 146
§ 5. 4. Скорость вращения магнитного поля. Типы обмоток статора 149
§ 5. 5. Скольжение асинхронных двигателей 151
§ 5. 6. Магнитный поток, ЭДС и токи асинхронного двигателя . . 153
§ 5. 7. Векторная диаграмма асинхронного двигателя 155
§ 5. 8. Асинхронный двигатель с контактными кольцами 157
§ 5. 9. Рабочие характеристики асинхронного двигателя 158
§ 5.10. Пуск в ход асинхронных двигателей^. 158
§ 5.11. Реверсирование и регулирование скорости асинхронных
двигателей 160
§ 5.12. Однофазные асинхронные двигатели 161
§ 5.13. Применение трехфазных асинхронных двигателей 166
§ 5. Неустройство и принцип работы синхронного генератора . . . 166
§ 5.15. ЭДС синхронного генератора 168
§ 5.16. Реакция якоря 169
§ 5.17. Основные характеристики синхронного генератора .... 171
§ 5.18. Упрощенная векторная диаграмш синхронного генератора . 173
§ 5.19. Работа синхронного генератора параллельно с сетью . . . 174
§ 5.20. Обратимость синхронных машин. Принцип работы синхрон-
синхронного двигателя 176
§ 5.21. Пуск и остановка синхронного двигателя 177
§ 5.22. Влияние тока возбуждения на работу синхронного двигателя.
Синхронный компенсатор 179
§ 5.23. Реактивные синхронные двигатели 180
§ 5.24. Применение синхронных двигателей 181
247

ГЛАВА VI
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 6.1. Общие сведения 183
§ 6.2. Принцип работы и устройство генератора постоянного тока.
Типы обмоток якоря 183
§ 6.3. ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока 187
§ 6.4. Реакция якоря 189
§ 6.5. Коммутация 191
§ 6.6. Способы возбуждения генераторов постоянного тока .... 193
§ 6.7. Обратимость машин постоянного тока. Двигатели 194
§ 6.8. Двигатель параллельного и независимого возбуждения . . 197
§ 6.9. Двигатель последовательного возбуждения 198
§ 6.10. Двигатель смешанного возбуждения 200
§ 6.11. Коллекторные двигатели переменного тока 201
ГЛАВА VII
ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИКИ
§ 7.1. Общие сведения 203
§ 7.2. Реле 203
§ 7.3. Датчики 211
§ 7.4. Автоматический контроль 214
§ 7.5. Автоматическое управление 215
§ 7.6. Автоматическое регулирование 218
§ 7.7. Телемеханика 219
§ 7.8. Комплексная автоматизация 223
ГЛАВА VIII
ПРОИЗВОДСТВО, ПЕРЕДАЧА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В НАРОДНОЙ ХОЗЯЙСТВЕ
§ 8.1. Электрические станции 224
§ 8.2. Энергетические системы 228
§ 8.3. Передача электрической энергия постоянным током .... 230
§ 8.4. Автоматизация электрических станций и подсынций . . . 232
ГЛАВА IX
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
ГЛАВА X
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
§ 10.1. Опасность поражения электрическим током для организма
человека 237
§ 10.2. Электрическое сопротивление тела человека 238
§ 10.3. Основные причины поражения электрическим током .... 238
§ 10.4. Защитное заземление и заземление на нейтраль (зацуленир) . 240
§ 10.5. Защитные средства и контроль состояния изоляции электро-
электроустановок 242
§ 10.6. Оказание первой помощи пораженному электрическим током . 242
§ 10.7. Основные .правила техники безопасности в учебных лаборато-
лабораториях 244
Литература 245