В. А. ВАРТАБЕДЯН В. О. ШЕРЕМЕТЬЄВ

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА

Дозволено Міністерством освіти У PCP як навчальний посібник для студентів фізико- математичних факультетів педагогічних інститутів

шнопа

ВИДАВНИЦТВО «РАДЯНСЬКА ШКОЛА»

КИЇВ — 1967

0П2.1

BlS

Відповідно до програми посібник вміщує відомості з загального курсу електротехніки: про електричні кола та багатофазні системи змінного струму, про електровимі­рювальні прилади і техніку вимірювань, трансформатори, електричні машини та випрямлячі струму.

Посібник розрахований на студентів фізико-матема- тичних факультетів педагогічних інститутів та вчителів середньої школи.

Розділи III і Xl написав В. О. Шереметьев, реш­ту — В. А. Вартабедян.

Чернігівського

Владимир Арташесович Вартабедян, Владимир Александ- рович Шереметьев. Электротехника (на украинском языке). Издательство «Радянська школа» Комитета по печати при Сове­те Министров Украинской CCP

Редактори /. В. Байраченко, 6. В. Бондарчук, И. /. Литви­ненко. Художній редактор В. Ф. Монжеран. Обкладинка худож­ника Л. Б. Сергій. Технічний редактор H₄ К. Волкова. Коректори Т. Ф. Фараон, Н. В. Белякова. Здано до набору 28/1 1967 р. Підписано до друку 26/VI 1967 р. Папір 60 х 90 ¹Ut- Папір друк. JVs i_t умови, арк. 20, вндавн. арк, 19,12. Тираж 11000. БФ 06071.

Видавництво «Радянська школа» Комітету по пресі при Раді Міністрів Української РСР. Київ, вул. Юрія Коцюбинського, 5. Видавн. JVe 18151« Ціна 74 коп.

Зам. № 7-86. Книжкова ф-ка ім. Фрунзе Комітету по пресі при Раді Міністрів УРСР, Харків, Донець-Захаржевська, 6/8.

ХАРКІВСЬКА КНИЖКОВА ФАБРИКА ім. ФРУНЗЕ

3—3— 8

Електротехніка — наука, яка займається пробле­мами використання електричних і магнітних явищ у практичній діяльності людини.

Початок розвитку електротехніки припадає на другу половину XVIII і першу половину XIX ст., коли було відкрито основні закономірності в галузі електромагнітних і електричних явищ.

Тільки 150 років тому почалися перші спроби прак­тичного застосування електрики, а вже в наш час важко назвати якусь галузь техніки, де б не вико­ристовувалась електрична енергія. Без перебільшення можна сказати, що сучасний технічний прогрес за­лежить переважно від розвитку електротехніки. Біль­ше того, навіть неможливо собі уявити життя сучас­ного суспільства без широкого застосування елек­трики.

Застосування електричної енергії значно поліп­шило умови праці і підвищило її продуктивність. На використанні електричної енергії базуються всі най­новіші досягнення науки і техніки в галузях: елек­тротехніки, радіотехніки, кібернетики, виробництва атомної енергії, автоматизації і керування виробни­чими процесами та ін. Без електричної енергії немож­ливо було б здійснити споконвічну мрію людства — запуск штучних супутників Землі — і оволодіти кос­мосом.

Головна перевага електрики перед іншими видами енергії полягає в тому, що вона універсальна і має цінні властивості: електричну енергію легко і зручно перетворювати в інші види енергії (механічну, теп­лову, світлову, хімічну, звукову); легко і зручно у ве­ликих кількостях при малих втратах передавати на далекі відстані; вона дає змогу здійснити комплексну механізацію й автоматизацію виробництва; її зручно розподіляти між споживачами, різними за потужністю

і характером споживання; вона забезпечує найкращі санітарно- гігієнічні умови праці на промислових підприємствах.

Геніальна ленінська формула: «Комунізм — це є Радянська влада плюс електрифікація всієї країни» — стала керівним прин­ципом Комуністичної партії в галузі соціалістичного будівництва. Вона підкреслює поєднання передового суспільного ладу — Радян­ської влади і передової економіки, яка створюється набазі електри­фікації. Ця формула занесена у величний документ нашого часу— Програму Комуністичної партії Радянського Союзу, прийняту XXII з’їздом КПРС.

Програма партії передбачає збільшити за найближче десяти­річчя енергоозброєність країни майже в три рази, здійснити масову електрифікацію транспорту,сільського господарства,побуту міського і сільського населення, а в другому десятиріччі — в основному завершити електрифікацію всієї країни. Виробництво електричної енергії в CPCP на кінець першого десятиріччя буде доведено до 900—1000 млрд. квт-год і на кінець другого десятиріччя — до 2700—3000 млрд. квт-год·, це в півтора раза перевищить сучасний рівень виробництва електроенергії на всій земній кулі. По Укра­їнській PCP виробництво електроенергії визначено на 1970 р. у 200—205 млрд. квт-год і на 1980 p.— 550 млрд. квт-год, що в дев’ять раз перевищить рівень 1961 р.

Щоб здійснити намічене завдання з найменшими затратами мате­ріально-технічних ресурсів, передбачено переважне будівництво теплових електростанцій потужністю 1,2—2,4 млн. кет з агрегатами по 150—200—300 тис. кет і більше на підвищених і надкритичних параметрах пари.

За останні роки в нашій країні створено найбільші в світі енер­госистеми, збудовано лінії електропередач напругою 500 кіловоль­тів, значно зросла енергоозброєність робітника.

Нині електрифікація відіграє провідну роль у розвитку всіх галузей народного господарства, у здійсненні всього сучасного тех­нічного прогресу.

Розділ I

ЕЛЕКТРИЧНІ КОЛА ЗМІННОГО СТРУМУ

1. — 1. ВИРОБЛЕННЯ ЗМІННОГО СТРУМУ

Вироблення змінного струму розглянемо на моделі найпростішого генератора змінного струму, зображе­ного на рис. 1—1. Генератор складається з двох неру­хомих полюсів N і S, які створюють сталий магнітний потік. Між полюсами міститься циліндричний ротор, на поверхні якого в спеціальний паз укладено в діа­метральній площині дротяний виток abed, кінці якого приєднані до двох кілець ^C₁ — /C₂, закріпле­них на валі ротора. Ротор, а разом з ним і виток з кільцями, приводиться в обертальний рух з постій­ною кутовою швидкістю окремим двигуном (на рис. 1—1 не показано). На кільця накладено нерухомі щітки Щ_г—Щі, до яких приєднано зовнішнє коло з споживачем електричного струму R.

Під час обертання витка abed (наприклад, проти руху годинникової стрілки) в його активних сторонах

ab і cd індукуватимуться електрорушійні сили е, напрям дії яких легко визначити за правилом правої руки (на рис. 1—1 показано стрілками). За законом електромагнітної індукції величина е. р. с. у певний момент часу (миттєві значення), яка індукується у витку,

е = 2Blv sin а, (1—1)

де В — магнітна індукція однорідного магнітного поля, тл;

• — лінійна швидкість активної частини витка, м/сек;

21 — довжина активної частини витка, м; а — кут між напрямком магнітних ліній і вектором лінійної швидкості.

Коли кут а дорівнює нулю (активні сторони витка не «перері­зають» магнітних ліній), у витку е. р.с. не індукуватиметься. Через те що максимальна е. р. с. у витку індукується при а = 90°, тобто

е = E_m = 2 Blv, (1—2)

то рівняння (1—1) можна записати:

е — E_m sin а. (1—3)

Отже, при обертанні витка в однорідному магнітному полі із сталою кутовою швидкістю в ньому індукується змінна синусоїдаль­на е. р. с., яка графічно зображається синусоїдою.

Якщо в коло найпростішого генератора ввімкнути споживач електричної енергії з опором R, то по ньому йтиме струм, миттєве значення якого визначиться за законом Ома:

^і = = T^fR ^{sin α = Іт sin α}’ (^1-4)

E

де I_m — -J^rtD—максимальне значення струму, (1—5)

^rO + Ч

г_п — внутрішній опір генератора.

Рівняння (1—4) показує, що змінна е. р. с. збуджує в замкненому електричному колі змінний синусоїдальний струм. Напруга на затискачах генератора

и = IjR = I_mR sin a=U_m sin а (1—6)

також змінюється синусоїдально.

Якщо швидкість обертання рамки стала, то по осі абсцис можна відкладати кути повороту рамки а або час і, і основа синусоїди вимірюватиметься в кутових величинах або в одиницях

часу. Якщо рамка за час t відхилиться на кут а, то кутова швидкість ЇЇ руху со = у, (1—7)

або, у загальному вигляді

ω = ^ = 2 */, (1—8)

де / — частота струму.

У колах змінного струму ω називається кутовою часто­тою змінного струму. З (1—7) знайдемо α = (at, тоді можна записати:

е = E_mSinωί, \

і = І_т sin (at, I (1—9)

и = U_mSintat. J

Час, протягом якого закінчується цикл періодично змінної електричної величини, називається періодом і позначається буквою T (рис. 1—2).

Число циклів змінної величини за одну секунду називається частотою/і вимірюється в або герцах (гц). Період T і частота / зв’язані рівнянням

f=Y- (1-Ю)

Щоб з’ясувати, від чого залежить частота, розглянемо будову і роботу чотириполюсного генератора і порівняємо його з двопо­люсним генератором. На рис. 1—3, а схематично зображено будову чотириполюсного генератора змінного струму. На роторі є виток, активні сторони якого розміщені на віддалі полюсного ділення (віддаль між осями двох сусідніх полюсів). Кінці витка приєднано до двох кілець. За один оберт ротора у витку цикл зміни е. р. с. повторюється двічі (рис. 1—3, б), тоді як у генераторі з двома полюсами цикл закінчується за один раз (рис. 1—3, в).

Отже, частота змінної е. р. с. і струму залежить від кількості пар полюсів р. Крім того, частота залежить ще й від числа обертів ротора за хвилину, тобто

I = ^eW- "-^П>

Щоб усунути незручності, пов’язані з нерівністю кутів повороту ротора і синусоїдальних діаграм у багатополюсних генераторах,

Рис. 1—3. Найпростіший чотириполюс- НОГО струму працюють нор- ний генератор: мально лише при частоті, на

а — схема генератора; б, в — хвильові діаграми ЯКу ВОНИ розраховані. У МЄ- е. р. с. ЧОТИ_РИПОЛЮСНОГО_РІ_ВДВОПОЛЮСНОГО гене- _{талургії для} індукційних пе­чей застосовують струми час­тотою 100 гц і більше. Найвищу частоту електричного змінного струму застосовують у радіотехніці, де вона досягає мільйонів і навіть мільярдів герців.

Амплітуда, фаза, зсув фаз. Якщо в рівняннях (1—9) ωί = 90°, то значення е. р. с., струму і напруги буде найбільшим: е = E_m, І — Irm U ~ U_m-

в електротехніці введено по­няття електричного градуса. Рухома частина генератора при обертанні описує коло, яке відповідає геометричному куту 2π рад, або 360°. Ці самі кути, по­дані в електричних градусах, будуть більші у р разів φ — число пар полюсів), тоб­то р ■ 2 π· електрорадіан, або р · 360 електричних граду­сів. Зв’язок між електричним і геометричним градусами можна зобразити так:

а ел = р -а геом. (1 — 12)

Надалі всі кути подаватимемо в електричних градусах.

У техніці застосовують різні частоти змінного стру­му. У Радянському Союзі та інших країнах Європи як промислову частоту взято 50 гц, в США — 60 гц. Елек­тричні машини і апарати змін-

Такі значення називають максимальними, або амплі­тудними значеннями електричних величин (або просто амплі­тудами).

Термін «ф а з а» в електротехніці має два значення: 1) як певна стадія або ступінь періодичного коливального процесу і 2) як назва частини електричного кола змінного струму (наприклад, одна з обмоток генератора змінного струму).

Рис. 1—4. Хвильова діаграма синусо­їдальних е. р. с. при ψ > 0 і ψ < 0.

Якщо розглядати електричну величину, яка періодично змінює­ться за синусоїдальним законом, то під фазою слід розуміти певну стадію періодичного коли­вального процесу. Щоб зо­бразити це поняття графічно і аналітично, аргумент синуса а = со/ називають фазою, або фазним ку­том, що визначає значення електричної величини в пев­ний момент часу, або її мит­тєве значення. На рис. 1—2 при t = 0 е. р. с. дорівнює нулю. У цьому випадку крива проходить через початок ко­ординат. При ^ = Z₁ величина е. р.с. визначається фазним кутом а/ = ωίι, тобто е_х =

= E_m sin (Ht₁.

Синусоїди е. р. с. (стру­мів) у загальному випадку можуть не проходити через початок координат і при t — 0 мати певні значення. На рис. 1—4 зображено два випад­ки, коли криві е. р.с. не проходять через початок координат. На рис. 1—4, а при ί = 0 е. р. с. має додатне значення, а на рис. 1—4,6 при ^ = O — від’ємне. Щоб зобразити такі криві рівняннями, в аргумент синуса вводять так звану почат­кову фазу ψ (псі), яка визначає величину е. р. с. у початковий момент часу, тобто при t — 0. Для загального випадку (рис. 1—4, а) можна записати:

е = -E_mSin {Ы + ty_e). (1 — 13)

При ^ = O е — E_mSinty_e значення е. р. с. — додатне. Для дру­гого випадку (рис. 1—4,6)

е = E_mSin {(лі — ф_е). (1—14)

При t — 0 е = E_m sin (—ty_e) = — E_m sin ty_e значення е. р. с.— від’ємне. Для випадку, показаного на рис. 1—2, початкова фаза ψ=0.

Отже, кожна електрична величина, яка змінюється за законом синуса, характеризується амплітудою E_m, I_m, фазою ωί + ψ і кутовою частотою ω. Якщо дві е. р. с. однакової частоти з одна­ковими фазами Ш + ψι = ωί -f- ψ₂ і будь-якими амплітудами E_lm Ф ФЕ_Ш, «і = ^i_niSin(Ct)* + ψΟ і е₂ = E_im sin (at + ψ,),

Рис. I—5. Хвильова діаграма двох е. р. с., які збі­гаються за фазою.

то про такі е. р. с. (або струми) кажуть, що вони збігаються за фазою (рис. 1—5). У таких е. р. с. (або струмах) амплітудні і нульові значення настають одночасно. Дві е. р.с. однакової частоти з довільними амплітудами і початковими фазами зображено на рис. 1—6. Різниця початкових фазових кутів двох синусоїдальних величин тієї самої частоти називається кутом зсуву фаз, або зсувом фаз ір:

? = ψ«ι — ψβ2· (1 — 15)

Е. р. с., амплітудне (або нульове) значення якої настає раніше від іншої, називається випереджаючою (рис. 1—6, ^₁), а та, в якої ті самі значення настають пізніше,— відстаючою за фазою (рис. 1—6, е₂).

Рис. 1—6. Хвильова діаграма двох е. р. с., які не збі­гаються за фазою.

Для більшої наочності і полегшення математичних операцій при розв’язуванні задач електричні синусоїдальні величини часто зображають векторною діаграмою. Векторною діагра­мою називається сукупність кількох векторів, що зображають сину­соїдальні величини однієї частоти. Для побудови векторної діагра­ми е. р. с., яка змінюється за законом синуса, опишемо коло (рис. 1—7, б), радіус якого у вибраному масштабі дорівнює макси­мальному значенню е. p. с. E_m. Якщо вектор E_m обертати проти руху годинникової стрілки з кутовою швидкістю ω, то проекції цього вектора на вісь ординат відповідатимуть миттєвим значен­ням е. р. с. на хвильовій діаграмі (рис. 1—7, а). Так, у точці 0 на хвильовій діаграмі (рис. 1—7, а) е. р. с. дорівнює нулю. Цьому моменту на векторній діаграмі відповідає вектор OC = E_m, проек­ція якого на вісь ординат дорівнює нулю, а в точці K на хвильовій

Рис. 1—7. Діаграми синусоїдальної е. р. с.:

а — хвильова; б — векторна.

діаграмі — вектор OB = E_m, який повернувся на кут а. Проекція вектора OB на вісь ординат дає відрізок OK', який дорівнює вели­чині е. р. с. З Δ OK'В маємо:

OK' = е ~ OB cos (90⁹—a) = OB ■ sin а.

Оскільки OB = E_m, то є = JE¹_mSin а, а а = at; тоді е — E_m sin at.

Отже, довільну електричну величину, яка змінюється за зако­ном синуса, можна зобразити довільно орієнтованим вектором, який обертається проти руху годинникової стрілки.

Додавання синусоїдальних величин. Розраховуючи кола змінного струму, часто доводиться додавати е. р. с., струми або напруги. Припустимо, що треба додати дві е. р. с.

<?1 = Е\_т sin (ω^ -f ψ_χ) І е₂ = Еът sin (<ot + <Ы·

Ix можна додати аналітично і графічно. Але останній спосіб простіший і наочніший. На рис. 1—8 графічно зображено додавання двох е. р. с. на хвильовій і векторній діаграмах. Щоб дістати ре­зультуючу е. р. с. на хвильовій діаграмі (рис. 1—8, а), треба алгеб­раїчно додати ординати е. p. с. і е₂. Так, наприклад, щоб знайти миттєве значення результуючої е. р. с. е = OD у початковий момент при / = 0, треба миттєве значення е. p. с. е_х = OB додати до мит­тєвого значення е. р. с. е₂ — ОС.

На рис. 1—8, б ті самі е. р. с. е_уі е_г подано векторами E_m і E_vn з початковими фазами (Ji₁ і При обертанні цих векторів з одна­ковою електричною частотою Езаємне розміщення їх залишається

Рис. 1—8. Додавання двох синусоїдальних е. р. с.

незмінним. Тому вектор результуючої е. р. с. E_m можна знайти, додаючи вектори E_lm і E_2m за правилом паралелограма F_m = E_im+ + Е_гт. Через те що проекції всіх векторів на вісь OY дають мит­тєві значення е. р. с. е₁₍ е₂ і е. то OB' = OB, OC' = ОС, OD' — OD. Так само можна і віднімати дві синусоїдальні величини однієї частоти, наприклад: е_х — е₂ = е_х + (— е₂), тобто е_г (від’ємник), узятий з оберненим знаком, додається до зменшуваного. Векторні діаграми зображають частіше не амплітудними, а діючими значен­нями змінних е. р. с. і струмів, які пропорційні амплітудним зна­ченням.

1—3. ДІЮЧІ (ЕФЕКТИВНІ) І СЕРЕДНІ ЗНАЧЕННЯ СИНУСОЇДАЛЬНИХ е. р. с. СТРУМУ І НАПРУГИ

Якщо в коло змінного струму ввімкнути споживач електричної енергії з опором R, то за безмежно малий проміжок часу at спожи­вана енергія d.W = и і dt, де и і і — миттєві значення напруги

і струму. Через те що « = IR, то dW = і²Rdt. Споживану енергію за період знайдемо інтегруванням:

т

W = J i²R it.

Підставивши значення миттєвого струму і = I_m sin (at, матимемо:

т

Відомо, що sin² ωί = γ —^ cos 2 ωί, τ τ

тоді W = (j dt — J cos 2<at dtj .

0

о

Легко пересвідчитись, що другий інтеграл дорівнює нулю. II₁R^t

Тому остаточно W = —ψ- .

Якщо той самий споживач з опором R увімкнути в коло по­стійного струму, то можна підібрати такий постійний струм І, який за той самий час T виділить на споживачі таку саму кіль­кість енергії, що й змінний струм. Отже, W₁ = I²RT. Порів-

/² RT

нявши витрати енергії W і W₁, дістанемо: I²RT = —.

Таким чином, діючим (або ефективним) значенням змінного струму називається такий постійний за величиною струм, який при однаковому опорі кола за той самий час виділить таку саму кількість енергії, щой змінний струм. Діючі значення напруги і е. р. с. відповідно дорівнюють:

(1-17)

На рис. 1—9 зображено діюче значення змінного синусоїдаль­ного струму І, який має сталу величину за весь період. Зауважимо, що більшість систем електровимірювальних приладів, які застосо­вують для вимірювання періодичних напруг і струмів, показують діючі значення цих величин.

Крім діючих значень, в електротехніці розглядають ще й с е- р едн і значення струмів, е. р. с. і напруг. Для синусоїдальних

е. р. с., струмів і напруг середнє значення за весь період дорівнює нулю, бо площі позитивних і негативних півхвиль рівні за величи­ною і різні за знаком. Тому середнє значення струму I_cp ви­значають за позитивний півперіод. Для цього площу позитивної

T

півхвилі (рис. 1—9) ділять на її основу у :

т

2

J idt T

I_cp = -f-J I_m ^sin dt = T ⁰

jr

2 ² -IJr¹_mCOsiat .

Рис. 1—9. Діюче і середне значення змінного синусоїдального струму.

О

Підставивши значення ω =

2

дістанемо I_cp =z~I_m=z 0,637I_m-

(1-18)

Так само можна знайти се­редні значення е. р. с. і на­пруги:

Ecp = ~Е_т — 0,637£_m, J Uc_P = ^U_m = 0,637U_m. J

1-4. ПАРАМЕТРИ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ ЗМІННОГО СТРУМУ

Електричне коло характеризується активним опором г, індук­тивністю L і ємністю С, які називаються параметрами кола. Роз­глядаючи теорію змінного струму, насамперед слід вивчити всі явища, які виникають в електричних колах, коли струми в цих колах змінюються з часом. При цьому слід пам’ятати, що електрич­ний струм завжди нерозривно зв’язаний з магнітним полем. Тому, коли в колі існує змінний електричний струм, то в самому колі і в середовищі, яке оточує це коло, існують магнітне і електричне поля і електромагнітна енергія перетворюється в тепло. Нагадаємо також, що у фізичних електричних колах такі явища, як магнітне та електричне поля і виділення тепла, існують рівномірно вздовж усього кола або зосереджені на окремих його дільницях.

Найчастіше доводиться мати справу з колами, в яких магнітне та електричне поля і виділення тепла зосереджені на окремих його дільницях. Тому обмежимось розгляданням саме таких кіл. Крім того, у техніці зустрічаються кола, фізичні явища в яких визначаються лише одним з параметрів r, L або С, тоді як інші параметри виявляють себе так мало, що їх впливом можна знехту­вати. Наприклад: увімкнений у коло змінного струму реостат можна розглядати як коло з опором г, а впливом його ємності та індуктив­ності можна знехтувати; ненавантажений трансформатор можна розглядати як індуктивність L, нехтуючи впливом активного опору і ємності кола; нарешті, конденсатор можна розглядати як зосе­реджену ємність, нехтуючи впливом активного опору та індуктив­ністю кола. Зауважимо, що в колі постійного струму при постійній напрузі незмінними будуть струм, потужність і запас енергії в маг­нітному та електричному полях. При змінній напрузі і струмі в колі змінюються магнітні та електричні поля, причому зміна магнітного поля збуджує в колі е. р. с. самоіндукції, а зміна електричного поля спричинює протікання зарядних і розрядних струмів.

Через те що параметри електричного кола змінного струму r, L і C із зміною величини струму майже не змінюються, то вважа­тимемо, що вони є величини сталі, тобто такі, що не залежать від часу, сили струму і напруги.

1—5. АКТИВНИЙ ОПІР В КОЛІ ЗМІННОГО СТРУМУ

Як відомо, опір залежить від довжини, поперечного перерізу і матеріалу провідника. Але в колі змінного струму опір провідника буде більшим, ніж у колі постійного струму внаслідок поверхне­вого ефекту (скін-ефект). Тому говорять, що провідник у колі пос­тійного струму має омічний опір, а в колі змінного струму — актив­ний опір т. До активних опорів (нехтуючи незначними ємністю та індуктивністю) відносять опір реостатів, ниток ламп розжарювання, опори електронагрівальних елементів електроплиток, електроутю- гів і т. д. На рис. 1—10, а зображено схему кола змінного струму з опором г. Під впливом прикладеної напруги U = U_m sin at через опір г піде змінний струм, пропорційний прикладеній напрузі і обернено пропорційний опору кола

(1 -20)

Підставивши значення миттєвої напруги, дістанемо

(1-21)

Діюче значення струму знайдемо, поділивши максимальне зна­чення на 1/2:

/ U

= ~. (1-23)

Отже, закон Ома при вмиканні в коло змінного струму актив­ного опору залишається справедливим для миттєвих (1—20), амплі­тудних (1—22) і діючих (1—23) значень.

/ U

З виразів u = U_msinat, і = I_n sin со/ бачимо, що напруга і струм при активному опорі збігаються за фазою. Графічно це зображено на хвильовій (рис. 1—10, б) і векторній (рис. 1—10,в) діаграмах.

0-

-U

Рис. 1—10. Коло змінного струму з активним опором г:

а—схема кола; б— хвильова діаграма; в — векторна діаграма.

Активна потужність і енергія. Миттєве значення потужності в розглянутому колі аналітично знаходять як добуток миттєвих значень струму і напруги р = і и.

Підставивши значення струму і напруги, матимемо:

р = I_m sin ωί · U_m sin ωί = I_mU_m sin² ω/. (I —24)

Оскільки Sin²Co/ = ~ — -i-cos2co/, I_m = γ21 і U_n=Y2U,

^T0 p = UI (I — cos2co/). (1—25)

Аналізуючи (1—25), можна побачити, що при t = 0,t==-^- і t = T миттєва потужність дорівнюватиме нулю, а при t = TI4 і t =■■ ³I_iT p = 2UI. Отже, миттєва потужність двічі за період досягає свого максимального значення і двічі мінімального, тобто пульсує з подвійною частотою і має завжди позитивне значення (рис. 1 — 11).

Середнє значення потужності за період дістанемо, якщо площу, створену миттєвою потужністю, поділимо на основу, тобто на пе­ріод Т:

-26)

Pcp = Y [pdt=^r^UI{I - cos2αit) dt = UI. (1-

і, и.

Рис. 1—11. Миттєве і середнє значення по­тужності для активного опору.

Отже, середнє значення потужності в колі з активним опором дорівнює добутку діючих значень струму і напруги подібно до потужності по­стійного струму.

У формулі (1—25) ам­плітуду змінної складової потужності UI cos 2 со/, яка дорівнює середній по­тужності, називають а к- тивною потужні­стю і позначають Р.

^yIVgogg

Активну потужність вимі­рюють у ватах (вт) або кіловатах (кет). Підста­вивши в (1—26) значення U=Ir, знайдемо активну

потужність в іншому вигляді:

= I^і г, (1—27)

де активна потужність пропорційна квадрату струму.

Активну енергію, яка виділяється на активному споживачі, знайдемо як добуток активної потужності на час:

(1-28)

W = р _t = UIt = Prt.

Її вимірюють у ват-годинах або кіловат-годинах (кет год).

Як відомо, активна енергія необоротно перетворюється в інші види енергії, наприклад у механічну енергію електричних двигу­нів, теплову енергію електронагрівальних приладів, у променеву енергію освітлювальних ламп тощо.

1—6. ІНДУКТИВНІСТЬ У КОЛІ ЗМІННОГО СТРУМУ

Якщо в коло змінного струму ввімкнути котушку (рис. 1—12, а), то навколо її витків утвориться магнітне поле. Як відомо з курсу фізики, у цьому випадку магнітний потік Ф прямо пропорційний струму /, числу витків w і обернено пропорційний магнітному опо­ру г_м, тобто

Добуток струму на число витків називають намагнічуючою силою

F = і ■ w. (1—30)

Магнітний опір г_м пропорційний середній довжині магнітної силової лінії І, яка замикає північний і південний полюси котушки, і обернено пропорційний поперечному перерізу котушки S та м а г- нітній проникності μ, що характеризує магнітні вла­стивості середовища, в якому існує магнітне поле:

г. = £. <1-31)

Рис. 1—12. Коло змінного струму з індуктивністю L:

а — схема кола; б — хвильова діаграма; в— векторна діаграма.

Підставивши (1—31) в (1—29), дістанемо:

Ф = Цї або Ф = ϋγΕ . і (еб). μ-S

Коли по колу проходить змінний струм, то він утворює змінний магнітний потік, який перерізає витки тієї самої котушки, внаслі­док чого у витках збуджується е. р. с. самоіндукції, пропорційна швидкості зміни потоку:

(1-33)

гіФ

^eL=-^wW

Знак мінус (правило Ленца) показує, що струм самоіндукції в контурі протидіє зміні магнітного потоку Ф, що пронизує кон­тур.

Підставивши значення Ф = · і в (1—33), дістанемо

Sw^{i 4} di

άΦ ^wHT =

, Sw^t

L = μ —

(1-32)

(1-34)

Zl ■■

І

де

і характеризує властивості та конструктивні параметри котушки і називається коефіцієнтом самоіндукції, або ін- дуктивністю.

Одиницею індуктивності є генрі (гн) — індуктивність, при якій зміна сили струму на 1 а за 1 сек збуджує е. р.с. самоіндук­ції в 1 в. Як видно з (1—34), величина е. р.с. самоіндукції пропор-

. - . di цінна швидкості зміни струму .

Якщо струм змінюється за синусоїдальним законом і = = /_msin со/, то е. р. с. самоіндукції e_L = — = — coL/_m cos ω/=

= <oL/_m sin (соt — у) ·

Позначивши шЫ_т = ELm, матимемо:

(1-36)

З цього рівняння видно, що е. р. с. самоіндукції відстає за фазою від струму на кут γ (рис. 1—12, б і в). Швидкість зміни

струму ~ досягає найбільшого значення в момент переходу струму

через нуль, тому в ці моменти часу е. р. с. самоіндукції набирає своїх максимальних значень. Коли струм досягає свого максималь­ного значення, його швидкість зміни дорівнює нулю, а тому й е. р. с. самоіндукції теж дорівнює нулю. Для кола з індуктивністю за другим законом Кірхгофа можна записати: и + еь = 0 або и = = — e_L.

Отже, у колі з індуктивністю прикладена напруга зрівноважує е. р. с. самоіндукції і протилежно їй напрямлена.

Для розглядуваного кола (рис. 1—12)

т di _т d (I_m Sin ω/ч _т . . / , л\

u = ul = —e_L = L_4f =-- L -і—^ ) = a>L/_m sm [ωί + γ) =

деі/іи = со L-I_m- амплітуда напруги.

Поділивши амплітудні значення на У2, матимемо діючі зна­чення Ul = OdL І, або

Зауважимо, що е. р. с. самоіндукції називають реактивною е. р. с., а напругу, яка зрівноважує цю е. р. с.,—реактивною на­пругою Ul-

Таким чином, для амплітудного і діючого значень струму (тільки не для миттєвого!), який проходить через котушку, справ­джується співвідношення, аналогічне за формою до закону Ома. У знаменнику останнього виразу величина ωΖ. називається індук­тивним опором котушки, який позначають через Xl і ви­мірюють в омах. Отже,

X_l — (oL = 2π/ · L. (1—38)

Потужність і енергія в колі з індуктивністю. Миттєве значення потужності на індуктивності дорівнює добутку струму на напругу:

Ql- і ■ Ul = I_m sin ωί ■ U_Lm sin {(at + γ) = I_n^L_m sin · ^{cos ωί}> але

дуктивністю.

sin (at ■ cos (at — —■ [sin ((at + (at) + sin (ω* — ω*)] == sin 2(at,

ТОДІ Qi = γΐmULm Sin 2(Ot.

Переходячи до діючих значень, матимемо

Qi = Z iZ_tSin 2ω*. (1-39)

Електрична потужність у цьому випадку також пульсує з подвійною часто­тою, як і при активному опорі. Але на відміну від кола з активним опором при індуктивності потуж­ність не має сталої складової, тому за період середнє значення потужності дорівнює нулю. У цьому легко пересвідчи­тись, якщо площу, описану кривою потужності Ql, поділити на період:

T

J Q ^dt * ц j

= 0.

°—γ— = γ-\ U_lI sin 2(at dt = — ^ cos 2(at

Таку криву миттєвої потужності Ql в колі з індуктивністю зображено на рис. 1—13. Позитивні площі відповідають моменту, коли котушка споживає енергію, яка зосереджується в ній у ви­гляді магнітного поля. Негативні площі відповідають поверненню енергії в сітку. Таким чином, хоч у колі з індуктивністю струм і проходить, проте коло енергії не споживає. Енергія дорівнює

нулю як за період, так і за півперіод. Вона ніби перекачується з сітки в котушку, і навпаки, двічі за період. При цьому корисна робота не виконується. Якщо кількість таких споживачів збіль­шувати, то втрати енергії в сітці від протікання цих струмів збіль­шуватимуться, що зменшуватиме к. к. д. енергоустановки.

З рівняння (1—39) при sin 2cot = 1 р е а к т и в н у потуж­ність Ql можна визначити через струм:

Q_l = W_l = ІШ = ω LI² = X_lI². (1—40)

Одинйцею вимірювання реактивної потужності є вольтам- пер реактивний — вар або кіловольтампер реактивний — тар.

Величину енергії, яка зосереджується в котушці, можна знайти за чверть періоду:

Tl. Tl,

W_l=-- j Qldi=J ^т ₂ ^ш- sin 2Ш dt =

Tl.

ImULrt

2ω

^^im7m cos 2 ωί

4ω

Підставивши значення U_Lm = wLI_m, дістанемо

а це відома формула енергії магнітного поля. Максимальна енер­гія при змінному струмі пропорційна квадрату максимального (амплітудного) значення струму.

1—7. ЄМНІСТЬ У КОЛІ ЗМІННОГО СТРУМУ

Відомо, що в колі постійного струму з конденсатором струм проходить лише під час заряджання і розряджання конденсатора і триває частки секунди. Коли конденсатор зарядиться повністю, струм у колі припиняється. Якщо конденсатор ввімкнути в коло змінного струму (рис. 1—14), то в колі весь час проходитиме струм. За безмежно короткий проміжок часу dt напруга на обкладках конденсатора зміниться на du, а заряд — на dq, тому

dq = Cduc. (1—42)

Але кількість електрики, що проходить по провіднику за. одиницю часу, дає струм і = звідки dq = idt.

Підставивши значення dq у (1—42), матимемо idt = Cdu_c, звідки

«с-4-jw/. (1-43)

Якщо струм I = Z_mSinatf, тоді напруга

I_m cos (лі

I_m ski ті dt

(йС

^uC=-Iri

(1-44)

= -I_m sin (ωί — γ]= Ucm sin ίωί — ~

O

Ac

K

KU

'Ue

Рис. 1—14. Коло змінного струму з ємністю С:

а — схема кола; б — хвильова діаграма; в — векторна діаграма.

відставатиме від струму на кут 90° (рис. 1 — 14, б і в).

fi( і і

-U

Sf-

(1-45)

У формулі (1—44) Ucm максимальне значення напруги на кон­денсаторі

UCm. _ω£ Im Х-СІті

або через діючі значення

(1-46)

U_r

Uc = XcIm; І ⁼ х~

де Xe ^ — P Є a K T И В H о-е M H і с н и й опір, який вимірюється

в омах. Оскільки X_c — ^ ■

пропорційний частоті струму джерела енергії, то для струмів високих частот (радіочастот) він має мале значення, а для постій­ного струму — нескінченність.

За другим законом Кірхгофа для такого кача (рис. 1—14, а) можна записати: и + ес = 0 або и = — ес-

Е. р. с. ємності дорівнює е_с = — -£■ · Знак «мінус» показує, що е. р. с.

2 nfC

, тобто ємнісний опір обернено

ємності напрямлена назустріч напрузі, внаслідок чого на обклад­ках конденсатора зібрався заряд q. Коли в колі інших опорів, крім ємнісного, немає, то Uc = — ее-

Отже, е. р. с. і напруга на ємності перебувають у протилежних фазах, ес і Uc «азивають відповідно реактивною е. р. с. і реактив­ною напругою.

Потужність і енергія в колі з ємністю. Потужність у колі з ємністю можна знайти, перемноживши миттєві значення струму і реактивної напруги:

Qc = іU_c — I_m sin ωί X

Xt/cmSin ІШІ — ~ 'j =

ч

= γ I_mUcm sin 2(0/,

5о через діючі значення Qc = IU_c sin 2ωί. (1—47)

З цього рівняння видно, що потужність на конден- Рис. 1—15. Крива потужності для кола з єм- саторі коливається з под- ністю.

війною частотою. Середнє

значення потужності за період дорівнює нулю, як і в колі з ін­дуктивністю (рис. 1—15):

τ τ

Qe ср = ψ- j*Qcdt = 4¹]^{1 sin}-dt = 0.

Тому й витрата енергії за період також дорівнює нулю. При цьому відбувається лише обмін енергією між джерелом і конденса­тором. Реактивно-ємнісну потужність Qe при sin 2 ω/ = 1 можна визначити через струм:

(1-48)

Qc-IUc = I^I-J_eP = XcP.

Аналізуючи криву потужності (рис. 1—15), можна помітити, що протягом першої чверті періоду — від точки O до точки 1 — потужність від’ємна, а це означає, що конденсатор розряджається. Протягом другої чверті періоду — від точки 1 до точки 2 — при­кладена до конденсатора напруга збільшується від нуля до амплі­тудного значення. За цей час конденсатор заряджається. Струм,

який дорівнює швидкості зміни заряду і = —■ на обкладках, у

точці 1 досягає найбільшого значення, оскільки в цей момент на

обкладках найбільша зміна напруги, а значить, і найбільша швид­кість зміни заряду. У точці 2 струм дорівнює нулю, бо перестає збільшуватись напруга, а отже, заряд на обкладках конденсатора.

Протягом третьої чверті періоду — від точки 2 цр точки 3 — конденсатор розряджається, а від точки З до 4 — заряджається в зворотному напрямі.

Порівнюючи криві потужності для кола з індуктивністю {рис. 1 — 13) і ємністю (рис. 1 — 15), легко помітити, що за час, коли котушка індуктивності віддає енергію в сітку, конденсатор споживає ЇЇ. Це явище використовують для збільшення коефі­цієнта потужності сітки, про що докладніше мова буде далі.

Величину енергії, яка зосереджується в конденсаторі у вигляді електричного поля, можна знайти лише за чверть періоду:

0 0

Підставивши значення I_m = -у, дістанемо

(I)C

^m^uCm 2 00

W_c = ^~^. (1-49)

1-8. КОЛО ЗМІННОГО СТРУМУ З АКТИВНИМ ОПОРОМ І ІНДУКТИВНІСТЮ

У практиці дуже часто зустрічаються кола змінного струму з послідовним сполученням активного опору і індуктивності (рис. І—16, а). Саме такі параметри має реальна котушка індук­тивності, бо в колі змінного струму вона має і активний і індуктив­ний опори. Якщо струм у колі і = I_m sin (at, то за другим законом Кірхгофа (алгебраїчна сума е. р. с. у колі дорівнює сумі спадів напруг) можна записати: и + e_L = іг, звідки и — іг — e_L.

Оскільки Cl = —L ~ , то и = ir -f L- U_a -j- u_L, де и —

напруга на затискачах кола; и_а — активна напруга; Ul — реак­тивна напруга.

(ω* + -Jj,

Через те що активна напруга збігається за фазою з струмом: и_а = іг = І_тг sin (at = U_am sin (at, а реактивна напруга випереджає струм на кут 90®:

Ul = L ~ = (oLI_m sin + - = ULm sin то и = и_а + u_L = U_am sin (at + ULm sin ((at + ~ j. (1—50)

З векторної діаграми (рис. 1 — 16, є) для діючих значень напруг маємо: U_a = U cos φ; U_l = U sin φ, або (через максимальні значення)

Uam = U_m COS φ; Uun = U_m sin <р.

Підставивши ці значення в 1—50, дістанемо:

U = U_m cosf ■ sinwf + U_mSinf ■ cos ωί = U_mSin (ωί + φ). (I—51)

Отже, прикладена напруга випереджає струм на кут φ. Вели­чина кута зсуву фаз φ між струмом і напругою залежить від співвідношення активного і реактивного опорів кола.

Рис. 1—16. Коло змінного струму з активним г і реактивним X_l опорами:

Ul

0

-U

η

а _ схема кола; б — хвильова діаграма напруг і потужностей; в — векторна діаграма дію­чих значень напруг.

З векторної діаграми (рис. 1 —16, в) можна знайти важливі співвідношення: U = YU²_a _|_ и\— I V r² + X_L’ ^ЗВ'А^КИ

U

(1-52)

2

Рівняння (1—52) — це закон Ома для кола змінного струму з активним і реактивним опорами. Величина Yr²+ X²_l називаєть­ся повним опором кола і позначається буквою Z.

З неї також можна знайти кут зсуву фаз:

(1-54)

Співвідношення (1—53) і (1—54) ми знайшли з так званого трикутника напруг. Оскільки напруги відповідають зна­ченням

(1-55)

U_a = г_а · /; U_l = Xl ■ /; U = Z-I,

(1-56)

то, скоротивши їх на величину струму, матимемо трикутник опорів (рис. 1—17), з якого знайдемо такі співвідношення:

COS Ψ = ,

Г

r = Z· cos φ, X_l = Z · sin φ.

Потужність і енергія в колі з г і Xl- Миттєву потужність можна обчислити, перемноживши миттєві значення струму і на­пруги. Графічно миттєва потужність зображена на рис. 1 — 16,6:

р = і . и = I_m sin ωί ■ U_m sin (ωί + φ) = I_mU_m ~ cos (—φ) —

• -J cos (2ωί + φ) ·

Але I_m = V2 /, U_m = V2 U, cos (—φ) = cos φ,

тоді

ρ = UI cosf — UI ■ cos (2ωί -f ψ). (I—57)

Оскільки cos (2ωί + ?) = cos 2ωί ■ cos φ — sin2co/ · sin φ, то

P=UI (cos ψ — cos φ · cos 2ωί + sin φ · sin 2ωί) =

= UI cos φ — UI cos φ · cos 2ωί + UI sin φ · sin 2ωί (1—58)

Легко пересвідчитись, що другий і третій інтеграли дорів­нюють нулю, тоді

т

о

U- cos φ = U_a, то P=- U_a - /·

(1-59)

Оскільки

(1-60)

Отже, перша складова миттєвої потужності (1—58) є сталою складовою, яка дорівнює середній потужності за період, або а к- тивній потужності (рис. 1—16, б). Активна потужність (1—60) дорівнює добутку діючих значень струму і активної скла­дової напруги. У загальному випадку активна потужність (1—59) пропорційна діючим значенням прикладеної напруги і струму, а також cos φ. Cos φ називається коефіцієнтом потуж­ності, фізичний зміст якого розглянемо далі.

Рис. 1—17. Трикутник опорів.

Рис. 1—18. Трикутник потужнос­тей у колі з г і X_l.

Друга складова (1—58) р_г = — UI cos φ · cos 2ω* = — P cos 2ωί є пульсуючою частиною потужності в активному опорі з амплітудою Р.

Третя складова р₃ — UI sin φ ■ sin 2ωί є пульсуючою частиною потужності в індуктивності з амплітудою UI sin φ. Амплітуда i/7 sin φ є реактивна потужність індуктивно-

сті:

(1-61)

Ql = UI sin φ.

Підставивши U ■ sin φ = U_L, матимемо Ql = U_l і — відому фор­мулу (1—40).

Як видно з (1—61), реактивна потужність пропорційна sin φ. Вона існує тільки при φ ф 0. При φ = 0 напруга і струм збігаю­ться за фазою; це означає, що в колі є лише активні споживачі.

Вирази для активної (1—59) і реактивної (1—61) потужностей можна дістати і з трикутника потужностей (рис. 1—18). Трикутник потужностей утворюється з трикутника напруг, якщо всі його сторони помножити на величину струму: P = U_aI,

Ql = U_l- і, S = UI.

З трикутника потужностей маємо:

P = S COS φ = UI COS φ, Q_l = S sin φ = UI sin φ,

Величина S = UI називається повного, або позірною, потужністю і вимірюється у вольтамперах (ва) або кіловольтамперах (ква). Позірна потужність дорівнює амплітуді пульсуючої потужності всього кола (рис. 1—16, б). Це видно і з виразу (1—57):

P = UI cos φ — UI cos (2Ш + φ) = P — S cos (2ω* + φ).

3 (I—62) маємо:

cos ¥ ~ ~ · (1-63)

Отже, cos φ показує, яку частину становить активна потужність від повної. Нормально для всіх електростанцій cos φ повинен бути близьким до 0,95. Якщо cos φ на деяких підприємствах низький, то його підвищують (див. § 1—12).

Активну енергію W_a при незмінній активній потужності кола₍ знаходять, помножаючи активну потужність на час:

W_a = P ■ і = UI cos φ -t. (1—64)

Реактивну енергію W_p при незмінній реактивній потужності кола знаходять, помножаючи реактивну потужність на час:

W₀ = Q ■ t = UI sinf ■ t. (1—65)

Активну і реактивну енергії вимірюють лічильниками активної і реактивної енергій.

Вимірявши активну і реактивну енергії, можна визначити cos φ електричної установки:

PP

COS Cp = -FT = -T- = · (1—66)

S /P2 + Q2 y_wl _+w*

а ¹ D

1—9. КОЛО ЗМІННОГО СТРУМУ З АКТИВНИМ ОПОРОМ І ЄМНІСТЮ

Як відомо з § 1—8, у колі з ємністю напруга відстає від струму на куту. Саме цим коло з активним опором і ємністю відрізняє­ться від попереднього випадку. Схему такого кола, хвильову і век­торну діаграми напруг подано на рис. 1—19. Якщо порівняємо векторні діаграми на рис. 1—19 і рис. 1—16, то помітимо, що в пер­шому випадку загальна напруга відстає від струму, а в другому — випереджає його.

Загальна напруга для розглядуваного кола:

и = и_а + Uc = U_am sin Ш + U_Cmsin ίω* — — j = U_m sin(otf —φ). (1—67)

З трикутника напруг (рис. 1—19, в) можна знайти співвідно­шення, подібні до (1—56), а з трикутника потужностей — по­дібні до (1—62). Оскільки всі міркування і аналітичні ви­кладки для кола з активним опором і ємністю дуже подібні до кола з активним опором та індуктивністю, удруге їх не повторюватимемо, а перейдемо до розгляду за­гального випадку кола змінного струму з послідов­ним сполученням активно­го, індуктивного і ємніс­ного опорів.

		Ua	Uc
		I "I—	II.
	г с

І —10. ПОСЛІДОВНЕ СПОЛУЧЕННЯ АКТИВНОГО ОПОРУ, ІНДУКТИВНОСТІ І ЄМНОСТІ В КОЛІ ЗМІННОГО СТРУМУ.

РЕЗОНАНС НАПРУГ

Якщо в коло змінного струму і = I_m sin ωί послі­довно ввімкнути опори г,

X_l і Xe, то на цих опорах матимемо відповідні спади напруг U _а, U_l і Uc (рис.

1. 

   ес. Але оскіль- - e_L, Uc = —Єє',

   20). Для такого кола за другим законом Kipx- гофа можна написати: и + Sc = іг. звідки и =

= ir -e_L-

КИ U_l= -

^иа ~ ^то Рис. 1—19. Коло змінного струму з г і С:

ц — ц -X-U -\~ U_r П 68) а —схема кола; б — хвильова діаграма напруг;

^alL^ic*' ' в— векторна діаграма діючих значень напруг.

тобто миттєве значення прикладеної до кола напруги в будь-який момент часу дорівнює алгебраїчній сумі спадів напруг на дільни­цях кола.

Через те що струм у колі змінюється за гармонічним законом (для стаціонарного процесу), то й напруги на дільницях кола змінюються також за гармонічним законом. Тому на підставі (1—68) можна за­писати рівняння напруг:

U_am sin ωί + U_Lm sin

+ ~2 ] + Ucm sin (ωί 2

U_m sin (ωί + f). ' (1—69)

Як видно з (1—69), напруга на активному опорі збігається за фазою з струмом, на індуктивному опорі випереджає струм на кут 90°, а на ємнісному — відстає від струму на кут 90°. Загальна напруга випереджає струм на кут φ при умові, що X_l > Xe- У (1—69) амплітуда результуючої напруги дорівнює векторній сумі максимальних напруг на дільницях кола:

U_m = U_am + U _Lm + Uc_m,

або через діючі значення:

(1-70)

U = D _a + D_L + U_c.

Рис. 1—20. Коло змінного струму з послідовним сполученням r, X_l і X_c:

а — схема кола; б — векторна діаграма при X_l > Xq.

Рівняння (1—70) дає змогу побудувати векторну діаграму при X_L>Xc (рис. 1—20). Щоб дістати вектор результуючої

напруги U, спочатку знаходимо результуючу реактивну напругу U_l-U с, яку геометрично додаємо до вектора активної напруги U_a, З векторної діаграми маємо:

звідки

(1-71)

дeZ = Vr²+ (X_l- Xcf = У Г² + (ω£ — ^ — повний опір кола.

Рівняння (1—71) зображає закон Ома для кола змінного струму з послідовним сполученням опорів r_a, X_l і Xe-

U = VUl+{U_L - Ucf = V(IrY + (IX_l - IXcf = = IVr² + (X_l -Xcf,

На векторній діаграмі (рис. 1—20,6) ми маємо трикутник напруг, з якого можна скласти співвідношення

Ua

U "

IX,

г

~Z'

COS φ

U_r

U₁

Xl-Xc

(1-72)

Sin φ =

U tg«p =

и

/ · Z

^/х L -

/г

I/

-IXr

Рис. 1—21. Трикутник потужностей для кола з r, X_l і X_c.

де φ кут зсуву результуючої напруги відносно струму. Слід зазна­чити, що величина цього кута за­лежить від співвідношення опо­рів r, X_l і Xe. При сталому ак­тивному опорі величина кута ψ залежатиме лише від співвідно­шення реактивного і ємнісного опо­рів, а саме: якщо X_l > Xe, то кут φ > 0 і результуюча напруга випереджатиме струм. Якщо X_l <

< Xe, то кут φ < 0 і результуюча

напруга відставатиме від струму. При X_l = Xe кут φ = 0, тому результуюча напруга за фазою збігатиметься з струмом. У загаль-

2 1 2 ^<

йому випадку кут φ змінюється в межах від +γ до

<*<tJ

З трикутника напруг можна мати трикутник потужностей, по­множивши всі його сторони на величину струму (рис. 1—21).

З трикутника потужностей маємо:

(1-73)

активна потужність P = S cos <р = UI cos φ, реактивна потужність Q_l — Qe = S sin φ = UI sin ψ, повна потужність S — Iz^rP² + (Q_l — Q_c)² — UI.

JU г '

Резонанс напруг. Особливо цікавий випадок, коли в колі змін­ного струму з послідовним сполученням r, X_l і Xe Xl = Xe- При цьому U = U_c, а таке явище називається резонансом на­пруг. При резонансі напруг у колі буде найбільший струм, бо загальний опір його зменшиться і дорівнюватиме активному опору:

Z = Vr* + (X_l-Xe)²-= г, а / = ~ = ~

При відхиленнях від резонансних умов струм у колі зменшується, тому що до активного опору додається опір реактивний. Резонанс напруг можна дістати, змінивши одну з таких трьох величин: ін­дуктивність L, ємність C або частоту f. Частоту, при якій настає резонанс при певних L і С, знаходять з умови Xl = Xe-

X_l ~ ω£, = 2π/L;

Ylc’ ^,и 2τιΥlc'

Частота /₀ називається резонансною, або власного частотою електричного кола. Резонанс напруги настає, коли власна частота кола /₀ дорівнюватиме частоті сітки (вимушені коливання). При резонансній частоті в колі буде най­більший струм (рис. 1—22).

Потужність при резонансі напруг. З рівняння загальної потуж- Qcf маємо: S = Yц. _ry _|_ (PX_l -

ності S = VP²_a^jT (Q_l ■

I _

2TifC'

або f₀

(1-74)

1

1

CD₀L =

ω„

IⁱXcf

PVr²+ (X_l-Xcf- Оскільки при резонансі

то S=- Pr = IU_a = Р.

Отже, загальна потужність кола при резонансі напруг дорівнює актив­ній потужності. Кут φ між струмом і прикладеною напругою дорівнює нулю, а коефіцієнт потужності cos φ = 1.

Незважаючи на те, що реактивна потужність усього кола дорівнює ну­лю Ql — Qc- 0, потужності котушки і конденсатора існують, бо Xl Ф O і Xe Ф 0; Q_l = Qc = I²Xl = P Xe При цьому котушка і конденсатор обміню­ються енергією. Тим часом між котуш­кою і сіткою, а також між конденсатором і сіткою обміну енергією немає. З сітки надходить лише енергія, яка потрібна для покриття втрат в активному опорі.

На рис. 1—23, а зображено хвильову діаграму напруг і потуж­ностей, а на рис. 1—23, б векторну діаграму напруг при резонансі. Зауважимо, що при резонансі напруг на реактивних опорах можуть виникати небезпечні для ізоляції апаратури напруги, які переви­щуватимуть напругу сітки.

Рис. 1—22. Крива залежності струму в колі з послідовним спо­лученням r, X_L, X_c від частоти.

X_l=-Xc

Дійсно, U_l = Uc = XlI■> але / = —,

годі

а

Отже, напруга на котушці і конденсаторі буде більша від напру­ги сітки в стільки разів, у скільки разів їх реактивний опір буде більший від активного опору кола. Явище резонансу напруг вико­ристовують у стабілізаторах напруги, у радіотехніці та ін.

1—11. ПАРАЛЕЛЬНЕ СПОЛУЧЕННЯ АКТИВНОГО ОПОРУ, ІНДУКТИВНОСТІ І ЄМНОСТІ В КОЛІ ЗМІННОГО СТРУМУ. РЕЗОНАНС СТРУМІВ

Велике практичне значення має коло змінного струму з пара­лельним сполученням активного опору, індуктивності і ємності (рис. 1—24).

Вважатимемо умовно, що на окремих ділянках кола зосере­джено тільки активний опір г, індуктивний Хц і тільки ємнісний опір X_c. З рис. (1—24) видно, що прикладена напруга U = = U_m sin ωί однакова для всіх ділянок кола. За першим законом Кірхгофа для вузла алгебраїчна сума миттєвих значень струмів дорівнює нулю:

(1—76)

Σι = O або і — і_а + i_L + і_с.

Оскільки активний струм і_а збігається з напругою і_а — = Z_mSinto/, індуктивний струм Il відстає на , тобто Zl =

ємнісний струм іс випереджає напругу на

2 7-86 _

γ, i-с = ICm sin (ω* + yj , а загальний струм при Il> Ic відстава­тиме на кут ψ, і = /_msin(otf — ψ), то, підставивши в (1—76), мати­мемо:

Z_m Sin (ω* — φ) = I_am sin CO* + I_Lm sin (ω* — у) + Ic_m sin (со* + -jj ·

(1-77)

Рис. I—24. Коло змінного струму з паралельним з’єднанням r, X_l і X_c:

а — схема кола; б — векторна діаграма діючих значень струмів при I_L > 1_C(X_L < X _Су

Рівняння (1—77) графічно зображено на векторній діаграмі (рис. 1—24, б) при X_l < Xe. З трикутника струмів векторної діа­грами можна скласти важливі співвідношення:

I_a = I cos φ;

(1—78)

Il-Ic = I_p = I simp;

де I_p — результуючий реактивний струм.

Кут φ визначає величину зсуву фаз між загальним струмом і прикладеною напругою. Він залежить від співвідношення r, Xl і Xe. При сталому активному опорі r = const можливі три випадки:

1. При be > bL Il<Ic. При цьому кут φ > O і загальний струм випереджає напругу, тобто струм має ємнісний характер.

2. При be <b_L Il > І с· Тут кут ψ < О і загальний струм від­стає від напруги, тобто струм має індуктивний характер.

3. При be = b_L I_l= Ic- Кут φ = О, а результуючий струм збігається за фазою з напругою. Цей випадок розглянемо окремо.

У загальному випадку кут ψ змінюється в межах від + -5-

2 ’ 2*2 З трикутника струмів знайдемо трикутник провідностей, ско­ротивши кожну сторону його на величину напруги (рис.* 1—25), тобто

¹ а

V

(1-79)

S' — б> и

U . ^{1 1}

^bP' и ~ У~ z

де g, b і «/ — відповідно активна, реактивна і повна провідності кола. J

З трикутника провідностей маємо: ^

cos φ

J-; g = y cos ср;

(1-80)

у sin φ;

sin ψ = -E ; b_p

У = Ув^г + (Ь_ь-Ь_еГ = Уё* +

де bp = b_L — be — результуюча реактивна провідність.

Якщо у формулу (1 —80) підставити з (1—79) у = і з трикут-

. r . X .

ника опорів cos<p = -|-; sm <р то матимемо провідності, по­

дані через опори:

S= і Ь = £, (1-81)

AzX = X_l-Xc- повний реактивний опір кола;

Z = Yr² + X² — повний опір кола.

Оскільки г і ZHe можуть мати від’ємних значень, а X може бути більше і менше нуля, то з виразів (1—79) і (1—81) випливає, що g і у також не можуть мати від’ємних значень. Тим часом b при X >0 додатне, а при Х< 0 — від’ємне.

З виразів (1—79) і (1—81) також випливає, що тільки повний опір кола Z і повна провідність у є оберненими величинами, тоді як опір г і активна провідність g, а також реактивний опір X і реак­тивна провідність b не обернені величини, лише при X = 0 g = -ί

і при r = 0 b = ~ .

З трикутника струмів легко дістати трикутник потужностей (рис. 1—26), помноживши кожну його сторону на величину при­кладеної напруги. З трикутника потужностей матимемо вже відомі співвідношення (1—73), тобто формули потужностей при паралель­ному сполученні опорів такі самі, як і при послідовному.

Резонанс струмів. При паралельному сполученні активного, індуктивного і ємнісного опорів у колі змінного струму практичний інтерес становить випадок, коли в ньому однакові реактивні провідності: b_L = Ь_с. У цьому випадку будуть однаковими

І відповідні реактивні струми у вітках: I_l = I_c.

Такий режим у паралельному колі змінного струму, коли струми у вітках з реактивними опорами однакові, називається резонансом струмів. Ураховуючи, що при резонансі b_L = = be, повна провідність у = Yg² + (b_L — Ь_с)^г = g, а результуючий струм у колі / = Uy — Ug.

Отже, результуючий струм при резонансі визначається тільки активною провідністю. Але це не означає, що у вітках з індуктив­ним і ємнісним опорами (рис. 1—24) немає струму. По кожній з них І проходить струм, пропорційний провідностям віток:

I_l = U ■ b_L \ I_c = U ■ b_c, (1-82)

Ql-Qc=Q

О

Рис. 1—26. Трикутник потужностей Рис. I—27. Крива струму у функ- при паралельному з’єднанні г, X_l і X_c. ції частота при /,=Const₁ C=const.

але ці струми взаємно компенсуються як протилежні за фазою. Якщо в колі немає активного опору, тобто г = 0, то g = 0 і ре­зультуючий струм дорівнюватиме нулю: I = U- g = 0.

При цьому у вітках з індуктивним і ємнісним опорами ство­рюється ніби самостійне коло без зовнішнього джерела напруги. У колі відбувається коливальний процес, при якому струм підтри­мується без зовнішнього джерела. Але, якщо вимкнути зовнішнє джерело напруги, то цей процес швидко погасне, бо в колі завжди g > 0, тобто існує активна провідність, в якій витрачається активна енергія, і процес гасне практично за частки секунди.

На рис. 1—27 зображено криву результуючого струму залежно від частоти. Найменший струм у колі буде при резонансі, бо при цьому зменшується провідність (збільшується загальний опір). Резонансну частоту знаходимо з умови, що b_L = be, тобто

Практично резонанс струмів дістають, змінюючи індуктивність або ємність при постійній частоті джерела струму. Явище резо­нансу струмів широко використовують для підвищення коефіцієнта потужності.

Потужність при резонансі струмів. При резонансі струмів між генератором і колом проходитиме тільки активний струм,

який за фазою збігається з-напругою: I_a = U-g =■ —■ . Коефіці­єнт потужності при цьому cos <р = 1. Повіка потужність кола до­рівнює активній потужності: S = Ul_a = P.

Генератор і лінія електропередачі будуть повністю розвантажені від реактивного струму, що приводить до зменшення втрат енергії і до збільшення к. к. д. передачі. На рис. 1—28, а, б зображено хвильову діаграму струмів і потужності, а також векторну діагра­му струмів при резонансі.

1—12. ТЕХН1К0-ЕК0Н0МІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ КОЕФІЦІЄНТА ПОТУЖНОСТІ (cos φ) і СПОСОБИ ЙОГО ПІДВИЩЕННЯ

Основні споживачі електричної енергії (електричні двигуни, зварювальні апарати, дугові та індукційні печі, трансформатори) забирають активну і реактивну енергію струму; при цьому струм відстає за фазою від напруги. Активний струм іде на виконання

корисної роботи, реактивний — на створення електромагнітних полів. Тому електрична станція передає до споживачів як активну, так і реактивну енергію.

• Як відомо з попередніх параграфів, при активних споживачах (електричні лампи, електронагрівальні плитки, утюги, повністю завантажені двигуни тощо) струм збігається за фазою з напругою, коефіцієнт потужності дорівнює одиниці cos φ = 1. При реактив­ному навантаженні струм відстає або випереджає напругу на кут

• і коефіцієнт потужності дорівнює нулю: cos φ = 0.

Активна потужність P = UI cos φ пропорційна коефіцієнту потужності cos φ. При реактивному навантаженні cos φ = 0, тому активна потужність P = UI cos φ = 0.

' Реактивна потужність Q = UI sin φ найбільше значення матиме при sin φ = I, і в колі протікатиме струм І =·- . Але ко­рисна робота дорівнюватиме нулю. Отже, виходить, що за такої умови на електростанціях спалювалося б цінне паливо без ко­ристі. Це, зрозуміло, недопустимо. Але ми розглянули два крайні випадки. На підприємствах коефіцієнт потужності завжди біль­ший від нуля і коливається залежно від співвідношення актив­них і реактивних споживачів, від навантаження електродвигунів, трансформаторів тощо. Оскільки на практиці всі споживачі спо­лучають паралельно, то в колі завжди діятиме результуючий активний струм Σ/_α, результуючий реактивний струм ΣΙ_Ρ і за­гальний струм І, який з трикутника струмів дорівнює: І =

= У(£1_аУ + (Σ/_ρ7\

Поперечний переріз обмоток генераторів розраховують на за­гальний струм, який проходитиме по цих обмотках. Величина за­гального допустимого струму визначає при заданій напрузі вели­чину допустимої позірної потужності S, яку може видати в сітку генератор:

S = UI=U VWHfT(Щ². (1-84)

Тому на генераторах змінного струму і трансформаторах зазначено не активну, а позірну потужність у вольтамперах (ва) або кіло- вольтамперах (ква). Найбільша активна складова потужності гене­ратора залежатиме від величини коефіцієнта потужності спожи­вачів:

P P

P = UI cos φ і cos ф = — = -к · ^{т т} UI S

Чим вищий cos φ, тим краще використовується генератор станції, тим більше виконується корисної роботи на підприємствах, тим вищий к. к. д. станції і лінії електропередач. Коефіцієнт потуж-

ності споживачів вважають нормальним, якщо він лежить у межах 0,85—0,95. Коли він нижчий, то це означає, що підприємство пра­цює з недовантаженим електричним обладнанням і на нього накла_: дають штраф; при високому cos φ підприємства преміюють.

s Причиною низького cos φ є те, що двигуни, індукційні печі, трансформатори тощо працюють не на повну потужність. Дійсно, повністю завантажений двигун, індукційна піч тощо мають cos φ, близький до 0,85—0,9, тоді як при малих навантаженнях cos φ зни­жується до 0,2—0,4.

Підвищення cos φ на 5% у нашій країні дасть економію в міль­йони карбованців. Ось чому перед енергетиками поставлено велике завдання — повсякденно боротися за підвищення коефіцієнта по­тужності. Існують два основні шляхи підвищення cos φ.

1. Усі основні споживачі, які створюють активно-індуктивне навантаження (асинхронні двигуни, трансформатори, індукційні печі тощо), повинні працювати якнайдовше в повністю завантаже­ному режимі; не слід допускати роботи в холостому режимі. Якщо потужність, наприклад, двигуна велика і не може бути викори­стана, його слід замінити двигуном відповідно меншої потужності.

2. Штучне підвищення cos φ: а) установлення синхронних дви­гунів (компенсаторів), які в певному режимі роботи подають у сітку потрібний для двигунів і трансформаторів реактивний струм (див. розділ VII); б) вмикання паралельно споживачам батареї конденсаторів (з паперово-масляною ізоляцією), тобто створення режиму роботи кола, близького до резонансу струмів. Потрібну ємність такої батареї конденсаторів знаходять так.

Якщо коефіцієнт потужності до вмикання ємності був cos <p_lf який треба підвищити до cos φ₂ при заданій установленій потуж­ності P і напрузі U, то реактивна потужність без конденсатора

Qi = P tg φ_χ.

Реактивна потужність з конденсатором, що відповідає cos φ₂,

Q₂ = P tg φ₂·

Реактивна потужність конденсатора Qc = Qi— Qa = P(tg ψι —

• tg φ*)·

З другого боку, відомо, що реактивну потужність конденса­тора знаходять з формули: Q_c = Ulc = U — = U² = 2TzfCU².

A_c J_

соС

Прирівнявши праві сторони останніх двох рівнянь, знайдемо потрібну ємність:

^С==Щ7* (^tS — tg?*)· (1—85)

В умовах промислового підприємства споживана ним активна і реактивна потужності безперервно змінюються відповідно до режиму роботи підприємства. Це означає, що безперервно змі­нюється cos φ.

Для розрахунку за споживану енергію, ураховуючи cos φ, на підприємствах установлюють лічильники активної і реактивної енергії, за показами яких знаходять середнє значення cos φ за розрахунковий період часу, наприклад місяць, квартал і т. д.:

it

W_a = ^P-dt, W_p = ^Q-dt, 'ζξ = tgf. (1—86)

о

Знаючи tg φ, знаходять cos φ, за яким розраховують потрібну ємність для підвищення коефіцієнта потужності підприємства, якщо в цьому є потреба, або безпосередньо знаходять так званий коефі­цієнт потужності за формулою:

(cos <р)_Ср = . (1-87)

їй7_а

/(SiW⁷W'

1. 13. ІНДУКТИВНА КОТУШКА З СТАЛЬНИМ СЕРДЕЧНИКОМ У КОЛІ ЗМІННОГО СТРУМУ

У § 1—7 для кола змінного струму з індуктивністю ми не вра­ховували вплив сталі на величину індуктивності. Тим часом у фор- . г Swⁱ

мулу індуктивності L = μ -η- входить магнітна проникність μ, вели­чина якої для сталі значно більша, ніж для повітря, внаслідок чого коефіцієнт самоіндукції (при інших однакових умовах) і індуктив­ний опір X_l = ωί, для котушок з стальним сердечником значно більші, ніж для котушок без сердечника. Крім того, коли в ко­тушці є стальний сердечник, то коефіцієнт самоіндукції стає вели­чиною змінною, бо із збільшенням магнітної індукції змінюється магнітна проникність В (рис. 1—29). Додамо, що при наявності сердечника збільшуються й втрати енергії, тобто до втрат у міді додаються втрати у сталі на вихрові струми і гістерезис.

Оскільки котушки з стальним сердечником дуже поширені (електричні машини, трансформатори, електромагнітні реле), роз­глянемо їх докладніше.

Нагадаємо, що крива намагнічування феромагнітних матеріалів (рис. 1—ЗО) В = /(H) спочатку зростає приблизно прямолінійно, а потім стає майже горизонтальною. Це відповідає магнітному насиченню феромагнітного матеріалу. Якщо з певного моменту зменшувати струм намагнічування, то нові значення В будуть вищі від початкової кривої намагнічування (штрихова крива OA на рис. 1—ЗО). Коли струм намагнічування дорівнюватиме нулю, магнітна індукція не дорівнюватиме нулю — матеріал зберігає магнітні властивості. Ордината OB₀ (рис. 1—ЗО) називається з а- лишковою індукцією, або залишковим магне­тизмом.

Явище відставання зміни намагнічування від зміни намагнічую­чого струму або напруженості магнітного поля називається гісте­резисом.

Рис. 1—29. Крива намагнічування В = f (H) і крива магнітної проникності.

Від зміни напряму і величини струму в котушці крива намагні­чування замкнеться. Ця крива називається гістерезисною петлею. На дільниці B₀C петлі при зміні напряму струму від­бувається розмагнічування сер­дечника. У точці C залишко­вий магнетизм повністю зникає і при дальшому збільшенні струму створюється на­магнічування протилежного знака. Значення напруженості OC і OC' називається коер- цетивною (утримуючою) силою Н_к. Чим більша Н_к, тим більший залишковий магнетизм.

Цю властивість феромагнітних матеріалів використовують для виготовлення постійних магнітів.

Процес намагнічування докладно вивчив російський учений проф. А. Г. Столетов. З 1871 р. його випробування і висновки лягли в основу розрахунку електричних апаратів, магнітні кола яких виконані з феромагнітних матеріалів (залізо, сталь, нікель, кобальт

і сплави: магніко, пермалой та ін.). Так, у звичайній вуглецевій сталі B_iy — 0,95 тл, H_k = 4000 аім. У сплаві магніко з заліза, нікелю, алюмінію, кобальту і міді, що йде на виготовлення постійних магнітів, B_ts =

• 1,33 тл і H_k = 46000 аім. Це так зва­ний магнітотвердий матеріал.

В електричних машинах і апаратах змінного струму створюється змінний маг­нітний потік, який, перетинаючи сердеч­ник, збуджує в ньому вихрові струми. Ці струми можуть нагріти сердечник так, що нормальна робота машини стане немож­ливою. Щоб зменшити втрати енергії на Рис. 1—30. Гістерезисна вихрові струми, застосовують спеціальні петля. сталі (з добавкою кремнію 4,8%) з вели­

ким питомим опором і, крім того, сердеч­ники виготовляють з тонких листів сталі (0,3—0,5 мм), ізольо­ваних один від одного. У магнітопроводах з феромагнітного мате­ріалу внаслідок гістерезису при перемагнічуваннях витрачати­меться певна енергія на знищення залишкового магнетизму. Втрати на гістерезис за один цикл визначаються площею гістерезисної петлі. Щоб зменшити втрати на гістерезис, застосовують спеціальні

сплави з малим Н_к. Наприклад, для вуглецевої сталі з добавкою кремнію H_k = 32—48 а/м, а для сплаву пермалою з заліза, нікелю, молібдену та ін. H_k — 0,32 а/м. Це так звані магнітом’які матеріали.

На рис. 1—31 зображено котушку з числом витків w і замкне­ний магнітопровід (сердечник), на стержні якого закріплена ця котушка. Котушка електрично ізольована від сердечника. Якщо до кінців котушки підвести змінну синусоїдальну напругу и = = U_m sin со/, то по ній піде струм І, який створить намагнічуючу

Рис. 1—31. Котушка з стальним сердеч­ником.

силу (н. с.) F = / · w. У свою чергу н. с. створить змінний синусоїдальний магнітний по­тік. Основна частина ліній потоку замкнеться по сердеч­нику і створить основний магнітний потік Ф. Друга частина потоку, звичайно значно менша, замикається (частково або повністю) по повітрю безпосередньо нав­коло витків котушки. Ця частина потоку називається потоком розсіюван- н я Ф₈. Чим більший опір магнітопроводу для основного потоку, тим більшим буде потік розсіювання. Основний потік, перетинаючи витки котушки, створює в ній е. р. с., миттєве зна­чення якої залежить від швидкості зміни цього потоку:

Якщо потік змінюється за синусоїдальним законом Ф = = Ф_т sin со/, то

е ₌ —W = ахюф_т sin (со/ — —j = £_m sin (со/ — ~j, (1—88)

де E_m = (awФ_т.

Переходячи до діючого значення, матимемо:

^Е==Щ ^{= 2}П^{хюФт = 4}>⁴⁴^^ф- (¹-⁸⁹)

З (1—88) видно, що е. р. с., яка створюється основним потоком, відстає від нього на кут 90°. Потік розсіювання Ф₅ створює у вит­ках котушки е. р. с. розсіювання E_s, про що докладніше буде далі. При проходженні струму по котушці на її активному опорі г буде спад напруги I r = U_a. Оскільки е. р. с. розсіювання E_s і спад

напруги на активному опорі U_a порівняно з прикладеною напругою незначні (менше 0,5% від U), тимчасово виключимо їх із розгляду і спинимося лише на основних фізичних процесах, які виникають у котушці з сердечником при змінному струмі. При цих умовах за другим законом Юрхгофа дляфозглядуваного кола можна запи­сати U + E = 0, або U = — Е.

Рис. I—32. Векторна діаграма котушки з сердечником при Ф₅ = 0 і г = 0.

Е. р. с. E в котушці, яка створюється основним потоком Ф, зрівноважується прикладеною напру­гою (рис. 1—32).

U
V"	"І	Ф
	V
£ Рис. 1—33.	Векторна	діаграма

котушки з сердечником з ура­хуванням втрат на гістерезис і вихрові струми при г = 0.

Струм /, який створює магнітний потік Ф, у цьому випадку збігається з ним і називається намагнічуючим струмом. Треба підкреслити, що амплітуда цього струму і форма кривої залежать від ступеня насичення ста­лі. Поки сталь ненасичена, збері­гається пропорційність (приблизна) між індукцією в сталі і намагнічую­чим струмом (рис. 1—29). При наси­ченні сталі магнітна індукція майже не змінюється. Таким чином, якщо основний потік, а отже, і індукція в сердечнику ЗМІ НЮЄТЬСЯ синусоїдально, I_c то при ненасиченій сталі крива стру­му буде синусоїдальною.

Величина спотворення форми кривої струму буде тим більша, чим більше насичена сталь. Важливою особли­вістю такого кола є те, що в котушці розсіюватиметься енергія на покриття втрат у сталі на гістерезис і вихрові струми, навіть коли активний опір обмотки дорівнює нулю: г = 0. Це так звані активні втрати в сталі.

Тому загальний струм / (див. рис. 1—33) складається з активної складової I_cnu яка збігається за фазою з напругою, і реактивної складової/_μ, яка збігається за фазою з основним потоком Ф.

З векторної діаграми (рис. 1—33) знаходимо:

"I_cm = I cos φ = / sin δ, /_μ = I sin ψ = I cos 8,1 =y I^t_cm + if, (1—90)

де δ — кут магнітного запізнення, або кут втрат у сталі, величина якого залежить від активних втрат у сталі.

Знаючи загальний струм І, векторну діаграму (рис. 1—34) бу­дують так. Під кутом ~ від основного потоку Ф проводимо вектор

e. p. с. t, яка наводиться у витках котушки цим потоком. Напруга U' = — E зрівноважує е. р. с. і перебуває у протифазі з Е. Від кінця вектора U' паралельно напряму струму / відкладаємо спад напруги на активному опорі котушки Ir. У напрямі струму прово­димо потік розсіювання Ф₅, який наводить е. р. с. розсіювання E_s,

що відстає від Ф₈ на кут у. Е. р. с. розсіювання зрівноважує

напруга розсіювання U_s = IX_s, яка перебуває з нею у протифазі. Тому до вектора U_a додається U_s і утворюється вектор прикладеної напруги сітки U. Таким чином, вектор прикладеної напруги

U_s = IX_s

U₀=It

U = —E -f- U_a — — В -j- I rlXs· (I—91)

U=-E

Рис. 1—34. Векторна діа­грама котушки з сердеч­ником при г Ф Oi Φ₅=£ 0.

Щоб розглянути вплив гістерезису на форму струму, побудуємо гістерезисну петлю В = f(i) (рис. 1—35) і за нею визначимо всі значення струму в котушці (це ми можемо зробити, оскільки струм пропорційний напруженості Н). Через те що магнітна індукція пропорційна потоку 5 = Ф, який змінюється синусоїдально, Ф = ф_т sin at, побудуємо хвильову діаграму індукції В = f(t), яка буде та­кож синусоїдою. Побудова од­нієї з точок кривої струму для індукції В = ab на рис. 1—35 зображена пунктирними лініями з стрілками. Величину магніт­ної індукції В = ab переносять на гістерезисну петлю (&'), за нею визначають величину стру­му оа', яку переносять на вісь ординат у точку C і далі в точку C'. Отже, величина струму ас' відповідає магнітній індукції ab. Анало­гічно будують і всі інші точки кривої струму.

Як бачимо з рис. 1—35, потік відстає за фазою від струму, а сам струм є несинусої дальним. Несинусоїдальний струм, а також несинусоїдальну е. р. с. можна розкласти в ряд Фур’є, який складається з суми синусоїд з час­тотами, кратними основній частоті ω, які називаються г а р м о-

н і к а м и:

-ψι) +

+

(1-92)

і — іо + і і + Іг + із + · · · + ik ⁼ Io ~l· Iim ^s^ⁿ (^ω^ + hm ^sin (2ω* + ψί) + I_3m sin (3ω* + ψ₃) + · ■ ■ + /_Amsin (&ο/ + ψ_Λ),

Д^е hmi hm, ... — амплітуда гармонік; ψ_χ, ψ₂, ... — початкові фази гармонік; I₀ — стала складова.

Із загального виразу для діючого значення струму / =

/~ТГ~

= Ί / -ψ I i²dt можна написати діюче значення несинусоїдаль-

ного струму, який дорівнює кореню квадратному з суми квадра­тів діючих значень окремих гармонік:

' “ Vl\ + 1\ + I\ + I\+ ■■ +Il (1-93)

Відношення ~ = δ називається коефіцієнтом спотво­рення.

Рис. 1—35. Вплив гістерезису на форму кривої струму в котушці з сердеч­ником.

У ряді можуть бути відсутні окремі гармоніки. Розклад неси- нусоїдальної е. р. с. або струму може бути практично достатньо точним, якщо взяти кілька найістотніших членів ряду. Для роз­глядуваного випадку несинусоїдальний струм (рис. 1—35) можна замінити першою, третьою, п’ятою і сьомою гармоніками (рис. 1—36). Щоб знайти значення несинусоїдального струму, досить у будь- який момент часу алгебраїчно додати значення струмів усіх гар­монік. Оскільки на векторних діаграмах зображають тільки сину­соїдальні величини, то для зображення несинусоїдальної величини умовно її можна замінити еквівалентною синусоїдою, діюче значення якої дорівнює діючому значенню несинусоїдального струму.- Еквівалентна синусоїда струму повинна так розміщатись відносно синусоїди напруги сітки, щоб середня потужність кола за один період

т

P = Y^uidt

о

дорівнювала потужності, яка визначається за формулою

P = UI cos φ,

де І — діюче значення еквівалентного струму.

Рис. 1—36. Розклад несинусо­їдального струму на ряд синусо­їдальних гармонік.

Використавши поняття еквівалентної синусоїди, можна засто­совувати векторні діаграми для кіл із стальним сердечником.

Активна потужність втрат в об­мотці котушки (втрати в міді)

(1-94)

Pu = /V*.

Якщо нехтувати незначними спа­дами напруг U_a і Us (рис. 1—34), то U = -E, тоді активна потужність втрат у сталі на гістерезис і вих­рові струми буде

Pcm = Pa + Pe = UI cos ψ = UIsmb.

(1-95)

Повна активна втрата в котушці з сердечником

r. + f

— г/

², (1—96)

P = P_m +P_cm= І²г_к +UI Sinb =

де г_к — активний опір котушки без сердечника; г — активний опір котушки з стальним сердечником, який складається з активного опору обмотки котушки т_к і активного опору, зумовленого втра­тами потужності P_cm в сталі магнітопроводу:

(1-97)

Практично втрати в сталі на гістерезис і вихрові струми відно­сять до одного кілограма сталі (вт/кг); для різних марок сталей їх визначають експериментально і подають у довідниках.

Для прикладу наводимо табл. 1—1.

Втрати в сталі на гістерезис і вихрові струми можна підрахувати за такими емпіричними формулами при індукції B_m > 1 тл:

P_e = 0,Ob_e /²B_m [вт/кг], P_e = O₁Ola_e f²B_m [вт/кг],

де f — частота перемагнічування; а_е — коефіцієнт, що залежить від сорту сталі і дорівнює 3,0—4,4; а_в — коефіцієнт, що залежить від товщини листів та сорту сталі і дорівнює 0,6—5.

Таблиця 1—1

Втрати на гістерезис і вихрові струми в листовій електротехнічній сталі

	Товщина	Втрати в	ет/кг при
Марка сталі	листа в мм	індукції в тл
	при f = 50 гц	1	1,5
Э1 (слабколегована з добавкою крем­	0,5	3,6.	8,6
нію до 1,5 %)
34 (високолегована з добавкою крем­	0,5	1,8	3,9
нію до 5%)	0,35	1,45	3,4

З таблиці і формул видно, що втрати в листової сталі залежать від частоти перемагнічування, магнітної індукції і товщини листів. У практиці для зменшення втрат сталі збільшують електричний опір магнітопроводу, застосовуючи високолеговані листові сталі (з добавкою кремнію до 5%). Листи завтовшки 0,35—0,5 мм для частоти f = 50 гц ізолюють лаком.

Розділ II

г

БАГАТОФАЗНІ (ТРИФАЗНІ) СИСТЕМИ ЗМІННОГО СТРУМУ

2. 1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Багатофазною системою змінного струму називають сукупність кількох електричних кіл, в яких діють електрорушійні сили однакової частоти, зсунуті за фазою одна відносно одної. Най­простіший багатофазний генератор за будовою нагадує однофазний, з тією відмінністю, що він має кілька обмоток (фаз), осі яких зміщені одна відносно одної на певні кути. Обертаючи з сталою кутовою швид­кістю в однорідному магнітному полі таку систему з т обмоток, матимемо m-фазний генератор. Усі е. р. с., індуковані в обмотках, будуть зміщені за фазою на кути, що дорівнюють кутам між осями обмоток.

Багатофазну систему синусоїдальних е. р. с. (або струмів) називають симетричною, якщо всі е. р. с. (або струми)"однакові за величиною і кожна еГр. с. (або струм)_ивідстає (або випереджає) за фазою від попередньої е. р. с. (або струму) на однаковий кут. Якщо не задовольняються ці умови, то система е. р. с. (або струмів) несиметрична.

Багатофазну систему електричних кіл називають незв’язаною (див. рис. 2—2), якщо кола, які утворюють цю систему, не сполучені електрично між собою. Якщо ж кола електрично сполучені, то ба­гатофазну систему називають з в’я з а н о ю (див. рис. 2—3). На практиці більше поширена зв’язана система. Зв’язані багатофазні системи називають бага­тофазними колами. Багатофазні кола, в яких загальні опори всіх фаз однакові, називають симетрич­ними; якщо опори неоднакові, то багатофазні кола несиметричні.

Кожна обмотка генератора має два кінці, один з яких називають початком обмотки, а другий — кінцем. Вибір початків і кінців обмоток взагалі довільний. Але в багатофазних генераторах доцільно називати початками і кінцями відповідні, симетрично

розміщені, кінцеві точки обмоток. У такому разі система е. р. с. буде симетричною, якщо до цього умовно вибрати напрям усіх е. р. с. від початків до їх кінців або навпаки — від кінців обмоток до їх початків.

Найбільш поширеною багатофазною системою є трифазна система змінного струму, основоположником якої є видатний російський інженер-електрик М. Й. Доливо-Добровольський (1862—1919).

Системою трифазного змінного струму називається сукупність трьох струмів однієї частоти, які проходять по трьох колах під

дією трьох е. р. с., зсунутих за фазою на ^ періоду, або на 120

Рис. 2—1. Добування трифазного змінного струму: а—модель трифазного генератора; б — хвильова діаграма синусоїдальних е. р. с.

в котушках.

електричних градусів. Основною перевагою трифазної системи перед однофазною є те, що вона забезпечує передачу і розподіл енергії з меншими втратами і з меншою витратою проводів. Крім того, три­фазна система дає можливість створювати обертове магнітне поле, що використовується в двигунах трифазного струму, які мають безперечні технічні і техніко-економічні переваги перед однофаз­ними двигунами.

Вироблення трифазного змінного струму розглянемо на моделі трифазного генератора (рис. 2—1, а), подібного за будовою до одно­фазного.

У полі електромагніту міститься стальний циліндр-ротор, на поверхні якого укріплені три однакові обмотки (фази) з початками А, В, C і відповідними кінцями X, Y, Z. Обмотки зсунуті в просторі

2it . g. 360° одна відносно одної на кут ^ радіан, або електричних граду­сів, де р — число пар полюсів у генераторі.

2к

При одній парі полюсів (рис. 2—1, а) цей кут дорівнює = 120°.

Якщо ротор обертати рівномірно з кутовою ШВИДКІСТЮ CD проти руху годинникової стрілки, то в котушках наводитимуться синусоїдальні

е. р. с. з однаковими частотами і амплітудами, але зсунуті за фазою

2π

на кут -ji утвориться симетрична система е. р. с., що можна за­писати так:

е_А = E_m sin ωί,

(2-1)

е_в = E_m sin (ωί — ~j,

ес ■

E_m sin (со/-у).

Зміну e. p. с. з часом графічно зображено на рис. 2—1, б. Якщо замкнути всі три фази через однакові за величиною і характером споживачі (рис. 2—2) Za = Z_b = Zc = Z = г, то дістанемо незв’я- зану трифазну систему кіл, по яких проходить симетрична система

Рис. 2—2. Незв’язана трифазна система.

струмів іа = ів — іс, які аналітично можна виразити рівняннями: іа = I_m sin ωί,

2π

(2-2)

4it\

-Tj-

ів = I_mSin ωί — _т ,

ІС = Z_mSinjw/

Графічно ці струми зображають подібно до е. р. с. Як видно з рис. 2—2, для передачі енергії потрібно шість проводів. Для ство­рення зручнішої і вигіднішої трифазної системи кінці обмоток гене­ратора і споживачів електрично сполучають зіркою або три­кутником, причому спосіб сполучення обмоток генератора не вирішує наперед способу сполучення споживачів.

Сполучення обмоток генератора зіркою вважають таким, коли всі початки або кінці обмоток мають одну спільну, так звану ней­тральну (або нульову) точку (рис. 2—3). Зв’язок між генератором і споживачами здійснюється електричними проводами,

що йдуть від кінців усіх обмоток, а іноді і від нейтральної точки генератора. Провід, що йде від кінця обмотки генератора до спо­живача, називається лінійним, а· той, що йде від нейтральної (або нульової) точки,— нейтральним (або нульовим) проводом.

При сполученні обмоток генератора багатокутником (трикутником) початок обмотки кожної фази сполучають з кінцем обмотки наступної фази (див. рис. 2—12). Зв’язок генера­тора з споживачами здійснюється лінійними проводами, що вихо­дять із спільних точок обмоток генератора.

Е. р. с., що індукується в обмотках генератора, напруги на затискачах цих обмоток, і струми, що проходять по них, нази­вають фазними е. р. с. (вф, Еф), напругами («ψ, L/φ) і стру­мами (іф, Іф), а напруги між сусідніми лінійними проводами і струми, що проходитимуть у них, — лінійними напругами (и_л, U₄) і струмами (і_л, 1_Л).

Сполучення споживачів зіркою і багатокутником виконують аналогічно до відповідних сполучень обмоток генератора. Визна­чення фазних і лінійних напруг і струмів для споживачів зали­шаються такими самими, як і для генераторів.

Надалі умовимось у багатофазній системі кіл струми напрям­ляти так, щоб всі лінійні струми були напрямлені до споживачів (рис. 2—3), а фазні струмив сторонах багатокутника (див. рис. 2— 12)— проти руху годинникової стрілки. Фазні струми в променях зірки споживачів сходитимуться в нейтральній точці. Резуль­туючий струм і₀ по нейтральному проводу піде до нейтральної точки генератора.

Напрями всіх е. р. с. і напруг відповідатимуть напрямам від­повідних струмів.

На рис. 2—3 зображена схема сполучення зв’язаної трифазної системи зіркою. Якщо система симетрична, то діючі значення е. р. с. усіх фаз однакові між собою: Ea = E_b = Ec = Еф і зсунуті під кутом 120° одна відносно одної. При однаковому навантаженні всіх фаз будуть рівні між собою і фазні напруги:

УфА— Uфв= ифС= ί/φ.

Діючі значення лінійних напруг дорівнюють геометричній різниці двох фазних напруг:

δ

Рис. 2—4. Векторна діаграма напруг при з’єднанні зіркою.

'в

(2-3)

Побудувавши векторну діаграму фазних напруг, дуже легко знайти напрям і величину вектора лінійної напруги (рис. 2—4). Як видно з векторної діаграми, вектори лінійних напруг випере­джають відповідні фазні напруги на кут 30°. Опустивши перпен­дикуляр з вектора Ua на вектор Uab, легко знайти співвідношення між лінійною і фазною напругами:

4-^лв= ^^cos3q0-. U_ab = Vzu_a або и_л = уги_ф.

У загальному випадку співвідношення між лінійною і фазною напругами знаходять так (рис. 2—4, б):

Звідси випливає, що лінійна напруга залежно від кількості фаз різко змінюється. Так, при т = 2 U_a- 2U _ф, при т = 3 U_a =

= VbUф, при т- 6 U_a — ϋ_φ і т. д.; інакше кажучи, із збіль­шенням числа фаз при U^ = const, лінійна напруга зменшується. Крім того, збільшення числа фаз (більше трьох) веде до усклад­нення машин і всіх пристроїв. У сучасній електротехніці шести-

і дванадцятифазний струм застосовують для живлення ртутних випрямлячів.

При сполученні зіркою лінійні струми і_Аа, I_ba і I_ca дорівню­ють відповідним фазним І _Аф, І_Вф, І_Сф, а струм у нульовому про­воді I₀ дорівнює геометричній сумі діючих значень усіх фазних

струмів: I₀ = 1_Аф + ~івф + ісф = /ал +^&і + їсл-

У випадку симетричного навантаження всі струми будуть од­накові між собою, а їх геометрична сума дорівнюватиме нулю

(рис. 2—5): 7„ = І_Аф + Івф + ісф — 0. У такому випадку нульо­вий провід можна не застосовувати.

Симетричне навантаження створюють асинхронні двигуни, три­фазні ртутні випрямлячі тощо. Але на практиці важко додержати симетричного навантаження, тому нульовий провід застосовують обов’яз­ково, але його переріз беруть мен­шим, ніж переріз лінійного проводу, оскільки по ньому йде результую­чий струм, який завжди менший від лінійного.

Слід зауважити, що на схемах усі струми та е. р. с. позначають так, як на рис. 2—3. Насправді всі три елек­трорушійні сили і струми не можуть . <

мати той самий знак, тобто не можуть ^Рис· ^2—5· ^ВектоР^на діаграма ^ . ^J симетричних струмів при з ед-

бути напрямлені одночасно до почат- _на£_ні споживачів зіркою, ків або до кінців фаз. Частина е. р.с.

і струмів у певний момент часу (див. рис. 2—1, б) має один напрям, а частина — інший. Сума е. р. с. або струмів фаз у будь-який момент часу дорівнює нулю. Якщо всі споживачі однакові і становлять активне навантаження, то фазні струми збігатимуться за фазою з відповідними фазними напругами (рис. 2—6). При активно- індуктивному навантаженні фаз вектори струмів відставатимуть на відповідні кути φ від фазних напруг (рис. 2—7), а при активно-ємнісному навантаженні струми випереджатимуть фазні напруги. При несиметричному навантаженні у фазах будуть різні струми. Це призводить до так званого «перекосу фаз»,’ що негативно впливає на роботу генератора. Тому на практиці нама­гаються навантажувати всі фази приблизно рівномірно.

,(Див

/‘ якц^йс. 2—4) можна добудувати так звану ЛІ’тз^к> Ik перенести вектори лінійних напруг

• ,.- ^ вони сполучали відповідні вектори H Cu· У б). Сторони рівнобедреного трикут-

K »

міститься нульова

J вектал^нтрі трикутника W И фазних напруг.

фазних напруг.

^abS.	JА
	V
3 .і І ЗІ	/ ^bc ,

Jj_ffM на^

Л) Д^ля Ijj¹Vr і Рис. 2—7. Векторна діаграма напруг і

^liHo- струмів для рівномірного активно-ін- # >401°· фаз дуктивного навантаження фаз при

H'f дьова з’єднанні зіркою (до схеми рис. 2—3),

(4рИЧНоЛ>чка зміщуватиметься від центра три- fi* фазні Ij¹V навантаженні і відсутності нульо- ⁱI ₎₈ иаі% ^Пруги без нульового проводу можуть ^ii, ^ra буде на тій фазі, де більший опір

^сп\

⁽> -' рвачів зіркою без нульового проводу: °Чографічна діаграма при Zji_i < Zq = Zq.

Так, якщо на рис. 2—8, a Z_a < Z_b = Z_c, то на топографічній діаграмі напруга на фазі Л буде менша від двох інших (рис. 2—8, б). При Z_a = со (обрив кола фази А) і Z_b = Z_c напруга на фазі А стає значно більшою, ніж на двох інших (рис. 2—9), а нульова точка лежить на самому лінійному векторі напруги U_bc.

Рис. 2—10. Топографічна діа­грама при Ζ_ΑΦΖ_ΒΦ Z_c (до схеми рис. 2—8).

Рис. 2—9. Топографічна діа­грама при Z_a= оо і Z_b = Z_c (до схеми рис. 2—8).

У загальному випадку при несиметричному навантаженні, коли Z_a Ф Z_b Ф Z_c фазні напруги прямо пропорціональні опорам

а — схема з'єднання; б — топографічна діаграма.

Рис. 2—11. З’єднання споживачів зіркою без нульового проводу при Z_a = 0; Z_b — Z_c.

і нульова точка займає певне положення (рис. 2—10). Нарешті, при Z_a = O і Z_b = Z_c (рис. 2—11, а) напруга на фазі A U_a = 0, але на інших фазах вона досягає лінійної напруги (рис. 2—11,6). Таким чином, при несиметричному навантаженні фаз без нульо­вого проводу напруга на фазах різко змінюється і може бути значно вищою, ніж розраховані споживачі (лампи розжарювання, радіоприймачі, однофазні двигуни тощо), що призведе до їх псу­вання. Якщо ж у схемі нульовий провід є, то такого перекосу фазних напруг не буде, по нульовому проводу проходитиме

результуючий струм, і фазні напруги будуть однаковими (нехтуємо власним опором нульового проводу).

Отже, нульовий провід, по-перше, дає змогу діставати крім лінійної напруги ще й фазну, а по-друге, перерозподіляє фазні напруги, підтримуючи їх однаковими незалежно від наванта­ження. Це є однією з причин того, що в нульовому проводі не став­лять запобіжників.

2. 3. З’ЄДНАННЯ ТРИФАЗНОЇ СИСТЕМИ ТРИКУТНИКОМ

При сполученні трифазної системи трикутником як обмотки генератора, так і споживачі сполучають послідовно, утворюючи замкнені трикутники фаз генератора і споживачів (рис. 2—12).

C

і В

Рис. 2—12. З’єднання трифазної системи трикутником.

У замкненому контурі генератора діятимуть е. р. с. кожної фази, сума миттєвих значень яких дорівнює нулю, оскільки вони рівні за величиною і зсунуті за фазою на 120° (рис. 2—13).

£

Рис. 2—13. Векторна діаграма діючих значень е. р. с. при з’єднанні обмоток генератора трикутником.

Звідси випливає, що в замк­неному контурі ABC генератора при відсутності навантаження ніякого струму не буде. Три­кутник споживачів приєднують до генератора трьома лінійними проводами. Напруга між ліній­ними проводами дорівнює на­прузі на фазі генератора. Отже, при сполученні трифазної сис­теми трикутником лінійна на­пруга дорівнює фазній:

U_a = U₄,. (2-5)

ЛІНІЙНІ струми І А, І В, Ic He дорівнюють фазним іав, івс, Ica-

За першим законом Кірхгофа алгебраїчна сума миттєвих значень струмів для кожної з вершин А, В і C трикутника споживачів дорівнюватиме нулю: і_А + і_СА — і_АВ = 0» звідки лінійний струм дорівнює різниці двох суміжних фазних струмів:

"CA’

А ~ ¹AB

-вс

AB^y

(2-6)

(2-7)

Рис. 2—14. Векторна діаграма напруг і стру­мів для активного рівномірного навантаження фаз при з’єднанні трифазної системи трикут­ником.

Легко побачити, що алгебраїчна сума всіх лінійних струмів у будь-який момент часу дорівнює нулю. Замінюючи алгебраїчну суму миттєвих значень геометричною сумою ді­ючих значень векторів струмів, дістанемо:

I A = IAB — ІСА', Ib= Ibc — І ав', Ic = Ica — І вс·

Геометрична сума всіх векторів лінійних струмів також дорівнює нулю. Векторну діагра­му напруг і струмів для активного рівномірного навантаження фаз при сполученні трифазної системи трикутником зображено на рис. 2—14.

Як видно з рис. 2—14,

вектори фазних струмів збігаються за фазою з відповідними напру­гами, однакові за величиною і зсунуті під кутом 120°. Вектори лінійних струмів I a, Ib і Ic відстають за фазою від фазних стру­мів на кут 30°. Якщо лінійні струми перенести паралельно самим собі так, щоб вони сполучали кінці векторів фазних струмів, то дістанемо топографічну діаграму струмів (на рис. 2—14 показано пунктиром), подібну до топографічної діаграми напруг при сполу­ченні зіркою.

З векторної діаграми (рис.’2—14) легко дістати співвідношення між лінійними і фазними струмами: ~ I_a = 7^_Bcos30°, звідки I_a = Yb і ав, або І_л = ]/3 Іф-

дістати з формули для

Це саме співвідношення багатофазної системи: I_a = 2L

можна

π

, sin — при т = З І_л = |/3 І_ф. При

нерівномірному навантаженні фаз, коли Zab Ф Zbc Ф Zca, фазні струми будуть неоднаковими. Лінійні струми також будуть різні і визначаються різницею суміжних фазних струмів. Векторну діа­граму для нерівномірного активного і активно-індуктивного на­вантажень фаз зображено на рис. 2—15, а і б.

Як видно з рис. 2—15, при нерівномірному навантаженні фаз струми неоднакові; це створює «перекіс фаз», що призводить до ненормальної роботи генератора.

Рис. 2—15. Векторні діаграми нерівномірного наван­таження фаз при з’єднанні трифазної системи трикут­ником:

а —■ нерівномірне активне навантаження; б — нерівномірне активно-індуктивне навантаження.

Тому в практиці сполучення споживачів трикутником застосо­вують здебільшого для симетричного навантаження (трифазні дви­гуни тощо). При наявності «перекосу фаз» його вирівнюють, пере­розподіляючи навантаження між фазами.

Струми у фазах і кути зсуву фаз при сполученні трифазної сис­теми трикутником можна описати такими рівняннями:

U

X

AB

AB , '-AB ’

IAB

^lAB

(2-8)

AB

^rAB

^cos Vab = ; ^tS 9лв

AB

Для інших фаз співвідношення знаходимо аналогічно. Лінійні струми знаходимо з рівнянь (2—7).

Порівнюючи сполучення обмоток генератора трикутником із сполученням зіркою, можна побачити, що в двох генераторів з одна­ковими лінійними напругами легше' ізолювати фазні обмотки при сполученні їх зіркою, тому що на фазу припадає в раз менша напруга, ніж при сполученні обмоток трикутником. Тому на прак­тиці частіше застосовують сполучення обмоток генератора зіркою.

Нагадаємо, що потужність для однофазного змінного струму дорівнює добутку струму, напруги і коефіцієнта потужності:

Рф = ΙΙφΙφΖ os?.

Потужність трифазної системи складається з суми трьох фаз­них потужностей: P = Р_фА -І- Рфв + Р_Фс-

Для симетричної системи напруг і струмів активну, реактивну і повну потужність дістанемо з рівнянь:

P = 3ІІфІф cos ψ, j

Q = 3и_фІ_ф sin γ, > (2—9)

s =,3и_фі_ф = ур* + о\ J

де і/ф і Іф — діючі значення фазних напруг і струмів;

φ —кут зсуву між фазною напругою і фазним стру­мом.

Потужність трифазної системи можна подати через лінійні значення напруг і струмів, якщо врахувати, що при сполученні

и,

зіркою ϋφ = -JZZ; Іф — І/, а при сполученні трикутником ϋφ — V з

• U_a- Іф = . Тоді

P = YbUJj_t cos ср,

(2-Ю)

Q = V3 UJ_j sin ψ,

S = Vb UJ_m

де U_a і і_л — діючі значення лінійних напруг і струмів.

Таким чином, незалежно від способу сполучення (зірка чи три­кутник) вирази для потужностей залишаються тими самими. За­уважимо, що хоч потужності при сполученні зіркою і трикутником і рівні, проте при сполученні того самого споживача спочатку зір­кою, а потім трикутником споживана потужність збільшиться в три рази, тому що /_лД = 3/_Л/Д_ч. Для m-фазної симетричної системи вирази для потужностей аналогічні:

P = ти_фІф cos φ; \

Q = тЦфІф sin φ; | (2—11)

S = тифІф. і

Слід зазначити, що в симетричній трифазній системі сума мит­тєвих значень потужностей фаз не змінюється з часом (тобто немає

пульсації потужності середнього значення, як у випадку однофаз­ного змінного струму), а залишається сталою. Дійсно, якщо додамо миттєві значення потужностей (див. 1—58) кожної фази, то сума пульсуючих складових потужностей дорівнюватиме нулю, оскільки в них амплітуди рівні і зсунуті під кутом 120° одна відносно одної.

Таким чином, при додаванні потужностей трьох фаз залишається лише сума трьох рівних між собою сталих складових:

P = Pa + Pb + Pc = ЗУфІф cos ψ_φ = ]/3 UJ_jl cosfj,. (2—12)

Система, потужність якої не змінюється з часом, називається зрівноваженою системою, на відміну від незрівнова- ж е н о ї, потужність якої змінюється з часом.

Окремий випадок зрівноваженої системи є симетрична трифазна система.

2. 5. ОБЕРТОВЕ МАГНІТНЕ ПОЛЕ ТРИФАЗНОГО СТРУМУ

Однією з великих переваг трифазного змінного струму є можли­вість створення обертового поля, яке широко використовується в двигунах змінного струму і деяких вимірювальних приладах.

Обертове магнітне поле створюється трифазним змінним стру­мом, який проходить через три однакові котушки (рис. 2—16, а), роз­міщені під кутом 120° одна відносно одної.

Симетрична система трифазного струму (рис. 2—16, б):

(2-13)

Ф_А = Ф_т sin Ш,

створює симетричну систему магнітних потоків (рис. 2—16, в):

(2-14)

Вектори магнітних потоків збігаються з осями котушок, їх напрями визначають за правилом свердлика (рис. 2—16, а). Напрям потоків при кожній зміні струму в котушках змінюватиметься на протилежний, але просторове положення осей потоків залишати­меться незмінним.

Ф_рез = 2Ф_а-^-совЗО°=1,5Ф_щ в

Рис. 2—16. Схема одержання обертового магнітного поля трифазного

струму.

Якщо візьмемо напрям струму в котушках від початків до їх кінців, то, розглядаючи струми в різні моменти часу (t_x, t₂, і т. д.), дістанемо результуюче магнітне поле, яке обертається. Наприклад, для моменту часу t_y в котушці А — X струм має до­датне значення, у котушці В — Y струм має від’ємне значення, а в котушці C — Z його зовсім не буде, а тому на початку котушки А струм напрямлений від глядача (0), а на початку котушки В — на глядача (О). У позначених на хвильовій діаграмі точках вели-

Yl

чини струмів дорівнюють або нулю, або І_т~ ■ Магнітні потоки, які

виникають у котушках, пропорційні струмам; після геометричного їх додавання утворюється результуючий потік Ф_рез, сталий за вели­чиною (в будь-який момент часу), що дорівнює 1,5 Ф_т і обертається в просторі з рівномірною кутовою швидкістю в напрямі чергування струмів за фазами. Якщо побудувати результуючий потік для всіх точок (рис. 2—16 б, в), то помітно, що за період він зробить один пов­ний оберт у напрямі руху годинникової стрілки.

Якщо перемкнути дві довільні котушки, наприклад А і В, то чергування струмів у котушках зміниться, тому напрям обертання магнітного поля зміниться на зворотний.

Взагалі число обертів магнітного поля зв’язане з частотою і чис­лом пар полюсів поля таким співвідношенням:

де η — число обертів магнітного поля за хвилину; / — частота струму; р — число пар полюсів поля.

При наявності трьох котушок, коли на фазу припадає одна ко­тушка, обертове магнітне поле має тільки два полюси (на рис. 2—16, в зображено пунктиром); тоді число обертів поля при f = 50 гц дорів­нюватиме 3000 об/хв. Якщо взяти шість котушок, щоб на фазу при­падало по дві котушки, і відповідно розмістити їх у просторі, то обертове поле матиме чотири полюси, а швидкість його обертання в два рази зменшиться і дорівнюватиме 1500 об/хв і т. д.

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНО! ТЕХНІКИ

3—1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Під електричними вимірювання- м и розуміють галузь електротехніки, яка займається вимірюванням електричних величин: струму, напруги, потужності, опору, частоти, кута зсуву фаз та ін. За допомогою електричних приладів можна вимірювати також неелектричні величини: механічні, теплові, світлові, хімічні і багато інших. Електровимірювальна техніка дає можливість робити дистанційні і нестійкі вимірювання з одночасним записуванням їх на плівці або діаграмі з високим ступенем точності.

Застосування електричних вимірювань дає змогу успішно розв’язувати багато важливих питань. Так, сучасні методи розвідки нафти і рудних родовищ цілком грунтуються на техніці електричних і особливо магнітних вимірювань.

При всіх вимірюваннях слід користуватися певною системою одиниць і відповідними вимірювальними приладами.

У Радянському Союзі прийнято міжнародну систе­му Cl, складовою частиною якої є система електрич­них і магнітних одиниць, затверджена ГОСТом 9867-61 і введена з 1 січня 1963 р.

Усі міри і електровимірювальні прилади поділя­ють на робочі і зразкові. Перші застосовують для тех­нічних і лабораторних вимірювань; другі, особливо точні,— для перевірки робочих мір і приладів. Ета­лонами називають зразкові міри, виготовлені з так званою метрологічною точністю, тобто з найвищою точністю, яка доступна при сучасному рівні розвитку науки і техніки.

Наука, яка займається вивченням одиниць етало­нів, дослідами вимірювань і впровадженням їх у прак­тику, називається метрологією. Еталони і зразкові міри відображають одиниці основних елек­тричних величин опору, струму, е. р. с., індуктив­ності та ін.

Електровимірювальні прилади поділяють на дві великі групи — прилади безпосередньої оцінки і прилади порів­няння.

Приладами безпосередньої оцінки, або показуючими, називають прилади, які забезпечують можливість відлічувати ту або іншу вимірювану величину безпосередньо на шкалі приладу. До цієї групи належать стрілочні прилади: амперметри, вольтметри, герц­метри, лічильники та ін.

До групи приладів порівняння належать різноманітні мости і компенсаційні вимірювальні установки.

Загальні технічні умови та електровимірювальні прилади, а також правила їх експлуатації регламентовані положеннями, уста­новленими Комітетом стандартів мір і вимірювальних приладів при Раді Міністрів СРСР. Залежно від того, які з електричних явищ покладено в основу принципу дії приладів з безпосередньою оцінкою, вони поділяються на системи, умовне позначення яких подано втабл. З—1. Відповідно до цьдго електровимірювальні при­лади безпосередньої оцінки поділяють на чотири групи:

1. Електромеханічні прилади, в яких енергія електромагнітного поля безпосередньо використовується для пере­міщення його рухомої частини. До цієї групи належить більшість електровимірювальних приладів.

2. Електротеплові прилади, в яких електромаг­нітна енергія через дію теплових процесів використовується для переміщення його рухомої частини.

3. Електрохімічні прилади, в яких електромаг­нітна енергія системи через дію хімічних процесів використовує­ться для вимірювання електричних величин.

4. Електронно-променеві прилади, в яких електромагнітна енергія використовується для керування елек­тронними променями в електронних трубках.

За характером застосування електровимірювальні прилади поді­ляють на стаціонарні і переносні. Стаціонарні прилади призна­чені для встановлення на щитах і панелях електротехнічних при­строїв, розподільних підстанцій та ін., переносні — для контроль­них вимірювань і лабораторної практики.

За умовами експлуатації прилади поділяють на такі групи: А — для роботи в закритих, сухих, опалюваних приміщеннях; Б — для роботи в неопалюваних приміщеннях; В — для роботи в польових або морських умовах.

Похибки електричних вимірювань. Під час вимірювань внаслі­док ряду причин дослідне числове значення вимірюваної величини є лише більш або менш наближеним. Кінцевий результат вимірю­вання будь-яких електричних величин, добутий за допомогою навіть найдосконаліших приладів, завжди відрізнятиметься від дійсного значення вимірюваної величини. Різниця між дійсним значенням вимірюваної величини і її дослідним значенням виникає

Умовні позначення приладів

Системе, приладів

З протидіючою механічною силою

Без протиді­ючої сили (ти­пу логометра)

Основне призначення системи

Магнітоелектрич-

Q

Q

Електромагнітна

Електродинаміч­на (без сталі)

Електродинаміч­на із сталлю (фе­родинамічна)

G

Y

J.

T

Cl

*

Додаткові позначення

Індукційна

Теплова

Електростатична

Вібраційна

Частотоміри

Електронна (з магнітоелектрич- ним вимірюваль­ним приладом)

Вольтметри і герцметри в колах підвищеної і високої частоти

Гальванометри, міліампермет­ри, амперметри, мілівольтмет­ри, вольтметри, мегометри, ві­братори до осцилографів.

Щитові амперметри і вольт­метри, фазометри, частотоміри; переносні амперметри, вольт­метри.

Міліамперметри і мілівольт­метри змінного струму. Ампер­метри, вольтметри, фазометри лабораторні. Лічильники елект­ричної енергії в колах постій­ного струму.

Ватметри змінного струму та реєструючі (самопишучі) ампер­метри і ватметри змінного стру- му.

Л ічильники електричної енер­гії в колах однофазного і три­фазного струму, щитові Ват­метри.

Амперметри, вольтметри

Вольтметри і кіловольтметри постійного і змінного струму

Напівпровіднико­вий випрямляч

Термоелектрич­ний перетворювач

Електронний пе­ретворювач

Позначення маркірувальних знаків	. Умовні позначення маркірувальних знаків
Постійний струм	—
Однофазний змінний струм
Трифазний змінний струм	% ЗО,
Постійний і змінний струм
Одиниці вимірювань: ампер, вольт, ват, герц, коефіцієнт потужності, ом	A1V1 W, Hz, cos φ, β
Клас точності приладу '	0,05; 0,1; 0,2; 0,5 1,0; 1,5; 2,5:4,0
Прилад працює при частоті	50 ги
Ізоляція приладу, випробувана під напругою, наприклад 2 кв	або 2KV
Прилад не підлягає випробовуванню ізоляції ·	І
Придад працює нормально; у верти­кальному положенні; під кутом до гори­зонту, наприклад 60°, у горизонтально­му положенні.	J. ; ; χ_„ ·
- ■ , . V,... ,·. ■„ . :■
Ступінь захисту приладу від впливу зовнішніх полів: а) магнітних; б) електричних. Для І категорії додаткова похибка не повин­на перевищувати 0,5%, для II — 1%, для III —2,5%.	' Г-ι і 1 г—і , Ч ' і 5 "\ L I L—,J !—-J ;

внаслідок недосконалості апаратури, недостатнього знання всіх обставин, пов’язаних з процесом вимірювання, несталості умов спостережень, недостатнього досвіду експериментатора.

Точність вимірювання характеризується абсолютною по­хибкою АХ, яка дорівнює алгебраїчній різниці між дослідним значенням будь-якої величини Х_вим і її дійсним значенням Xd-

A Х^Х_вим-Х_д. (3-1)

У техніці за дійсне значення вимірюваної величини вважають таке, яке визначається зразковими вимірювальними приладами або зразковими мірами.

Величина, протилежна за знаком абсолютній похибці, має назву поправки:

k = -АХ = Х_д-Х_вим. (3-2)

Звідси Дійсне значення вимірюваної величини:

Xd ~ Хвим + ft· (З—3)

Щоб оцінити точність виконаного вимірювання на якійсь поділці шкали приладу, користуються відносною похибкою вимірювання, під якою розуміють відношення абсолютної похибки AX вимірю­ваної величини до її дійсного значення Xq, подане в процентах:

γ* = ψ -100%. (3-4)

^лд

Для оцінки похибки приладу по всій шкалі введено поняття основної зведеної похибки, яка являє собою відношецня найбіль­шого значення абсолютної похибки до номінального значення Х_н, на яке розрахований прилад:

_Ти = ^ · 100% = ^Хеим~—^д ■ 100%. (3-5)

л_н Л_н

Найбільша основна зведена похибка прийнята для класифікації приладів за класом їх точності. Якщо, наприклад, прилад Має клйс точності 1,0, то це означає, що його найбільша основна зведена похибка не перевищує ±1,0%.

Чутливістю приладу називають відношення приросту кутового Aa або лінійного Al переміщення показника приладу в градусах, міліметрах або просто в поділках шкали до відповід­ного приросту вимірюваної величини. Наприклад, чутливість ампер­метра визначають:

Λ а

S —— [поділка/ампер]. (3—6)

• Δ/

Обернену величину називають сталою приладу, або ціною поділ­ки, наприклад амперметра:

C= -і = ^ [ампер/поділка]. (3—7)

Стала, або ціна поділки приладу — це величина, на яку треба помножити відлік по шкалі в поділках, щоб дістати вимірювану величину.

Заводи, що виготовляють електровимірювальні прилади, гаран­тують найвищу зведену відносну похибку приладу в межах робочої частини його шкали, яка не перевищує значення, що називається допустимою похибкою. За величиною цієї похибки всі прилади поді­ляються на такі класи точності:

Клас точності	0,05	0,1	0,2	0,5	1,0	1,5	2,5	4,0
Th %	±0,05	±0,1	±0,2	±0,5	±1,0	±1,5	±2,5	±4,0

На шкалі приладу клас точності позначають цифрою.

Загальносоюзний стандарт установлює дві категорії похибки вимірювальних приладів; основні і додаткові.

Основна похибка приладу — це похибка, яку має прилад при нормальних умовах його експлуатації. Вона є наслід­ком ряду похибок, які можна поділити на: а) похибки, що залежать від електричних, і магнітних властивостей приладу (наприклад, похибка від залишкової індукції в середовищах електромагнітних приладів); б) похибки, зумовлені механічними властивостями при­ладу (його технічним виконанням і станом), а саме: від тертя, від неправильного виконання і розміщення шкали, від поганого регу­лювання, від деформації пружин з часом.

Додаткова похибка приладу — це похибка, зумов­лена різними зовнішніми умовами (магнітне та електричне поле, температура, частота, несинусоїдальність вимірюваної величини тощо).

3—2. ПРИЛАДИ МАГНІТОЕЛЕКТРИЧНОЇ СИСТЕМИ

На рис. 3—1 подано конструктивну схему приладу магнітоелек­тричної системи з рухомою котушкою. Магнітне поле створюється потужним постійним підковоподібним магнітом 1, виготовленим з кобальтової, вольфрамової або нікель-алюмінієвої сталі. До кінців магніту прикріплюють полюсні наконечники 2 з м’якої сталі, які

мають циліндричні виточки. Між полюсними наконечниками неру-; хомо закріплений стальний циліндр 6, який створює рівномірний повітряний проміжок і зменшує опір магнітного кола. У вузькому кільцеподібному повітряному проміжку створюється рівномірне магнітне поле з радіально розташованими магнітними силовими лініями.

У повітряному зазорі вільно обертається на підшипниках, за­кріплених на двох ізольованих одна від одної півосях, легка алю­мінієва рамочка, на якій намотана обмотка (котушка) з тонкого ізольованого дроту; кінці ЇЇ при­паяні до двох спіральних пружин, ізольованих одна від одної. Проти­діючий момент створюється цими двома спіральними пружинами, по яких підводиться струм до об­мотки приладу. Коли струму в обмотці рамки немає, уся система перебуває в рівновазі; але якщо по витках обмотки пропустити струм, то внаслідок взаємодії стру­му в обмотці з магнітним полем підковоподібного магніту створює­ться пара сил (напрям дії сил можна знайти, користуючись пра­вилом лівої руки), яка повертає рамку, а разом з нею і стрілку приладу. Величина сили визначає­ться за формулою: F = BIwl.

Обертальний момент, що діє на рухому котушку і буде

' ._Л, . · Рис. З—1..Прилад магнітоелектрнч-

M₀₆ = 2FR = 21 BlwR = IBSw, ної системи.

де R — відстань від осі до активної сторони котушки; 5 — площа котушки.

Отже, обертальний момент М₀б у магнітоелектричному приладі пропорціональний струму І, що проходить по котушці, і магніт­ній індукції в повітряному зазорі; але В = Const, тоді М₀в = -Cl- I, де Cl — коефіцієнт пропорційності, що залежить від кон­структивних особливостей котушки (розміру, числа витків) і ви­браної системи одиниць.

Під впливом цього обертального моменту рухома частина при­ладу повертатиметься, спіральні пружини створюватимуть проти­діючий момент M_np, який завжди буде пропорційний куту за­кручування а.

Протидіючий момент M_np = C₂ ■ а, де C₂ — коефіцієнт про­порційності, що залежить -від пружних властивостей пружини.

Рухома частина приладу повертатиметься доти, поки протидіючий момент M_np не дорівнюватиме обертальному моменту: М₀б — M_np,

або C₁I = с_га, звідси / = — а або І = с ■ а, де с = ~ .

^cI ^cI

3: цього рівняння видно, що кут повороту рухомої частини прямо пропорційний Величині с,труму в котушці. Завдяки цьому шкала •електромагнітного приладу рівномірна.

Зміна напряму постійного струму в котушці змінює напрям сили-F, і котушка повертатиметься в протилежну сторону. Через те магнітоелектричні прилади є полярними і для безпомилкового вмикання у вимірювальне коло один з його затискачів позначають знаком плюс.

Ця група приладів не має спеціальних заспокоювачів, їх при­значення виконує алюмінієва рамка. Якщо рамка рухається в силь­ному магнітному полі приладу, у ній індукується е. р. с. і виникає струм. Взаємодія цього струму з магнітним полем створює гальмі в-, ний момент, який забезпечує швидке заспокоювання рухомої час­тини приладу.

Магнітоелектричні вимірювальні прилади на практиці мають широке і різноманітне застосування якнайточніші і найчутливіші з усіх наявних приладів безпосереднього віДліку. Вони можуть бути використані як амперметри, вольтметри, міліамперметри, мілівольтметри в колах постійного струму, а також для вимірювань електричного опору і різноманітних неелектричних величин (тем­ператури, тиску, швидкості обертання та ін.).,

Прилади магнітоелектричної системи виготовляють високого класу точності і чутливості як лабораторні багатограничні прилади і контрольні (класу точності 0,2—0,5), так і технічні (класу 1—1,5), що вигідно відрізняє їх від інших приладів.

Покази приладів практично не залежать від впливу зо­внішніх магнітних полів, бо ці прилади мають сильне власне поле.

Для вимірювання малих значень заряду, струму і напруги засто­совують ґ а льва н о м е т р й. Принцип дії і будова магнітоелек­тричних гальванометрів майже нічим не відрізняється від інших приладів цієї системи. Гальванометрами безпосередньо вимірюють струми від 10"» до 10-¹¾.

До недоліків приладів цієї системи слід віднести велику чутлис вість до перевантажень, відносно складну конструкцію і порівняно високу вартість.

Прилади магнітоелектричної системи використовують у колах постійного і змінного струму. В останньому випадку до приладів додають напівпровідникові випрямлячі або термоелектричні пере; творювачі змінного струму в постійний, які розміщують в одному корпусі з вимірювальним механізмом приладу. Залежно від засто­сування перетворюючих пристроїв прилади поділяють на детекторні

і термоелектричні.

Термоелектричні прилади застосовують головним чином як ам­перметри для вимірювання змінних струмів високої частоти (від

10. кгц До 60 мгц).

Вимірюваний струм нагріває одну або кілька термопар. Термо­електрорушійна сила термопар, яка виникає при цьому, пропорційна квадрату вимірюваного струму, тому шкала термоелектричного приладу нерівномірна — квадратична.

У детекторних приладах випрямляльним елементом є мідноза- кисні або кристалічні (германієві, кремнієві) вентилі.

Випрямляч перетворює визначений змінний струм у-пульсуючий, а останній вимірюється магнітоелектричним вимірювачем. Випрям- ляльні прилади виготовляють з одно- і двопівперіодним випрям­ленням. Коли застосовується однопівперіодна схема, прилад дає відхилення, пропорційне половині середнього значення вимірюва­ного змінного струму, а при двопівперіодній — середнє значення..

Детекторні прилади найбільше застосовують як вольтампер­метри для вимірювання в колах змінного і постійного струму. Наприклад, універсальний переносний вольт-амперметр типу Ц-315 застосовується для вимірювання напруги і струму в колах постійного і змінного струму частотою від 45 до 1000 гц, а також для вимірювання омічного опору постійного струму з безпосереднім відліком на Шкалі. Недоліки цих: приладів є порівняно невисокі точність (клас 1,0—1,5) та чутливість до змін температури і частоти.

3-3. ПРИЛАДИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ СИСТЕМИ

Принцип дії приладів електромагнітної системи грунтується ^: на взаємодії між струмом котушки і магнітним полем рухомого сердечника з феромагнітного матеріалу.

Основною частиною такого приладу (рис. З—2) є котушка /, кількість витків і діаметр про­воду якої беруть залежно від величини струму, на який роз­раховано прилад: чим більший струм, тим менше витків і біль­ший переріз. Перед отвором ці'еї котушки на осі 4, яка вер­тається в підшипниках, розта­шована овальна · пластинка (сердечник 5 з м’якого заліза), закріплена ексцентрично на;осі.

До осі прикріплені стрілка 7, пружина 6 (інколи заміняють системою тягарців) І поршень 2 р_ис_ З—2. Прилад електромагнітної повітряного заспокоювача. Коли ‘ системи. '

повертається вісь, поршень заспокоювача рухається в металевому циліндрі 3. Поршень, рухаючись у циліндрі, зустрічає значний опір повітря, через що рухома система приладу швидко ’ заспо­коюється.

При вмиканні приладу в коло струм у котушці створює магнітне поле, яке намагнічує сердечник 5. Намагнічений сердечник втя­гується в отвір котушки, що примушує вісь, до якої прикріплена стрілка, повертатися. Сила втягування сердечника визначається взаємодією магнітного поля котушки з полем намагніченого сердеч­ника. Інтенсивність магнітного поля котушки і сердечника при­близно можна вважати пропорційними струму в котушці. Тому сила втягування сердечника в котушку буде пропорційна квадрату вимі­рюваного струму: F₀б = C₁ /².

Отже, і величина обертального моменту також буде пропор­ційна квадрату струму: M₀S = C₁ /², де C₁ — коефіцієнт, який залежить від матеріалу і форми сердечника, а також від його положення відносно нерухомої котушки. Протидіючий момент спіральної пружини пропорційний куту повороту рухомої частини приладу: M_np = с₂ · а.

Увімкнемо прилад електромагнітної системи в коло постійного струму /„; тоді на рухому частину приладу діятиме незмінний за часом обертальний момент Ai_o6 = C₁ її.

Протидіючий момент буде пропорційний куту повороту стріл­ки: M_np = C₂а. Сердечник приладу повертатиметься доти, поки протидіючий момент не дорівнюватиме обертальному: Мов = M_np

або C₁ · /* = C₂а, звідки а = і\^ с ■ Iⁱ₀.

Тепер увімкнемо цей прилад у коло змінного струму. У цьому разі на рухому частину вимірювального механізму діятиме змін­ний за часом обертальний момент. Миттєве значення цього моменту пропорційне квадрату миттєвого значення струму в ко­тушці: M_o6 = k_x ■ і*. Відомо, що середнє значення обертального моменту дорівнює половині його максимального миттєвого зна-

M ■

чення M_cp — .

/*

Беручи до уваги, що M_m = C₁ ■ I_m, дістанемо Ai_cp = C₁ Коли обертальний і протидіючий моменти рівні, можна записати:

-I²

Aifp ~ Aiп_Р або C₁ —JJ-* — С2&»

звідки

Переходячи від амплітудного до діючого значення змінного струму, дістанемо: а = сР.

Квадратична залежність кута повороту стрілки а від струму І дає змогу вмикати ці прилади в кола і постійного і змінного струму, тому що напрям струму не впливає на напрям обертального моменту. У колах змінного струму вони вимірюють діюче значення струму або напруги. Обертальний момент залежить від квадрату струму, тому шкала електромагнітного приладу нерівномірна.

Магнітне поле котушок електромагнітних приладів відносно слабке, тому що лінії магнітного поля в значній своїй частині про­ходять через повітря, а магніторушійна сила (м. р. с.) котушки, невелика. Тому прилади чут­ливі до впливу зовнішніх магнітних полів. Щоб захис­тити від цих явищ електро­магнітні прилади, їх виготов­ляють астатичними або захищають стальними екранами. В астатичних при­ладах (рис. 3—3) на спільній осі закріплені два сердечники, які містяться біля отворів двох плоских котушок. Об­мотки котушок вмикають так, щоб напрями їх магнітних полів були протилежні. Обертальні моменти від обох Котушок діють на рухому систему приладу в одному напрямі. Котушки повернуті на 180° одна відносно одної і сполучені послідовно. Тоді зовнішнє магнітне поле збільшуватиме поле і обертальний момент однієї котушки і зменшуватиме поле та обертальний момент другої. Сумарне обертальне зусилля залишиться незмінним.

Проста конструкція приладу, невелика вартість, спроможність витримувати перевантаження призвели до того, що прилади електро­магнітної системи широко застосовуються для технічних вимі­рювань. Точність приладів цієї системи нижча від точності прила­дів магнітоелектричної системи, проте є достатньою для технічних вимірювань змінного і постійного струму.

3-4, ПРИЛАДИ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНОЇ СИСТЕМИ

На рис. 3—4 зображено механізм приладу електродинамічної системи, який складається з двох нерухомих котушок 1, сполучених послідовно, рухомої котушки 2, двох спіральних пружин 3 і повіт­ряного заспокоювача 4. Прилади цієї системи застосовують як амперметри, вольтметри, фазометри, а також як само пишучі прила­ди для вимірювання в колах постійного і змінного струму. Котушки можуть бути (залежно від призначення приладу) сполучені послі­довно або паралельно.

Величина магнітного поля кожної котушки залежить від струму, який Проходить по них, тому обертальний момент приладу пропор­ційний добутку струмів у котушках: M₀б = Cl₁ ■ I₂.

Рис. 3—4. Прилад електродинамічної си стеми.

При вмиканні котушок у коло постійного струму цю систему приладів можна! порівняти з приладами магніто­електричної системи. Тут нерухома котушка з струмом виконує роль постійного магніту. Коли котушки ввімкнені

паралельно, по них протіка­тимуть різні за величиною струми I₁ Ф 12. Між полем струму 12 рухомої котушки і полем струму I₁ нерухомої котушки виникає сила елек­тромагнітної взаємодії.

Струм у нерухомій ї ру­хомій котушках є часткою загального струму / вимірю-

2. ваного кола, тобто: I₁ = с_н ■ І, Ii=C_p'-І, тому M_o6- = Cl_lI_i = с ■ с_н · C_pI² = с'І².

Отже, обертальний момент (а значить, і кут повороту рухомої котушки) пропорцій­ний квадрату струму, який протікає через прилад, і шкала приладу буде нерівномірною.

При послідовному вмиканні котушок струми в них будуть одна­кові: /,=Z₂ = І.

Отже, обертальний момент М₀в = с ■ I².

Коли напрям струму змінювати в обох котушках одночасно, напрям обертального моменту залишиться попереднім. Отже, при­лад придатний ‘для вимірювання в колах постійного і змінного струму.

Якщо нерухому котушку ввімкнути послідовно з навантажен­ням,. а рухому котушку разом з додатковим опором Re паралельно, то по котушках протікатимуть струми, миттєві значення яких е (рис. 3—5, 3—6): ' ■ '

h= І ті · sinatf, t₂ =χ Im_t · sin (ωί — φ).

Через те що рухома котушка має значний момент інерції, то її відхилення визначатиметься не миттєвим значенням моменту, а його середнім значенням за період:

T ■

M = у J¹ ml Sin ωί · l_m% sin (ωί — φ) dt ~ · I_ntt I_mt [cos φ χ

Λ

I . і

X

г ■ cos ψ,

Jsin^a (at · dt — sin ψ J sin oit cos сю/ · dt] = I₁ I

I

jsir

T

Ύ

_2l

V^rS

Через те що I sin³ Ы ■ dt

sin (at ■ cos (at ■ dt = 0, a

= Zi-Z₄

Якщо знехтувати індуктивним опором паралельної обмотки (для цього підбирають великого значення активний додатковий

опір Ra), то можна записати: I_t= ^U

Підставивши замість' I₂

/2

Rt + Ra його значення

позначивши

і

С, дістанемо: P = CI U- cosy.

Rt + Ra

Рис. 3—5. Схема приладу електродина­мічної системи.

Отже, електродинамічний ватметр, увімкнений у коло змінного струму за схемою рис. З—5, вимірює активну потужність; при цьому зміна зсуву фаз між U і І враховується автоматично.

Обертальний момент про­порційний добутку струмів на' косинус кута зсуву фаз між ними: М₀б = C₁I_i Ia cos φ.

Протидіючий момент в електродинамічних приладах створюється за допомогою пружин і пропорційний куту U їх закручування, тобто куту відхилення рухомої котушки від нульового положення:

^2 '

або C₁I₁ I₂ cos φ — с<&,

При встановленому відхи­ленні обертальний момент дорівнює протидіючому: M₀s = M_n звідси а — C₃I₁I₂ cos φ.

Кут відхилення рухомої системи пропорційний добутку струмів у котушках і косинусу кута зсуву фаз між ними. Коли струми в котушках однакові (послідовне ввімкнення) I₁ = I₂ = I, кут відхилення дорівнюватиме: а = C₂ J² ■ cos φ, де C_i — стала при­ладу і залежить від форми котушок, їх взаємного розміщення і пружності спіральних пружин.

Підбираючи форму котушок і їх взаємне розміщення, можна дістати відносно рівномірну шкалу, починаючи з 25—30% від номі­нального значення вимірюваної величини.

За точністю і чутливістю електродинамічні Прилади кращі від приладів інших систём, які застосовуються для вимірювань в колах

змінного струму. На покази приладів цієї системи великий вплив має зовнішнє магнітне поле, бо власне магнітне поле котушок слабке. Щоб уникнути впливу зовнішніх магнітних полів на точ­ність вимірювань, вживають таких заходів: вимірювальний меха­нізм розміщують усередині стального екрана, використовують астатичний вимірювальний механізм з двома парами котушок і т. д.

Рис. 3—6. Миттєві значення струмів у котушках.

Різновидом приладів елек- ! тродинамічної системи є фе­

родинамічні прилади. Прин­цип роботи цих вимірюваль­них механізмів той самий, що й електродинамічних. Від­різняються вони від електро­динамічних наявністю сталь­ного сердечника, на якому розміщується обмотка неру­хомої котушки, що посилює власне магнітне поле прила­ду. Рухома котушка повер­тається так, як і в приладах магнітоелектричної системи.

Застосування стального сердечника посилює поле, захищає прилад від впливу зовнішніх магнітних полів, збільшує оберталь­ний момент. Але присутність сталі має і негативний вплив, бо виникають додаткові похибки при змінному струмі від гістерезису і вихрових струмів.

Точність феродинамічних приладів менша, ніж електродинаміч­них. Вони широко застосовуються як щитові ватметри і самопишучі прилади-реєстратори, які повинні мати значний обертальний мо­мент.

3—5. ПРИЛАДИ ІНДУКЦІЙНОЇ СИСТЕМИ

Обертальний момент у приладах індукційної системи створю­ється внаслідок взаємодії між обертовим магнітним полем і вихро­вими струмами, які індукуються цим полем у рухомому метале­вому диску або циліндрі (роторі).

Обертове магнітне поле в приладах створюється при наявності двох змінних магнітних потоків, зміщених у просторі і зсунутих за фазою один відносно одного. Отже, за принципом дії такі меха­нізми можуть застосовуватись тільки в колах змінного струму, бо тільки змінні магнітні потоки індукують струми в контурах рухо­мих частин. *

Індукційні вольтметри і амперметри майже зовсім не застосо­вуються, бо вони дуже складні порівняно з приладами електромаг­нітної системи. Індукційні прилади застосовуються тільки як лі­чильники енергії і ватметри змінного струму. Слід зауважити, що

тепер індукційні ватметри замінені фєр:одаиа»ічиимй/ п0Кази яких менше залежать від темне^атурт і чайтоти.

і Індукційні прилади поділяють на дві групи: прилади з рухо­мим диском і прилади з рухомим циліндром або обертовим магніт­ний полем.

Розглянемо будову індукційного приладу з рухомим диском. Алюмінієвий диск 1 (рис. З—7, а), закріплений на одній осі з стріл­кою 2, поміщають між двома електромагнітами З і 4. Коли по обмот­ках електромагнітів 3 і 4 протікають струми Z₁ і /₂, зсунуті за фа­зою на кут β, то в приладі створюються два потоки і Ф_а (рис.З—7,6),зміщені в просторі і зсунуті за фазою на кутр (рис.З—8):

Фі = Фт, Sin ші, Ф₂ = Ф_т, Sin (iat — β).

Рис. З—7. Пристрій індукційного приладу з диском.

Ці потоки пронизують диск і створюють у ньому е. р. с. Ei і Е_г, а такрж вихрові струми Ii_e і /_2в (подано взаємне роз­ташування потоків і струмів векторною діаграмою, рис. З—9).

Внаслідок взаємодії потоку Ф_а із струмом, у диску Ii_e і по­току Ф₂ з струмом у диску І\_в виникають два обертальних момен­ти M_i і M₂, які обертають диск в одному напрямі:

M₁ = C^₁120 COS (Ф J_2e) = С]ФіІ_2е COS (90^р + §);

Mt = с_гФ_гІ cos (Ф₂/_1в) = с₂Ф_г/u cos (90^е — β),

або Ai₁ = -C^₁Z_2iSin β, Al₁₈ = с_гФ₂/_(в sin β.

Беручи до уваги, що вихровий струм пропорційний швидкості зміни потоку і частоти, можна записати:

I_u = _СіфJ- I_2e == с₂Ф₂/, або /и = с{ Фу і Z_2e = сгФ₂.

момент Ai у приладі, який діє на диск, дорівнюватиме еумі ,моміентіа. M₁ і Af₁: ·

M = Ai₁-|-Λί_? сФ_ЛФг Sin

Якщо вважати, що потоки пропорційні струмам в обмотках і кути зсуву між відповідними струмами та потоками однакові, то обер­тальний момент

M = Cl_lI₂ sin β, де с — коефіцієнт, що залежить від конструкції приладу і сталих величин. -

Будову індукційного приладу з рухомим циліндром або оберто­вим полем наведено на рис. З—10. На кільцевому магнітопроводі 1, складеному з окремих листів електротехнічної сталі, намотані дві обмотки 2 і 8, розташовані на протилежних полюсних виступах магнітопроводу. Між полюсами на осі міститься алюмінієвий ци­ліндр 4; на цій осі також прикріплені стрілка 7 і спіральна пру­жина 6. Усередині алюмінієвого циліндра, вміщений циліндричний стальний сердечник З, призначенням якого є зменшення магнітного опору.

Вище було зазначено, що для створення обертового магнітного поля треба мати між магнітними потоками котушок зсув фаз, що дорівнює 90°. Як відомо, зсуву фаз між потоками можна добитися за допомогою додаткового індуктивного або ємнісного опору.

Обертове магнітне поле, перетинаючи бічні стінки алюмінієвого циліндра, індукуватиме в них вихрові струми. Як наслідок взаємо­дії цих струмів з обертовим магнітним полем створюється обер­тальний момент, який намагається повернути алюмінієвий циліндр

і зв’язану з ним стрілку приладу в сторону обертання магнітного поля.

Рис. З—9. Векторна діаграма магнітних потоків і струмів.

Можна довести, що обертальний момент індукційного приладу з рухомим циліндром, так само як і приладу з рухомим диском, мають однакові вирази: M = Cl₁ I_s sin β.

Рис. 3—10. Пристрій індукційного приладу з обертовим магнітним полем.

Отже, обертальний момент приладів індукційної системи дорів­нює добутку струмів і синусу кута зсуву фаз між ними. Якби струми були у фазі, то вони б не створювали обертального моменту. Коли /_ β = 90°, обертальний момент має максимальне значення; це від­повідає (при додатковій умові I₁ = I₂) в розглянутому нами ви­падку наявності одного магнітного поля, яке обертається в сторону годинникової стрілки. Коли /_ β = 0°, Існує два однакових маг­нітних поля, які обертаються в протилежних напрямах; тоді су­марний обертальний момент дорівнюватиме нулю. Протидіючий момент створюється за допомогою спіральної пружини.

3-е. ПРИЛАДИ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОЇ СИСТЕМИ

Принцип роботи електростатичних приладів грунтується на_ взаємодії заряджених електрикою провідників. Схему такого при­ладу показано на рис. З—11. Він являє собою конденсатор, який складається з двох нерухомих мідних пластинок 1 і однієї рухомої алюмінієвої пластинки 2, яка закріплена на одній осі з стрілкою. Якщо ввімкнути прилад, то нерухомі пластинки набудуть заряду одного знака, рухомі — другого, внаслідок чого між ними виникає сила притягання. Через те що сила взаємодії пропорційна добутку електричних зарядів, а заряди пропорційні напрузі між пласти­нами, то ця сила буде пропорційна квадрату напруги: .F = C₁Uⁱ. Обертальний момент, що діє на рухому систему, буде також (при­близно) пропорційний квадрату напруги: Моб—F T = C₁TU¹ або Мов = C₂Uⁱ.

Через те що протидіючий момент створюється спіральною пружиною, то при рівновазі Ai₀S-M_np; Da = C_iU², звідки а =

= ~ ■ Uⁱ = C₃U² або а = C₃U².

Цей вираз свідчить про те, що між кутом повороту рухомої системи і прикладеною напругою існує (при­близно) квадратична залежність, атому шкала приладу буде нерівномірною. Характер шка­ли залежить також від форми пластин і їх взаємного розташування.

Електростатичні прилади чутливі до впливу зовнішніх електричних полів. Щоб усунути можливі похибки, прилади екра­нують. Покази електростатичних вольтметрів практично не залежать від температури, час­тоти, зовнішніх магнітних полів. Для збіль­шення обертального моменту збільшують кількість рухомих і нерухомих пластин.

Електростатичні прилади застосовують головним чином для вимірювань високих напруг і для безпосереднього вмикання в електричні кола високої напруги (без транс­формації і перетворювачів).

3—7- ПРИЛАДИ ВІБРАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ

Вібраційні прилади використовують для вимірювання промис­лової частоти. Прилади, якими вимірюють частоту змінного струму, називають частот о м і- рами. Електричний час­тотомір (рис. З—12) скла­дається з магні'ту 1, під яким розташований сталь­ний якір 2, закріплений на горизонтальному брус­ку 5, а цей брусок закріп­лений на пружинних план­ках 4. На бруску закріп­лена низка стальних пру­жинистих пластинок 3. Ця система пластинок має різ­ні періоди власних коли­вань. Вони підібрані так, що кожна пластинка має частоту власних крливань на 0,5 гц більшу, ніж

попередня. Вільні кінці Рис. З—12. Прилад вібраційної системи.

кожної пластинки повернуті до спостерігача і загнуті під прямим кутом. Коли по обмотці електромагніту протікає змінний струм, створюється змінний магнітний потік, який діє на якір

2. і примушує його коливатися. Цей коливальний рух пере­дається планці 5 і пластинкам 3. Усі пластинки приходять у коли­вання, але найбільшу амплітуду відхилень матиме та, в якій власний період коливання збігається з частотою вимірюваного змінного струму. Проти кожної пластинки на шкалі приладу напи­сане число, яке відповідає частоті струму в герцах. Обмотку елек­тромагніту частотоміра виготовляють з великої кількості витків дроту і вмикають у коло паралельно як обмотку вольтметра. Вібра­ційні частотоміри не досить точні, чутливі до вібрацій; їх пру­жинки від часу змінюють свою пружність. Тому для вимірювання частоти останнім часом почали застосовувати стрілочні частото­міри, виготовлені за принципом логометра. Такі частотоміри виго­товляють різних систем (феродинамічної, електромагнітної та ін.), проте всі вони мають два вимірюваних кола, які вмикаються за схемою вольтметра.

3—8. ПРИЛАДИ З УРІВНОВАЖЕНОЮ РУХОМОЮ ЧАСТИНОЮ — ЛОГОМЕТРИ

ми у схемі омметра, положення рухомої від відношення двох

У розглянутих нами стрілочних приладах обертальний момент зрівноважувався протидіючим моментом спіральної пружини, а від­хилення рухомої частини залежало від струму, який проходив через прилад. Якщо електровимірюваль­ний прилад треба використати для вимі­рювання електричної або неелектричної величини, яка не є прямою функцією стру­му (опору, зсуву фаз, частоти, тиску, темпе­ратури та ін.), то струм, який проходить через прилад, слід зробити функцією ви­мірюваної величини. За законом Ома струм пропорційний напрузі: I = F(U), внаслідок чого вимірювана величина X становитиме функцію двох , величин — вимірюваної X і напруги U. Щоб покази приладу не за­лежали від напруги, вимірювальну систему приладу виконують з двох взаємно пер­пендикулярних, механічно зв’язаних між собою котушок, які поміщають у маг­нітне поле постійного магніту. Прилади, частини яких залежить не від напруги, а струмів, які протікають по двох окремих обмотках, мають назву логометрів. Тому в приладах логометричної системи немає пристроїв, які утворюють протидіючий момент. Відхилення рухо­мої частини (двох взаємно перпендикулярних котушок) залежить від відношення'двох струмів. Прилади типу логометра іноді нази­

вають безмоментними, або приладами без механічного протидію­чого моменту. Стрілка такого приладу, коли струму в котушках немае, може займати довільне положення.

Електровимірювальний прилад будь-якої системи є логометром, коли в нього не тільки обертальний, а й протидіючий момент ство­рюється електрично. Логометричними приладами, звичайно, вимі­рюють опори, індуктивності, ємності, кути зсуву за фазою, час­тоту і деякі неелектричні величини.

Нижче ми розглйнемо окремі прилади різних систем, в яких застосований принцип логометра. Як прилад з урівноваженою рухо­мою частиною розглянемо магнітоелектричний омметр — прилад для безпосереднього вимірювання опору (рис. З—13). У колі постій­ного магніту розміщують рухому частину логометра, що складає­ться з двох нерухомо з’єднаних між собою котушок, які закріплені йа одній осі. Послідовно в коло однієї котушки логометра вмикають постійний Відомий опір Rh, а в коло другої — невідомий опір R_x. Обидві котушки вмикають паралельно джерелу струму з напругою U за допомогою безмоментних волосків з платини або срібла.

Напрям струмів в обмотках вибирають -так, щоб моменти Ai₁ ί Af₂, які створюються котушками, діяли назустріч один одному. Один з моментів — обертальний, а другий — протидіючий. При роботі приладу один з моментів залежить від кута повороту. Ця умова повинна виконуватись і для логометрів. Отже, хоч один з параметрів, який визначає величину моменту, повинен бути функ­цією кута а. За технічним виконанням найпростіше зробити залеж- · ною від кута повороту індукцію В. Для цього магнітне поле в пові­тряному зазорі повинно бути нерівномірним (для цього сердечник роблять еліпсовидним).

Під дією струму I₁ = _r"_j^ · створюється обертальний момент

M₁ = C₁I₁F₁ (а),.який намагається повернути рухому частину лого­метра в напрямі руху годинникової стрілки. Тут C₁ -V S ■ W₁ — стала величина; F₁ (а) — функція, яка є виразом закону зміни індукції котушки, коли вона переміщується в зазорі. Аналогічно

СТруМ ДРУГОЇ КОТуШКИ /»= _г' ф СТВОРЮЄ MOMeHT M₂ = C₂I₂F₂(O),

напрям якого протилежний моменту M₁.

Коли рухома частина логометра зрівноважена, то M₁ = Ai₂,

CiIiFi (а) = с_гІ_г F₂ (а), або = .

^Ґ»л^а) C₁Ii

Позначимо: = F₃ (а) і = с. Відношення магнітних

^rS W-

індукцій B₁ і B₂ залежить від положення котушок — кута пово­роту а, отже, a = f . З цього виразу видно, що логометр вимірює відношення струмів у котушках.

Чер^а те що кожний із струмів у котушках визначається тією самшвянапружм». U_v-аідношвшнь-етрумів (тобто відхилення рухомої частини логометра) не залежить від напруги.

Оскільки струм /₂ є незмінним, а струм I₁ залежить від R_x, то кут а відхилення рухомої частини логометра залежатиме від вимі­рюваного опору R_x і шкала приладу може бути проградуйована в одиницях опору.

Подібно до цього працюють логометри й інших систем: електро­динамічної, електромагнітної, феродинамічної і індукційної.

3-9. САМОПИШУЧІ ПРИЛАДИ

Вимірювальні механізми самопишучих приладів можуть бути будь-якої системи, проте найбільше поширені прилади магніто- елЬктричної, феродинамічної та індукційної систем. Крім вимірю­вального механізму з покажчиком, самопишучі прилади мають пристрої для записування і пристрої для переміщення паперу.

Рис. З—14. Схема пристрою самопишучого приладу з безперервним записуванням.

За способом записування самопишучі прилади поділяють на дві групи: 1) при­лади з безперервним записуванням;

2. прилади з крапковим записуванням.

Самопишучий прилад з безперерв­ним записуванням магнітоелектричної системи зображений на рис. З—14. Запис виконується найчастіше чорнилом по рухомому паперу за допомогою пера, закріпленого на кінці стрілки. Папір має вигляд стрічки або диска. Паперова стрічка перемотується з одного ролика на другий за допомогою протяжного механізму. Папір приводиться в рух окремим двигуном або годинниковим механізмом. Магнітна система і деталі рухомої частини самопишучого приладу нічим не відрізняється від приладів раніше розглянутих нами систем.

Рухома частина за формою нагадує літеру S.' Механізм для записування складається з капілярної скляної, трубки 2, яка міс­титься на кінці стрілки і має форму літери Г; один кінець її зану­рений у чорнильницю З, а другий ковзає по поверхні паперу 4 і фіксує значення вимірюваної величини, креслячи криву. Другий кінець стрілки переміщається в колі постійного магніту 5, що забез­печує заспокоювання рухомої частини. Наявність тертя при роботі між-пером і папером є великим недоліком приладів цієї конструкції.

Прилади з крапковим записуванням одночасно записують кіль­ка процесів. За своєю конструкцією такий прилад дечим відрізня­ється від приладу з безперервним записуванням (рис. З—15). Стрілка

вимірювального механізму 1 вільно переміщається над папером

4. не доторкагочитгь до нього. Над ггайером натягнута пофарбована стрічка 3. Через певний відрізок часу дугоподібна скоба 2 падає на стрілку і притискує її разом із стрічкою до паперу. Положення

Рис. З—15. Схема пристрою самопишучого приладу з крапковим записуванням.

стрілки залежить від вимірюваної величини. На папері залишає­ться слід у вигляді крапок. Падіння дугоподібної скоби відбуває* ться 1—3 рази за хвилину, швидкість руху паперу становить 20— 120 мм/год.

3—10. ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ ОСЦИЛОГРАФИ

Електромеханічні осцилографи бувають магнітоелектричної, електромагнітної, феродинамічної і електростатичної систем.

З усіх осцилографів електромеханічної групи розглянемо тільки осцилограф магнітоелектричної системи як такий, що має широке застосування. Основним елементом осцилографа є вібратор — ви­мірювальний механізм, рухома частина якого відхиляється на кут, пропорційний миттєвому значенню досліджуваної величини.

Для виконання цієї умови треба, щоб частота /„ власних коли­вань рухомої частини була в кілька разів більша за вищу час­тоту досліджуваних коливань; частота /₀ визначається фор­мулою

де w — питомий протидіючий момент; J частини.

момент інерції рухомої

рис. З—16. Пристрій магнітоелек­тричного вібратора осцилографа.

Схема магнітоелектричного вібратора показана на рис. З—16. У повітряному зазорі між полюсами потужного постійного магніту

4. розміщена у натягнутому стані на двох призмах / петля (шлейф) З з тонкої дротини або металевої стрічки. До сеоедньої частини петлі прикріплено невелике дзеркальце

2. яке відбиває світловий про­мінь. Якщо по петлі вібратора пропустити досліджуваний струм, то він взаємодіятиме з полем ло- стійного магніту, внаслідок чого створюється обертальний момент, який повертає петлю і укріплене на ній дзеркальце на певний кут навколо вертикальної осі. Якщо струм змінний, то дзеркальце по­вертатиметься то в один, то в дру­гий бік з частотою змінного стру­му. Кут повороту залежатиме від амплітуди вимірюваного змінного струму.

Частота власних коливань віб­раторів магнітоелектричних осци­лографів значно вища за частоту змінного струму і змінюється в межах від 1000 до 15 000 коливань на секунду.

Щоб уникнути деякого впливу власних коливань петлі на на­слідки вимірювання, вібратори занурюють у в’язке масло, в якому практично коливання високої час­тоти згасають. При дослідженні процесів, які швидко протікають, за допомогою осцилографа вико­ристовується відбитий від дзеркальця вібратора вузький пучок світлового променя, який повторює коливання дзеркаільця.

• Принципова схема оптики осцилографа подана на рис. 3—17.

Промінь від сильного джерела світла 1 проходить через щілину діафрагми S, заломлюється призмою 3 і вузеньким пучком падає на дзеркальце вібратора 4. Відбитий від дзеркальця вібратора промінь світла проходить через фокусуючу призму 5, яка розщеп­лює його на дві частини. Одна частина променя проходить крізь лінзу 7 і падає на барабан 8, де фіксується на фотопапері або фото­плівці у вигляді маленької світлової крапки. Друга частина про­

меня попадає на дзеркальний багатогранний барабан 6, а а нього на матовий екран 9.

Для реєстрації спостережуваного процесу фотопапір на бара­бані 8 або плівка повинні рухатися з рівномірною швидкістю в на­прямі, перпендикулярному до коливань вібратора.

При одноразовій дії ввімкненого вібратора і обертаючої призми внаслідок додавання двох рухів можемо спостерігати на екрані криву, форма якої відповідатиме формі кривої струму у вібраторі.

Рис. З—17. Принципова схема оптики осцилографа.

Магнітоелектричні осцило­графи роблять звичайно з кіль­кома вібраторами, що дає мож­ливість на одній осцилограмі одночасно записувати кілька процесів. На плівці вібратори марель чутливість до струму від

0,04 до 13 мм/ма, чутливість до напруги — від 0,01 до 1 лш/мв, а власну частоту — від 10 до 1 кгц. Чутливість вібратора на екрані в 4 рази більша. Осцилографом типу МПО-2 можна проводити спостереження струмів до 150 ма і напруги до 0,45 це. Для спостереження струмів, більших за 150 ма, застосовують шунти, а для дослідження напруг, більших за 0,45 мв, — додаткові опори.

Для вимірювання миттєвого значення активної потужності випущені ватметрові вібратори, в яких постійні магніти замінені електромагнітами. Електромагніти ватметрового вібратора збуджу­ються струмом спостережуваного. кола.

Сучасні магнітоелектричні осцилографи мають до 24 вібрато­рів, що дає змогу одночасно спостерігати до 24 величин.

З—11. ЕЛЕКТРОННИЙ ОСЦИЛОГРАФ

Електронний осцилограф широко застосовується в сучасній електро- і радіовимірювальній техніці; за його допомогою можна вимірювати дуже багато парамбтрів сигналу, у тому числі і його фазу. Основними частинами осцилографа є: електронно-променева

трубка, підсилювачі, генератор розгортання в часг і блок живлення. Блок-схема електронного осцилографа, яка дає уявлення про взає­мозв’язок між вузлами, зображена на рис. 3—18, де Y_yi-_y, — підсилювач напруги; у_х, у₂ — вертикальні пластини; УX_i-X, — підсилювач пилкоподібної напруги; х{, X₂ — горизонтальні плас­тини; ГЧР — генератор розгортання в часі; БЖ — блок живлення, який складається з трансформатора, кенотронів і подільника на­пруги електронно-променевої трубки.

Б

Ж

Ні·

U

Ol

ч -EJ -CJ

ГЧР		Уг-г

Важливою частиною електронного осцилографа є електронно-променева трубка (рис. З—19). Вона перетворює електричний сигнал у світлове зобра­ження за допомогою по­току електронів, які па­дають у вигляді тоненького променя на екран трубки.

З катода 2 вилітає по­тік електронів, який під дією електричного поля в спеціальному пристрої пе­ретворюється у вузенький _Рис_ з—із Блок-схема електронного осци- пучок — електронний про- лографа.

мінь. Цей промінь падає

на покритий люмінесцентною речовиною екран 8. Пристрій, за допомогою якого створюється вузенький пучок електронів, на- зивають електронною «гарматою». Він складається з катода 2_Г підігрівника З, керуючого електрода (сітки) 4 і двох циліндрич­них анодів 5.

В електронно-променевих трубках тепер здебільшого викорис­товують оксидні катоди з непрямим розжарюванням. Це дає змогу збільшити густину струму емісії, що важливо для створення до­статньої яскравості зображення. На своєму шляху до екрана елек­тронний потік послідовно проходить між двома парами відхиляю-

Рис. З—19. Схема пристрою, електронно-променевої трубки з електростатичним керуванням.

чих пластин б і 7. Змінюючи напругу на цих пластинах, можна змінювати напрям руху електронів і, отже, місцеположення світ­лового сліду на екрані трубки.

Змінювати напрям руху електронного променя можна елек­тростатичним або магнітним методом. У розглядуваній трубці (рис. З—19) застосований електростатичний метод керування за допо­могою пластин 6 і 7. Якщо подамо змінну напругу тільки до плас­тини 7, то електронний промінь накреслить на екрані вертикальну пряму лінію. Коли ввімкнути тільки пластини 6, то на екрані з’явиться горизонтальна лінія. При одночасному подаванні напруги на обидві пари пластин промінь даватиме на екрані різноманітні криві. Ці криві називають фігурами Ліссажу.

В електронно-променевих трубках з магнітним керуванням фоку­сування і відхилення електронного променя відбувається під дією магнітних полів; Останні створюються струмами, які проходять по котушках, розташованих за межами трубки. Трубки з електро­статичним керуванням застосовуються частіше, ніж з магнітним.

Існують двопроменеві осцилографічні трубки, які в одному балоні мають дві однакові системи фокусування і відхилення про­менів. Такими трубками можна спостерігати на екрані одночасно два явища. -

3-12. МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ ОСНОВНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН У КОЛАХ ПОСТІЙНОГО І ЗМІННОГО СТРУМІВ

Вимірювання — це процес порівняння будь-якої вимі­рюваної величини з однорідною величиною, умовно взятою за оди­ницю вимірювання. Наслідок вимірювання можн» дістати різними методами, використовуючи різні прийоми і їх комбінації.

Під «методом вимірювання» розуміють різні прийоми, за допо­могою яких здійснюється вимірювання. Отже, з технічного боку кожний метод характеризується визначеною сукупністю фізичних приладів (основних та допоміжних) і прийомами експерименту.

Залежно від фізичного зв’язку між шуканим і вимірюваним параметрами розрізняють три види вимірювань: прямі (безпосередні), непрямі і сукупні.

При прямих вимірюваннях наслідок вимірювання дістаємо з дослідження одного виміру. До таких вимірювань нале­жать ті, які виконують за допомогою приладів, градуйованих заздалегідь у визначених одиницях (наприклад, вимірювання стру­му амперметром, напруги — вольтметром та ін.).

При непрямих вимірюваннях наслідок вимірю­вань дістаємо на основі прямих вимірювань кількох величин, які пов’язані з вимірюваною величиною визначеною залежністю. При­кладом такого вимірювання може бути вимірювання питомого опору.

Вимірявши опір г зразка, його довжину І і переріз q, ми можемо обчислити питомий опір р.

При сукупних вимірюваннях наслідок дістаємо на підставі сукупності прямих вимірювань. Прикладом таких вимі­рювань може бути визначення температурних коефіцієнтів опору. Так, електричний опір r_t провідника визначають з рівняння:

r, =г_т[ 1 + <*(/ - 20) + Р(/ - 20)*];

вимірявши опір при трьох різних температурах (20° С, t% і tty, можна визначити температурні коефіцієнти а і β двох матеріалів з рівнянь:

т_и = r₂₀[l + OLtf₁ - 20) + Ції — 20)*];

П. = r„[I + a(t_t - 20) + р(/, - 20)·].

Усі три види вимірювань можна здійснювати різними засобами залежно від вимог точності, умов експерименту, наявності апара­тури та ін.

В електротехнічній практиці найбільше застосовується метод прямого вимірювання (безпосереднього відліку), бо цей метод не забирає багато часу і досить простий.

3—13. ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ОПОРІВ. ОММЕТРИ

В електротехніці умовно прийнято таку класифікацію опорів за Ix величиною: а) малі опори — до 1 ом; б) середні опори — від

1. до 100 000 ом; в) великі опори — від 100 000 ом і більше.

Електричні опори вимірюють трьома основними методами (за­лежно від величини вимірюваного опору): а) метод амперметра і вольтметра; б) метод безпосередньої оцінки з застосуванням ом­метра; в) метод порівняння за допомогою вимірювальних мостів і потенціометрів (мостовий метод).

За методом порівняння опори вимірюють здебільшого в лабора­торіях.

Розглянемо вимірювання опорів амперметром і вольтметром. Цей метод знайшов найбільше застосування. Амперметром вимірю­ють величину струму в опорі, а вольтметром— спад напруги на

цьому опорі. Потім за законом Ома визначають опір: г_х — ~.

Можливі два варіанти вмикання амперметра і вольтметра (рис. З—20). За схемою рис. З—20, а вимірюють великі опори: тут вольтметр ураховує не тільки спад напруги на опорі г_х, а й по­рівняно незначний спад напруги на затискачах амперметра; за схемою рис. 3—20, б вимірюють малі опори, тут амперметр ураховує не тільки струм в опорі, а й порівняно незначний струм, який протікає через вольтметр.

Шуканий опір для схеми рис. З—20, а = але U_e--

*а

U_x

. — U_x + J_a ■ г_а, тому Гх = — 4- г_а. Оскільки в цій схемі

Iq

I_a = їх, TO

^ = J^x- + Г_а = г_х + г_а.

Ix

Рис. 3—20. Схеми вимірювання опору методом амперметра і вольтметра; а — середніх опорів; б — малих опорів.

Таким чином, опір г'_х відрізняється від дійсного значення опору г_х на величину опору амперметра г_а. Інакше кажучи, за пока­зами приладів .ми знаходимо суму опорів r_x -J- г._а, тому маємо похибку вимірювань незалежно від точності приладів. Ця похибка

Рис.' З—21. Схеми вимірювання опору приладами безпосередньої оцінки у колах змінного струму.

для схеми рис. З—20, a: T_a = ——— — — . Опір г_х для схеми

U U

рис. З—20, б: г"_х — = ——--, де І, — струм у колі вольтметра,

I_a I_x +Л

U

що дорівнює ~. Ураховуючи, що в цій схемі U_e — U_xi знаходимо:

У цьому разі ми знаходимо загальний опір паралельного спо­лучення г_х і г_в. Похибка для цієї схеми буде:

Вимірювати опір амперметром і вольтметром можна і в колах змінного струму. У цьому разі буде виміряно повний опір Z, а йе опір постійного струму.

Якщо треба виміряти окремо активний і реактивний опори, то, крім амперметра і вольтметра, потрібний ще й ватметр, який вми­кають у коло за однією із схем рис. 3—21, а і б. Активний г'_х і реак­тивний Χχ опори можна визначити з таких рівнянь:

де U, І і-P — покази, відповідно, вольтметра, амперметра, ват­метра. Розглянутий метод вимірювання опорів досить поширений у практиці (вимірювання опорів обмоток електричних машин і котушок різних електромагнітних апаратів та пристроїв).

Вимірюваная опорів омметрами. Електричну схему омметра можна виконати в двох варіантах: з послідовним і паралельним вмиканням вимірюваного опору і вимірювального механізму.

а ¹

Рис. З—22. Принципові схеми омметрів:

а — послідовна; б — паралельна.

б

CS

я

Послідовну, схему застосовують для вимірювання великих, а па­ралельну — для вимірювання середніх опорів. Щоб з’ясувати прин­цип дії омметра; розглянемо схему рис. 3—22, а.

У коло джерела постійного струму з напругою U послідовно ввімкнені відомий опір гв, вимірюваний опір г_х і гальванометр G. Величину струму в колі визначимо за законом Ома:

^гд 4" ^гх + ^гг ’

де г_в — опір гальванометра.

Через те що опори Гд і г_г сталі, при сталій напрузі U струм у колі залежатиме тільки від опору г_х. Тому кожному значенню опору г_х відповідає визначена величина струму в гальванометрі. Тоді шкалу гальванометра можна безпосередньо градуювати в омах; при вмиканні струму стрілка омметра покаже^на шкалі величину вимірюваного опору.

Якщо замкнути вимикач К, то вимірюваний опір г_х закорочу- €ться (г_х = 0), і відхилення стрілки приладу буде найбільшим. Якщо вимикач K розімкнути, то стрілка приладу не відхиляти­меться. Якщо потім замість г_х ввімкнути змінний відомий опір, то шкалу приладу можна градуювати безпосередньо в омах. Проте коли г_х мале порівняно з опором котушки гальванометра г_г, то ввімкнення вимірюваного опору г_х не спричинить помітної зміни струму в колі. Тому омметри з послідовним електричним колом призначені для вимірювання порівняно великих опорів. Омметри, які вимірюють опори порядку сотень тисяч і мільйони омів, нази­вають мегомметрами. Для вимірювання малих опорів застосовують схему рис. З—22, б. Вимірюваний опір вмикають паралельно вимі­рювальному приладу, кут повороту рухомої частини приладу зале­жатиме від вимірюваного опору г_х.

Покази омметрів з послідовним або паралельним вмиканням вимірювального приладу залежать від сталості напруги джерела живлення кола, що є великим недоліком цих приладів. Щоб покази приладу не залежали від коливань напруги джерела живлення, в омметрах широко використовують вимірювальний механізм магні­тоелектричного логометра (див. рис. 3—13).

3-14. ВИМІРЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ І ЕНЕРГІЇ У КОЛАХ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Потужність у колах постійного струму можна вимірювати двома способами: непрямим і прямим (безпосереднім) відліком.

а) Непрямий відлік здійснюється за допомогою вольтметра і ам­перметра, через те що потужність P = U-I.

б) Потужність визначається також безпосередньо ватметрами (другий спосіб). Тепер застосовують тільки електродинамічні ват­метри. Нерухома котушка електродинамічного приладу вмикається в коло послідовно і є струмовою котушкою ватметра, рухома — паралельно. Кут відхилення стрілки пропорційний потужності, шкала приладу градуюється безпосередньо в одиницях потужності — ватах.

Для обліку електричної енергії постійного струму застосовують лічильники електродинамічної системи. На рис. З—23 зображено схему електродинамічного лічильника.

Лічильник складається з двох нерухомих котушок А і A₁, які вмикають у коло послідовно. Між цими котушками обертається якір Я. Що складається з кількох котушок з тонкого ізольованого

дроту. Послідовно до якоря за допомогою щіток Щ увімкнено додат­ковий опір Re і компенсаційну котушку К. Сам якір з компенса­ційною котушкою ввімкнений у коло паралельно. Між струмом якоря і магнітним полем нерухомих котушок виникає обертальний момент M₀₆ = It₁ Ф,, який приводить у рух якір. На осі якоря є алюмінієвий диск Д„ Обертаючись, диск перерізує магнітні силові лінії постійного магніту М, внаслідок чого в ньому індукуються вихрові струмиі

Магнітний потік послідовних котушок дорівнює: Ф = · І, де / — струм навантаження; k₂—коефіцієнт пропорційності. Додатковий опір Rs становить значну частину опору якоря. Виго­товляють його 3 матеріалу з малим температурним коефіцієнтом опору. Тому опір якоря можемо вважати сталим. Отже, матимемо: i = k₉ U, де і — струм якоря; U — напруга сітки; k_a — коефі­цієнт пропорційності.

Обертальний момент буде M_o6 — k_t ■ ■ k₃ U ■ I = k₄ ■ U· · /. Коли швидкість руху буде сталою, цей обертальний момент зрів­новажуватиметься протидіючим моментом: M_o6 — M_np.

Протидіючий момент утворюється від взаємодії вихрових стру­мів диска з полем постійного магніту: M_np ■= F' ■ г, де F — галь­мівна електромагнітна сила від вихрових струмів; г — віддаль від точки прикладання сили до осі обертання.

F — k$ · I_e. с.

(

де І в. с. — вихровий струм диска:

, аВп ,

— ϊζ — Rg — Re · п,

де E_d — е. р. с. диска, R_d — опір диска. Тоді M_np- k_t · k_t ■ г ■ п, або M_np = fe₄ ■ U ■ І — к_ъ ■ k_e ■ г · η, або U I = k₇ . ti ■ т. Помноживши останнє рівняння на t, дістанемо:

U - I ■ t = k₇ ■ г - N,

де U ■ I ■ t — електрична енергія, яка витрачається з сітки за час t\ п — кількість обертів диска за 1 сек, a і — час роботи лічильника, сек·, N — кількість обертів за час і. Візьмемо: k₇ ■ т =

U -І ■ t

= с = —jj—, де с — стала лічильника.

Розрізняють сталу дійсну і номінальну. Номінальну сталу вста- · новлює завод, який виготовив лічильник, у вигляді запису на пас» порті лічильника: 1 кет · год = N обертів. З цього рівняння визна­чаємо номінальну сталу лічильника:

1 кет год 1000 - 3600 *1000 , _л

C_h — jj =?= -Jj- вт · год І оберт — ^ вт ■ сек! оберт.

Дійсну сталу знаходимо за формулою:

Ca = ^ ^ ¹ вт · сек!оберт,

де U і / — напруга і струм сітки; N₁ — кількість обертів лічиль­ника за час і, -сек.

Компенсаційна котушка K компенсує втрати від тертя. Струм якоря, взаємодіючи з полем компенсаційної котушки, утворює до­датковий момент, який має компенсувати втрати від тертя. Якщо цей додатковий момент перевищуватиме момент від тертя, то лі­чильник обертатиметься при відсутності навантаження. Таке явище, коли лічильник обертається при відсутності навантаження, нази­вається самоходом лічильника.

За ГОСТом при збільшенні напруги до 110% від номінальної- лічильник повинен залишатися нерухомий.

Абсолютна похибка лічильника: ЛЛ = с_к — Cd.

C Ся

Відносна похибка лічильника: / = — 100%, яка для

^сн

лічильника другого класу точності при навантаженні від 10 до .· 100% від номінального не повинна перевищувати +3%; якщо f більша за ±3%, то лічильник треба регулювати, змінюючи по­ложення магніту M відносно диска D і радіус г.

Чутливістю. лічшіьннка називають відношення мінімального струму, при якому диск лічильника починає обертатись, до номі­нального струму: о = ¹SB . 100%.

I_h "і

Чутливість не повинна перевищувати 1% для лічильників дру-. гого класу і 0,5% для лічйльників першого класу.

Число обертів лічильника фіксує лічильний механізм, який приводиться в рух від черв’ячної передачі. Передачу вибирають такою, щоб можна було відразу відрахувати пропорційну обертам лічильника електричну енергію.

3. 15. ВИМІРЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ 1 ЕНЕРГІЇ В КОЛАХ ЗМІННОГО СТРУМУ

Для вимірювання потужності в колах змінного струму застосо­вують електродинамічні, феродинамічні та індукційні ватметри.

Ви мірювання активної потужності одно­фазного змінного струму. Вимірювати потуж­ність у колі постійного струму можна непрямим і прямим спосо­бами. У колі змінного струму вимірювати потужність амперметром і вольтметром (непрямий спосіб) можна тільки тоді, коли відомий кут φ, через теі що середнє значення потужності визначається також коефіцієнтом потужності cos φ; P = U I cos φ. Цей метод може бути застосований тільки при активному навантаженні, тобто, коли cos φ — 1- Коли cos φ < 1, активну потужність треба вимірю­вати ватметром за однією з схем рис. З—24, а і б. У випадку схеми рис. 3—24, а сила струму в нерухомій котушці / приладу дорівнює струму кола I₁; при цьому рухома котушка ввімкнена під напругу U = U₁ + AU = I ^R₁ + Rs), де R₂ --- опір нерухомої котушки; Δ £/ — спад напруги на нерухомій котушці; R₁ — опір кола; U₁ — спад напруги на споживачі. Напруга U більша від напруги на' затискачах споживача на величину AU = I₁ ■ R_t, отже, потуж·· ність, яка відлічується приладом, дорівнює:

P = (U₁ + AiZJZ₁COSf > U₁I_lCos φ.

У другому випадку (рис. 3—24, б) струм / в нерухомій котушці приладу дорівнює сумі Z₁ + Z*, де I₂ — струм у рухомій котушці, а напруга на затискачах рухомої котушки дорівнює напрузі на затискачах споживача U₁.

Потужність, яка вимірюється приладом, у цьому випадку дорів­нює:

P = (I₁ + I^U₁ cos φ > U₁I₁ cos φ.

Перший спосіб (рис. З—24, а) застосовується при малому струмі і значних напругах на затискачах у колі приймача, другий — при великих струмах у колі приймача.

Вимірювання а к т и ї ή of iitfty ж η ості в колі трифазного струму. Вимірюючи активну потужність і енергію трифазного струму, застосовують різні методи і схеми вмикання ватметрів залежно від характеру навантаження — рів­номірного або нерівномірного — і від схеми — трипровідної або

Рис. З—24. Схема вмикання котушок ватметра у коло споживача:

а — при малих струмах; б — при великих струмах.

чотирипровідної. Коли навантаження рівномірне, вимірювання можуть, бути проведені за допомогою одного ватметра, при нерів­номірному навантаженні і трипровідній системі — двома ватмет­рами (або одним двоелементним), при нерівномірному наванта­женні і чотирипровідній системі — трьома ватметрами або одним триелементним.

Рис. З—25. Схема вмикання ватметра: а — коли доступна нульова точка при рівномірному навантаженні; 6 —коли штучна нульова точка і навантаження рівномірне у всіх фазах.

Розглянемо методи вимірювання потужності для різних випад­ків. Потужність трипровідної системи при рівномірному наванта­женні в усіх трьох фазах можна вимірювати одним ватметром за одним з двох варіантів (рис. 3—25).

Для вимірювання потужності за схемою рис. 3—25, а досить мати один однофазний ватметр, який вмикають так, щоб через його послі­довну котушку проходив фазний струм, а паралельна котушка була під фазною напругою.

Коли ж нульова точка навантаження, сполученого зіркою, не­доступна або коли споживачі сполучені трикутником (рис. 3—25, б), паралельну котушку ватметра вмикають до штучної точки. Штучна нульова точка створюється трьома додатковими опорами r_lt г₂, г₈, сполученими зіркою. Опори повинні бути підібрані так, щоб г₂ = = r₃ = T₁ + г_вт,

де Гвт — опір паралельної котушки ватметра.

а

Рис. З—26. Схема вмикання трьох ватметрів для вимірювання потужності трифазної системи при нерівномірному наван­таженні:

а — нульова точка присутня; б — нульова точка відсутня.

6

Якщо застосовується ватметр індукційної системи, то додаткові опори повинні бути обов’язково індуктивними.

Потужність трифазної системи в три рази більша за потужність однієї фази, виміряної ватметром:

P = З Р_ф = W ф ■ Іф cos φ = УЗ U_aI_a- cos <р.

При нерівномірному навантаженні в чотирипровідній системі трифазного струму для вимірювання потужності застосовують схему трьох ватметрів, рис. 3—26. Кожний однофазний ватметр вимі­рює потужність однієї фази. Потужність усієї системи дорівнює сумі показів усіх трьох ватметрів:

P = P_l +P_i +P₃ = I_lU_lCos_n+ UU і Costp₂+ Z₃^₃ cos φ₃.

Потужність трипровідної трифазної системи незалежно від спо­собу сполучення фаз зіркою або трикутником, рівномірного або нерівномірного навантаження можна виміряти способом двох ват­метрів за схемою рис. 3—27 (схема Арона) або одним трифазним, який називається двоелементним ватметром. У цьому ватметрі кон­структивно оформлені в одному корпусі два однофазні ватметри. Послідовні котушки ватметрів вмикають у будь-які дві фази, а кінці паралельних котушок підводять до вільної третьої фази.

Доведемо, що сума показів двох ватметрів дорівнює потуж­ності трифазної системи, тобто P₁ + P₂ = Р\_ф + Р2Ф + Рг_Ф, або

U _Х2І і cos (U₁₂I_x) -j- U32/3COS (U₃₂І3) ⁼ U _Х21₁₂ cos (U₁₂I₁^)

+ U23I23 cos (U23I23) -J- U₃₁I₃₁ cos (U₃₁I₃₁).

Рис. 3—27. Схема вимірювання потужності способом двох ват­метрів.

З теорії змінних струмів відомо, що миттєве значення потуж­ності трифазної системи дорівнює сумі миттєвих потужностей окремих фаз: P — Рі + Р^ + Рз·

Значення миттєвої потужності, виміряної ватметром першої фази, PI = M₁₂1₁ і ватметром у третій фазі Рз ⁼ U₃₂I₃.

значень потуж-

U₁Zli U_{3 2}І₃.

Сума миттєвих ності:

Подамо лінійну напругу на па­ралельних котушках ватметрів через фазні напруги: U₁₂ = U₁ — U₂ і U₃₂-U₃ — и₂. За першим законом Кірхгофа сума струмів для нейтраль-

і і + Із + Із — О, ЗВІДКИ I₁ + I₃

I₂.

P' = Р; + P' =

HOl ТОЧКИ I₁

Отже, вираз миттєвої потужності двох ватметрів можна записати у вигляді:

P = P₁ + Рз = («і — и₂) і_г + («з — и₂) і₃ = U₁I₁ +

+ и₃І₃ — U₂ (Іі + І₃) = U₁I₁ + U₂I₂ + и₃і₃ = P₁ +

+ P₂ + P₃,

тобто сума показів обох ватметрів у будь-який момент часу дорів­нює сумі потужностей усіх трьох фаз.

До цього висновку прийдемо, якщо побудуємо векторну діагра­му рис. 3—28, користуючись діючими значеннями напруг і струмів. З діаграми маємо:

до першого ватметра підведені напруга U₁₂, струм I₁, кут зсуву фаз між ними становить 30° + <Рі, отже,

до другого ватметра підведені напруга U₃₂, струм I₃, кут зсуву фаз між ними становить (30° — φ₃), отже,

P₂ = U₃а · I₃ cos(30° — φ₃).

При симетрії напруг і струмів U₁₂- U₃₂ = U; I₁ = I₂ = I₃',

Фі = Фа = <Рз = <Р-

Сума показів обох ватметрів:

P₁ + P₂ = UI [cos (30° + φ) + cos (30° — φ)] =

= UI[cos 30° · cos φ — sin 30° sin φ + cos 30° cos φ +

+ sin 30° - sin φ] = YH UI cos φ.

Рис. З—28. Векторна діаграма до вимірювання потужності трифазної системи двома ватметрами.

Сума показів двох ватметрів дає потужність трифазної системи. Легко пересвідчитись, що розподілення трифазної потужності між ватметрами залежить від кута зсуву фаз φ.

Дійсно, коли φ = 0°, обидва ватметри показують однакові

т/з

потужності, а саме: P₁ — P₂ = Ul. Із збільшенням кута φ

покази одного з ватметрів збільшуватимуться, а другого зменшу­ватимуться.

Електричну енергію в колах змінного струму вимірюють пере­важно лічильниками індукційної системи. Увімкнення лічильників електричної енергії в кола змінного струму принципово нічим не відрізняється від увімкнення ватметрів. Трифазні лічильники об’єд­нують в одному приладі два або три однофазні лічильники, в яких результати вимірювання механічно додаються внаслідок дії двох або трьох рухомих елементів індукційних лічильників на загальну вісь і загальний лічильний механізм.

Для вимірювання реактивної потужності і енергії широко засто­совуються особливі схеми з використанням звичайних ватметрів і лічильників, які називаються реактивними ватметрами і лічиль­никами з заміненими напругами. Заміна напруг полягає в тому, що паралельну котушку ватметра вмикають на так звані «чужі фази» (рис. З—29, а). Через те що зсув фаз між струмом I_i і напру­гою U_n становить (90° — φ) (рис. 3—29, б), то покази ватметра будуть:

P = U_i3I_l COS (90° — φ) = U_iaI₁ sin φ.

Рис. З—29. Схема вмикання ватметра (лічильника) «на чужі фази» (а) і векторна діаграма до цієї схеми (б).

Оскільки при повній симетрії реактивна потужність дорівнює: Q = V3 U_aI_a sin φ, то для визначення реактивної потужності трифазної системи покази ватметр Q, увімкненого за схемою рис. 3—29, треба помножити на ]/3, або

U 2з ⁼ U_a і I₁ = І_А.

Реактивну енергію в колах трифазного струму вимірюють, як правило, дво- або триелементними лічильниками індукційної системи. Ці прилади придатні для вимірювання потужності і енер­гії як при рівномірному, так і при нерівномірному навантаженні фаз. Якщо навантаження симетричне, то обов’язково треба додер­жуватись послідовності чергування фаз при вмиканні в коло три­фазного струму.

Значення коефіцієнта потужності можна визначити двома мето­дами: непрямим і прямим.

Непрямим методом коефіцієнт потужності в колах одно­фазного змінного струму визначають за показами вольтметра, ампер-

р

метра і ватметра (рис. 3—30): cos φ = -щ.

Визначивши cos φ, легко знайти кут φ, реактивну потужність Q = UI sin φ, реактивну складову струму I_p — I sin φ та ін.

Цими вимірювальними приладами коефіцієнта потужності в ко­лах трифазного струму з рівномірним навантаженням визначають

р

за формулою: cos φ = >

-¾)

де U і / — лінійні напруги і струм, а φ — кут зсуву між фазними напругою і струмом.

Величину cos ψ в колах трифазного змінного струму при рівномірному на­вантаженні фаз можна також визначити двома однофазними ватметрами за фор­мулою:

,— D р

tg<? = V3 ^{Ρΐ Ρι}

Рис. З—ЗО. Схема непрямого Спосіб визначення cos φ двома ват- ^{вимірюван}^_ж^к^^{цієнта по}* метрами широко використовується у виробничих умовах при випробуваннях двигунів.

Середнє значення коефіцієнта потужності cos <p_fp за певний час можна знайти за показами лічильників активної і реактивної енер­гії з формули:

A_a

^{C0S =} Vf Л· 3^: ’

V Al + Al

де A_a — активна енергія; A_p — реактивна енергія. Можна знайти А. .

tg ?ср — ~г і визначити за тригонометричними таблицями відпо-

БІДНИЙ COStp_cp.

Миттєве значення коефіцієнта потужності на практиці визначають за допомогою спеціальних приладів — фазометрів.

Безпосередньо і неперервно коефіцієнт потужності cos φ вимі­рюють фазометрами.

На практиці для вимірювання коефіцієнта потужності найшир- ше застосовується фазометр електродинамічної системи.

Електродинамічний фазометр логометричного типу однофазного струму має одну нерухому котушку 3 і дві рухомі 1 і 2, жорстко скріплені між собою під кутом 90° (рис. З—31, а, б). Нерухома ко­тушка ввімкнена в коло послідовно з споживачами електричної енер­гії, а рухомі — паралельно. У коло котушки 1 вмикають додатковий

активний опір г_а, а в коло котушки 2 — реактивний опір X₂- При значній величині додаткового опору струм Z₁ у першій котушці збігається за фазою з напругою, а в другій відстає від напруги на 90°, а від струму / — на кут 90° — φ.

Рис. З—31. Електродинамічний фазометр: а —схема електричних з'єднань та вникання в коло; б — схема пристрою

Згідно з векторною діаграмою електродинамічного фазометра (рис. 3—32):

I₁ = I_m sin сot\ і = I_m sin (Ш — <р); і₂ = I_m sin (ші — 90°);

U — U_m sin ωί.

Рис. З—32. Векторна діа­грама електродинамічного фазометра.

Внаслідок взаємодії магнітних полів котушки рухома система відхиляється на деякий кут φ відносно осі нерухомої котушки. При цьому на котушку 1 діє обертальний момент Ai₁ = = ^₁ZZ₁ sin a cos φ, а на котушку 2 — момент M₂ = Ii₂II₂ sin ψ cos а..

Моменти діють протилежно, рухома система повертатиметься в напрямі біль­шого з них. Через те що в один з них вхо­дить sin а, а в другий cos а, то при повер­танні рухомої системи більший з моментів зменшуватиметься, а менший — збільшу­ватиметься.

Відхилення рухомої системи припи­няється, коли моменти M₁ і TW₂ будуть однакові, тобто:

Zj₁ZZ₁Sin a cos φ=^₂ZZ₂ sin φ cos а, звідки: tga==^tg? = Xⁱ · — tgf, або tga = c-tg<p. Отже,

v/i ¹ А

відхилення стрілки приладу залежить від кута зсуву фаз φ, і шкала приладу визначається в градусах і значеннях cos?.

3. 18. ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕТОДІВ ВИМІРЮВАННЯ НЕЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

У сучасних умовах високого розвитку техніки електричні вимі­рювання неелектричних величин є досить широкою галуззю вимірю­вальної техніки; вони охоплюють вимірювання значної кількості величин і параметрів, які характеризують різні фізичні та хімічні явища і виробничі процеси. Широке застосування електричних методів вимірювання неелектричних величин пояснюється такими перевагами цих методів: можливістю дистанційних вимірювань; високою точністю; можливістю неперервної реєстрації і запису­вання тривалих та миттєвих процесів; широким діапазоном вимірю­ваної величини. Вимірювання неелектричних величин електрич­ними методами зводиться до того, щоб неелектричну Величину пере­творити в залежну від неї електричну величину, після вимірювання якої дістанемо шукану неелектричну величину.

Пристрої і прилади, за допомогою яких здійснюється це пере­творення, називаються перетворювачами, або датчиками. Датчики є невід’ємною частиною кожної схеми електричного вимірювання неелектричних величин.

—0⁷

Рис. З—33. Структурна схема електричного приладу для вимі­рювання неелектричних величин електричними методами:

/ —об'єкт вимірювання; 2 —датчик; 3 — підсилювач сигналу; 4 — вимірювальна схема; 5 — вимірювальна величина; 6 — реєстрована величина; 7 — електровимірювальний стрілочний прилад; 8 — шлейф осцилографа.

Відповідно до викладеного структурна схема електричного пристрою для вимірювання неелектричних величин у загальному вигляді подана на рис. 3—33.

Незважаючи на велику різноманітність перетворювачів (дат­чиків), за їх будовою і принципом дії усіх їх можна поділити на дві основні групи: параметричні і генераторні.

У параметричних перетворювачах неелектрична величина змі­нює будь-який електричний або магнітний параметр: опір, ємність, індуктивність, магнітну проникність та ін.

У генераторних перетворювачах неелектрична величина зумов­лює появу е. р. с., залежно від характеру збудження якої

перетворювачі поділяють на індукційні, термоелектричні, п’єзоелек­тричні та ін.

Розглянемо деякі типи перетворювачів і їх застосування для вимірювання неелектричних величин. Той самий перетворювач можна використати для вимірювання різних неелектричних вели­чин, тому перетворювачі розглядають незалежно від останніх.

Припустимо, що треба виміряти на відстані температуру рідини. Для цього можна використати або параметричний датчик опору, або

Рис. З—34. Схема індук­ційного перетворювача для вимірювання рівнів рідин.

генераторний датчик з термоелектрору­шійною силою. У першому випадку в рі­дину, температуру якої вимірюють або регулюють, поміщають дротяний опір на ізоляційному каркасі. Опір вмикають у коло джерела струму з сталою напру­гою. Струм у колі залежить від опору датчика R_t, а опір залежить від темпе­ратури рідини. Тому шкала вимірюваль­ного приладу може бути проградуйована в градусах. У другому випадку в рідину поміщають гарячий спай термопари, у коло якого вмикають вимірювальний при­лад. Величина термоелектрорушійної сили термопари залежить від температури га­рячого спаю, тобто рідини. Тому шкала вимірювального приладу може бути проградуйована в градусах.

Для вимірювання різноманітних механічних величин широко застосовують індукційні перетворювачі (датчики). Принцип дії такого перетворювача грунтується на залежності індуктивності обмотки електромагніту змінного струму від положення рухомого якоря або сердечника, яке визначається вимірюваною механічною величиною. Для прикладу розглянемо принципову схему індукцій­ного перетворювача з рухомим сердечником (рис. 3—34). Поплавок TI₁ переміщує феромагнітний сердечник двох котушок електромагнітів, а це порушує рівновагу моста змінного струму. У діагоналі моста

з вимірювальним приладом виникає струм, величина якого залежить від переміщення сердечника. Вимірювальний прилад П градуюють для безпосереднього відліку рівня рідини.

Розділ IV ТРАНСФОРМАТОРИ

3. 1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Трансформатором називається статич­ний електромагнітний апарат, призначений для пере­творення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги при незмінній частоті.

Потреба в зміні напруги пояснюється тим, що основні споживачі на заводах (двигуни, індукційні печі тощо) розраховані на напругу 380 і 500 в, а спо­живачі в житлових будинках (радіоприймачі, теле­візори, лампи освітлення тощо) — на 220 в, тоді як напруга генераторів на електростанціях становить

З, б, 10, 15 і 20 кв. У цьому випадку напругу генера­тора слід знизити знижувальним трансфор­матором. Крім того, при передаванні електричної енер­гії на відстань у проводах втрачається частина енер­гії, пропорційна I^і г. Щоб зменшити ці втрати, треба або зменшити опір проводів, збільшивши їх попереч­ний переріз, що є економічно невигідно, або зменшити струм /. Але для того щоб передавана потужність залишилася незмінною, треба підвищити напругу. У цьому разі застосовують підвищувальні трансформатори.

На сучасних лініях електропередач напругу під­вищують трансформатори залежно від дальності пере­дачі електроенергії до 35, 110, 220, 400, 500, 800 тис. вольтів і більше. У місцях споживання напругу зни­жують трансформаторами до потрібної величини.

Винайшов трансформатор з розімкненим магніто- проводом видатний російський винахідник-електротех- нік Павло Миколайович Яблочков (1876 p.). Такий трансформатор уперше був застосований для живлення дугових лампочок-свічок Яблочкова.

У 1882 р. препаратор кафедри фізики Московського університету Іван Пилипович Усагін (1855—1919 pp.) демонстрував удосконалений трансформатор із замк­неним магнітопроводом, який також використовувався

для живлення свічок Яблочкова. Конструкцію трифазного транс­форматора розробив видатний російський електротехнік М. О. До- ливо-Добровольський (1862—1919 pp.).

З винаходом трансформатора відкрилися шляхи для широкого використання енергії місцевих палив і гідроенергії. Перетворивши ці види енергії в електричну, передають її по високовольтних лініях на далекі відстані до споживачів. У зв’язку з інтенсивною електри­фікацією країни виробництво трансформаторів в електромашинобу­дуванні займає провідне місце. Радянські вчені та інженери розро­били багато досконалих конструкцій трансформаторів різних потуж­ностей і напруг: від часток вольт-ампера і вольта до сотень тисяч кіловольт-амперів і сотень кіловольтів.

Усі трансформатори за призначенням поділяють на такі типи:

1. с и л о в і, які застосовуються при передаванні і розподіленні електроенергії для живлення силового і освітлювального наван­таження;

2. вимірювальні, які застосовуються для живлення електровимірювальних приладів;

3. спеціальні, до яких належать зварювальні і випробу­вальні трансформатори, а також трансформатори для ртутних ви­прямлячів, медичних цілей та ін.

Отже, трансформатори застосовуються в багатьох галузях науки і техніки, відповідно до чого змінюються і їх конструктивні форми. Але в усіх випадках принцип дії трансформаторів залишається незмінним.

За кількістю фаз трансформатори поділяють на однофазні, трифазні і багатофазні. Найбільше поширені одно­фазні і трифазні трансформатори.

Залежно від способу охолодження, трансформатори бувають сухі (з повітряним охолодженням) і масляні (для охоло­дження застосовують трансформаторне масло).

За формою магнітопроводу трансформатори поділяють на с т е р- жневі і броньові.

3. 2. БУДОВА І ПРИНЦИП ДІЇ СИЛОВИХ ТРАНСФОРМАТОРІВ

На рис. 4—1 зображено схему будови однофазного стержньового трансформатора. Він складається з замкненого стального сердеч- ника-магнітопроводу, на якому розміщені дві обмотки — низької напруги (HH) і високої напруги (BH). Вони електрично не сполу­чені і ізольовані між собою ізоляційним циліндром (ІЦ). Частина магнітопроводу, на якому розміщені обмотки, називається стерж­нем (C), а без обмотки — якорем (Я). Обмотка, до якої електрична енергія підводиться з сітки, називається первинною; друга обмотка, до якої приєднують споживачів енергії, називається вторинною. На кожному стержні магнітопроводу розміщено по половині первинної і вторинної обмоток. Обидві половини тієї самої обмотки сполучені

між собою так, щоб їх магнітні потоки додавалися. Для кращого магнітного зв’язку первинна і вторинна обмотки розміщені концен­трично одна на одній. Обмотка низької напруги розміщена ближче до стержня.

	-Ф-Я-Ф-		•ф-		■ф-
І	ф	1		і	ф
	ф			і	ф
	C			і,	C
	ф			і	ф
І	$	-.--J		і	ф
	-ф-	-ф-	■-Ф-Я-Ф-

HH BH

Магнітопровід стержньового тран­сформатора не розгалужений. Магні­топровід однофазного броньового трансформатора (рис. 4—2) розгалу­жений. Він має сердечник C з кон­центричними обмотками HH та BH і два ярма, які обхоплюють обмотки, створюючи захисну броню.

Рис. 4—1. Однофазний стерж­ньовий трансформатор з концен­тричною обмоткою.

Практика показує, що броньові трансформатори менш зручні, ніж стержньові. Стержньовий сердечник простіший за конструкцією і дає змо­гу легко намотувати й ізолювати об­мотки, особливо обмотку високої на­пруги. Тому в CPCP тепер виготов­ляють тільки трансформатори стерж­ньового типу.

Щоб зменшити втрати на вихрові струми, магнітопровід складають з листів трансформаторної сталі тов­щиною 0,35 або '0,5 мм. Листи ізо­люють один від одного тонким папером або лаком. Стержень маг- нітопроводу має квадратний або хрестовидний переріз, а в по­тужніших трансформаторах — ступінчастий. Форма ярма подібна

до форми сердечника.

Листи магнітопроводу складають впритул і внапустку. За першим способом стержні і ярма складають окремо, а потім пресують і кріплять стяжними болтами. Між стержнями і ярмами кладуть ізолюючі проклад­ки, щоб запобігти замиканню кола вихровими струмами. За другим спо­собом (внапустку) листи сердечників і ярем накладають один на один, як зображено на рис. 4—3.

Рис. 4—2. Броньовий трансфор­матор.

Обмотки трансформаторів вико­нують з ізольованого мідного або алюмінієвого дроту круглого або прямокутного перерізу. Для стерж- ньових трансформаторів застосовують так звану циліндричну обмотку. Якщо обмотка має кілька шарів, то між ними прокладають папір або пресшпан завтовшки 0,06—0,2 мм. Для броньових

т|)Шіа|ю|)мггго|)іи найчастіше використовують так звану переміжну обмотку (рис. 4—4).

Якщо обмотки трансформатора охолоджуються маслом, то сер­дечник з обмотками поміщають у стальний бак, заповнений міне­ральним трансформаторним маслом, яке не тільки охолоджує, а й надійно ізолює обмотки одну від одної і від бака.

Рис. 4—3. Збиран­ня листів магніто­проводу внапусток.

Зовнішній вигляд трифазного знижуваль­ного трансформатора з масляним охолодженням типу TM з вирізаною передньою стінкою і об­моткою зображено на рис. 4—5, а. На стальному сердечнику 1 розміщені циліндричні обмотки низької 2 і високої 3 напруги однієї фази. Для позначення затискачів обмоток високої напруги застосовують такі літери: для початків — А, В і С, для кінців — X, Y, Z. Маленькими лі­терами позначають затискачі обмоток низької напруги: початки—а, Ь, с, кінці—х, у, г (рис. 4—5, в).

Обидві обмотки знижувальних трифазних силових трансформато­рів сполучають зіркою. Початки обмоток через ізолятори 8 і 9 виводять назовні. Нарис. 4—5, а видно чотири низьковольтних прохідних ізолятори: три ізолятори є виводами трьох фаз, а четвертий — виводом нульової точки, яка надійно заземлюється. Таке сполучення об­моток зірка — зірка з виведеною ну­льовою точкою позначають Υ/Υ₀·

туттнн

ий&йяйяй·

BH

Про інші види сполучення обмоток буде далі.

HH

BH

Знижувальні трансформатори мають перемикач коефіцієнта транс­формації 7. Контакти перемикача розміщають у баці трансформатора в маслі, а привод6виводять на кришку трансформатора 15.

нн

iasasssgasr

шшшнн

Рис. 4—4. Переміжна обмотка трансформатора.

Електричну схему перемикача зо­бражено на рис. 4—5, б. Перемикач дає змогу змінювати число витків обмотки високої напруги з тим, щоб коли зміниться напруга,на затискачах вторинної обмотки можна було під­тримати постійну напругу, що є не­обхідним для нормальної роботи споживачів. Регулювання напруги може відбуватись вручну і автома-

Зверху, над кришкою трансформатора, розміщено бачок-розши- рювач 5, який маслопроводом сполучається з кожухом. Маслом за­повнюють весь кожух трансформатора і розширювач до відпопідної позначки-покажчика рівня масла 13, який зверху і знизу з’єднаний патрубками з бачком розширювача. При зменшенні об’єму масла в баці трансформатора внаслідок його нагрівання рештки масла переходять у розширювач, а при недостачі масло надходить з роз­ширювача. Для контролю за температурою масла в кришці бака

Рис. 4—5. Силовий трифазний трансформатор типу TM.

встановлено ртутний термометр 10. Термометр може мати контакти, які замикаються ртуттю при температурі масла вище 95° C і вми­кають звуковий сигнал. Зливають масло через отвір, закритий пробкою 11.

Щоб масло краще охолоджувалося, кожух трансформатора 4 має радіатори 16, виготовлені з стальних труб, приварених до сті­нок кожуха.

Прохідні ізолятори, які використовуються в трансформаторах, можуть бути суцільними фарфоровими, фарфоровими з повітряним або масляним заповненням тощо.

Ізолятори для установок на відкритому повітрі мають ребра для збільшення шляху поверхневого розряду. Ізолятори для уста­новок, які розміщують у приміщеннях, ребер не мають.

На кожусі трансформатора прикріплюють паспорт трансформа­тора, на якому є основні технічні дані трансформатора: номінальна потужність у кіловольт-амперах, номінальна напруга первинної обмотки, напруга на затискачах вторинної обмотки при холостому ході трансформатора і номінальній напрузі на первинній обмотці, номінальні струми обмоток, група сполучення обмоток, (Υ/Υ„ —12 або Y /А—11), напруга короткого замикання U_k і номінальна частота.

У маркіровці трансфоматорів буква T або 0 відповідає трифаз­ному або однофазному трансформатору, буква M або C — масля­ному або сухому, чисельник числового позначення визначає потуж­ність у кіловольт-амперах, знаменник — найвищу напругу в кіло­вольтах. Трансформатори з алюмінієвою обмоткою маркірують

A 1O (	',7		д ]	H	a
0—* П І- U1 W1 j! I'	Ij α I -L I	I U- X I Г	:!*■ Jf1- :ι	-h -Г + J	I 1 U2 E-2 X
X	j	LI	'

Рис. 4—6. Схема трансформатора при холостому ході.

TMA 20/6 (трифазний, масляний, з алюмінієвою обмоткою, потуж­ністю 20 кв а на 6 кв). Трансформатори на напругу до 500 в випус­кають сухого типу.

Принцип дії трансформатора грунтується на законі електромаг­нітної індукції. Слід пам’ятати, що трансформатор не є джерелом електроенергії. Електрична енергія надходить з електромережі (від генератора) в первинну обмотку трансформатора, в якій пере­творюється в енергію магнітного поля, яка переходить по сердечнику трансформатора до вторинної обмотки, де вона перетворюється знову в електричну енергію, яка вже й надходить до споживачів.

Для посилення електромагнітного зв’язку між контурами пер­винної і вторинної обмоток їх розміщують на спільному стальному сердечнику (рис. 4—6).

Якщо до затискачів первинної обмотки AX підвести змінну напругу сітки U₁, то при проходженні змінного струму по первинній обмотці в стальному сердечнику виникає змінний магнітний потік Ф.

Магнітний потік Ф, пронизуючи первинну і вторинну обмотки, згідно з законом електромагнітної індукції індукує в кожному витку первинної і вторинної обмоток однакову щодо величини е. р. с. Якщо число витків вторинної обмотки буде менше від числа витків первинної обмотки, то сумарна е.р.с., індукована у вторин­

ній обмотці, у стільки разів буде меншою за е. р. с. повинної об­мотки, у скільки число витків у ній менше за число витків у пер­винній обмотці.

Таким чином, відношення е. р. с., індукованих в обмотках, дорівнюватиме відношенню числа їх витків: = —, де E₁ і E₂ —

•С 2

діючі значення е. р. с. первинної і вторинної обмоток; Qy₁ і — кількість витків первинної і вторинної обмоток.

При холостому ході (вторинна обмотка не навантажена) е. р. с. первинної обмотки E₁ приблизно дорівнює напрузі на затискачах первинної обмотки U₁, оскільки падіння напруги в ній при холо­стому ході мале. E. р. с. вторинної обмотки E₂ дорівнює напрузі U₀₂. Тому при холостому ході відношення е. р. с. можна замінити відношенням напруг на затискачах обмоток трансформатора U₁ і U₀₂:

£ _ Ei _ £ і w, Е,

ψ-. (4-1)

Це відношення називається коефіцієнтом т р а н с ф о р- м а ц і ї трансформатора.

4—3. ХОЛОСТИЙ ХІД ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Під холостим ходом трансформатора розуміють такий режим його роботи, при якому до первинної обмотки підводиться номіналь­на напруга, а вторинна обмотка розімкнена (рис. 4—6).

•рансфор-

то по об- ^и' \ , у

о ходу I₀. \° '

гік, біль- J. ,

/п ї

ТЛ PTO ITl. _ ^w

-E₁

ф

V

Коли до первинної обмотки трансфор­матора подати змінну напругу, то по об- мотці піде змінний струм холостого Цей струм створює магнітний потік ша частина якого замикається по сталь ному сердечнику, перетинаючи обидві об­мотки трансформатора. Цю частину маг­нітного потоку називають основним пото­ком Ф. Незначна частина магнітного потоку замикається, по повітрю, перети­наючи тільки первинну обмотку, і не бере участі в індукуванні е. р. с. у вторинній обмотці. Цей потік називається потоком розсіювання Ф₆₁.

. - Векторна діаграма трансформатора при холостому ході подана на рис. 4—7.

Е,

Рис. 4—7. Векторна діа­грама холостого ходу трансформатора.

Основний магнітний потік Ф індукує в первинній і вторинній обмотках транс­форматора е. р. с., діючі значення яких, як відомо з § 1—13, дорівнюють: E₁ =

= 4,44 α>χ/Φ, E₂ = 4,44 ш₂/Ф.

E. p. с. і E₂ відстає від потоку на кут п/2. Потік розсіювання Ф_п збігається за фазою із струмом холостого ходу I₀, тому що маг­нітний опір для нього визначається опором шляху потоку по по­вітрю, де немає впливу гістерезису і вихрових струмів. Потік роз­сіювання індукує в первинній обмотці е. р. с. розсіювання E_sl, яка відстає по фазі на л/2 від цього потоку і зрівноважується па­дінням напруги на індуктивному опорі первинної обмотки I₀X₁.

Напруга, прикладена до первинної обмотки трансформатора, складається з: а) напруги, яка зрівноважує зворотну е. p. с. .E₁, що дорівнює їй і протилежна за напрямом. На векторній діаграмі вона позначена — E₁; б) спаду напруги на активному опорі первинної обмотки I₀r_lt що збігається за фазою з струмом I₀; в) спаду напруги на індуктивному опорі первинної обмотки I₀X₁, що зрівноважує е. р. с. розсіювання E_sl. Ця складова випереджає струм I₀ на 90°. Отже, маємо:

U₁ = — E₁ -\- I₀T₁ 1,X₁. (4—2)

Величина Z₁ = Vі\ + X₁ — повний опір первинної обмотки трансформатора.

4. 4. РОБОТА ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ НАВАНТАЖЕННІ

Якщо до первинної обмотки трансформатора підвести напругу U₁ (рис. 4—8), а вторинну обмотку замкнути на будь-який опір наванта­ження Z_h, то під дією індукованої е. p. с. E₂ в колі вторинної об­мотки потече струм навантаження /₂, який створить свої магнітні

	•if	й G	і І '	ї **
&— H г -U1 £, 1' *- .і:	ч іТТ	[*» *«!' і f Iw- ч	ill t	{ E2 U2 N Zh J T
І		T т —fcj		І У

Рис. 4—8. Схема навантаженого трансформатора.

ПОТОКИ Ф₂ і Ф₈2· Тому що потоки Ф_х і Ф₂ проходять по спільному магнітопроводу, вони створюють результуючий потік Ф, який дорів­нює геометпичній сумі потоків Ф_х і Ф₂, бо вони зсунуті за фазою:

Ф = (J)₁ + ф₂. (4—3)

Отже, у навантаженому трансформаторі є три потоки: основний потік Ф, який наводить у кожній з обмоток е. р. с. E₁ і E₂, щовід-

стають за фазою від потоку Ф на ^π/₂, і два потоки розсіювання в первинній Ф₈₁ і вторинній Фд2 обмотках. Останні два потоки замикаються навколо своїх обмоток в основному по повітрю і тому збігаються за фазою з відповідними струмами I₁ і I₂, бо явища гістерезису в цьому випадку немає.

Рис. 4—9. Векторна діа­грама трансформатора при активно-індуктивно­му навантаженні.

Потоки розсіювання в обмотках індукують е. р. с. розсіюван­ня Esi і E_s2, які відстають від потоків на π/2 і зрівноважуються складовими напруги ВІДПОВІДНО I₁Xsl І hXs2, де Xsl І Χί2 — індук­тивні опори розсіювання обмоток:

Xsi ⁼⁼⁼ COL_sl = 27с/

X_s2 = = 2 TzfL_s2, (⁴~⁴)

За другим законом Кірхгофа для пер­винної і вторинної обмоток навантаженого трансформатора можна написати рівняння;

U₁= — E₁ -j- I_iT₁ -f- I₁Xsi',

U₂ = E₂ ^₂T₂ IzXs2· (4—5)

Роботу трансформатора при наванта­женні найкраще вивчати за векторною діаграмою (рис. 4—9). Струм /₂ у вторин­ній обмотці створює намагнічуючу силу (н. с.) I_iW_i, а струм I₁ — намагнічуючу силу I₁W₁. Згідно з правилом Ленца I₂W₂ діє протилежно намагнічуючій силі I₁W₁.

Інакше кажучи, якщо струм первинної обмотки I₁ намагнічує трансформатор, то струм вторинної обмотки

I₂ його розмагнічує. Якщо знехтувати незначним спадом напруги на первинній обмотці трансформатора, то можна написати рівняння:

(4-6)

U₁^E₁ = 4,44 Фfw₁.

Оскільки величини 4,44 fw_x сталі, то можна сказати, що при сталій напрузі U₁ і частоті сітки f величина магнітного потоку Ф при будь-якому навантаженні буде сталою, тому н. с. трансформа­тора при холостому ході (I₂ = 0) і навантаженні (/₂>0) будуть однакові, тобто

₍₄_₇₎

I₀W₁ = I₁W₁ + I₂W₂.

Поділивши обидві частини рівняння на W₁, дістанемо:

(4-8)

де K = I₂

^wI

струм вторинної обмотки, зведений до первинної.

Io- І\ + = + I₂,

З рівняння (4—8) маємо:

/і = 7» +(-/I), (4-9)

тобто струм у первинній обмотці трансформатора дорівнює гео­метричній сумі намагнічуючого струму I₀ і складової (—I₂), яка компенсує розмагнічуючу дію струму вторинної обмотки.

Векторну діаграму навантаженого трансформатора будують у такій послідовності:

1. Горизонтально відкладають вектор магнітного потоку Ф.

2. Під кутом магнітного запізнення δ відкладають струм хо­лостого ходу I₀.

3. Під кутом 90° униз від вектора Ф внаслідок відставання за фазою відкладають у відповідному масштабі е. p. с. E₁ і E₂.

4. Під кутом ψ₂ відносно вектора E_i відкладають вектор вто­ринного струму Z₂ (при активно-індуктивному навантаженні), вели­чина якого визначається за формулою

/^-^4- І! , (4-10)

У*², + ** Уя* + х·

де R₂ і X₂ — сумарні активний і реактивний опори вторинної об­мотки трансформатора і споживача.

Зсув фаз між вторинним струмом I₂ і е. p. с. E₂ визначається за формулою:

ψ₂ = arctg . (4-11)

5. Згідно з рівнянням (4—9) знаходять струм I₁ у первинній обмотці, для чого до струму намагнічування I₀ до-

• · <« T * T ^2

дають у зворотному напрямі вториннии струм I₂ = I₂ — .

W·і

6. У напрямі струмів I₁ і I₂ відкладають магнітні потоки роз­сіювання Ф_в1 і Ф₈₂ .

7. Під кутом 90° (відставання за фазою) від векторів Ф₈₁ і Ф₆₂ відкладають е. р. с. розсіювання E_sl і E_s2.

8. До кінця вектора E₂ добудовують трикутник спадів напруг 1₂г₂ і I₂X₂. Вектор активного спаду напруги І₂г₂ спрямовують паралельно струму I₂, а вектор реактивного спаду напруги I₂X₂ — перпендикулярно до I₂.

9. До зворотної первинної е. р. с. E₁ добудовують трикутник спадів напруг на опорах первинної обмотки (активний І_хг_х — в на­прямі струму I₁, а реактивний I₁X₁ — перпендикулярно до стру­му I₁).

При збільшенні струму навантаження на AZ₂ в трансформаторі виникають такі електромагнітні процеси:

1. Потік Ф₂ зростає на ДФ₂.

2. Потік Ф зменшується на ΔΦ₂, оскільки струми I₁ і I₂ (див. векторну діаграму рис. 4—9) зміщені майже на 180°. Тому резуль­туючий потік Ф можна визначити за формулою: Ф^^ — Ф₂.

3. Е. р. с. E₁ і E₂ зменшуються на AE.

4. Струм I₁ збільшується на ΔI₁.

5. Потік Ф_г збільшується на величину ΔΦ_Χ, яка майже дорів­нює ΔΦ₂.

6. Е. р. с. E₁ і E₂ зростають до попередніх значень.

7. Додаткові магнітні потоки ΔΦ_Χ і ΔΦ₂ повністю компенсу­ються, а результуючий потік Ф залишається майже незмінним.

Таким чином, з мережі весь час автоматично надходить у пер­винну обмотку така кількість енергії (не враховуючи втрат), яка споживається на вторинній обмотці.

4. 5. ЗМІНА ВТОРИННОЇ НАПРУГИ ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ ЗМІНІ НАВАНТАЖЕННЯ

При зміні навантаження трансформатора напруга U₂ не зали­шається сталою, вона змінюється залежно від величини струму і характеру навантаження. Ця залежність U₂ = /(/₂) називається зовнішньою характеристикою трансформатора.

Розглядаючи вплив навантаження на вторинну напругу транс­форматора, знехтуємо струмом холостого ходу і спростимо векторну діаграму. Для цього всі вторинні величини зводимо до первинного кола. За формулою 4—1 і 4—8 (для знижувального трансформатора) знаходимо:

K = »£, = *£, = £,;

,· _а,-J.,-, ⁽⁴-^,2)

-W₁²- k ^І2 - 'і'

Зведені опори вторинної обмотки, виходячи з рівності потуж­ностей втрат, знаходимо за такими формулами:

r₂1₂ ² = г₂Р₂, г₂ = г₂ = kW, X’, = k‘X_a. (4-13)

Тепер повернемо всі зведені величини на 180° в площині рис.

4. 10, а (е. р. с. розсіювання і потоки для спрощення діаграми на рисунку не зображено). He враховуючи відносно невеликого струму холостого ходу /₀, матимемо збіг векторів струму I₂ і I₁, тобто /₂ = I₁.

Активні та індуктивні опори обох обмоток можна об’єднати такою залежністю:

T₁^jTr₂ =r_ft, X_i + X₂ ⁼ (4—14)

де r_h і X_k — спільні активні та індуктивні опори обох обмоток зведеного трансформатора.

Після такої заміни векторна діаграма матиме вигляд, наведе­ний на рис. 4—10, б.

При холостому ході зведена напруга вторинної обмотки транс­форматора U¹₀₂ = U₁, а при навантаженні напруга на затискачах вторинної обмотки трансформатора знижується до величини U¹₂ внаслідок збільшення спаду напруг на опорах обох обмоток трансформатора. Зміна зведеної вторинної напруги AU дорівнює різниці між його значеннями при холостому ході і навантаженні, тобто

AU=W₀₂- U₂ =U₁- U₂. (4-15)

Оскільки кут Θ між векторами U₁ і U₂ (рис. 4—10,6) дуже малий, можна вважати, що AU дорівнює сумі відрізків ab і Ьс.

З рис. 4—10,6 маємо: a b = U_rcos φ₂; be = ^sinf₂, Де U_r = = I₁Tfr U_l = I₁X_k] тоді AU = U_r cos φ₂ + U_l sin ψ₂.

Відносна процентна зміна напруги буде:

MI Uf COS Ф» + U_r sin φ»

AU % = “f 100% = IiZ_i Г . 100% =

U₁ U₁

= ^(r* ^{cos ъ +}£^{k sin φ2)} ·. її . 100 %, (4—16)

де U_r — спад напруги на активному опорі обмоток трансформатора в процентах від U_H; U_l — спад напруги на індуктивному опорі обмоток трансформатора в процентах від U_h; cos φ₂ — коефіцієнт потужності в мережі, яка живиться від трансформатора.

У трансформаторах відносно великої потужності (десятки кіло­вольт-амперів і більше) індуктивний спад напруги звичайно в де­кілька разів перевищує активний спад напруги. Тому у формулі

Рис. 4—10. Спрощена векторна діаграма трансформатора.

(4—16) при φ₂ Φ O другий доданок буде більший за перший. Внаслі­док цього зміна напруги збільшується із збільшенням кута зсуву фаз φ_ζ. Таким чином, реактивне навантаження спричинює більшу зміну напруги, ніж активне навантаження (рис. 4—11, а).

У трансформаторах невеликої потужності (одиниці кіловольт- амперів і менше) активний спад напруги звичайно більший, ніж реактивний. Тому в цьому випадку із зменшенням cos φ₂ зовнішня характеристика проходить вище (рис. 4—11, б).

Зміну напруги трансформатора можна визначити також із зов­нішньої характеристики трансформатора (рис. 4—11) за формулою

Ш % = ■ 100 %. (4-17)

^02

Для сучасних трансформаторів процентна зміна напруги лежить у межах 2—4%.

со scp =0,5 coscp=7

І і₂ і і₂

а б

Рис. 4—11. Зовнішні характеристики трансформатора: а—великої потужності: б — малої потужності.

У стандартах на трансформатори нормується не зміна напруги, яка буде різною для різних cos φ₂, а напруга короткого замикання U_K.₃ (див. § 4—6).

Величину напруги короткого замикання трансформатора зви­чайно визначають у процентах від номінальної напруги, яка для сучасних трансформаторів становить 5—10% від U_ih і позначається на паспорті трансформатора.

4. 6. ВТРАТИ ПОТУЖНОСТІ І к. К. Д. ТРАНСФОРМАТОРА

Трансформатори, на відміну від двигунів та інших приймачів енергії, нормують не за активною, а за повною потужністю S, яку позначають на паспорті трансформатора в кіловольт-амперах (κβ'ά):

Si_h ⁼ U ін І Ін·

Розміри трансформатора при сталій частоті визначають в основному двома величинами — номінальним струмом і номіналь­ною напругою. За номінальним струмом (допустимий по нагріву) розраховують поперечний переріз проводів обмоток трансформа­тора. Від величини напруги залежить магнітний потік Ф_т =

= -ξ-щ— , а отже, і розміри магнітопроводу трансформатора.

Активна потужність трансформатора пропорційна коефіцієнту потужності Pi_ti = Si„cos ψ!· Вона залежить від кута Ip₁, а отже, і від кута φ₂, тобто від властивостей споживача, і тому не може характеризувати розміри трансформатора.

Проте втрати і к. к. д. трансформатора залежать від активних потужностей. Втрати в трансформаторі дорівнюють різниці потуж­ностей первинної і вторинної обмоток:

P-P₁ — P₂ = U₁I₁ cos Cp₁ — U₂Ii cos φ₂. (4—18)

Рис. 4—12. Визначення втрат в міді і сталі: а — схема досліду холостого ходу; б— схема досліду короткого замикання.

Втрати в трансформаторі складаються з втрат у міді і сталі: P = Pm +Pc_m- (4-19)

Втрати в міді — це втрати на нагрівання обмоток трансфор­матора струмами навантаження:

Pm — Р\м + PiM = I₁I"! + Z^r₂J (4—20)

де T₁ і г₂ — активні опори обмоток.

Якщо вважати, що порівняно незначний струм холостого ходу дорівнює нулю I₀ = 0, то /₂ ~ /χί тоді з рівняння (4—20) дістанемо:

P_m^= Ilr₁ + /₂ k²r₂ = I₁T₁ + 1^2 = /j (/^-! -f r ₂) = Iir_k . (4—21)

З рівняння (4—21) видно, що втрати в міді пропорційні квадрату струму навантаження. Отже, із зміною струму навантаження втра­ти в міді змінюватимуться, тому їх називають змінними. На практиці втрати в міді визначають з досліду короткого замикання (рис. 4—12, б). Дослід короткого замикання проводять при накоротко

замкненій вторинній обмотці (U₂ = 0); при цьому до первинної обмотки підводять знижену напругу короткого замикання U₁ = U_K._S, під впливом якої в первинному і вторинному колах трансформатора встановлюються номінальні струми I_i = І_1Н і I₂ = І_гн. У цьому випадку для трансформатора штучно створюється режим, який відповідає за струмом навантаження номінальному режиму. Вва­жають, що потужність (при досліджуванні короткого замикання), споживана трансформатором, дорівнює втратам енергії на нагрі­вання міді обмоток при номінальному навантаженні трансформа­тора. Відносно малими втратами в сталі в цьому разі нехтують:

р_к. S=Pm. (4-22)

Втрати в сталі P_cm, або магнітні втрати,— це втрати на гістерезис і вихрові струми в стальному сердечнику:

Pcm = Pe +P в.C (4-23)

З емпіричних формул визначаємо, що втрати на гістерезис і вихрові струми пропорційні квадрату магнітної індукції або квад­рату магнітного потоку

P_cm=B В* або Я_в._с = Ф², (4—24)

а потік пропорційний прикладеній напрузі U₁, тому:

Pcm = и\. (4-25)

Таким чином, втрати в сталі пропорційні квадрату прикладеної напруги і не залежать від навантаження, а тому вони є сталими втратами трансформатора.

На практиці втрати в сталі визначають експериментально з до­сліду холостого ходу (рис. 4—12, а).

Цей дослід проводять при розімкненій вторинній обмотці (I₂ =0) і номінальній первинній напрузі U₁ = U_1h.

У цьому досліді P₂ = 0, а тому ватметр, увімкнений у первин­не коло, вимірює втрати холостого ходу. Оскільки при холостому ході втрати в міді майже дорівнюють нулю, то втрати холостого ходу є втратами в сталі:

р_х. _х =Pcm- (4-26)

Знайдені втрати в міді і сталі відповідають номінальному (пас­портному) навантаженню трансформатора. Втрати холостого ходу залишаються тими самими і при часткових навантаженнях. Втрати в міді при збільшенні навантаження збільшуватимуться пропор­ційно квадрату коефіцієнта навантаження:

де α — відношення дійсного струму навантаження до номіналь­ного:

V

а =

(4—28)

Pmh — втрати в міді при номінальному навантаженні трансфор­матора.

Корисна потужність трансформатора, якщо врахувати його за­вантаження, дорівнюватиме:

(4-29)

P₂ = aS_h ■ cos <р₂.

це відношення корисної потужності

К. к. д. трансформатора P₂ до всієї підведеної P₁:

Pl

P 2

= 1

(4-30)

Pi

P 4- P

M ~ ^гс,

Якщо врахувати ступінь завантаження трансформатора, то к. к. д. визначатиметься за такою рівністю:

, (4—31)

aS_h COS φ₂ + а*Р_мн + Ρ_χ

P₂ і ~Ь Pcm

Р*+Рм + ^Рап

Рис. 4—13. Втрати і к. к. д. трансформатора в залежності від навантаження.

де а — коефіцієнт завантаження трансформатора; S_h — потужність трансформатора (паспортна) в кв ■ a; cos φ₂ — коефіцієнт потуж­ності в мережі; P_x, X — втрати в ста­лі, що визначаються потужністю хо­лостого ходу в кет; P_mh — втрати в міді при номінальному навантажен­ні трансформатора в кет.

Залежність к. к. д. і втрат у трансформаторі від навантаження зо­бражена на рис. 4—13. При холостому ході P₂ = 0 і η = 0. Із збільшен­ням навантаження к. к. д. зростає до свого максимального значення, після чого зменшується. Зменшення Κ. к. д. пояснюється збільшенням втрат в обмотках, які зростають пропорційно квадрату струму.

Аналіз рівняння (4—31) показує, що максимальний к. к. д. утво­рюється, коли втрати в сталі і міді (P_m= Рст) однакові. Це може бути при умові, що а = 0,5—0,6.

Номінальне значення к. к. д. η„ внаслідок відсутності обертових деталей дуже високе і лежить у межах 98—99% для великих транс­форматорів, а в трансформаторах малої потужності — 50—70%.

Перетворення електричної енергії трифазного струму ОДНІЄЇ напруги в енергію трифазного струму іншої напруги можна вико­нати двома способами: а) за допомогою трьох однотипних однофазних трансформаторів (рис. 4—14, а); б) за допомогою одного трифазного трансформатора (рис. 4—14, б).

Трифазні (тристержньові) трансформатори виконують середньої і малої потужності, а групу з трьох однофазних трансформаторів застосовують при великих потужностях.

AX BY CZ AXBYCZ

а хЬ ус і б

Рис. 4—14. Способи трансформування трифазного струму; а — трьома однофазними трансформаторами; б — одним трифазним трансформатором.

Кінці первинної обмотки сполучають між собою зіркою або три­кутником. Так само сполучають і кінці вторинної обмотки. Отже, може бути чотири основних варіанти сполучень: зірка — зірка (Y/Y); зірка — трикутник (Υ/Δ); трикутник — трикутник (Д/Δ); трикут­ник — зірка (Δ/Υ)·

В CPCP застосовують три основні схеми сполучення: Y/Y₀, Υ/Δ і Υο/Δ, де чисельник означає схему сполучення обмоток високої напруги, а знаменник — схему сполучення обмоток низької напруги.

Для трансформаторів невеликої потужності напругою 10/0,4 і 6/0,4 кв застосовують групи сполучення обмоток Υ/Υ₀, бо на сто­роні низької напруги треба мати виведену нульову точку.

Сполучати обмотки зіркою слід при високих напругах, оскільки фазна напруга в У~3 раз менша за лінійну, що дає можливість зменшити вимоги до ізоляції обмотки.

Сполучення трикутником застосовують при низьких напругах і великих струмах, що дає можливість зменшити переріз проводів обмоток, оскільки в цьому разі фазний струм у проводах обмотки менший у У~3 раз за лінійний струм.

На щитку трансформаторів зазначено не тільки спосіб сполу­чення обмоток, а й умовні позначення групи сполучення обмоток трансформаторів, наприклад: Y/Y₀—12 або Υ/Δ— П.

Розглянемо два види сполучення обмоток Υ/Υ і Υ/Δ і накрес­лимо векторні діаграми для цих випадків (рис. 4—15, а і б). При побудові векторних діаграм виходять з таких загальних міркувань:

A S C ^-'² а

а

Va-U

Рис. 4—15. Визначення групи з’єднання обмоток транс­форматора за допомогою векторної діаграми: а — при з’єднанні обмоток Y/Y — 12; б — при з’єданні обмоток Y /Δ — II-

б

1. Вектори фазних напруг обох обмоток однієї фази паралельні, тому що індукуються одним магнітним потоком, і при узгодженому вмиканні обмоток спрямовані в одну сторону, а при їх зустрічному вмиканні — в різні сторони. При узгодженому вмиканні обидві обмотки намотані в один бік; можна верхні затискачі вважати за початки, а нижні — за кінці. Щоб було зустрічне вмикання обмоток, досить поміняти місцями затискачі первинної або вторинної обмотки.

2. Якщо на схемі кінці фазних обмоток сполучені в одній точці, то на векторній діаграмі вектори фазних напруг цих обмоток також сполучатимуться в одній точці.

На векторній діаграмі (рис. 4—15, а) зсув фаз між первинними і вторинними лінійними напругами дорівнює нулю.

Кут зсуву фаз між напругами умовились позначати, користую­чись годинниковим способом позначення кута. Для цього вектор U_ab первинної лінійної напруги вважають за велику стрілку годинника і встановлюють проти цифри 12 годинникового циферблата, а вектор U_ae вторинної лінійної напруги вважають за малу стрілку годин­ника і встановлюють на циферблаті відповідно до схеми сполучення (в нашому випадку — проти цифри 12). За одиницю кутового змі­щення взято кут 30°, що відповідає куту між двома сусідніми цифра­ми годинникового циферблата. Отже, для нашої схеми (рис. 4—15,а) кут зсуву між стрілками годинника дорівнює нулю. Цифра 12 і ви­значає групу, до якої в цьому випадку належить трансформатор.

Визначимо групу сполучень обмоток трансформатора, сполу­чених за схемою (рис. 4—15, б) Υ/Δ, побудувавши векторну діаграму для обмотки низької напруги. Вектори фазних напруг обмоток високої і низької напруги паралельні і при узгодженому вмиканні спрямовані в одну сторону; тому вектор фазної напруги обмотки низької напруги ах проводимо паралельно вектору фазної напруги обмотки вищої напруги АХ. Оскільки на схемі сполучення обмоток точка а і у сполучені, то вони повинні сполучатись і на векторній діаграмі. Вектор by з точки у проводимо паралельно вектору ВУ. Вектор сг проводимо паралельно вектору CZ . Дістаємо трикут­ник фазних.і лінійних напруг обмотки низької напруги. Щоб визна­чити групу сполучень обмоток, вектор ab переносимо до вектора AB, сполучаючи точки b і В. Відраховуючи за стрілкою годинника кут між векторами AB і ab, знаходимо, що кут між ними дорівнює 330°, тобто 11 X 30°. Це означає, що ми маємо 11 групу сполучення обмоток.

Отже, група сполучення обмоток трансформаторів показує зсув фаз між високою і низькою лінійними напругами. Групу сполучення трансформаторів треба знати при вмиканні їх на паралельну роботу.

Процеси, що відбуваються в кожній фазі трифазного трансфор­матора, нічим не відрізняються від процесів в однофазному транс­форматорі.

Коефіцієнт трансформації визначається через лінійні напруги і позначається на щитку трансформатора k = .

^ил2

4. 8. ПАРАЛЕЛЬНА РОБОТА ТРАНСФОРМАТОРІВ

Паралельною роботою називається робота двох або більше транс­форматорів на спільні шини, коли їх первинні обмотки приєднані до загальної первинної, а вторинні — до загальної вторинної сітки (рис. 4—16).

Паралельне вмикання трансформаторів застосовують при змін­ному графіку навантаження підстанції. При найменшому наван­

таженні працює тільки один трансформатор, а при збіль­шенні навантаження вмика­ють інші трансформатори. Це значно зменшує втрати енергії і підвищує к. к. д. підстанції.

		X, A2			X2

—®—

Чи

а

Для нормальної паралель­ної роботи однофазних транс­форматорів слід додержувати таких вимог:

1. 

   

   Рис. 4—16. Паралельна робота трансфор­маторів: а — еднофазних; б — трифазних.

   Номінальні первинні і вторинні напруги трансфор­маторів повинні дорівнювати: Uu -Uuj — ···· =Uu, U₂1 = = U₂іі_ = ... = U_2n, а отже, коефіцієнти трансформації повинні дорівнювати: ki — = kn = ■ ■ ■ — k_n.

2. Напруги короткого за­микання трансформаторів по­винні дорівнювати: Uk і = =U_kїї = · · · = U_kn.

3. При сполученні вторин­них обмоток трансформаторів треба сполучати затискачі з однаковими потенціалами, тобто вторинні напруги по­винні збігатися за фазою від­носно зовнішнього кола, ή відносно внутрішнього кола вони повинні бути зсунуті на 180°.

Рубильник P (рис. 4—16,а) можна вмикати лише тоді, коли стрілка вольтметра сто­їть на нулі. Крім того, ре­комендується, щоб відношен­ня потужностей трансформаторів не перевищувало 3:1.

Припустимо, що два трансформатори однакової потужності, які мають різні коефіцієнти трансформації, увімкнені на паралельну роботу. При цьому вважаємо, що друга вимога паралельного вми­кання додержана. Якщо ki < ku, то під впливом різниці е. р. с. AE = En—E₃U по обмотках трансфоматорів потече зрівнюваль- ний струм І_зр, тому що обидві обмотки магнітно зв’язані між собою. Оскільки повні опори трансформаторів дуже малі, то навіть при невеликій різниці в коефіцієнтах трансформації під впливом AE

зрівнювальний струм може бути таким великим, що нормальна робота буде неможливою. На практиці допускають різницю в коефі­цієнтах трансформації не більш як 0,5%.

Якщо перша вимога паралельної роботи трансформаторів додер­жана, тобто k\ = ku, а друга порушена, припустимо, t/_Kl > U_ku, то при навантаженні кожного трансформатора окремо номінальним струмом перший трансформатор матиме більший спад напруги, ніж другий (рис. 4—17, а). Внаслідок цього зовнішня характеристика першого трансформатора буде нижча за зовнішню характеристику другого трансформатора. Якщо ввімкнемо трансформатори пара­лельно, то вторинна напруга в них буде однаковою, але трансфор­матори будуть навантажені неоднаково, тобто перший буде недо­вантажений, а другий — перевантажений (рис. 4—17, б). Таким

M2	U2 / Il
1^21 І
І І	І ' /, і і
	' 4 -і
! !2	Г /|| | І ,—і І2
. . І 4 1. ■ ..І— ^ 4
а	б

Рис. 4—17. Зовнішні характеристики двох трансформаторів:

а—окремо працюючих при U > V _k\\\ б — паралельно працюючих при j + U^ [

чином, трансформатор, який має меншу напругу короткого зами­кання, буде перевантажений. Для нормальної роботи трансформа­торів, які працюють паралельно, на практиці допускають розхо­дження напруг короткого замикання не більш як +10%.

Щоб увімкнути трифазні трансформатори на паралельну роботу (рис. 4—16, б), треба, крім зазначених вище вимог, додержувати ще й такої: щоб трансформатори належали до однієї групи сполучення обмоток. При вмиканні на паралельну роботу трансформаторів три­фазного струму з різними групами сполучення між обмотками трансформаторів виникне велика різниця потенціалів, внаслідок чого потечуть неприпустимі за величиною зрівнювальні струми.

При додержанні всіх вимог паралельної роботи трансформаторів слід вмикати затискачі вторинних обмоток на спільні шини з одна­ковими потенціалами. Для цього первинні обмотки обох трансфор­маторів вмикають до мережі ABC {ще. 4—16, б). Вторинну обмотку одного з трансформаторів вмикають на збірні шини abc; вторинну обмотку другого трансформатора вмикають лише одним будь- яким затискачем до відповідної шини, наприклад затискач а₂ до

шини а. Між затискачами b₂ — b і C₂ — с вимірюємо напругу. Якщо стрілка вольтметра зупиниться на нулі, то це покаже, що кути зсуву фаз між первинними і вторинними напругами однакові, і затискачі B₂ і C₂ можна вмикати на паралельну роботу. Якщо вольтметр покаже певну напругу, то вмикання їх на паралельну роботу неможливе. При цьому слід сполучити два інші виводи вто­ринних обмоток і знову шукати вольтметром затискачі з однако­вими потенціалами.

4. 9. АВТОТРАНСФОРМАТОРИ

Автотрансформатором називається такий трансфор­матор, в якого на замкненому сердечнику є лише одна обмотка, що частинами належить одночасно первинному і вторинному колам

Рис.

4—18. Схема автотранс­форматора.

(рис. 4—18).

Якщо до первинної обмотки зни­жувального автотрансформатора з числом витків Co₁ підвести напругу U₁, а вторинну обмотку залишити розімкненою, то струм в обмотці ство­рює магнітний потік Ф, який індукує в кожному витку обмотки е. р. с. Так, в обмотці Sy₁ = w_Ax індукувати­меться е. р. с. E₁ = 4,44 f W₁ Ф, а в частині обмотки аХ — е. p. с. E₂ = = 4,44/ш₂Ф-

Відношення е. р. с., індукованих в обмотках AX і аХ, як відомо, є коефіцієнтом трансформації:

W₁

W_fl '

k =

(4-32)

Оскільки при холостому ході автотрансформатора спад напруги дуже малий, то можна вважати, що U₁^ E₁, a L^r₀₂ ~ E₂. Тоді коефіцієнт трансформації можна подати в такому вигляді:

(4-33)

k =

W_t U₂

Якщо до частини обмотки аХ приєднати навантаження Z, то в колі навантаження потече струм I₂. Нехтуючи втратами в авто­трансформаторі, можна написати таке рівняння:

2·

U₁I₁^U₂I

тобто енергія, підведена до автотрансформатора, дорівнює енер­гії, яку даватиме він. Тоді

Струм навантаження Z₂ складається з струму мережі I₁ і з струму /':

І2 — Ii 1' · (4—35)

/' = /₂_/_{1 =} /₂ίΐ

В автотрансформаторі струм Z₁ протікає лише по частині обмоток Aa. По частині обмотки аХ протікає струм

(4-36)

Це дає змогу загальну частину обмотки аХ виконати з провід­ника меншого перерізу, ніж переріз вторинної обмотки звичайного трансформатора, причому, чим ближче коефіцієнт трансформації до одиниці, тим це буде вигідніше.

Верхня частина обмотки Aa, по якій протікає первинний струм

I₁, має число витків

W_l-W_t= W₁ — η-J . (4—37)

Втрати обмоткової міді в цьому випадку в — -jj раз мен­ші за втрати на первинну обмотку звичайного трансформатора.

Таким чином, автотрансформатор порівняно з звичайним транс­форматором не тільки простіший за конструкцією (одна обмотка за­мість двох), а й дає значну економію міді' і сталі і має вищий к. к. д.

Якщо рівняння (4—35) помножити на U₂, дістанемо:

UJt = U_tI₁ + UJ' або P₂ = Р_ел + Pемл (4—38)

тобто при k ф 1 підведена до автотрансформатора потужність P₁ = U₁I₁ передається в коло навантаження частково електро­магнітним шляхом Р_ем, а частково безпосередньо електричним Р_ел. Цим автотрансформатор також відрізняється від звичайного транс­форматора, в якому вся енергія у вторинну обмотку передається тільки електромагнітним шляхом. У цілому робота автотрансфор­матора під навантаженням аналогічна до роботи звичайного транс­форматора і має схожу векторну діаграму.

Автотрансформатори можна використовувати як для зниження, так і для підвищення напруги. Виготовляють їх для невеликих коефіцієнтів трансформації k= 1,5 — 2.

При k > 2 автотрансформатор стає невигідним через те, що обмотки високої і низької напруг сполучені між собою електрично, отже, споживачі можуть опинитися під великим потенціалом. Це небезпечно і потребує спеціального захисту вторинного кола від перенапружень.

Трифазні автотрансформатори (рис. 4—19) виконують подібно до трансформаторів трифазних. Напругу до струмоприймача знімають з частини обмотки AX в одній фазі.

У деяких автотрансформаторах напругу регулюють плавно, переміщаючи контакт, що ковзає по обмотці (наприклад, лаборатор­ний регулювальний автотрансформатор типу JIATP-2).

Автотрансформатори застосовують у радіотехніці, кінотехніці, а також для зниження напруги при запусканні потужних синхрон­них і асинхронних двигунів.

Рис. 4—19. Схема трифазного авто­трансформатора.

Останніми роками автотрансформатори вели­ких потужностей і дуже високих напруг почали застосовувати на лініях електропередач. Так, лінія Куйбишев—Москва за допомогою потуж­них автотрансформаторів переведена з напруги 400 кв на напругу 500 кв, що помітно збіль­шило ЇЇ потужність.

К. к. д. сучасних потужних автотрансформа­торів досягає 99,7%.

4. 10. ВИМІРЮВАЛЬНІ ТРАНСФОРМАТОРИ

Вимірювальні тран с ф о р м а- т о р и застосовують для під’єднання в мережу електровимірювальних приладів змінного стру­му, якщо ці прилади не можуть бути ввімкнені в сітку безпосередньо.

В установках напругою понад 380 в (а часто і при напрузі 380 в) вимірювальні прилади вмикають у коло через вимірювальні транс­форматори. У цьому разі вимірювальні прилади ізолюють від високої напруги, що створює порівняно безпечне їх обслуговування. Крім того, це дає можливість застосовувати легкі і дешеві вимірю­вальні прилади, -виготовлені на малий струм (5 а) і малу напругу (100 в). Виготовлення вимірювальних приладів, розрахованих на великі струми і з ізоляцією на велику напругу, недоцільне, бо вони будуть громіздкими, незручними і дорогими.

Існує два види вимірювальних трансформаторів: трансформатори напруги і трансформатори струму.

Трансформатори напруги являють собою зви­чайні знижувальні трансформатори малої потужності (порядку 200—500 вт). їх виготовляють трифазними (рис. 4—20, а) і однофаз­ними (рис. 4—20, б) на первинну (вищу) напругу 0,38; 0,5; 3; 6; 10 кв і вище. Вторинна (низька) напруга, на яку вмикають вимірювальні прилади, в усіх трансформаторах напруги дорівнює 100 в.

Первинну обмотку трансформатора напруги вмикають у коло високої напруги паралельно тим приладам і опорам, на затискачах яких треба виміряти напругу. Вторинну обмотку приєднують без­посередньо до котушок напруг вимірювальних приладів: вольтме­

трів, ватметрів, лічильників і т. ін., які між собою сполучені пара­лельно. Шкалу вимірювальних приладів, призначених для роботи від трансформаторів напруги, градуюють так, щоб прилад відразу давав дійсні значення вимірюваної величини.

Величина первинної вимірюваної напруги U₁ визначається за формулою: U₁ — U₂k.

Коефіцієнт трансформації k = jp практично не змінюється,

якщо не навантажувати трансформатор понад його номінальну потужність.

Рис. 4—20. Вимірювальні трансфор­матори напруги:

а — схема вмикання трифазного трансфор­матора; б — схема вмикання однофазного трансформатора.

Сітна

Оскільки опір обмотки вольтметра великий, то вимірювальний трансформатор напруги практично завжди працює в режимі холо­стого ходу, чим забезпечується незмінне співвідношення між пер­винною і вторинною напругами.

Трансформатори напруги на 0,38; 0,5 і 3 кв виготовляють сухими типів HOC, HTC і ін., а на вищі напруги — з масляним заповненням типів НОМ, HTM та ін. (Н—трансформатор напруги; O — однофаз­ний; T —трифазний).

При вмиканні трансформатора напруги в мережу його вторинна обмотка ні в якому разі не повинна бути замкнена накоротко, бо можуть згоріти обидві його обмотки. Вона повинна бути завжди за­мкнута на вольтметр або залишатися розімкненою.

У коло високої напруги трансформатори напруги вмикають через запобіжники, щоб захистити трансформатор від перенапруг. У колі низької напруги запобіжники повинні бути ввімкнені лише в неза- землені проводи. Вони захищають трансформатор від переванта­жень, неправильного заземлення або короткого замикання у вто­ринному колі. У більшості випадків цілком достатньо ввімкнути запобіжники на 2 а.

Щоб усунути будь-яку небезпеку при обслуговуванні установки, один кінець вторинної обмотки трансформатора і його стальний кожух заземлюють, інакше при пошкодженні ізоляції первинної обмотки вторинна обмотка і ввімкнуті в неї вимірювальні прилади можуть мати високий потенціал відносно землі, що небезпечно для обслуговуючого персоналу.

У лабораторній практиці широко використовується універсаль­ний переносний багато граничний однофазний трансформатор напру­ги типу УТН, зовнішній вигляд якого зображено на рис. 4—21.

JWWfflW Ж ДЛ д

Рис. 4—21. Зовнішній- вигляд лабораторного трансформатора напруги типу УТН.

Для вимірювання дуже високих напруг (220 кв і вище) застосовують спеціальні, так звані каскадні трансформатори напруги у фарфоро­вих кожухах. Схему трансформатора напруги каскадного типу для номі­нальної напруги 200 кв зображено на рис. 4—22. Каскад складається з чо­тирьох елементів-трансформаторів, первинні обмотки яких сполучені по­слідовно. Початок первинної обмотки верхнього елемента приєднаний до провідника, а кінець первинної об­мотки нижнього елемента заземле­ний. Таким чином, на кожний елемент каскаду припадає одна чверть фаз­ної напруги мережі. Відповідно до цього зменшуються розміри і вага трансформаторів. Магнітопроводи каскадного трансформатора ізолюють від землі і один від одного. До кожного магнітопроводу приєд­нують середню точку відповідної первинної обмотки. Завдяки цьому ізоляція, первинних обмоток розраховується на половину напруги одного елемента.

Вимірювальні прилади приєднують до вторинної обмотки ниж­нього елемента каскаду. Кожний елемент має допоміжні зв’язу­вальні обмотки, які сполучені зустрічно з відповідною обмоткою сусіднього елемента. Зв’язувальні обмотки застосовують для вирів­нювання напруги між елементами каскаду.

При відсутності цих обмоток елементи 2, З і 4 працювали б як дросельні котушки, і напруга першого елемента навантаженого трансформатора була б менша від напруги інших елементів. Такий трансформатор мав би велику похибку і залежав би від наванта­ження вторинного кола. Зв’язувальні обмотки розподіляють наван­таження між усіма елементами трансформатора, що сприяє змен­шенню похибки.

Трансформатори струму застосовують для вми­кання амперметрів і струмових котушок ватметрів, лічильників

BH — обмотка високої на­пруги; HH — обмотка низької напруги; В — зв’язуючі обмотки.

/ — струмоведучий стержень (первинна обмот­ка); 2 — фарфоровий ізолятор; 3 — кожух, який закриває сердечник з вторинною обмот-. кою; 4 — гайки, якими . затискається стержень в ізоляторі і приєднуються плоскі шини; 5 — затискачі вторинної обмотки; 6—чавунний фланець для кріплення трансформатора

Рис. 4—24. Прохідний трансформатор струму типу ТПОФ:

тощо (рис. 4—23). Відрізняються вони від трансформаторів напруги тим, що їх первинна обмотка своїми затискачами JI₁XJI_i, вмикаєть­ся послідовно. Вона має незначну кількість витків, а при струмі понад 600 а — всього один виток. Вторинна обмотка має велику кількість витків і в усіх трансформаторах роз­рахована на 5 а. До її затискачів N₁ і N₂ при­єднують. струмові котушки вимірювальних приладів, які сполучають між собою послі­довно.

Сила струму у вторинному колі менша, ніж у первинному, приблизно в стільки ра­зів, у скільки разів число витків вторинної обмотки більше за число витків первинної обмотки:

Zi = % = k, I₁ = kl₂, (4-39)

I₂ W₁ ¹ '

де /г — коефіцієнт трансформації трансфор­матора струму.

Коефіцієнт трансформації в паспорті транс­форматора позначається відношенням вели­чини первинного струму до вторинного, на­приклад, 600/5 а. Цей коефіцієнт залишається для трансформатора практично сталим, якщо опір увімкнених до вторинної обмотки при­ладів і з’єднувальних проводів не переви­щує номінального опору трансформатора. Якщо амперметр призначений для постійної

Рис. 4—23. Схема вмикання трансформатора струму.

Рис. 4—22. Схема кас­кадного трансформато­ра напруги на 220 кв типу НКФ-220:

спільної роботи з трансформатором струму, то значення первин­ного струму наносять безпосередньо на його шкалі.

Рис. 4—25. Опорний котушко­вий трансформатор струму типу ТКФ:

1. — затискачі первинної обмотки;

— фарфоровий ізолятор; 3 — осноса трансформатора; 4 — паспорт; 5 — сердечник; 6 — затискачі вторинної

обмотки.

Оскільки опір струмових коту­шок вимірювальних приладів від­носно малий (менший за 1 ом), то трансформатор струму практично працює в режимі короткого зами­кання.

На відміну від усіх розгляну­тих трансформаторів у трансфор­маторі струму первинний струм є струмом навантаження і його ве­личина не залежить від опору вто­ринного кола.

Під час роботи трансформатора струм первинної обмотки створює магнітний потік CD₁, величина якого залежить від струму навантаження. Струм у вторинній обмотці створює магнітний потік Ф₂, який розмаг­нічує трансформатор.

Сумарний магнітний потік бу­ває невеликим. Якщо ж залишити вторинну обмотку трансформатора струму при навантаженні розімк- неною, то струм у вторинній обмотці і магнітний потік Ф₂ дорівню­ватимуть нулю. Тому сумарним магнітним потоком буде магнітний потік первинної обмотки Ф^Цей потік залежить від навантаження і індукує у вторинній обмотці трансформатора велику е. р. с.

(10 кв і більше), небезпечну для обслуговуючого персоналу та для ізоляції вторинного кола.

Крім того, перегрівається сер­дечник, що може призвести до згоряння обмоток, а також вини­кає залишкове намагнічування сердечника, що призводить до великих похибок при вимірю­ванні.

Рис. 4—26. Зовнішній вигляд універ­сального переносного лабораторного багатограничного трансформатора струму типу УТТ-6.

Тому при зніманні вимірю­вального приладу для ремонту треба спочатку закоротити вто­ринну обмотку трансформатора, а потім від’єднати прилад.

Для безпеки обслуговуючого персоналу один із затискачів

вторинної обмотки і стальний кожух трансформатора струму зазем­люють. Трансформатори струму вибирають за номінальною напру­гою, номінальним первинним струмом, за конструкцією тощо.

Трансформатори струму за своєю конструкцією поділяються на стаціонарні і переносні. Стаціонарні трансформатори в свою чергу поділяються на прохідні (рис. 4—24) і опорні котушкові (рис. 4—25).

Прохідні трансформатори струму одночасно є ізоляторами, що проходять крізь стіни розподільних пристроїв. Опорні трансфор­матори дешевші, ніж прохідні, і встановлюються в основному на відкритому повітрі.

Рис. 4—27. Вимірювальні кліщі.

Переносні трансформатори струму призначені для роботи в лабо­раторних умовах і охоплюють великий діапазон струмів. Зовнішній вигляд універсального переносного трансформатора струму типу УТТ-6 зображено на рис. 4—26.

На практиці для грубих вимірювань струмів на лініях широко застосовується переносний трансформатор струму з амперметром. Це так звані вимірювальні кліщі (рис. 4—27), які мають лише вторинну обмотку, замкнену на амперметр. Рознімним сердечником охоплюють провідник, який відіграє роль первинної обмотки трансформатора, і вимірюють струм.

АСИНХРОННІ ДВИГУНИ

4. 1. БУДОВА, ПРИНЦИП ДІЇ І КОНСТРУКЦІЯ ТРИФАЗНИХ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ

Основними частинами асинхронного двигуна є ста­тор, ротор і підшипникові щити (рис. 5—1). Трифазні асинхронні двигуни бувають з короткозамкненим (рис. 5—1,а) або фазним ротором (рис. 5—1,6).

Статори всіх типів асинхронних двигунів майже однакові. Вони складаються з таких частин: станини (або корпусу) з лапами; стального сердечника, який складається з штампованих ізольованих один від одного листів електротехнічної сталі з пазами для укладання обмотки статора; обмотки статора, виго­товленої з ізольованого мідного дроту і укладеної в пази сердечника. Обмотка призначена для утворення обертового магнітного поля. Її розраховують і виго­товляють так само, як і обмотку синхронних гене­раторів (див. розд. VI).

Ротор складається з таких частин: стального ци­ліндра, складеного з штампованих ізольованих один від одного листів електротехнічної сталі; вала ротора, на якому закріплено стальний циліндр ротора, під­шипники, приводний шків і вентилятор; обмотки ротора, яка в короткозамкнених двигунах складається з мідних стержнів, які з торців замикаються кільцями, утворюючи так зване «біляче колесо» (рис. 5—2).

У двигунах невеликої потужності біляче колесо виготовляють, заливаючи пази ротора алюмінієм.

У пази фазного ротора укладають трифазну обмот­ку, виготовлену за типом обмотки статора. Як пра­вило, фазну обмотку ротора сполучають зіркою. При цьому кінці обмотки з’єднують разом, а початки приєднують до контактних кілець, на які встановлю­ють щітки, сполучені з пусковим реостатом ПР (рис. 5—3).

Підшипники насаджують на вал і кріплять зов­нішніми обоймами в підшипникових щитах.

Вентилятор кріплять на валі ротора. Він призна-

чений для створення потоку повітря, який охолоджуватиме елек­тродвигун.

Підшипникові щити є опорою для підшипників ротора. їх при­кріплюють болтами до станини двигуна.

Принцип дії двигунів, як і генераторів, грунтується на вико­ристанні трьох основних явищ електромагнетизму: 1) механічної

Рис. 5—1. Трифазні асинхронні двигуни: а — з короткозамкненим ротором; б — з фазним ротором; / — корпус двигуна; 2 — обмотка статора; 3 — підшипникові щити; 4 — ротор; 5 — контактні кільця фазного ротора

взаємодії струмів, відкритої Ампером у 1821 p.; 2) електромагнітної індукції, відкритої Фарадеєм у 1831 p.; 3) теоретичному узагаль­ненні цих явищ (про напрям індукованого струму), зробленому петербурзьким академіком Ленцем у 1834 р.

Якщо ввімкнути двигун у мережу трифазного струму, то по його трьох обмотках, зсунутих у про­сторі на 120°, потече струм, який створить обертове магнітне поле (див.

§ 2—5), що обертатимёться з швид- 60/

кістю п, = — .

P

Рис. 5—2. Короткозамкнена об­мотка («біляче колесо») ротора асинхронного двигуна.

Якщо умовно зобразити обертове магнітне поле статора двома полю­сами N і 5 (рис. 5—4), яке обертається з швидкістю Al₁, а ротор — одним вит­ком, то поле, перетинаючи виток ро­тора, індукуватиме в ньому е. р. с., під впливом якої в короткозамкнено- му витку виникне струм. Застосу­вавши правило правої руки, знайдемо, що в провіднику під північним полюсом індукована е. р. с. і струм спрямовані до нас, а під південним — від нас (при визначенні напряму е. р. с. рух провідника відносно поля вважають протилежним).

За правилом лівої руки знаходимо напрям виштовхувальної сили, яка виникає при взаємодії провідника із струмом і магніт­ного поля. З рис. 5—4 видно, що ці сили утворюють обертовий момент у напрямі, який відповідає напряму обертання магнітного поля. Ротор обертатиметься з швидкістю п₂, трохи меншою за швидкість обертання поля O₁.

хронного двигуна.

Якщо припустити, що ротор наздожене поле статора і швидко­сті їх обертання зрівняються, то магнітні лінії поля статора переста­нуть перетинати обмотку ротора, в якій не індукуватиметься струм і зникне пара сил. Таким чином, відставання ротора від поля ста­тора є необхідною умовою роботи асинхронного двигуна. Звідси і назва «асинхронний», тобто такий, в якому оберти магнітного поля не збігаються з обертами ротора.

Рис. 5—3. Обмотка фазного ротора з пусковим реостатом.

Явище відставання ротора від обертового поля статора нази­вається ковзаннямі позначається буквою S. Ковзання є ве­личиною змінною. Воно залежить від навантаження на валу двигуна. Із збільшенням навантаження оберти ротора зменшуються (ротор загальмовується), а отже, збільшується ковзання 5, і навпаки. Ковзання визначається відношенням різниці чисел обертів магніт­ного поля статора Jt₁ і обертів ротора п₂ до числа обертів поля ста­тора n_t:

C _ ⁿI — ⁿI .

(5-1)

S =

(5-2)

• 100%.

Під час пуску двигуна (ротор нерухомий) п₂ = 0, тому 5=1.

При холостому ході двигуна швидкість обертання ротора п_г майже дорівнює швидкості обертання поля статора /I₁ і ковзання майже дорівнює нулю. Для сучасних асинхронних двигунів ндмі- нальне ковзання S_fi (при номінальному навантаженні двигуна) коливається в межах 2-f~6%.

або, в процентах

Залежно від умов роботи електродвигуни виготовляють різної конструкції, а саме: відкриті, захищені, закриті, вибухобезпеч- ні і т. ін.

Відкриті електродвигуни не мають спеціальних пристроїв для захисту обертових частин, а також частин, що перебувають під напругою.

Захищені електродвигуни мають спеціальні пристрої, які захи­щають їх від проникнення всередину сторонніх тіл (від пилу, газів і вологи ці пристрої не захищають).

Закриті електродвигуни захищені з усіх боків, але всередину їх може проходити повітря для охолодження.

Рис. 5—5. Асинхронні двигуни: а — захищений двигун серії А; б — захищений двигун з фланцем типу АОФ.

Вибухобезпечні електродвигуни мають надійно закритий корпус, через який вогонь не може вирватись назовні, що дає можливість використовувати їх у вибухонебезпечних приміщеннях.

У Радянському Союзі асинхронні двигуни об’єднані в єдину союзну серію, яка за потужністю поділяється на чотири групи: 1) — від 5 до 60 вт\ 2) — від 0,6 до 100 кет; 3) — від 100 до 1000 кет і 4) понад 1000 кет. Двигуни цієї серії виготовляють на стандартні напруги 127, 220, 380, 500 в і на 3, 6 і 10 кв.Швидкість їх обертання — 750, 1000, 1500 і 3000 обіхв. На напругу 3 і 6 ке виготовляють дви­гуни потужністю 100 кет і вище, а на 10 кв — тільки тихохідні, потужністю понад 1000 кет.

Найбільше поширені двигуни другої групи з короткозамкненою алюмінієвою обмоткою ротора. Двигуни цієї групи бувають двох видів: захищені, які позначаються літерою А і закриті, що обду­ваються повітрям і позначаються AO; AJI — захищені з алюмініє­вим корпусом; АОЛ — закриті, обдуваються, з алюмінієвим кор­пусом.

До корпусу кожного двигуна прикріплюють металеву бірку — паспорт двигуна, на якому написано основні його дані: тип, напруга, потужність, cos φ і т. ін. Якщо тип двигуна, наприклад, AO 41—2,

Обмотка

асинхронного

двигуна

Нлемний

щиток

[Ж

Л

C₄

б

Г: С, : C₂ : ""JC₃ .

І рС₆ рС₄ о іC₅

в

Рис. 5—6. З’єднання обмоток двигуна:

а —приєднання кінців обмоток клемного щитка; б —- з'єднання обмоток зірксю; в — трикутником.

асинхронного

то його слід розшифровувати так: АО — електродвигун трифазний короткозамкнений, закритий, який обдувається; перша цифра 4 — двигун четвертого габаритного розміру (умовне позначення зов­нішнього діаметра сталі статора), друга цифра 1 — першої довжини (умовний номер довжини активної сталі), третя цифра (після риски) 2 — число полюсів статора; якщо двигун має два полюси, то в нього швидкість обертання становить 3000 об/хв.

Двигуни єдиної серії До трифазно! сітки ₃ фазним ротором по­

значають: AK — в захи­щеному і А КЗ — в за­критому виконанні.

Однофазні асинхрон­ні короткозамкнені дви­гуни типу АОЛБ за­гального призначення належать до першої гру­пи єдиної серії.

Електропромисловість випускає також двигуни з короткозамкненим ро­тором типів АП і АОП з підвищеними пускови­ми моментами. Двигуни AC і AOC із збільшеним ковзанням застосовую­ться на важких роботах (на екскаваторах тощо).

На рис. 5—5, а зображено асинхронний двигун з горизонтальним валом серії А, а на рис. 5—5, б двигун типу АОФ з фланцем для кріплення до вертикальної стінки механізму, який приводиться в рух двигуном.

Крім паспорта, на корпусі двигуна кріплять також клемний щиток, до якого підводяться кінці трьох обмоток статора. Початки обмоток позначають C₁, C₂, C₃, а кінці — відповідно C₄, C₅, С_в. На щитку двигуна кінці обмоток приєднують до клем так, як зобра­жено на рис. 5—б, а. Сполучення кінців слід виконувати зіркою при и_л = 380 е або трикутником при U_jl = 220 в (рис. 5—6, б і в).

5—2. Е. P. С. СТАТОРА І РОТОРА ТРИФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГУНА

Якщо обмотку ротора асинхронного двигуна розімкнути, а об­мотку статора ввімкнути в трифазну мережу, то по обмотці статора піде струм, який утворить стале за величиною обертове магнітне поле. Воно перетинатиме витки обмотки статора та ротора і наво­дитиме в них відповідні е. р. с. E₁ і E₂- Діючі значення цих е. р.с. у кожній фазі статора і ротора визначають за формулами:

= 4,44 k_o6 Ihw₁O₁;, E_i = 4,44 k_o6. Zf_iW_iΦι,

(5-3)

(5-4)

де koS — обмотковий коефіцієнт, який ураховує зменшення е. р. с. внаслідок просторового розподілення обмотки і скорочення її кроку (звичайно k = 0,92 — 0,98); W_i і W_i- кількість витків однієї фази, відповідно, статора і ротора; f_x і ft — частота е. р. с. (при не-

рп і

рухомому роторі f_x = f₂ = зд- ; Ф — обертовий магнітний потік ста­тора.

Крім основного потоку статора, у машині існує і потік розсію­вання, який замикається навколо кожного активного провідника обмотки статора. Потік розсіювання також перетинає витки статора і наводить у них е. р. с. розсіювання E_sl.

Як і для трансформатора, для асинхронного двигуна можна написати рівняння рівноваги е. р. с.:

U₁ = —E₁7₀rjZ₀X₁, (5—5)

де /₀ — струм в обмотці статора при розімкненій обмотці ротора, який називається струмом холостого ходу. У сучасних двигунах його значення коливається від 20 до 40% від номінального струму двигуна і₀г_х — спад напруги на активному опорі обмотки ста­тора T_ltI₀X₁—спад напруги на індуктивному опорі обмотки ста­тора X₁, що визначається величиною е. р. с. розсіювання E_sl; E₁ — складова частина напруги, яка дорівнює е. р. с., що інду­кується в обмотці статора основним магнітним потоком Ф.

Відношення е. р. с. статора E₁ до е. р. с. ротора E_i називається коефіцієнтом трансформації е. р. с. k_e\

(5-6)

(5-7)

у __ E₁ _ $№^k₀6. ih^wi% _ W₁ Кб. і « ~ Е_г — 4,44A_{o6 2}/>_аФ_г ^— W₂ ’ k_o6' ₂ ’

звідки

E₁ = kfii = El

де E' 2 — е. р. с. обмотки загальмованого ротора, приведена до числа витків обмотки статора;

E₂ — е. р. с. нерухомого ротора.

Якщо обмотку ротора замкнемо накоротко, то по ній під впливом е. р. с. ротора E₂ потече струм I_i, який створить роторний потік Ф₂ і потік розсіювання Ф₅₂.

При русі ротора швидкість обертання магнітного потоку статора відносно ротора дорівнюватиме:

Частота е. р. с. ротора їг=щ, де P — число пар полюсів.

Оскільки S = ^я* ~ ^Пі, то

п_г = /I₁ (I — S). (5—9)

Підставляючи в рівняння 5—8, дістанемо:

п — O₁ — Zi₁ + U₁S = H_iS. (5—10)

Тоді

Ь - и - ^sSr = <⁵-^и>

Е. р. с. в обмотці рухомого ротора буде:

E_ls = AMko6. г/гй^Фі = 4,44k₀e. nfiSw^ = E₂S, (5—12)

тобто е. р. с. в обмотці ротора, який обертається, E_is дорівнює добутку е. р. с. нерухомого ротора E_i на ковзання S.

При пуску S = I, тоді E_ts = E_i і /¾ = Z₁ = 50 гц.

При холостому ході двигуна п₂ях п_г і ковзання наближається до нуля; тоді е. р. с. ротора E₂SCTae дуже малою і змінюється з час­тотою fi = Z₁S < 0,5 гц.

Із збільшенням навантаження ковзання двигуна зростає і до­сягає номінального значення при номінальному навантаженні S_h -(2—6)%, а частота/ = (1 ч-2,5) гц.

Потік розсіювання ротора Ф₈₂, перетинаючи витки ротора, наводить у них е. р. с. розсіювання ротора E_sz.

Рівняння рівноваги е. р. с. ротора матиме вигляд:

E_2s ⁼ lift TtXis, (5—13)

де X_is — Znf_iL₂ = 2Hf₁SL₂ = X_iS; I_iT₂ і I₂X_is— спад напруги відповідно на активному і реактивному опорах ротора. Реактивний опір при обертанні ротора X_2s дорівнює добутку реактивного опо­ру при нерухомому роторі X_i на ковзання S, а повний опір ро­тора:

Z_2s = Y^Txi_s. (5—14)

б—3. РІВНЯННЯ СТРУМІВ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА

Як було вже зазначено, під впливом прикладеної напруги U₁ по обмотках двигуна потече трифазний струм. Створене цим стру­мом магнітне поле (D₁ обертатиметься з швидкістю п_у = Це

поле замикається по сталі ротора і статора, проходячи повітряний зазор між ними.

Обертовий магнітний потік Ф_х, перетинаючи обмотку ротора, індукує в ній е. р. с., під впливом якої по обмотці ротора потече струм. Величину струму ротора можна знайти з формули (5—13):

/, = ίϋ = ^E‘^ls, ₌ = Jb' ⁵ . . (5—15)

^Z2_S Yrl + Xl Yrl + (X₂-S)²

Струм ротора /₂ відносно струму статора I₁ перебуває у проти- фазі, тобто зсунутий майже на 180°. При запуску двигуна струм I_s має найбільше значення, оскільки E_2s = E₂, і відстає віде. p. с. E_ts на кут ψ₂, близький до 90°, тому що в початковий момент пуску опір X₂S = X 2 Y 8—10 раз більший за г₂ і є суто реактивним. Коли ротор починає обертатись, зменшується ковзання S, а отже E_2s і I₂. Зменшується також X₂₆, тому кут зсуву між струмом і е. р. с. також зменшується.

Струм ротора /¾ змінюється з частотою /₂ = S · / і створює магнітний потік Ф₂, який обертається відносно ротора з швид­кістю п: п = = = U₁S. Оскільки ротор у свою чергу обер­тається з швидкістю Пг, то магнітне поле Ф₂ обертатиметься від­носно статора з швидкістю H₁S + п_г = Ii_lS + n_t(l — S) = n_L. Отже, магнітне поле ротора Ф₂ обертається в просторі незалежно від режиму роботи двигуна з тією самою швидкістю і в тому самому напрямі, що й магнітне поле статора Ф_х.

Результуючий магнітний потік машини дорівнює геометричній сумі потоків статора і ротора:

Ф = O₁-J-O,. (5—16)

Цей потік переносить енергію від статора до ротора.

За другим законом Кірхгофа для обмотки статора при наванта­женні двигуна можна записати:

O₁ = (-E₁)+!^ + 'I₁X₁. (5-17)

Внутрішній спад напруги в обмотці статора I₁Z₁ при номіналь­ному навантаженні двигуна становить всього кілька процентів від напруги мережі U₁. Тому можна вважати, що I₁- Z₁^ 0. Тоді E₁ = U₁. Оскільки напруга мережі практично незмінна, то й E₁ « s» const і, отже, E₁ = Ф == U = const, тобто робочий магнітний потік асинхронного двигуна пропорційний напрузі сітки і прак­тично не залежить від навантаження. Виходячи з цього, робочий потік можна визначити за формулою (1—29):

¢ = ½¾, (5-18)

^ГМ

а магнітні потоки статора і ротора можна записати подібно до рів­няння (5—18):

(5-19)

(5—20)

Рівняння намагнічуючих сил має вигляд: I₀W₁ = T_lW_l + I₂W₂,

звідки дістаємо рівняння струмів двигуна:

(5-21)

Отже, струм статора I₁ дорівнює геометричній сумі струму намагнічування I₀ і взятого з оберненим знаком зведеного зна­

чення струму ротора I₂-. Внаслідок наявності в контурі магніт·

I₀w_Lm₁k₁ = I_Lw_Lm Jt_i + l₂w₂m₂k_%,

(5—22)

ного потоку подвійного зазора між статором і ротором магнітний опір г_м великий. Тому струм намагнічування /₀ асинхронного двигуна порівняно з трансформатором великий t становить (20-^ —і-50) % ВІД /„ом, (20% — для двигунів середньої і великої потуж­ності, а 50% —для двигунів малої потужності). Ураховуючи об- моткові коефіцієнти (ft, і k₂) і число фаз (m_L і т₂) статора і рото­ра, рівняння намагнічуючих сил асинхронного двигуна (5—20) можна записати:

звідки

Величина — J_li називається коефіцієнтом тран-

сформації струмів асинхронного двигуна.

Як і для трансформатора I₂ (5—23) зведений струм роторної обмотки, що створює таку саму намагнічуючу силу, як і струм /₂ в роторі:

(5-24)

Добуток коефіцієнта трансформації струмів k_t на коефіцієнт трансформації е. p. с. k_e називається коефіцієнтом транс­формації асинхронного двигуна:

Щоб можна було будувати векторну діаграму і додавати елек­тричні величини обох обмоток, величини роторної обмотки зводять до статорної обмотки.

г

Згідно з попереднім зведений струм роторної обмотки до об­мотки статора визначається за формулою I₂ -= , а зведена

«/

е. р. с. обмотки загальмованого ротора до числа витків обмотки статора за формулою: E¹_t- Е_ъ ■ k_e.

При зведенні активного опору роторної обмотки до статорної можна виходити з того, що втрати в міді обмотки ротора не залежать від зведення, отже

т_гі\г_г = Iti₁I₂ V',

де г₂ — зведений активний опір роторної обмотки до статорної, т, і т₂ — число фаз обмоток статора і ротора. Звідки г‘_г —

_ _r ^m2 ( Iz \²

^tWiUi/ ⁴ щ KIt/kJ

. ЩЩк\об

Оскільки ki — T— , TO

' ЩЩк_2о б

щЬ\об m_lWlk_io6 (К

T_a — /*й t ~ ’ і. T2 ¹ ft, ’ К>і —— ГOrZ. (5 аЬ)

^{2 2}^fe₂₀₆ m₂w₂k_2o6 ^{24 V} '

це k — коефіцієнт трансформації асинхронного двигуна.

При зведенні індуктивного опору обмотки ротора до статора виходитимемо З ТОГО, ЩО кут ψϊ між е. р. с. E_i і струмом I₂ не

X X'

залежить від зведення. Отже tg Ф® = —^? = —f, звідки

^rI ^rZ

X₂ = ^rI X₂ = kX₂, (5-27)

' 2

де X^r₂ — зведений індуктивний опір обмотки ротора.

Згідно з (5—15) струм у роторі, який обертається,

I₂ = . (5-28)

Vrl + x₂²_s Vr\ + s*x\

Поділивши чисельник і знаменник правої частини рівняння на ковзання S, дістанемо:

^ ■· (⁵-²⁹)

V(r,/S)*+X.

З цього рівняння видно, що величина струму в роторі, який обер­тається, залежить тільки від ковзання. Зсув фаз між е. p. с. E_2s і струмом /а також змінюється із зміною ковзання:

Si Z,

(5-30)

COS ψϋ

l^^r2 + S²X*

Рис. 5—7. Векторна діаграма асин­хронного двигуна при навантаженні.

При зведенні режиму асинхронного двигуна з ротором, що обер­тається до еквівалентного режи­му при нерухомому роторі, все відбувається так, ніби ротор не­рухомий і до його затискачів підведена е. p. с. E₂, його ак­тивний опір є , а індуктив­ний X₂.

Після зведення величини об­мотки ротора до обмотки ста­тора можна побудувати вектор­ну діаграму асинхронного двигу­на при навантаженні (рис. 5—7).

В основу векторної діаграми лягає вектор робочого магніт­ного потоку Ф, створений стру­мом намагнічування /₀, який випереджає вектор потоку на невеликий кут магнітного запі­знення б.

Е. р. с. статора E₁ і зведена е. р. с. ротора E¹₂ відстають від потоку Ф, який їх створив, на кут

~ (див. § 1—6). Зведений струм

ротора I₂ відстає від е. р. с. Е‘_г на кут ψ₂. Він створює потік роз­сіювання Ф₅₂, ЯКИЙ у СВОЮ чергу створює Є. p. С. розсіювання E_s2,

що відстає від Ф₃₂ на ~, тобто

(5-31)

E¹_s2 = KX'

Крім того, існує спад напруги на активному опорі /₂'

кільки обмотка ротора при роботі асинхронного двигуна замкнена накоротко, то напруга на затискачах ротора дорівнює нулю, а е. р. с. ротора E₂' повністю зрівноважується е. р. с. розсіювання El₂ і спадом напруги на активному опорі обмотки ротора, тобто

(5-32)

K = ~i[~t + nxi·

Отже, вектор е. р. с. ротора складається з двох складових: спаду напруги на активному і індуктивному Х'_г опорах обмот­ки ротора.

З формули (5—23) маємо:

h=i о+ (-/;), (5-33)

тобто струм статора I₁ складається з геометричної суми струму намагнічування I₀ і складової (—I₂), яка компенсує розмагнічуючу дію струму ротора. В напрямі вектора струму статора I₁ спрямо­вується вектор потоку розсіювання Ф_5І, який наводить е. р. с.

розсіювання E_sl, що відстає від Ф₅₁ на кут γ і зрівноважується

спадом напруги на індуктивному опорі обмотки статора I₁X₁:

E_sl = I₁X₁. (5-34)

Вектор спаду напруги на активному опорі обмотки статора І_хг_х спрямовується паралельно вектору струму I₁ як такий, що збі­гається за фазою. Рівняння рівноваги е. р. с. буде:

U₁=—E₁ + I₁T₁ + IiX₁. (5—35)

Отже, прикладена напруга· L^₁ дорівнює геометричній сумі скла­дової напруги (— E₁), спаду напруги на активному опорі I₁T₁ і спаду напруги на реактивному опорі обмотки статора I₁X₁. Як видно з векторної діаграми, кут <р₀ між векторами струму холостого ходу Z₀ і вектором напруги U₁ великий, тобто cos φ₀ — малий, а при навантаженні — навпаки. З цього випливає, що незавантажені двигуни зменшують cos φ електричної мережі.

З векторної діаграми видно, що струми Z₁ і I₂, а отже, і їх по­токи, спрямовані майже діаметрально протилежно. Таким чином, струм ротора чинить розмагнічуючу дію відносно струму статора.

Із збільшенням навантаження на валі асинхронного двигуна змен­шуються обороти вала двигуна, а це призводить до збільшення ковзання, що в свою чергу збільшує струм ротора, який зменшує магнітний потік статора. Зменшення магнітного потоку зумовлює зменшення індукованої в обмотці статора е. p. с. E₁. Остання діє проти струму I₁, а отже, ЇЇ зменшення зумовлює збільшення пер­винного струму Z₁ і посилення результуючого магнітного потоку. Струм Z₁ досягає такої величини, при якій відновлюється рівновага між прикладеною напругою і е. р. с.

При зменшенні навантаження на вал двигуна автоматично збіль­шуються оберти вала, що веде до зменшення ковзання і струму I₁. У цьому виявляється загальний принцип саморегулювання всіх електричних машин.

4. 5. ОБЕРТАЛЬНИЙ МОМЕНТ TA МЕХАНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА АСИНХРОННОГО ДВИГУНА

У § 5—1 було з’ясовано утворення пари сил, яка виникає внас­лідок взаємодії обертового магнітного потоку статора з струмом, індукованим цим потоком у провідниках роторної обмотки (див. рис. 5—4). Якщо розглядати не один виток, а всю поверхню ротора з розподіленою на ньому обмоткою, то питання обертового моменту

машини ускладнюється.

В, E	і ^Г*Ч \
		/ \
		π \У \	2π
	3 4 5 6 7 8 9	^10Sl1S'2 13 14 15 Ів/	α
,ψ2,	π-ψ2	Ф2 j π-ψ2

Рис. 5—8. Розподіл сил, діючих на провід­ники ротора асинхронного двигуна: а—-схема двополюсного двигуна, ротор якого має 16 провідників; б — хвильова діаграма.

На рис. 5—8, а зобра­жено двополюсний двигун, ротор якого має 16 провід­ників. Магнітний потік обертається проти руху го­динникової стрілки з швид­кістю H₁ і для фіксованого моменту часу його зобра­жено пунктирною лінією. Напрями е. р. с., індуко­ваних магнітним потоком у провідниках ротора, ви­значені за правилом пра­вої руки і зображені на зовнішньому ряді (ближче до поверхні ротора). У провідниках ротора, роз­міщених над нейтральною лінією 00, наведені е. р.с. спрямовані від спостеріга­ча, а в усіх провідниках, розміщених нижче ней­тральної лінії,— до спо­стерігача.

Струм ротора I₂ відстає за фазою від е. p. с. E₂ на кут внаслідок наявності індуктивності обмотки ро­тора. На рис. 5—8,а напрям струму ротора зображено на внутрішньому ряді (бл-ижче до осі ротора). Провідники зі струмом, спрямованим до спостерігача, розташовані під лінією OO', повернутою від­носно нейтральної лінії OO на кут ψ₂ проти напряму обертання поля. Над лінією OO' розташовані провідники зі струмом проти­лежного напряму.

На тому самому рисунку стрілками показано напрями механіч­них сил, які діють на провідники внаслідок взаємодії струму ротора

з магнітним полем статора. Частина сил, що діє на провідники, розташовані між лініями 00 і О'О', створює момент протилежного напряму (провідники 2 і 10). Чим більший кут ψ₂ і чим менший cos ψ₂, тим менший буде результуючий обертальний момент.

На рис. 5—8, б зображено хвильову діаграму магнітної індукції, е. р. с. і струму ротора, а також сили на дільниці подвійного полюс­ного поділу для певного моменту часу, що відповідає рис. 5—8, а.

(5—36)

Сила, що діє на провідник у тангенціальному напрямі, визна­чається за відомою формулою

F = BH.

Оскільки магнітна індукція або е. р. с. змінюються за законом

(5-37)

В = B_m sin а,

то струм ротора, який також змінюється синусоїдально і відстає від е. р. с. на кут ψ₂, можна записати у вигляді

(5-38)

*2 = V. Sin (α — ψ,).

Підставивши рівняння (5—37) і (5—38) в рівняння (5--36), діста­немо:

(5-39)

F = BJ₂J sin а · sin (а — ψ₂).

На рис. 5—8, б крива е. р.с. Е_г має таку саму форму і такесаме просторове розміщення, як і крива індукції В, оскільки е. р. с. у кожному провіднику пропорціональна магнітній індукції поля в тій точці на колі ротора, в якій перебуває провідник. Крива F точно відображає закон зміни електричної потужності змінного струму при зсуві фаз між струмом і напругою (див. рис. 1—7).

F_cp = BJ₂J ~ J sin а · sin (а — ψ₂) da =

О

2π

O

2π

O

Fcv — 2 ^costI^jS*

Середнє значення сили в межах кута 2π дорівнює:

Знаючи співвідношення між амплітудним, середнім і діючим значеннями гармонічних функцій, дістанемо:

= Y Y B_cp V2.1₂l cos ψ₂ = B_cpI₂I cos ψ₂. (5—41)

Середній обертальний момент машини дорівнює:

M_cp = F_qp- (5-42)

де Ζ) — діаметр ротора.

Якщо на роторі Z₂ провідників, то повний обертальний електро­магнітний момент буде:

M_eii =F_cp-Z₂-. (5-43)

Використавши рівняння πΟ = 2ρτ і Ф = B_cpIz, де Ф — магніт­ний потік одного полюса; τ — полюсний поділ; р — число пар полюсів, дістанемо:

М_ем = F_cp--£-Z₂ = ^руГ=^ B_cpI₂I Cosf₂ · Z₂^LI = ^^=Ф/₂ cos ψ₂.

Остаточно обертальний момент асинхронного двигуна дорівнює:

Мем =СФІ₂ cos ψ₂, (5—44)

де сталий коефіцієнт C = · (5—45)

Знайдений обертальний момент вимірюється в ньютон-метрах (н - м) або джоулях, якщо магнітний потік Ф вимірюється у вебе­рах (вб), а струм у провіднику ротора — в амперах. Оскільки

In = g-jjj = 0,102 кГ, то, помноживши рівняння (5—44) на 0,102,

дістанемо:

ЛІем = 0,102СФ/_а cos ψ₂ (кГм). (5—46)

Рівняння (5—46) показує, що електромагнітний момент асин­хронного двигуна пропорціональний робочому потокові машини Ф і активній складовій струму ротора I_2a — I₂ cos ψ₂.

Залежність електромагнітного моменту від трьох змінних (Ф, I₂ і cos ψ₂) утруднює аналіз рівняння, тому подамо M у вигляді функ­ції однієї змінної — ковзання. Щоб знайти цю залежність, підста­вимо у формулу (5—44) значення Ф,/_г, cos<j>₂i k% з рівнянь (5—3), (5—7), (5—15) і (5—30):

^{Мем =} 4,44k_l06wjk_e ' _г\ + s*x\ ^{= СмЕі} + ^Stx* ’ ^{(5 _47)} „ C

де C_m = -ти—і—F — стала величина для машини.

4,44А:₁₍,_б£_еа>і/

Нехтуючи спадом напруги в обмотці статора і вважаючи, що е. р. с. статора .E₁ і напруга сітки приблизно рівні і сталі, тобто E₁ZZiU₁ = const, дістанемо:

(5-48)

M_eti s=« —^sr^

¹r\ + S^x\'

M

Рис. 5—9. Залежність обер­тального моменту асинхрон­ного двигуна від ковзання.

З формули 5—48 видно, що обертальний електромагнітний момент залежить від однієї змінної S, тобто M = f(S). Проте слід підкрес­лити, що це рівняння є приблизним, тому що при збільшенні наван­таження двигуна спад напруги в обмотці статора значно зростає, а е. р. с. E₁ відповідно зменшується, особливо у машин малої потужності.

Залежність обертального моменту від ковзання зображена на рис. 5—9.

При збільшенні навантаження на вал двигуна збільшується ковзання S, вна­слідок чого зростає струм ротора I_i і зростає електромагнітний момент до певного максимального значення Ai_max.

При більших ковзаннях значно збіль­шується реактивний опір ротора че­рез збільшення частоти, від якої за­лежить реактивний опір X₂S== 2nf₁SL_i.

Внаслідок цього збільшується реак­тивна складова струму ротора, тобто струм ротора дедалі більше відстає від е. р. с. При цьому cos ψ₂ зменшується.

Кут г|)₂, в межах якого розміщено про­відники, що гальмують ротор (рис.

4. 8,а), збільшується, тому результуючий момент, який діє в на­прямі обертання поля, починає зменшуватись.

Для визначення критичного ковзання S_k, при якому обертальний момент набуває максимального значення M_mi7l, слід узяти похідну моменту по ковзанню і прирівняти її до нуля:

= 0.

(5-49)

~~dS~

(Г 2 0.

Звідси r\ + S²X* - 2S²X² Остаточно маємо:

r₂ +S²Xt-S2SX;

= C₁Ulr₂

h. X,

S = S_b

(5-50)

Критичне значення ковзання S* дорівнює відношенню активного опору кола ротора до реактивного. Підставивши критичне значення ковзання в рівняння 5—49, дістанемо максимальний момент:

M_max = C₁U₁-J_f. (5-51)

Отже, максимальний обертальний електромагнітний момент дви­гуна не змінюється із зміною активного опору ротора г₂, але при цьому змінюється критичне ковзання. Зауважимо, що обертальний момент пропорційний квадрату прикладеної напруги. Внаслідок цього асинхронні двигуни дуже чутливі до коливань напруги мережі. Так, наприклад, при зниженні напруги на 10% оберталь­ний момент зменшується на 19%.

Рис. 5—10. Механічна характе­ристика асинхронного двигуна.

Збільшення критичного ковзання S_k внаслідок збільшення активного опору ротора призводить до збільшення пускового мо­менту двигуна M_n.

Залежність обертального моменту від ковзання при збільшеному актив­ному опорі ротора зображено пунк­тирною лінією на рис. 5—9. Збіль­шення опору ротора в короткозамк- нених двигунах досягають виготов­ленням клітки ротора з підвищеним опором, застосуванням глибокопазних роторів тощо, а в двигунах з фаз­ним ротором — вмиканням у коло ротора пускових реостатів.

Якщо криву M = /(S) повернути на 90° за годинниковою стрілкою і по ординаті відкладати замість ковзання число обертів вала двигуна, то дістанемо залежність ti = f(M), яка називається механічною характеристикою, ос­кільки графік зв’язує між собою дві механічні величини — швид­кість обертання ротора і обертальний момент двигуна (рис. 5—10). У момент пуску п — 0 і S = 1, а пусковий момент — M_n. У кінці пуску при холостому ході число обертів вала майже досягає синхронних обертів п_и а ковзання Ss=O; тоді M = 0. При кри­тичному ковзанні S = S_k дістанемо максимальний обертовий мо­мент Ai_max.

Механічна характеристика поділяється на дві частини: верхня «стійка» робоча частина від S' = 0 до S' = S_k і нижня «нестійка» частина від S = S_k (точка К) до S = 1.

Для «стійкої» частини діє принцип саморегулювання двигуна. При збільшенні навантаження (гальмівного моменту) швидкість обертання ротора зменшується, ковзання збільшується, зростає струм ротора, а разом з ним і обертальний момент, який зрівноважує гальмівний момент. Настає рівновага моментів, але число обертів ротора буде трохи меншим від попереднього. Саморегулювання діятиме до точки К.

На «нестійкій» частині (нижче точки К) збільшення гальмівного моменту призводить до різкого зростання ковзання, зменшується обертальний момент і двигун практично відразу зупиняється. При­чина цього явища була пояснена по кривій M = f(S). Момент M_h

відповідає номінальному режиму і називається н о- мінальним момен­том двигуна. Цьому мо­менту відповідає номіналь­не ковзання S_h (для дви­гунів середньої потужності S„ = (0.02 ч- 0,06) і номі­нальне число обертів ро­тора: п_н = /Z₁ (1—S„) = = (0,94 -5- 0,98) /Z₁.

Yff

ІІІ

M

Відношення харак-

Ivl_fl

Рис. 5—11. Способи пуску асинхронних

короткозамкнених двигунів.

теризує перевантажуваль­ну здатність двигуна і для двигунів потужністю до M

100 кет 1,7-=-2,5.

= 2,5 для двигунів з великим числом обертів

\ Ni _н

При ковзанні S = 1 асинхронний двигун розвиває пусковий

M_n

момент M_n. Відношення Tj- характеризує також пускові власти-

M_h

чф Д4

вбсті двигуна > 1 -г- 2. Для двигунів невеликої потужності це відношення вище.

5. 6. ПУСК АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ

Короткозамкнені асинхронні двигуни невеликої потужності (до 20 кет) запускають безпосереднім вмиканням двигуна в мережу

Рис. 5—12. Залежність струму ста­тора від швидкості обертання асин­хронного двигуна.

за допомогою рубильника або маг­нітного пускача (рис. 5—11, а). У початковий момент пуску при ковзанні S=Iy роторі двигуна індукуються великі струми, які впливають на збільшення пуско­вого струму в статорі, що досягає

4. 7-разового значення від номі­нального струму (рис. 5—12):

I in ⁼ (4^-=^-7) І їн· (5-52)

Значний пусковий струм дви­гуна хоч і не створює безпосеред­ньої небезпеки для двигуна, бо за кілька секунд спадає і не може

нагріти машини до недозволеної температури, проте є небажаним, оскільки спричинює зниження напруги в мережі в момент пуску, а це несприятливо позначається на роботі інших споживачів.

Для зменшення пускового струму двигуна з короткозамкненим ротором на час пуску знижують напругу на його затискачах. Такий пуск виконують без навантаження, оскільки обертальний момент двигуна зменшується пропорційно квадрату напруги.

Застосовують два основних методи пуска ко- роткозамкнених двигунів на зниженій напрузі: 1) перемиканням обмоток статора з зірки на три-

7" і ° і кутник; 2) за допомогою автотрансформатора.

f A-'''''' Якщо обмотка двигуна в робочому поло-

/ женні повинна бути сполучена трикутником,

Рис. 5—13. Схема пуску асинхронного дви­гуна з фазним ротором.

то при пуску обмотку його спочатку сполучають зіркою, а потім, коли двигун розів’є деяку швидкість, перемикають рубильник і сполучають її трикутником (рис. 5—11, б). Таке перемикання в початковий момент пуску знижує фазну напругу в Yl раз, чим досягається зменшення пускового CTpy- 'Пусн му в 3 рази. Одночасно в ~~ три рази зменшується по­тужність і обертальний мо­мент двигуна, коли двигун пускають за допомогою автотрансформатора (схема на рис. 5—11, в), напруга поступово підвищується від нуля до номінального зна­чення.

Пуск асинхронного двигуна з фазним ротором здійснюється так (рис. 5—13): вмикають триполюсний рубильник 1 у колі статора при повністю введеному опорі трифазного пускового реостата 7 (поло­ження «Пуск»), Із збільшенням швидкості обертання вала дви­гуна 5 поступово зменшують опір пускового реостата, виводячи його повністю до кінця пуску (положення «Робота»). При цьому всі три фази ротора будуть замкнені повзунком реостата накоротко. Потім натискають на спеціальний важіль двигуна, який закорочує всі три кільця ротора і піднімає щітки, щоб зменшити їх спрацю­вання. На цьому пуск закінчується. Після цього ручку пускового реостата переводять у початкове положення «Пуск».

Явища, які відбуваються під час пуску двигуна з фазним рото­ром, можна пояснити, користуючись механічними характеристиками двигуна при різних опорах пускового реостата (рис. 5—14). Як було доведено раніше, максимальний обертовий момент асинхронного двигуна не залежить від активного опору ротора, а критичне ков­

зання прямо пропорційне цьому опору. Повний опір пускового рео­стата вибирають так, щоб пусковий струм статора не перевищував

(1,8-т- 2,2)

<r'

Рис. 5—14. Механічні характерис­тики асинхронного двигуна з фаз­ним ротором при зміні опору пус­кового реостата.

Пуск двигуна починається з точки 1 нижньої характеристики і при певному опорі реостата продовжується до точки 2, в якій обертальний момент зростає до точки 3 внаслідок зменшення опору реостата і збільшення струму ро­тора. По другій кривій розгін продовжується до точки 4. При дальшому зменшенні опору реоста­та збільшується струм ротора і обертальний момент знову зростає до точки 5, переходячи на нову характеристику. Пуск закінчується в точці 6 при повністю виведеному пусковому реостаті.

Таким чином, введення актив­ного опору в коло фазного ротора зменшує пусковий струм, збільшує пусковий обертальний момент і забезпечує плавність пуску. Проте цей спосіб пуску застосовується лише для двигунів з фазним ротором, які дорожчі, ніж двигуни з короткозамкненими роторами.

Досить поширені асинхронні двигуни з двома короткозамкне­ними обмотками на роторі з глибоким пазом. Вони поєднують пози­тивні якості двох попередніх типів двигунів, а саме: вони дешеві

(як короткозамкнені) і мають добрі - пускові характеристики (як і двигуни з фазним ротором).

Перший двигун, який мав дві короткозамкнених обмотки, ство­рив М. О. Доливо-Добровольський у 1893 р.

На рис. 5—15, а зображено в розрізі паз ротора з подвійною

кліткою. Паз має складну форму. У круглі отвори паза вставляють провідники з підвищеним питомим опором, наприклад з латуні або бронзи. Замикаючись спеціальним кільцем накоротко, вони створю­ють так звану пускову обмотку. У прямокутні пази, розміщені далі від поверхні ротора, вставляють провідники з малим питомим опо­ром (мідні), які, замикаючись накоротко, другим кільцем утворю­ють робочу обмотку ротора.

Під час пуску такого двигуна в роторі індукуватимуться пускові струми, магнітні лінії яких замикатимуться здебільшого по сталі (див. рис. 5—15, а). З рис. (5—15) видно, що потік розсіювання,

а 6

Рис. 5—16. Глибокий паз і крива розподілу струму в провіднику в момент пуску.

який зв’язаний з верхньою пусковою кліт­кою, менший ніж біля нижньої робочої клітки. Оскільки цей потік змінний, він індукуватиме е. р. с. самоіндукції, які про­тидіятимуть проходженню струму. Отже, на початку пуску при великих ковзаннях повний опір нижньої клітки буде значно більший, ніж верхньої, тому струм в ос­новному буде проходити по верхній пуско­вій клітці. Активний опір верхньої клітки великий порівняно з індуктивним, внаслі­док чого зменшується пусковий струм і збільшується пусковий момент.

У міру розгону двигуна частота стру­му ротора двигуна зменшується в десятки разів, отже, зменшуватиметься індуктивний опір ротора, і струм ротора проходитиме в основному по робочій обмотці.

Обертальний момент M двокліткового двигуна складається з суми двох моментів, а саме: з моменту, який утворюється пусковою обмоткою M_n (див. рис. 5—15, б), і з моменту робочої обмотки M_p. Залежність швидкості обертання ротора п від сумарного моменту M являє собою механічну характеристику двокліткового двигуна.

На рис. 5—15, в зображено фігурний паз, який заливається алю­мінієм. Підвищення активного опору клітки під час пуску тут забез­печується тільки за рахунок витіснення струму у верхні частини провідників клітки. Така подвійна клітка дешевша, але має трохи гірші пускові якості.

Двигуни з глибоким пазом мають короткозамкнений ротор, висо­та паза в якому в кілька разів більша за ширину. У цей паз закла­дають мідні провідники у вигляді широкої штаби (рис. 5—16). Підчас пуску двигуна, коли частота струму в роторі найбільша, індуктив­ний опір нижніх шарів провідника значно більший, і струм у про­віднику витискується у верхню частину його перерізу. Активний опір провідника збільшується, бо переріз для проходження струму зменшується. Цим досягають збільшення критичного ковзання, обертального моменту і зменшення пускових струмів. Механічна характеристика двигуна з глибоким пазом має приблизно такий

самий вигляд, як і двоклітковий двигун. Перевагою двигуна з гли­боким пазом є те, що він простіший, ніж двоклітковий, і, крім того, при запусканні менше перегрівається, бо тепло, яке виділяється при цьому в провіднику, розподіляється по всьому поперечному перерізу, а не тільки по його верхній частині, як у двоклітковому двигуні.

4. 7. РЕВЕРСУВАННЯ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ TA РЕГУЛЮВАННЯ ШВИДКОСТІ ОБЕРТАННЯ

Рис. 5—17. Реверсування асинхрон­ного двигуна.

Реверсуванням називається зміна напряму обертання двигуна. Як відомо, ротор асинхронного двигуна обертається за напрямом обертання магнітного поля. Напрям обертання потоку (див. § 2—5) визначається чергу­ванням фаз обмотки ротора. Для зміни напряму обертання вала дви­гуна треба змінити напрям обер­тання магнітного потоку статора, а для цього досить поміняти міс­цями будь-які два провідники з трьох, які сполучають джерело енергії з обмотками двигуна (рис.

5. 17, б).

Для перемикання провідників застосовують дво- або триполюс­ні перемикачі (рис. 5—17, в).

Застосовуючи реверсивні магнітні пускачі з кнопочним керуванням для двигунів з короткозамкненим ротором і контролери для двигунів з фазним ротором, досягають надійного і безпечного реверсування.

Регулювання швидкості обертання. Як відомо, число обертів ротора визначається за формулою: п₂ = я_х(1 — S).

Оскільки число обертів магнітного поля статора дорівнює

H₁ = , то п₂ = ^ (I - S).

Тобто, число обертів ротора двигуна можна регулювати: 1) зміню­ючи частоту струму мережі Z₁; 2) реостатом у колі ротора; 3) змі­нюючи число пар полюсів обмотки статора р.

Регулювання швидкості обертання ротора зміною частоти струму мережі застосовується дуже рідко, тому що потребує окремого дже­рела струму або перетворювача частоти.

Швидкість двигуна з фазним ротором регулюють, вмикаючи в коло ротора спеціальний регулювальний реостат. При цьому із збільшенням опору реостата швидкість двигуна зменшуватиметься. Отже, цим способом можна тільки зменшувати оберти двигуна. Крім того, цей спосіб мало застосовується через те, що велика кіль­кість енергії марно витрачається на нагрівання реостата.

Найбільш поширеним є спосіб регулювання швидкості обертання двигуна зміною числа пар полюсів. Для цього обмотку статора виконують так, щоб перемиканням груп котушок можна було змі­нювати число пар полюсів або на статорі укладають дві окремі обмотки (кожна на різне число полюсів). Ротор у цьому разі виго­товляють звичайним короткозамкненим, число полюсів якого завжди дорівнює числу полюсів обмотки статора.

Рис. 5—18. Зміна числа пар полюсів перемиканням котушок обмотки: а — послідовне з’єднання; б— паралельне з’єднання.

а

б

На рис. 5—18, а зображено послідовне сполучення котушок об­мотки, які утворюють дві пари полюсів; на рис. 5—18, б ті самі котушки сполучені паралельно і утворюють одну пару полюсів. Існують і інші способи сполучення.

Такі двигуни складні за конструкцією перемикача і мають вели­кі габарити. Заводи CPCP випускають такі двигуни з двома, трьома і чотирма ступенями обертів.

5. 8. ЕНЕРГЕТИЧНА ДІАГРАМА АСИНХРОННОГО ДВИГУНА. ВТРАТИ

І к. к. д.

На рис. 5—19 зображено енергетичну діаграму асинхронного двигуна. З рисунка видно, що електрична потужність P₁, яка під­водиться з мережі до статора двигуна, більша, ніж потужність P₂ на валі ротора двигуна. Це пояснюється тим, що перетворення енер­

гії в двигуні з електричної в механічну супроводиться втратами енергії.

В асинхронному двигуні бувають такі втрати: в обмотці ста­тора Р\об, в обмотці ротора Р^б, У сталі статора P_lcm і механічні втрати Р_мех.

Втрати в обмотках статора і ротора визначаються за формулами:

Ріоб /WlVl, /с СО\

n r² V³ —

P 2об = т.₂І_гг₂,

де т_х — число фаз статорної обмотки (т_х = 3).

	I У Ріоб j
! 1 1 р, ! іре.,. і і і T 1 І .}	Z-—/у\ Pmsx ^ P2 І—— І
Сітка І Статор j j	Ротор j Вал

Зазор

Рис. 5—19. Енергетична діаграма асинхрон­ного двигуна.

Число фаз роторної обмотки короткозамкненого двигуна завжди дорівнює числу фаз ста­торної обмотки, оскільки число полюсів у роторі зав­жди дорівнює числу полю­сів статорної обмотки.

З формули (5—53) видно, що втрати в обмотках за­лежать від навантаження.

Отже, ці втрати є змін­ними.

Втрати в сталі статора P_lcm зв’язані з наявністю гистерезису і вихрових

струмів, створюваних внаслідок перетину змінним магнітним по­током сталі статора.

Втрати в сталі статора пропорційні квадрату магнітної індук­ції (потоку), або квадрату напруги: P\_ст = β² = Φ² = ί/² і є сталим незалежним від навантаження, оскільки [Z₁ = Const.

Втратами в сталі ротора звичайно нехтують, тому що частота роторного струму при номінальному навантаженні дуже мала (/₂ = 1 -т- 2,5 гц).

Як було вже зазначено, втрати в обмотці ротора змінні і зале­жать від навантаження. Оскільки із зміною навантаження змінює­ться і ковзання, то можна довести, що втрати в обмотці ротора про­порційні ковзанню. Справді, якщо від підведеної потужності P₁ відняти втрати в статорі, то дістанемо електромагнітну потужність Р_ем (див. рис. 5—19), яка передається через повітряний зазор на ротор: Р_ем = P₁- (P₁₀₆ + P_lcm). (5—54)

Механічну потужність Р_мех матимемо, якщо від електромагніт­ної потужності віднімемо втрати в обмотці ротора Р206'·

P Mex — Рея Ріоб

або

P 2 об — Рем — P мех· (5 55)

Електромагнітна потужність визначається добутком оберталь­ного моменту електромагнітних сил на кутову швидкість обертання поля CD₁:

Р_ем = Mco_i = M (5-56)

а механічна потужність на валу дорівнює добутку моменту на кутову швидкість обертання ротора ω₂:

P_msx= Мщ =M^. (5-57)

Ураховуючи, що число обертів ротора п₂ = /I₁-(I-S), дістанемо:

P₂₀₆ = PeM -Pue_x = M²-^-M^ =

= M ²^ - M (I - S) = Р_ем - S. (5-58)

Отже, втрати в обмотці ротора пропорційні ковзанню 5.

Під час пуску двигуна, коли S=I, потужність, якої набуває ротор, перетворюється в тепло.

Механічні втрати P_uex складаються з втрат на тертя в підшип­никах, на тертя ротора об повітря і на вентиляцію двигуна. Вони залежать від швидкості обертання ротора, яка в робочому режимі майже не змінюється, тому і втрати можна вважати сталими:

Рмех = COnst.

Якщо від підведеної потужності P₁ відняти всі втрати двигуна, то дістанемо корисну потужність на валі двигуна P₂, яка позна­чається на паспорті:

= (5-59)

де Σ Pm— сума всіх втрат:

Σ Р«т — P\об + PIcm + Р206 + Pмех + Pд, (5-60)

де Pg — додаткові втрати, зумовлені наявністю зубців ротора і ста­тора, вихрових струмів у різних вузлах машини і т. ін., які при номінальному навантаженні двигуна становлять 0,5% від його номінальної потужності.

Практично втрати в сталі і механічні втрати визначають з досліду холостого ходу. При цьому двигун працює при номінальній напрузі U = U_h. Споживана при холостому ході потужність іде повністю на механічні втрати і втрати в сталі (втратами в міді статора можна знехтувати).

Втрати в міді практично визначають з досліду короткого зами­кання, загальмовуючи ротор двигуна. До обмоток статора за допо­могою автотрансформатора підводять знижену напругу, внаслідок

чого проходить номінальний струм: I₁ = I_ltl і I₂ = /₂«. Цього досягають при напрузі короткого замикання U_k. ₃ < U_fl^ (15 ч- -т-25)%U_H. Потужність, споживана при цьому двигуном, іде на втрати в міді, оскільки механічна потужність дорівнює нулю, а втрати в сталі незначні.

Коефіцієнт корисної дії асинхронного двигуна η дорівнює від­ношенню корисної потужності на валі P₂ до всієї потужності, що підводиться з мережі до двигуна P₁:

η 100%

або

⁷¹ = (р₂ + SP_im)^{100 %} ’

або

η = (»-»-) ■ 100% = (l -¾¹) · 100%. (5-61)

При номінальному навантаженні к. к. д. більшості двигунів лежить у межах 0,7 0,95, причому найбільше значення к. к. д. мають двигуни великої потужності. Залежність коефіцієнта корис­ної дії від навантаження двигуна зображено кривою на рис. 5—22.

5. 9. РОБОЧІ ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ДВИГУНА

Робочі характеристики трифазного асинхронного двигуна явля­ють собою залежність потужності P₁, споживаної двигуном, стру­му статора I₁, коефіцієнта потужності Coscp₁, к. к. д. η, оберталь­ного моменту Al, швидкості обертання ротора п₂ і ковзання S від корисної потужності P₂ на валі двигуна при сталій напрузі U₁ на затискачах двигуна і при сталій частоті f_x. Отже, P₁, I₁COSf_u η, М, п₂ і S = ψ(Ρ₂) при U₁ = Ui_h — const і Cp₁ = const.

Для того, щоб дістати робочі характеристики, складають елек­тричну схему за рис. 5—20.

Навантаження на валі двигуна створюють гальмом (рис. 5—21) або генератором постійного струму. За показами приладів і за допомогою обчислень будують робочі характеристики двигуна при різних навантаженнях (див. рис. 5—22). Обчислення проводять за такими формулами:

,, ^uAB + ^uBC + ^UCA і ¹A + ¹B + ¹C _{ІС СОі}

U₁ — 2 , / j — g , (5 Ь2)

де Uab ... і іа··· — діючі значення лінійних напруг і струмів.

Потужність, що підводиться до двигуна, визначається як алгебраїчна сума показів двох ватметрів:

Коефіцієнт потужності визначається за формулою:

(5-64)

COS φ!

Pi

УШліл'

Корисний обертальний момент на валі двигуна визначається за формулою:

M=Gl кГм, (5—65)

де G — вага вантажу на гальмі в кГ; І— плече гальма в м.

0=

Рис. 5—20. Схеми електричних з’єднань асинхронних двигунів для зняття робочих характеристик: а — з фазним ротором; б— з короткозамкненим ротором.

Корисну потужність P_i на валі двигуна обчислюють за фор­мулою:

P₂ = Μω₂ = 9,81ω₂Μ = 9,81 ²-^~ = 1,028η*Αί (an), (5—66)

де ω₂ — кутова швидкість ротора; п₂ — швидкість обертання ротора (об/хв) (вимірюється тахометром). Коефіцієнт корисної дії визначається за формулою (5—61), а ковзання — за формулою (5—2).

З рис. 5—22 видно, що із зростанням навантаження всі величини відповідно змінюються. Справді, із збільшенням навантаження порушується рівновага моментів. Електромагнітний момент стає

меншим, ніж гальмівний момент, внаслідок чого, спадають оберти, а ковзання зростає. Внаслідок цього зростає е. p. с. E_s2, а разом з нею і струм Z₂, що приводить до зростання електромагнітного моменту, який зрівноважує гальмівний момент.

Рис. 5—21. Схема колодкового гальма:

I — барашкова гайка; 2 — пружина; 3 — галь­мівні колодки; 4— упор; 5 — шків двигуна.

Настає нова рівновага. Із зростанням струму ротора 1₂ зростає і струм статора I₁. Це відбу­вається внаслідок того, що магнітний потік, створений струмом ротора, зменшує ос­новний потік статора, а при зменшенні основного потоку зменшується е. р. с. самоін­дукції, що в свою чергу веде до збільшення струму стато­ра. Із збільшенням струму статора зростає і потужність P₁. Коефіцієнт корисної дії на початку навантаження різко зростає, тому що активна по­тужність двигуна зростає при незначних втратах SP_em.

Найбільшого значення к. к. д. досягає при навантаженні, що дорівнює 75% від P_2h, і ДО номінального навантаження cpscp, залишається майже сталим.

При значних навантаженнях к. к. д. починає спадати, ос­кільки зростають втрати SP_em.

Рис. 5—22. Робочі характеристики три­фазного асинхронного двигуна.

Крива зміни коефіцієнта потужності cos φ_χ подібна до ■ кривої к. к. д. При холостому ході двигуна (Zi = Z₀) кут зсуву між струмом і напру­гою дуже великий (див. век­торну діаграму §5—4), тому що струм холостого ходу Z₀ в основному є реактивним намагнічуючим струмом. Із збільшенням навантаження

кут фі зменшується, тому що збільшується активна складова роторного струму Z₂₀ і відповідно до цього зростає активна скла­дова статорного струму I_ia.

Максимального значення cos φ_χ досягає при номінальному навантаженні. При перевантаженні cos φ_χ починає зменшуватись. Це пов’язано із збільшенням магнітного потоку розсіювання, внаслі­док чого збільшується і реактивна складова струму ротора,

тобто зростав ψ₂ і Φχ, а це веде до зменшення cos Cp₁. У діапазоні навантажень двигуна між 25 і 50%, що дуже часто зустрічається в двигунах, які приводять у рух різні верстати, cos Cp₁ дуже низь­кий (0,6-=-0,75); це завдає великої шкоди енергогосподарству в цілому. Для збільшення cos φ_χ треба насамперед номінально завантажувати двигуни, а в разі потреби застосовувати батареї конденсаторів (див. § 1—13).

5. 10. ОДНОФАЗНИЙ АСИНХРОННИЙ ДВИГУН І АСИНХРОННИЙ ГЕНЕРАТОР

Однофазні асинхронні двигуни останнім часом почали широко застосовувати в побуті. Вони застосовуються в холодильниках, електропрогравачах, вентиляторах, а також у медичній апаратурі, Оскільки однофазні двигуни мають гірші техніко-економічні харак­теристики, ніж трифазні (менший к. к. д., низький cos φ тощо), їх випускають малої потужності (не більше 1 ч- 2 кет).

Однофазний асинхронний двигун має статор з однофазною обмоткою і корот- козамкнений ротор. Особливістю дви­гуна є те, що він не має свого пуско­вого моменту. Для його пуску засто­совують різні пускові пристрої: пускову обмотку, розщеплення магнітного пото­ку полюсів і т. ін.

Якщо статор однофазного двигуна ввімкнути в мережу, то його ротор залишиться нерухомим. Проте досить надати ротору поштовху, щоб він почав обертатись і був спроможний нести механічне навантаження. Де пояснює­ться тим, що в однофазній обмотці, Рис. 5—23. Розкладання пуль- яка живиться змінним синусоїдальним суючого потоку на два оберто- _СХру_М0М> створюється пульсуючий маг­нітний потік Ф = Ф_т sin ωί, який зміню­ється за величиною від +Ф_т Д° ^{—але в} просторі залиша­ється нерухомим. Цей пульсуючий потік Ф можна замінити двома

однаковими потоками Фі_т і Ф%_т (рис. 5—23), Фі_т = Ф_2т =

ф т

ЯКІ

60 А

обертаються в протилежних напрямах із швидкістю It₁ = + - Ці потоки змінюються за синусоїдальним законом:

Ф іт — Ф 2т =

тг sin ω/.

Алгебраїчна сума векторів Ф_1т і Ф_2т дорівнює вектору пульсу­ючого потоку Ф_1ш + Ф_2т = 2 sin ωί = Ф_т sin ші = Ф.

Обертаючись у протилежних напрямах, потоки перетинають обмотку ротора і індукують у ній відповідні струми /, і I₂, взаємодія яких з потоками створює обертальні моменти проти­лежного напряму:

Ai₁ = £Фі J₁ cos Cp₁; Ai₂ = M>2m/₂ cos φ₂

; } (5-67)

Результуючий момент дорівнює нулю: M = Ai₁ — Ai₂ = 0, і дви­гун не може провернутися. Якщо тепер ротор привести в рух сто­ронньою силою, він почне обертатися в той бік, куди буде зроблено поштовх. Пояснимо це.

Візьмемо ЧИСЛО обертів ПОТОКІВ Фіш і Ф_2т таким, що дорівнює U₁ (об/хв), а ротора п₂. Тоді швидкість прямого потоку Ф\_т від­носно ротора дорівнюватиме різниці швидкостей поля і ротора:

n' — Ti₁-п_г = Ti₁- Ti₁ (1 — S) — n_LS. (5—68)

Прямий потік індукуватиме в роторі струм з частотою

^ = = <⁵-⁶⁹) Швидкість зворотного поля Ф_2от відносно ротора дорівнюва­тиме сумі швидкостей поля і ротора:

п" — Ti₁^jT Uz = n_L + /I₁ (I — S) = H₁ (2 — S). (5—70) Зворотне поле індукуватиме в роторі струми частотою

/2 =ж = ж (²-S) = /і(²-Я (5-71)

При fi = 50 гц і S = 5% дістаємо /₂' = 2,5 гц, Ц = 97,5 гц, а отже f2>f2. Як відомо, індуктивний опір розсіювання ротора пропорційний частоті /₂: x_s2 = 2^f₂L_S2. Тому в робочому режимі

х'к > *s2, a cos ф₂ = — Λί 0, тоді з формули (5—67) дістаємо: Ai₂ ss 0. ^г2

І результуючий момент: M-M₁ — Ai₂ ^ M₁ буде напрямлений у бік більшого моменту M₁.

Для того щоб однофазний асинхронний двигун міг сам приво­дитись у рух, в його статорі, крім основної робочої обмотки, закла­дають ще й додаткову, так звану пускову, обмотку ПО (рис. 5—24,а). Пускову обмотку вмикають звичайно через додатковий активний або реактивний опір ДО з тим, щоб струм у ній був зсунутий за фазою відносно струму в робочій обмотці PO на кут, близький до 90°.

Значно частіше як додатковий опір до пускової обмотки засто­совують конденсатор (рис. 5—24, б). Оскільки струми в робочій і

пусковій обмотках будуть зсунуті на 90°, відповідно будуть зсунуті за фазою і створені ними магнітні потоки Ф_р і Ф_я:

Ф =Ф_р._т*п*І·

®« = COS ιοί.

Результуючий ПОТІК Ф = Фр + Ф„ буде обертовим потоком (див. § 2—6). Цей обертовий потік, перетинаючи обмотку ротора, наводить у ній е. p. с. E₂ і струм I₂. Внаслідок взаємодії Ф і I₂ створюється обертальний момент, який приводить ротор у рух. Після пуску двигуна коло пускової обмотки вимикається.

Рис. 5—24. Схеми пуску однофазних асинхронних двигунів.

У деяких однофазних двигунах робоча обмотка і обмотка з кон­денсатором у колі залишається ввімкненою на весь час роботи. Такі двигуни називаються конденсаторними. Вони мають кращі робочі і пускові характеристики, вищий cos φ і більшу переванта­жувальну здатність.

Для пуску двигуна в зворотному напрямі треба поміняти місцями кінці пускової (або робочої) обмотки.

Останнім часом почали застосовувати однофазні двигуни неве­ликої потужності з розщепленими полюсами (рис. 5—25). У цих дви­гунах полюси 2 розщеплюються на дві частини, на одну з яких на­дівають короткозамкнений виток 3. Струм, що індукується в корот- козамкненому витку основним потоком, створюватиме свій магніт­ний потік, який буде зсунутий за фазою на певний кут. Отже, ці два змінні магнітні потоки зміщені на деякий кут у просторі, зсу­нуті за фазою і утворюють обертове магнітне поле. Такий двигун може обертатися тільки в одному напрямі, тому що при зміні на­пряму струму в обмотці полюсів 1 (див. рис. 5—25) змінюється напрям струму і в короткозамкненому витку. Такі двигуни застосо­вують, наприклад, для приводу настільних вентиляторів тощо.

В умовах експлуатації звичайних трифазних двигунів можливі аварійні випадки, коли перегоряє запобіжник в одній фазі або обривається один провідник і двигун починає працювати як одно­фазний. Якщо це трапиться при роботі двигуна, то він не зупини­ться, а продовжуватиме працювати як однофазний; при цьому значно збільшиться струм в одній фазі, зменшиться потужність, к. к. д. і cos φ. Тривала робота в одно­фазному режимі призведе до перегрі­вання двигуна і виходу його з ладу.

Рис. 5—25. Однофазний дви­гун з розщепленими полю­сами:

Асинхронна машина може працювати не тільки як двигун, а при певних умо­вах і як генератор електричної енергії.

Якщо ротор асинхронної машини, збуджуваний від трифазної мережі, обертається в напрямі, що збігається з напрямом обертання магнітного поля, з швидкістю η 2, яка буде більшою за синхронну швидкість M₁, то в цьому разі електромагнітна потужність Р_ем стане від’ємною:

S =

<0;

п,

/ — обмотка; 2 — полюс; 5 — ко- роткозамкнений виток; 4 —ко- роткозамкнений ротор.

це свідчить про передачу енергії від ротора до статора обертовим полем. Отже, асинхронна машина в цьому випадку є перетворюва­чем механічної енергії в електричну, яка віддається в мережу, тобто працює як генератор.

Асинхронні генератори застосовують у вітросилових установках і невеликих сільських гідроелектростанціях.

Розділ VI

СИНХРОННИЙ ГЕНЕРАТОР

6—1. ПРИНЦИП ДІЇ І БУДОВА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Виникнення змінного струму у витку, що обертає­ться в магнітному полі розглянуто в параграфах 1—1 і 2—4. Описаний там генератор з нерухомими полю­сами (нерухомим індуктором) і обертовим якорем (витком) є лише схемою, що пояснює принцип дії. На електростанціях поширені трифазні синхронні гене­ратори з нерухомим якорем і обертовим індуктором. Ці генератори мають велику потужність (до 300 000 ква і більше) і розраховані на високі напруги (до 20 000 в).

Синхронний генератор складається з нерухомої частини — статора 1 (рис. 6 — 1), у пазах 2 якого роз­міщують трифазну обмотку З, і обертової частини — ротора 4, що являє собою електромагніт, який жи­виться постійним струмом від окремого джерела через щітки 5 і кільця 6.

Статор синхронного генератора — це чавунний корпус, в якому міститься сердечник. Для зменшення втрат енергії його складають з окремих листів елек­тротехнічної сталі, ізольованих між собою звичайно лаком.

Ротори синхронних генераторів бувають двох ти­пів — з явно виявленими (рис. 6—1) і неявно виявленими (рис. 6—2) полюсами. Ротори з явно вияв­леними полюсами установлюють у генераторах з не­великим числом обертів їх звичайно з’єднують з тихо­хідними первинними двигунами, з гідротурбінами або з двигунами внутрішнього згоряння і називають від­повідно гідрогенераторами або дизельгенераторами.

Ротори з неявно виявленими полюсами застосо­вують у генераторах з великим числом обертів (3000 обіхв). Ці генератори звичайно приводять у рух парові турбіни, тому їх називають турбогенераторами. Сердечники і башмаки полюсів найчастіше виготов­ляють з литої сталі, іноді башмаки складають з окре-

мих листів електротехнічної сталі, а для обмотки полюсів вико­ристовують мідні ізольовані проводи.

Щоб мати синусоїдальну е. р. с., треба мати синусоїдальний розподіл магнітної індукції в повітряному зазорі. Для цього по­люсним наконечникам надають такої форми, що на краях полюсів повітряний зазор більший, ніж під його серединою (рис. б—3), тому під серединою полюса магнітна індукція має.максимальне значення. Полюси електромагніту розташовані _й

(6-1)

хронного генератора.

на віддалі полюсного кроку х (віддаль між осями полюсів). У тілі статора розміщують обмотки, кожна з яких зміщена відносно другої також на віддаль т. При обертанні індуктора в обмотках індукується е. р. с., час­тота якої / залежить від числа пар полюсів р і кількості обертів індук­тора за хвилину п:

f

рп 60 ‘

Якщо трифазний синхронний ге­нератор ввімкнути в мережу, то по обмотках якоря, число полюсів якого дорівнює числу полюсів індуктора, піде трифазний змінний струм, який створює обертовий, магніт­ний потік (див. розд. І); швидкість його:

(6-2)

60 f

п, = -г .

Два потоки — індуктора і якоря — утворюють результуючий потік, який обертається з тією самою швидкістю п_х. Отже, M₁ — п, тобто число обертів результуючого магнітного поля дорівнює числу обертів ротора (індуктора). Збіг у часі двох явищ називається син­хронізмом, тому такий генератор називають синхронним.

і У синхронних генераторах з неявно виявленими полюсами (рис. 6—2) синусоїдального розподілу магнітної індукції досягають відповідним розподілом намагнічуючої сили (iw), тобто зміною ампервитків. Дійсно, розглядаючи дільницю магнітного кола, що відповідає повітряному зазору, на підставі закону повного струму

можна написати:

(IW)_n =

звідки

В - a ^{(iw)n D}n — ГО / I ^Ln

де B_n — магнітна індукція в повітряному зазорі; [>.₀ — магнітна проникність повітря; I_n — довжина магнітної лінії в повітряному зазорі або величина зазору.

З формули (6—3) видно, що магнітну індукцію можна змінювати, змінюючи величину зазора I_n або ампервитки (iw)_n.

Струм збудження для синхронних генераторів подають від окремих генераторів постійного струму — збудників, які закріп­лені на спільному з генератором валі і приводяться в рух тією самою

O O

А

Q

(

X

0 0 + -

б

а

Рис. 6—2. а) Схема будоьи синхронного генератора з неявно вираженими полю­сами і б) Схема обмотки ротора (індуктора).

турбіною, що й ротор генератора. їх потужність становить 0,25 -~ 1% від номінальної потужності основного генератора. В окремих випадках постійний струм подається через кільця в обмотку збу­дження від випрямлячів.

З ряду технічних міркувань вал турбогенератора і парової тур­біни розміщують горизонтально (рис. 6—4).

Гідрогенератори мають вертикальний вал і розміщуються над гідротурбіною, яка обертає їх (рис. 6—5). Така установка, яка складається з генератора і гідротурбіни, може досягати висоти кількаповерхового будинку.

Промисловість нашої країни випускає турбо- і гідрогенератори, потужність яких досягає 200—300 тис. ква, а найближчим часом зросте до 500 тис. ква і більше.

Рис. 6—3. Графік зміни мажітної індукції при змінній величині повітряного зазору.

р_ис. fr_4. Загальний вигляд розміщення турбогенератора в машинному залі електростанції:

1 — синхронний генератор; 2 — парова турбіна; 3 збуджувач.

Рис. б—5. Загальний вигляд розміщення гідрогенератора в машинному

залі гідростанції.

Статорні обмотки. Обмотка статора (якір) міститься у пазах статора у вигляді витків ізольованих проводів, кінці яких від­повідно між собою сполучені. Витки, які лежать в двох сусід­ніх пазах і сполучені послідовно, утворюють котушку-секцію (рис. 6—6). ₀

П

Активні сторони 1 котушки, в яких індукується е. р. с., лежать безпосередньо в пазах статора, а торцеві сторони 2 виходять за межі статора на­зовні і виконують роль з’єднувальних проводів.

Обмотка статора може складатися з кількох та- ; ких котушок, сполучених між собою послідовно.

Потрібне число витків в обмотці визначають за робочою напругою машини, а поперечний переріз проводів — за силою струму.

Рис. 6—6. Ko- тушка-секція об­мотки статора.

Проводи обмотки сполучають так, щоб при про­ходженні по них струму утворювалось магнітне поле з потрібного кількістю пар полюсів р, бо число пар полюсів (при заданій швидкості обер­тання індуктора) визначає частоту індукованої е. р. с. (6—1).

Для роботи синхронного генератора треба, щоб число пар полю­сів в індукторі і в статорній обмотці було однаковим. Питання про обмотки машин змінного струму дуже складне. Тому розглянемо найпростіші обмотки, щоб мати про них певне уявлення.

Обмотки бувають петльові і хвильові, однофазні і багато­фазні, одношарові і двошарові, зосереджені і розподілені.

Рис. 6—8. Хвильова обмотка.

Петльові обмотки (рис. 6—7) застосовують для статорів син­хронних генераторів і асинхронних двигунів, хвильові (рис. 6—8) — для роторів великих асинхронних двигунів, а також для статорів потужних тихохідних гідрогенераторів. Через те, що просторові рисунки з обмотками виходять дуже складними, застосовують

1 — паз статора; 2 — зубець сталі статора; З — секція обмотки.

розгорнуті схеми, де циліндричну поверхню пазами і обмоткою «розгортають» у площину (рис. 6—9).

Обмотки статора характеризуються такими параметрами: z — числом пазів у сталі статора; т — числом фаз статора; р — числом пар полюсів (2 р — число всіх полюсів); q — числом пазів на полюс і фазу;

?=2^^; (6-4)

τ — відстанню між серединами полюсів (полюсна поділка); у — кроком обмотки, шириною секції; уф — фазовим кроком, що

Рис. 6—9. Розгорнута схема зосе­редженої одношарової однофазної обмотки: т = 1; 2р — 4; г = 4; q = 1.

показує відстань між початками фаз:

2

УФ = ·

(6-5)

у і Уф — подають частками полюс­ної поділки або числом пазів.

На рис. 6—9 зображена найпро­стіша розгорнута схема однофаз­ної обмотки. Вона складається

з двох котушок-секцій з певною кількістю витків, сполучених по­слідовно. Усі витки кожної сто­рони котушки вкладені в один паз, тобто на фазу і полюс припадає один паз: <7 = 1. Якщо пази рівно­мірно розміщені по колу статора на віддалі полюсного кроку τ, вкладена в них обмотка називається обмоткою з повним крокомі/ = т. Якщо замкнути коло, то при обертанні індуктора з чотирма полюсами в обмотці статора виникне е. р. с., під дією якої утвориться струм; в обмотках він створить своє магнітне поле з двома парами полюсів. Е. р. с. у кожному витку збігаються за фазою і за величиною. Вони всі рівні, тому загальна е. р.с. дорівнюватиме алгебраїчній сумі всіх е. р. с. у витках.

За час повного оберту в кожному з провідників (а отже, і в зо­внішньому колі) відбудеться два повних періоди зміни струму. Якщо машина має р пар полюсів і ротор обертається, роблячи п об/хв, то частота змінного струму визначається за формулою (6—1).

На рис. 6—9 зображена зосереджена обмотка, усі провідники активних сторін якої вкладені в один паз. Така обмотка має той істотний недолік, що не використовується повністю сталь статора машини. Тому на практиці роблять розподілені обмотки, тобто такі, в яких число пазів на полюс і фазу q ф 1.

На рис. 6—10 зображена однофазна статорна розподілена об­мотка з q = 3. Е. р. с., які індукуються в активних сторонах коту­

шок, будуть зсунуті за фазою одна відносно одної, а результуюча е. р. с. дорівнює їх геометричній сумі. Відношення е. р. с. фази розподіленої обмотки до е. р. с. фази зосередженої обмотки нази­вається коефіцієнтом розподілення обмотки A_p.

2τ

2τ

Трифазна обмотка статора являє собою три обмотки, зміщені на 120 електричних

2

Для такої

»

обмотки треба мати три ко­тушки на кожну пару полю­сів.

Розрахуємо і накреслимо схему найпростішої одноша­рової розподіленої трифазної обмотки статора з повним кроком, якщо Z= 12, т — З, 2р — 4; тоді

12

ШПШШ

ІШШ

градусів, або -у т.

12 4 · З 12 4

2 З

Рис. 6—10. Розгорнута схема розподіленої однофазної обмотки: г = 12; т = 1; 2р = 4; q = 3.

2 р ■ т

-^τ~ 2р

Рис. 6—11. Схема найпростішої трифазної одношарової обмотки статора синхронного генератора.

Першу фазу А починаємо з паза 1 (рис. 6—11). Щоб ви­значити паз, в якому лежить друга сторона секції, до но­мера паза додаємо у: 1 + у —

= 1+3 = 4.

Щоб визначити паз, в яко­му треба укласти початок наступної котушки, до номера паза кінця першої котушки додаємо τ:4 + τ = 4+ 3 = 7 і т. д.

Друга котушка першої фа­зи, кінець якої позначений X, закінчиться в пазу 10.

Щоб визначити паз, в якому треба укласти початок фази В, до паза початку першої фази додаємо у_ф : 1 + у_ф = 1 + 2 = 3. Другу фазу (В—У) починаємо з паза 3 і розраховуємо її так само. Третя фаза починається з паза 5.

На практиці обмотки статорів синхронних генераторів роблять двошаровими з укороченим кроком і з великою кількістю витків.

= 3; 3 = 2.

Уф=

Укорочення кроку поліпшує форму кривої е. р. с. і дає економію міді в лобових з’єднаннях.

Зменшення е. р. с., індукованої у фазі обмотки, внаслідок роз­поділення обмотки і укорочення її кроку враховується так званим обмотковим коефіцієнтом ko6, який дорівнює добутку коефіцієнтів розподілення і укорочення: k₀e = k_p ■ k_y. (6—6)

5. 2. СИНХРОННИЙ ГЕНЕРАТОР В РЕЖИМІ ХОЛОСТОГО ХОДУ

Холостий хід синхронного генератора — це такий режим його роботи, коли він не ввімкнений у сітку, тобто на затискачах гене­ратора є номінальна напруга, але струм навантаження дорівнює

ста

Рис. 6—12. Схема синхронного гене­ратора.

нулю.

Під час пуску вал генерато­ра З (рис. 6—12), який з’єднаний

з двигуном, приводиться в обер-

Ч тальний рух. Число обертів ро­тора доводять до номінального значення. Потім до обмотки збу­дження (о. з.) ротора 2 через щітки 5 і кільця 4 подають по­стійний струм від окремого дже­рела постійного струму (звичай­но це шунтовий генератор). Ве­личину струму збудження можна змінювати від нуля до певного максимального значення, що дає змогу регулювати напругу генератора. Струм збудження

створює магнітний потік Ф₀, який, рухаючись разом з ротором, перетинатиме обмотку статора 1 і за законом магнітної індукції на­водитиме в кожній її фазі е. p. с. E₀:

E₀ = 4,Ш_об WfO₀, (6—7)

де k₀e — обмотковий коефіцієнт, який ураховує зменшення е. р. с. внаслідок розподілу обмотки і укорочення кроку. Звичайно k = = 0,92 — 0,94; w — число витків однієї фази статора, сполуче­них послідовно.

Оскільки / = gg , то при / = 50 гц — const число обертів

ротора синхронного генератора повинно бути сталим і залежить тільки від числа пар полюсів р машини: л_р=і = 3000; п_р=2 = = 1500, tip=з = 1000 і т. д.

Якщо у формулу (6—7) підставити значення / = ^, то діста­немо: E₀

де

const.

(6-9)

4. 44w ~ ’ 60

Таким чином, е. р. с. синхронного генератора пропорційна швид­кості обертання і магнітному потоку ротора. При сталій частоті кількість обертів п також буде стала. Отже, значення е. p. с. E₀ визначається тільки величиною діючого потоку Ф₀ машини і нази­вається е. р. с. холостого ходу.

90'

Рис. 6—13. а) Векторна діаграма син­хронного генератора в режимі холостого ходу; б) Характеристика холостого ходу.

При холостому ході струм якоря дорівнює нулю, тому фазна напруга генератора дорівнює е. р. с.

На рис. 6—13, а зображено векторну діаграму синхрон­ного генератора при холосто­му ході.

Г

Характеристика холостого ходу синхронного генератора (рис. 6—13,6) — це залежність ф₀ е. р. с. генератора від стру- му збудження: E₀ = f(I₃e) при / = 0, п — const.

За формулою (6—8) е. р. с. статора при незмінній швид­кості U = const пропорційна потоку, тому залежність E₀ від /зб подібна до залежності

магнітного потоку від струму збудження. У початковій частині залежність E₀ від I₃₆ практично лінійна; надалі, у зв’язку з магнітним насиченням, характеристика набирає вигляду кривої намагнічування. На характеристиці можна вибрати робочу точку, яка відповідає номінальній напрузі генератора U_h. Якщо при навантаженні генератора напруга спадає, то її регулюють, змінюючи струм збудження.

6. 3. РОБОТА СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ПІД НАВАНТАЖЕННЯМ. РЕАКЦІЯ ЯКОРЯ

Якщо до затискачів генератора (рис. 6—12) приєднати зовнішнє навантаження, то під дією E₀ як по зовнішньому колу, так і по обмотці статора (якоря) піде струм І_я. Величина і фаза цього струму залежатимуть від е. р. с. генератора, а також від активного та реактивного опорів зовнішнього кола і самого генератора. Струм, що проходить по якорю, створює свій магнітний потік. Частина цього потоку замикається тільки навколо проводів якоря (рис. 6—14) і називається потоком розсіювання Ф₈, замикається через повітряні зазори і полюси ротора. Потік Ф_а є обертовим по-

током, створюваним трифазним струмом, який обертається син­хронно з полем ротора Ф₀. Таким чином, потоки Ф„ і Ф_а збігаються за просторовим розміщенням і обертаються з однаковою швид­кістю, утворюючи єдиний магнітний потік машини:

Ф = Ф₀ + Ф~.

А

А

Потік Ф_а, накладаючись на основний потік полюсів Ф₀, ослаб­лює або підсилює його. Вплив н. с. якоря на основне магнітне поле називається реакцією якоря. Вісь потоку Ф_а відносно потоку ротора Ф₀ визначається характером навантаження: активне, індуктивне, ємнісне, мішане. Ці два потоки додаються геометрично. На рис. 6—14 зображено векторні діаграми магнітних потоків для різних навантажень. У всіх випадках розглядається момент, коли

у фазі А струм має максимальне значення (і а — I_m); вісь потоку Ф„ (результуючий потік усіх трьох фаз) у всіх випадках зображують горизонтальною лінією, перпендикулярно до площини котушки А — Х.

1. Активне навантаження. На рис. 6—14, а активні проводи фази AX обмотки якоря лежать проти середини полюсів ротора. Наведена у фазі е. р. с. і струм матимуть одночасно найбільші значення, тому що вони збігаються за фазою. Струми в обмотці якоря створюють потік Ф_а, магнітні лінії якого замикаються попе­рек полюсів; такий потік називається поперечним. Сумарний маг­нітний потік у повітряному зазорі зображено на векторній діаграмі. Ефект реакції — сумарний магнітний потік — за величиною зали­шається майже незмінним, але трохи змінює свій напрям внаслідок того, що потік якоря ослаблює потік полюсів у набігаючих поло­винах і посилює його в збігаючих половинах полюсів.

2. Індуктивне навантаження (рис. 6—14, б). При індуктивному навантаженні генератора струм у кожній фазі якоря відстає за

а

Отже, момент,

часом від відповідної е. р. с. на 90° періодуj

Рис. 6—15. Зовнішні харак­теристики синхронного гене­ратора при активному (1), активно-індуктивному (2) і активно-ємнісному (5) наван­таженнях.

коли іа — Іт, вісь ротора повернеться на 90° уперед. Потоки Ф₀ і Ф_а напрямлені назустріч один одному, тому ефект реакції полягає в розмагнічуванні основного потоку машини і зменшенні резуль­туючого потоку Ф, а отже, і е. р. с. £, що наводиться цим потоком в якорі генератора.

3. Ємнісне навантаження (рис.6—14,е).

Струм випереджає е. р. с. на чверть періоду. Максимальне значення струму у фазі А настане за чверть періоду до того, як вісь ротора розміститься так, як це було у випадку активного на­вантаження. Потоки Ф₀ і Ф_а збігають­ся за напрямом, реакція якоря намагні­чує основний потік машини, збільшуючи його і е. р. с. Е.

Зміну е. р. с., а отже, і напруги на затискачах генератора при навантаженні можна легко простежити за робочою або зовнішньою характеристикою, яка пока­зує залежність U = /(/) при і_зб — const, n=Const (рис. 6—15). Початковою точкою

характеристики є значення напруги U₀, яка дорівнює рівній E₀ при холостому ході. Із збільшенням навантаження напруга генера­тора значно змінюватиметься, причому по-різному залежно від характеру навантаження.

Першою причиною зміни напруги є спад її в обмотках статора, другою — реакція якоря. Відносна зміна напруги генератора при номінальному струмі I_h досить значна:

AU % = · 100% да (25 40%),

де U₀ — напруга при холостому ході;

U_h — напруга при номінальному струмі.

Нормальна робота споживачів електричної енергії можлива лише при стабільній напрузі. Для підтримання стабільної напруги

Рис. 6—16. Регулювальна характеристика синхронного генератора при активному (1), активно-індуктивному (2) і активно-ємнісному (3) наван­таженнях.

на електростанціях застосовують спеці­альні автоматичні пристрої, які із змі­ною навантаження відповідно змінюють струм збудження генератора. Криву, яка показує залежність струму збу дження від струму навантаження ізв = f(I) при U_h = const, п = const називають регулювальною характеристикою (рис. 6—16) Як видно з рис. 6—16, при активному і активно-індуктивному навантаженнях (криві 1 і 2) із збільшенням наванта­ження струм збудження треба збільшу­вати, а при ємнісному (криваЗ), — змен­шувати.

Щоб краще уявити фізичну сторону зміни напруги, накреслимо векторну діаграму синхронного генератора при активно-індуктивному на­вантаженні (рис. 6—17). Головним потоком Ф₀ індукується е. р. с. E₀, яка відстає від Ф₀ на π/2. Під дією E₀ в колі виникає

Рис. 6—17. Векторна діаграма Рис. 6—18. Спрощена векторна синхронного генератора при діаграма синхронного генератора активно-індуктивному наванта- при активно-індуктивному наванта­женні. женні.

струм /_я, який відставатиме від E₀ на певний кут ψ. Струм /_я в об­мотці статора створить потік розсіювання Ф₅ і потік Фа, які за напрямом збігаються з струмом, якщо не враховувати вплив гісте­резису і вихрових струмів. Потік розсіювання Ф₅ наводить в обмот­ці статора е. р. с. розсіювання або самоіндукції — E_s або Eu а потік реакції якоря Ф_а — е. p. с. E_a, які відстають від відповід­них потоків на кут 90°.

Додаючи потоки Ф₀ і Ф_а, дістанемо результуючий потік Ф. Цей потік наводить в обмотці статора е. р. с. Е, яка менша від е. p. с. E₀ на величину E_a: E = E₀ — E_a.

Нехтуючи активним спадом напруги Ir, який менший від одного процента номінальної напруги, напишемо рівняння:

I₀ = O + IX_l + TX_a = O + IX = O + U_x. (6-10)

У,
V90'	Ізр
0
U2

ьи{

Величина X = X_a + Xl, яка враховує дію потоку реакції і потоку розсіювання якоря, називається синхронним індук­тивним опором.

Спрощена векторна діа­грама синхронного генера­тора згідно з (6—10) зобра­жена на рис. 6—18. Кут зсуву фаз між е. р. с. і на­пругою позначено Θ, між е. р. с. і струмом — ψ₁₍ а між напругою і стру­мом — φ.

6. 

   Рис. 6—19. Векторні діаграми при паралель­ній роботі синхронних генераторів:

   а — в момент вмикання U_t = U_t\ б — в момент вми­кання U_t Ф U_%\ в — кут між векторами напруги не рівний 180°, U_x =» U_t.

   4. ПАРАЛЕЛЬНА РОБОТА СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРІВ

На електричних стан­ціях установлюють кілька генераторів, які працюють паралельно, віддаючи свою енергію на спільні шини.

Залежно від потрібної потужності вмикають таку кількість генера­торів, яка б забезпечувала повне навантаження кожного з них. Це збільшує к. к. д. генераторів і поліпшує використання устатку­вання.

Для ввімкнення на паралельну роботу синхронних трифазних генераторів треба, щоб виконувались такі умови:

1. Напруги діючого генератора Uі (або напруга мережі) і гене­ратора, який під’єднують, U₂, повинні бути рівними: U\ = U₂.

2. Напруги генераторів повинні бути зсунуті за фазою один відносно другого на 180° (рис. 6—19, а), а відносно споживачів — діяти узгоджено, тобто збігатися за фазою.

3. Частота генераторів повинні бути рівними: /_х = /₂.

4. Чергування фаз генераторів повинно бути однаковим: A₁, B₁, C₁ і A₂, B_i, C₂.

Розглянемо, які явища виникають в генераторах при порушенні цих умов.

Якщо напруги генераторів не однакові, U₁ > U₂, а інші умови виконані, то в обмотках генераторів виникає зрівняльний струм I_3p (рис. 6—19, б). Оскільки активний опір обмоток дуже малий і ним звичайно нехтують, то можна вважати, що обмотки генераторів

б

Рис. 6—20. Зміна напруг з часом: а —хвильова діаграма U₁ I U₁ при f, + f,; б — напруга биття.

мають тільки індуктивний опір. Тому зрівняльний струм буде реак­тивний і відставатиме за фазою від вектора AU на кут 90°. Для гене­ратора з більшим значенням напруги зрівняльний струм будевідстаю- чим; він створює розмагнічуючий магнітний потік якоря, що змен­шує магнітний потік полюсів, внаслідок чого напруга на затискачах цього генератора знизиться до значення U. Для генератора з мен­шою напругою зрівняльний струм буде випереджальним; він ство­рює намагнічуючий потік якоря, який додається до магнітного потоку полюсів, внаслідок чого напруга другого генератора підви­щиться до значення U. Отже, зрівняльний струм зрівноважує на­пруги генераторів. Але він перевантажує обмотки генераторів, що не дає можливості використати їх на повну потужність, і створює додаткові втрати енергії на нагрівання обмоток статора.

Якщо при вмиканні генератора на паралельну роботу вектори їх напруг рівні між собою U₁ = U₂, але зсунуті за фазою на кут, менший за 180° (рис. 6—19, в) внаслідок того, що ротори цих гене­раторів зсунуті на кут 180° — γ, то в обмотках генераторів виникне зрівняльний струм. Цей струм зумовлений напругою AU, що дорів­нює геометричній сумі напруг U₁ і U₂.

AD = V₁ + O₂.

Зрівняльний струм буде зсунутий за фазою відносно AU на кут_г близький до 90°. Він майже збігатиметься за фазою з напругою другого генератора U₂, тобто він для нього буде активним струмом. Виникнення цього струму в обмотці статора спричинить раптове навантаження генератора, що створює механічний поштовх на ротор у напрямі, зворотному напряму обертання генератора.

Зрівняльний струм відносно напруги першого генератора U₁ зсунутий на кут, близький до 180°. Виникнення цього струму в об­мотці статора першого генератора спричинить механічний поштовх на ротор у бік його обертання. Отже, зрівняльний струм у цьому випадку своєю дією поставить ротори обох генераторів у таке поло­ження, яке забезпечить зсув фаз між напругами на 180°. Ці пош­товхи, особливо при великих кутах γ, можуть призвести до аварії.

При нерівності частот генераторів /, Ф J₂ (рис. 6—20) матимемо випадок, аналогічний до попереднього, з тією лише різницею, іщ> кут γ і величина напруги AU безперервно змінюватимуться. Вели­чина напруги AU змінюється від нуля до 2 ί/ψ і називається напру­гою биття. З векторної діаграми (рис. 6—19, в) маємо:

= ^sin-I; AU = 2i/₂siny. (6-11)

При γ = 0 AU = 0; при γ = 180° AU = 2U₂.

Момент вмикання генератора на паралельну роботу треба ви­брати таким, щоб напруга биття дорівнювала нулю: AU = 0.

Усі операції по підготовці генератора до його вмикання на пара­лельну роботу називають синхронізацією, а прилади, що показують момент вмикання, синхроноскопами.

Існують лампові і стрілочні синхроноскопи. Розглянемо синхро­нізацію за допомогою лампового синхроноскопа.

При синхронізації двох генераторів напругу на їх затискачах перевіряють вольтметрами, а частоту — частотомірами. Щоб змі­нити напругу генератора, змінюють струм збудження, а частоту — числом обертів ротора, за рахунок витрати пари або води в турбіні. Чергування фаз перевіряють фазопокажчиком. Момент вмикання (ламповим синхроноскопом) визначають двома способами, які ми й розглянемо.

Якщо між затискачами генераторів увімкнути лампи розжарю­вання (рис. 6—21), розраховані на подвійну фазну напругу, то вони під дією змінної напруги AU то потухатимуть, то загорятимуться. Це явище використовується для синхронізації генераторів. Якщо лампи приєднати до однойменних фаз (рис. 6—21, а), то дістанемо схему вмикання ламп «на згасання». Паралельно одній з ламп вмикають нульовий вольтметр, чутливий на початку шкали. Вми­кати генератори на паралельну роботу слід тоді, коли лампи погас­нуть, а стрілка нульового вольтметра підходитиме до нуля. Век­торна діаграма напруг трифазного генератора в момент їх вмикання

на паралельну роботу наведена на рис. 6—22. Якщо при дій схемі лампи гаснутимуть неодночасно, а по черзі, то де свідчить про те, що порядок чергування фаз генераторів неоднаковий. Щоб змінити чергування фаз, треба поміняти місцями два будь-яких проводи, які сполучені з одним з генераторів.

Для синхронізації найчастіше застосовують схему вмикання ламп «на обертання світла» (рис. 6—21, б). У цьому випадку одну лампу приєднують до одноймен-них фаз, а дві інші — до різноймен­них. Паралельно лампі, приєднаній до однойменних фаз, вмикають нульовий вольтметр. При деякій різниці частот генераторів лампи

Рис. 6—21. Синхронізація генераторів: а — вмикання ламп «на погасання»; б — вмикання ламп «на обертання світла».

а б

по черзі гаснутимуть і загорятимуться. Оскільки лампи в лампо­вому синхроноскопі розміщують по колу, то відбувається так зване «обертання світла». Коли ротор під’єднаного генератора обертається швидше, ніж працюючого, то світло обертається за годинниковою стрілкою, а якщо повільніше від працюючого, то проти стрілки годинника.

Таким чином, при цьому способі синхронізації видно, як обер­тається під’єднаний генератор — швидше чи повільніше від пра­цюючого і в яку сторону треба змінювати його напрям обертання. Це є перевагою синхронізації «на обертання світла». Генератор на паралельну роботу вмикають тоді, коли обертання світла припи­няється, лампа, ввімкнена до однойменних фаз, погасне, стрілка нульового вольтметра підійде до нуля, а дві інші лампи горітимуть однаково яскравим світлом.

Нульовий вольтметр ставлять для того, щоб точно визначити різницю напруги між генераторами, чого за допомогою самих ламп

зробити не можна, бо при напрузі на лам­пах, яка становить 15—20% від U_h, їх нит- U_xCosff=E₀ ки не розжарюються. Ці способи синхро­нізації називаються точною син­хронізацією. Способи точної синхро­нізації не дають можливості швидко вмика­ти генератори на паралельну роботу, особ­ливо при аварійних режимах, коли напруга і частота коливаються в широких межах.

Рис. 6—22. Векторна діа­грама генератора (до ви­воду момента синхронного генератора).

Останнім часом широко почали засто­совувати простіший спосіб синхронізації генераторів — спосіб самосинхронізації, що дає можливість вмикати генератори на паралельну роботу за короткий промі­жок часу навіть при значних коливаннях частоти і напруги в мережі.

Суть способу самосинхронізації поля­гає ось у чому: генератор, який обертає­ться первинним двигуном з числом обер­тів, що може відрізнятися на 2—5% від номінального, вмикають у мережу без збу­дження. Відразу після цього в його об­мотку збудження подають струм збуджен­ня, внаслідок чого він протягом 1—2 сек. втягується в синхронізм.

При вмиканні генератора в сітку його обмотка збудження по­винна бути замкнута на розрядний опір, що дорівнює 5—10 разовому опору обмотки збудження, щоб зменшити напругу на її затискачах у момент пуску і уникнути її пошкодження.

На сучасних електростанціях синхронізацію здійснюють спе­ціальні автоматичні пристрої.

6. 5. ОСОБЛИВОСТІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ СИНХРОННИХ ГЕНЕРАТОРІВ

У процесі експлуатації синхронних генераторів, що працюють паралельно на спільну мережу, черговому персоналу доводиться перерозподіляти активне і реактивне навантаження згідно з графі­ками навантаження. Розглянемо фізичну сторону явищ, які вини­кають при перерозподілі навантаження генераторів.

А. Регулювання активного навантаження. При паралельній роботі синхронного генератора в потужній системі його напруга і частота не можуть довільно змінюватись, вони завжди дорівню­ють напрузі і частоті системи.

Активну електричну потужність, яку віддає генератор, можна зобразити відомою формулою:

де U і I — діючі значення фазної напруги і струму. Механічна по­тужність, яка передається генератору первинним двигуном, визна­чається за формулою: Р_мех — ш_рот М, де M — протидіючий електромагнітний момент генератора;

Mpom — кутова швидкість обертання ротора.

У генераторі механічна потужність перетворюється в еквіва­лентну електричну потужність.

Нехтуючи втратами в генераторі і прирівнюючи електричну та механічну потужності, знайдемо електромагнітний момент генера­тора:

^ Wl COS φ ⁰W ’

де Шрот — число обертів ротора за хвилину. Ураховуючи,

„„„„„ ^_тті_п ™_по [„ _ 60/

що число обертів ротора дорівнює числу обертів поля J^n₁ =

дістанемо:

_{м =} Р_МЛ_Cos_1i (6—13)

Корисна робота первинного двигуна полягає в подоланні цього протидіючого електромагнітного моменту. Затрачена механічна потужність первинного двигуна поновлюється у формі еквівалент­ної активної електричної потужності. Із спрощеної векторної діа­грами (рис. 6—22) генератора, що працює паралельно з мережею, маємо:

£

U _xcosf-E₀SinQ; U_x= їх; I cos <р =-^ · sin Θ.

Підставляючи / cos<p в (6—13), дістанемо:

^М = % ' “Г ^{sin θ}· (^6-14)

Якщо U і E₀ у вольтах, х — індуктивний опір синхронного гене­ратора в омах, то M матимемо в джоулях або в ньютон-метрах.

Якщо струм збудження генератора не змінюється /_Зб = const, то і е. р. с. E₀ = const. При роботі генератора на потужну мережу його напруга також є незмінною U = const. У такому разі в рів­нянні (6—14) усі величини, крім sin Θ, є сталими і електромагнітний момент стає функцією кута Θ:

M = csin9, (6—15)

З р UE₀ де C = TTf- —^г ■

^м 2 Kf X

Фізична картина явищ у синхронному генераторі при зміні його активної потужності подана на рис. 6—23.

При холостому ході Θ = 0 роторний магнітний потік симетрично замикається по ротору і статору. Але між різнойменними полюсами існують сили взаємного притягання, які умовно зображені на рис. 6—23 у вигляді спіральних пружин. Коли полюси статора і ротора містяться один проти одного, корисний обертаючий момент первинного двигуна і протидіючий електромагнітний момент гене­ратора дорівнюють нулю. Первинний двигун витрачає певну потуж­ність лише для покриття втрат холостого ходу. Якщо збільшити потужність первинного двигуна, то ротор генератора піде вперед на кут Θ (рис. 6-23, б). Це той самий кут Θ, який позначений на векторній діаграмі (рис. 6—22), тому що вісь магнітного потоку в роторі відповідає вектору E₀, а вісь потоку в статорі — вектору U.

Статор

Рис. 6—23. Взаємне розміщення магнітних систем статора і ротора: а — при холостому ході; б — при активному навантаженні.

а

б

У генераторі виникає електромагнітний гальмовий момент, який намагається повернути ротор у попереднє положення. Потужність первинного двигуна перетворюється в генераторі в активну електрич­ну потужність P — ЗUI cos φ. Оскільки U = const, то зміна потуж­ності первинного двигуна зв’язана із зміною струму, що надходить у мережу. Електромагнітний гальмівний момент, який виникає при цьому, зрівноважує механічний момент, внаслідок чого настає нова рівновага. Отже, коли ротор генератора йде попереду поля статора, потужність передається від ротора статору і потім у мережу. Це так званий режим генератора синхронної машини. Активна потужність генератора змінюється тільки із зміною потужності первинного двигуна (зміною подачі пари в парову турбіну, або води — в гідротурбіну).

Б. Стійкість паралельної роботи синхронних генераторів. Елек­тромагнітний момент синхронного генератора пропорційний

синусу кута 6 між векторами U і E₀: M = C sin Θ. Ця залежність зображена кривою на рис. 6—24.

Рис.

6—24. Кутова характеристика синхронного генератора.

З рисунка видно, що електромагнітний момент генератора, а отже, і його активна потужність при Θ = 90° має максимальне значення. При дальшому збільшенні обертального моменту первин­ного двигуна і кута Θ магніт­ний зв’язок між ротором і ста­тором порушується, генератор виходить із синхронної пара­лельної роботи. Границя мож­ливого активного навантаження синхронного генератора без по­рушення синхронного зв’язку з системою називається його статичною стійкістю. Отже, паралельна робота син­хронного генератора з системою можлива при наявності певного синхронізуючого моменту М_син.

Робота генератора є стійкою, якщо додатному приросту кута ΔΘ відповідає також додатний приріст електромагнітного моменту

AM. Відношення —■ е мірою синхронізуючого моменту. Перехо­дячи до диференціалів, матимемо:

M_cuh = ^ = COS Θ = C COS 9 = Mm COS Θ. (6-16)

На рис. 6—24 крива синхронізуючого моменту зображена пункти­ром. З рисунка видно, що при Θ = 90° синхронізуючий момент дорівнює нулю, і генератор випадає з синхронізму. Щоб синхронна робота була стійкою, кут Θ беруть Θ < 25°.

Здатність синхронного генератора зберігати синхронний зв’я­зок із системою при аварійних режимах, наприклад при коротких замиканнях у лініях, характеризується динамічною стій­кістю.

В. Регулювання реактивного навантаження синхронного гене­ратора при паралельній роботі. На рис. 6—25 зображена векторна діаграма для трьох випадків струму збудження. Найбільшому струму збудження відповідає е. р. с. Е'₀, а найменшому — е. р. с. Ед. Потужність первинного двигуна, а отже, активна потужність генератора, яку він віддає в мережу, незмінна:

P = 3UI cos φ = const.

Оскільки напруга на затискачах генератора дорівнює напрузі мережі, то вона буде сталою U — — U_c = const.

Тоді I cos φ = const і E₀ sin θ = const.

З векторної діаграми видно, що при пе- резбудженні E¹₀ > U і струм генератора від­стає від напруги генератора на кут φ'. При недозбудженні Е„ < U і струм/"' випереджає напругу U на кут φ'". Вектор E₀ переміща­ється вздовж прямої, паралельної вектору на­пруги U. Як бачимо, при сталій активній потужності генератора P = const залежно від струму збудження струм навантаження змінюється за величиною і характером (актив­но-індуктивний, активний або активно-ємніс­ний), але його активна складова залишається сталою. Отже, із зміною струму збудження змінюється реактивна складова струму гене­ратора, а отже, і реактивна потужність. Най­меншого значення струму /" при певній потужності досягають при такому струмі збудження, коли φ = 0.

£oSin6=const

If Недозб Перезб

Рис. 6—25. Векторна діаграма синхронного генератора для різних струмів збудження при P=Const.

Графічна залежність між струмом збу­дження і струмом якоря I = I(I₃₆) синхрон­ного генератора при сталому активному на­вантаженні зображені на рис. 6—26. При малих струмах збуд­ження (ліва частина кривих) генератор працює в режимі недозбу- дження, при великих (права частина кривих) — у режимі пе- резбудження. Мінімум струму Z_min = I_a відповідає активному струму при cos φ =1. У сучасних системах генератори працюють в активно- індуктивному режимі з перезбудженням.

Регулювання струму збудження в генераторі, який працює

Рис. 6—26. U-подібні криві синхрон­ного генератора.

окремо, приводить до зміни напруги на його затискачах і мало впливає на зміну реак­тивного навантаження.

Регулювання збудження од­ного генератора, який працює паралельно з системою, при­водить до перерозподілу реак­тивного навантаження між ге­нераторами. Збільшуючи струм збудження, приймають реак­тивне навантаження на ге­нератор, зменшуючи його, пере­дають реактивне навантаження іншим генераторам. При цьому напруга в системі змінюється, але мало. Регулюючи струм збу­дження одночасно в кількох генераторах, що працюють паралельно, можна змінити напругу, залишивши без змін розподіл наванта­ження між ними. Підвищуючи напругу на одній із станцій і зни­

жуючи її на другій, можна перерозподілити реактивне наванта­ження між цими станціями. Якщо одночасно змінювати напругу всіх станцій (струмом збудження), можна змінити напругу в си­стемі, не змінюючи розподілу реактивного навантаження між гене­раторами.

6. 6. ВТРАТИ В СИНХРОННОМУ ГЕНЕРАТОРІ І КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ

У генераторі механічна енергія перетворюється в електричну з втратами. Це — неминуче. Основними втратами є втрати в обмот­ках (у міді), магнітні втрати в стальних сердечниках і механічні втрати.

Втрати в обмотці статора визначають за формулою: Р₀в — = тІ²г, де т = 3 — число фаз обмотки; г — активний опір однієї фази. Втрати в обмотці збудження (ротора генератора) P₀,₃ = = ІІбГзб, де ґав — опір усього кола збудження, включаючи опори регулювальних реостатів.

Рис. 6—27. Залежність к. к. д. синхрон­ного генератора від навантаження при різних значеннях cos φ.

Магнітні втрати (або втрати в сталі на гістерезис і вихрові струми) виникають тільки в сердечнику статора і залишаються сталими незалежно від навантаження. У роторі магнітні втрати дорівнюють нулю, тому що магнітне поле статора обертається син­хронно з ротором і не перетинає сердечника. Механічні втрати P_tlex виникають у підшипниках між щітками і кільцями; є також венти­ляційні втрати, в зв’язку з пропусканням повітря для охоло­дження. Вони є значними в швидкохідних турбогенераторах. Для їх зменшення застосовують не повітряне, а водневе охолодження, яке збільшує потужність і к. к. д. генератора. Густина водню в 14,5 раза менша від густини повітря, а тому при обертанні ротора у водні втрати від тертя в багато разів зменшуються. Крім того, водень має високу теплопровідність — у 7,4 раза більшу, ніж по­

вітря. Це дає можливість збільшити потужність генератора. Якщо позначити всі втрати через S_p, то к. к. д. генератора

^Рел 3Uf COStp _с

т) = =- = і—- . (6—17)

Рел + ΣΡ 3t//cos?-b£>

К. к. д. середніх генераторів лежить у межах 0,94—0,96, а ве­ликих — 0,98—0,99.

На рис. 6—27 зображено криві η = f(p) залежності к. к. д. від навантаження генератора. Як видно з рисунка, найбільший к. к. д. буває при навантаженнях, близьких до номінального. К. к. д. зменшується із зменшенням активної складової струму наванта­ження.

Розділ VII СИНХРОННІ ДВИГУНИ

6. 1. ПРИНЦИП ДІЇ СИНХРОННОГО ДВИГУНА

За будовою синхронний двигун майже не відріз­няється від синхронного генератора (параграф 6—1). Якщо статор синхронного двигуна практично такий самий, як статор синхронного генератора, то конструк­ція ротора двигуна залежить від швидкості його обер­тання. У тихохідних двигунах ярмо має вигляд ко­леса, до якого болтами прикріплено полюси. У швид­кохідних ярмо складають із стальних листів, які стя­гують шпильками. До такого ярма у Т-подібних пазах кріплять полюси, які складають з окремих листів електротехнічної сталі завтовшки 1 ~ 1,5 мм. На ці полюси намотують обмотку збудження, що живиться постійним струмом від збудника, якір якого кріплять на одному валі з двигуном. Зовнішній вигляд синхрон­ного двигуна зображено на рис. 7—1. Якщо до обмотки статора синхронного двигуна (рис. 7—2) підвести три­фазний змінний струм, а до обмотки збудження постій­ний струм, то внаслідок взаємодії постійного магніт­ного потоку ротора Ф і змінного струму в статорній обмотці І, виникає механічний момент

M = кФ І. (7—1)

Оскільки магнітний потік у двигуні сталий, а струм змінний, то обертаючий момент змінюватиме напрям дії через кожний півперіод (100 поштовхів за секунду при / = 50 гц), а в результаті ротор двигуна вібру­ватиме і залишиться нерухомим. Отже, синхронний двигун не має свого пускового моменту.

Щоб такий синхронний двигун міг працювати, його ротор треба розкрутити іншим двигуном до синхронних обертів, які відповідають частоті струму мережі. Одночасно із зміною напряму струму в обмотці статора змінюється знак полюса ротора, тобто напрям магнітного потоку ротора. Наприклад (див. рис. 7—2), якщо в якийсь момент часу проти провідника із стру­мом, що напрямлений від спостерігача, буде північний

полюс N ротора, то через півперіод в цьому провіднику струм буде напрямлений на спостерігача, а ротор повернеться на кут 90°. Навпроти цього провідника стане південний полюс S; при цьому напрям дії обертаючого моменту залишиться тим самим і ротор про­довжуватиме свій рух. З цього часу ротор обертатиметься з син­хронною швидкістю разом з обертовим магнітним полем статора, відстаючи від поля на невеликий кут Θ. Тепер розгінний двигун можна від’єднати.

Рис. 7—1. Трифазний синхронний двигун: Рис. 7—2. Конструк-

/ — вал; 2— корпус; З— збудник. ТИВНЭ схема синхрон-

ного двигуна.

Отже, коли синхронна машина працює як генератор (див. рис. 6—23), ведучою ланкою є ротор, вісь магнітного потоку якого випереджає вісь потоку статора на кут Θ. В цьому випадку син­хронна машина перетворює механічну енергію в електричну. Коли синхронна машина працює як двигун, ведучою ланкою стає потік статора, а веденою — потік ротора, який відстає на кут Θ і обер­тається з тією самою швидкістю, що й поле статора; при цьому електрична енергія перетворюється в механічну.

6. 2. СПОСОБИ ПУСКУ СИНХРОННИХ ДВИГУНІВ

Пустити синхронний двигун безпосереднім вмиканням у мережу неможливо. Існує два способи пуску синхронних двигунів: синхрон­ний і асинхронний.

Синхронний пуск полягає в тому, що спеціальний розгінний пусковий двигун (це може бути асинхронний двигун або двигун постійного струму потужністю до 10% від потужності син­хронного двигуна), який з’єднують із синхронним двигуном роз- німною муфтою, розкручує ротор ненавантаженого синхронного двигуна до синхронних обертів. Після розгону ротора виконують усі операції синхронізації, які описані в параграфі 6—4. Коли дви­гун втягується в синхронізм,розгінний двигун вимикають.Синхронна

машина переходить у режим двигуна, і його вал можна наванта­жувати. Недоліком цього способу пуску є його складність і висока вартість за рахунок розгінного двигуна і пристроїв синхронізації. Тому тепер в основному для пуску синхронних двигунів застосову­ють асинхронний.

Рис. 7—3. Пускова обмот­ка синхронного двигуна; / — полюсний башмак; 2 — стержні (пускова обмотка); з — з'єднувальна пластинка;

4 — обмотка збудження.

Асинхронний пуск полягає в тому, що синхронний двигун запускають як асинхронний. У полюсні наконечники (башмаки) ротора закладають пускову об­мотку, яка складається з латунних стерж­нів (рис. 7—3), з’єднаних накоротко з обох торців пластинами, утворюючи, таким чи­ном, короткозамкнену обмотку, подібну до білячого колеса асинхронних двигунів. Схема асинхронного пуску синхронного двигуна зображена на рис. 7—4. Обертове поле статора, як і в синхронних двигунах, перетинає короткозамкнені витки пускової обмотки і індукує в них струм. Взаємодія цього струму з обертовим потоком ство­рює пусковий обертальний момент, який розганяє ротор двигуна майже до синхронних обертів. Потім обмотку збудження вимикають від опору і вмикають до джерела постійного струму. Взаємодія обертового магнітного поля статора і полюсів ротора створює синхронізуючі сили, які обертають ротор із синхронною швидкістю. Тепер вал двигуна можна навантажу­вати. Підчас пуску в основній обмотці ротора індукується е. р. с., величина якої в розімкненому положенні обмотки може бути не­безпечною для ізоляції ротора і для обслуговуючого персоналу.

о—0

0—0

Рис. 7—4. Електрична схема синхронного двигуна.

Тому в коло обмотки збудження ротора під час пуску вмикають активний опір R, що знижує напругу на затискачах обмотки до безпечної. Крім того, роторна обмотка, увімкнена на активний опір, працює як додаткова асинхронна обмотка і створює додатковий пусковий момент, що полегшує пуск двигуна.

При різких змінах навантаження на короткий час оберти ротора змінюються, що може вивести двигун із синхронізму. Додаткова

обмотка при цьому створює момент, який удержує ротор у синхрон­ному режимі, тому ця обмотка називається ще заспокоюю­чою, або демпферною.

Безпосереднє вмикання в мережу синхронного двигуна (прямий пуск) застосовують для двигунів, потужність яких порівняно неве­лика — до сотень кіловат.

Для асинхронного пуску синхронних двигунів великої потуж­ності застосовують знижену напругу, використовуючи автотранс­форматори або реактори.

6. 3. Векторна діаграма синхронного двигуна.

ОБЕРТАЛЬНИЙ МОМЕНТ І ПОТУЖНІСТЬ ДВИГУНА ПРИ п = const

Рис. 7—5. Векторна діаграма синхронного двигуна.

На відміну від векторної діаграми синхронного генератора (див. рис. 6—18) на векторній діаграмі синхронного двигуна вектор е. р. с. відстає від вектора напруги на його затиска­чах (рис. 7—5). Це означає, що полюси ротора відстають від обертового поля.

Для синхронного двигуна рівняння елек­тричної рівноваги має вигляд:

O = E₀+ Tx = E₀+ U_x. (7-2)

На векторній діаграмі двигуна кут зсуву між напругою і е. р. с. позначено через Θ, між е. р. с. і струмом — через ψ, а між напругою і струмом — через φ.

Якщо P₁ — електрична потужність, яку споживає двигун з мережі, то частина цієї потужності йде на покриття втрат у міді об­мотки статора P₁, а решта перетворюється в електромагнітну потужність Р_ем, яка пере­дається з статора на ротор.

Отже,

(7-3)

Рем = P₁- Pu.

Po — Pмех "Ь Pcm·

Отже,

P 2 ⁼ Рем Po-P ем — P мех — P C т>

або

Корисна потужність на валі двигуна P₃ менша від Р_ем на величину втрат холостого ходу P₀, які складаються з механічних втрат P_tiex і втрат у сталі P_cm:

(7-4) (7-5) (7-6)

З (7—3) і (7—6) маємо:

P₁ = P₂ + P₀ + Р_м. (7-7)

З рівняння потужностей (7—7) видно, що потужність, підве­дена до двигуна P_u дорівнює сумі корисної потужності на валі двигуна P₂, яка йде для виконання корисної роботи, і потуж­ностей втрат у міді P_m та холостого ходу P₀. Якщо рівняння

(7—6) поділити на кутову швидкість обертання ротора ω = 2π~, то матимемо рівняння моментів: — = — + ^ , звідки

¹ О) О) CO

М_ем =M₂ + M₀. (7—8)

Отже, електромагнітний момент двигуна М_ем складається з суми .двох моментів: M₂ — корисного моменту, який зрівноважується корисним гальмівним моментом, і Ai₀ — моменту холостого ходу, який зрівноважується гальмівним моментом при холостому ході двигуна.

Якщо нехтувати активним опором обмотки статора двигуна, то P_m = 0 і з (7—3) матимемо:

Р_ем = Pi = ЗUI cos φ. (7—9)

Поділивши на кутову швидкість, знайдемо обертальний момент двигуна:

M м =— = ?^{UI cos ?} = ψ-,υΐ cos φ. (7—10)

ω ω 2 nf ‘ ^ν

З векторної діаграми (рис. 7—5) можна написати таке співвідно­шення:

U cos φ == E₀ cos ψ;

тоді

Мем = ^ЗР ^_f^C0S (7-11)

Підставивши в (7 — 11) значення E₀ = 4,44Фfwk₀e і об’єднавши сталі величини в один коефіцієнт k, дістанемо:

М_ем = кФІ cos ψ, (7—12)

тобто обертальний момент двигуна пропорційний магнітному потоку і струму статора.

Щоб з’ясувати характер зміни обертального моменту двигуна, зробимо такі перетворення:

З векторної діаграми двигуна (рис. 7—5) U_x cos φ = E₀ sin θ; тому що U_x = IX, то

М.* = ¾ ^ sin O = M_max sin 6. ⁽⁷~¹⁴⁾

Отже, обертальний момент синхронного двигуна за величиною подібний до моменту синхронного генератора (див. 6—15).

У генераторі цей момент є гальмівним, у двигуні він напрямле­ний у протилежний бік і є корисним обертальним моментом..

Рис. 7—6. Кутові характеристики син­хронної машини.

Кутові характеристики синхронної машини зображе­но на рис. 7—6, які відпові­дають рівнянням (6—15),

(6—16) і (7—14), для—180°<

< Θ < 180°.

Область додатних кутів Θ відповідає роботі машини ге­нератором, а область від’єм­них кутів 0 — роботі двигу­ном. З рисунка видно, що робота двигуна можлива тіль­ки тоді, коли гальмівний мо­мент менший, ніж M_niax.

У противному разі рівновага між моментами порушиться, бо синхронізуючий момент при б = 90° дорівнює нулю M_c = 0,

і двигун вийде з синхронізму. Швидкість обертання почне різко спадати, виникнуть недопустимі коливання струму і обертального моменту. У цьому випадку двигун треба негайно вимкнути. Практично робота двигуна можлива при Θ < 30°, що відповідає номінальному моменту M_h < 0,5 M_max.

6. 4. Робота синхронного двигуна при сталій потужності і різних струмах збудження

При сталій корисній потужності на валі синхронного двигуна практично залишатиметься сталою і потужність, яку споживає двигун з мережі: ЗUI cos φ. Напруга сітки U також є величиною сталою. Отже, вважаємо, що P = const, U = const, f = const

і he — var. Оскільки при зміні струму збудження активна потуж­ність і напруга залишаються сталими P = ЗUl cos φ = const, то буде сталою і активна складова струму / cos φ = const. Крім того, з (7—14) величина Zi¹₀ sin Θ = const. Векторна діаграма синхронного двигуна для трьох різних струмів збудження зображена на рис. 7—7, а.

Зауважимо, що при зміні струму збудження змінюється магніт­ний потік і е. р.с.£₀. Оскільки трикутник напруг U, E₀ і U_x зали­

шається замкненим і, крім того, вектор U_x повинен бути перпен­дикулярним до вектора струму І, то із зміною струму збудження змінюється величина і положення вектора струму /.

Таким чином, при сталій активній складовій / cos φ = const змінюватиметься реактивна складова струму / sin φ, а отже, і реак­тивна потужність двигуна.

При певному значенні струму збудження /_Зб. _окут<р = 0, cos ср = 1 і значення струму І = /" стає найменшим при певному навантаженні. При I₃₆ < І_з6. ₀ (недозбудження) І = І"' > /" струм відстає за фазою від напруги на кут ψ"'; двигун працює в активно- індуктивному режимі. При I₃₆ > I₃₆. о (перезбудження) / = /' > Г

£_osin0 = const

Рис. 7—7. Векторні діаграми і U-подібні криві синхронного двигуна при регу­люванні струму збудження.

струм випереджає за фазою напругу на кут φ" і двигун працює в активно-ємнісному режимі. Характер зміни-струму статора від струму збудження в роторі показано на рис. 7—7, б. Це так звані {/-подібні криві синхронного двигуна.

З погляду виконання двигуном механічної роботи цілком бай­дуже, який у машини буде режим збудження, оскільки· двигун в обох режимах забезпечує потрібний механічний момент. Але з електро­енергетичної точки зору режим збудження є дуже важливим, бо він визначає величину і фазовий зсув струму І. Найвигідніший є такий струм збудження, коли потрібну механічну потужність дістаємо при найменшому робочому струмі /(φ = 0, див. рис. 7—7, б). Синхронні двигуни вмикають у мережу, від якої живляться й інші споживачі. Основну частину навантаження звичайно дають асин­хронні двигуни, які споживають відстаючий струм (активно-індук­тивний режим). Це знижує коефіцієнт потужності мережі і, отже,

негативно впливає на роботу всього енергообладнання. Тому най- раціональнішим режимом роботи синхронного двигуна є активно- ємнісний режим з випереджаючим струмом, який створюється при перезбудженні двигуна (див. рис. 7—7, а). При цьому реактивна скла­дова струму синхронного двигуна частково компенсує реактивну складову струму асинхронних двигунів і цим самим загальний струм, що надходить до споживачів, зменшується, а коефіцієнт по­тужності енергосистеми в цілому збільшується.

Здатність синхронних двигунів працювати в режимі перезбу- дження при випереджаючому струмі є цінною його властивістю, яка використовується для підвищення коефіцієнта потужності окремих споживачів і енергетичних систем у цілому.

5. 5. Робочі характеристики синхронного двигуна

Робочими характеристиками синхронного двигуна є залеж­ності:

η, Μ, η, cos φ = / (P₂) при U_c = const;

f = const і 1₃б = const (рис. 7—8 і 7—9)

Число обертів двигуна л = /(Р₂) в межах від холостого ходу до номінального навантаження і деякого перевантаження зали­шається сталим і дорівнює синхронному числу обертів. Сталість числа обертів зберігається до кінця перевантажувальної здат­ності двигуна, яка дорівнює:

fc* (7-15)

H

Ураховуючи (7—14), дістанемо:

Q.25 0,5 0,75 1.0 1,25

Рис. 7—8. Робочі характеристики синхронного двигуна.

У сучасних двигунах Θ = 20®-ь30°, отже, =

cos (+φ.) coscp

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1.2

І 0,8 1,0

І °·⁸

cos(-cp)

Рис. 7—9. Криві cos φ = /(Рг) при різних струмах збудження синхрон­ного двигуна.

При 6 = 90° синхронізуючий момент дорівнює нулю (див. рис. 7—6), двигун починає працювати нестійко і виходить із синхро­нізму, а кількість його обертів зменшується до нуля. Оскільки синхронні двигуни працюють із сталою швидкістю обертання при сталій частоті, то їх застосовують у пристроях синхронного зв’язку різних паралельних процесів, а мікродвигуни — у звуковому кіно, самопишучнх приладах і т. д.

Обертальний момент змінюється пропорційно навантаженню. При холостому ході (P₂ = 0) момент пропорційний потужності втрат, тому крива M = /(P₂) починається не з нуля. Пропорційна залежність M = /(P₂) зберігається до кінця перевантажувальної здатності двигуна. Коефіцієнт корисної дії синхронного двигуна визначається за формулою:

η = ^р\_т- ■ (7-17)

Ρ*+Σ^ρ

Так само, як і в генераторі, сума втрат в двигуні ΣΡ складається з втрат у міді статора і ротора, у сталі статора і механічних втрат. Для сучасних синхронних двигунів η = 0,9 -ь 0,97, причому більші значення стосуються двигунів більшої потужності. Крива η = /(P₂) досягає свого максимуму при навантаженнях 0,6 — 0,7 від Р₂„, а потім повільно спадає за рахунок збільшення втрат. Коефіцієнт потужності синхронного двигуна у функції від навантаження зоб­ражено на рис. 7—9. Якщо струмом збудження встановити cos φ = I при номінальному навантаженні двигуна (крива / на рис. 7—9), а потім навантаження зменшувати, то cos φ спадатиме в бік від’єм­них кутів зсуву фаз між струмом і напругою (— φ). Це означає, що при I₃б = const зменшенню навантаження відповідає перехід двигуна на режим роботи з перезбудженням і, отже, двигун почи­нає споживати випереджаючий струм. При збільшенні наванта­ження понад номінальне струм відставатиме від напруги, cos φ зменшуватиметься в бік додатних кутів (+ φ), двигун переходить у режим недозбудження, споживаючи відстаючий струм.

Оскільки синхронні двигуни в основному застосовують для ста­лих навантажень (для приводів насосів, вентиляторів, компресорів та ін.), то доцільно струмом збудження встановити такий режим роботи двигуна, щоб він споживав випереджаючий струм. Тоді частково компенсується реактивна складова відстаючого струму, який споживають асинхронні двигуни, і тим самим підвищується cos φ мережі. Крива 2 (рис. 7—9) зображена саме для цього випадку.

§ 7—6. СИНХРОННИЙ КОМПЕНСАТОР

Синхронний компенсатор — це синхронний двигун, призначе­ний для роботи без механічного навантаження в режимі перезбу- дження, і для збільшення коефіцієнта потужності в мережі. На рис. 7—10 зображена векторна діаграма компенсації індуктивного

зсуву фаз синхронним компенсатором. З рисунка видно, що без ком­пенсатора струм мережі I₁ відстає за фазою від напруги мережі на кут (P₁. При вмиканні синхронного компенсатора, який у режимі перезбудження споживає випереджаючий струм, кут зсуву фаз φ між результуючим струмом I_pe3 і напругою зменшується, а отже, збільшується cos φ мережі.

Рис. 7—10. Векторна діагра­ма компенсації індуктивного зсуву фаз синхронним ком­пенсатором.

Порівняно з конденсаторами, які застосовуються також для підвищення cos φ, синхронні компенсатори дешев­ші, мають менші габарити при тій са­мій потужності. Хоч у компенсаторах і більші втрати потужності, проте вони цілком себе виправдовують.

Оскільки синхронні компенсатори не несуть навантаження, їх вали виго­товляють легшими, ніж у двигунах. Це зменшує механічні втрати. Крім того, вони мають обмотку збудження з біль­шим поперечним перерізом, щоб забез­печити тривалу роботу в режимі пере­збудження.

Для зменшення втрат у синхронних компенсаторах зменшують повітряний

зазор між статором і ротором, а для охолодження компенса­торів потужністю 50 тис. ква і більше застосовують не повіт­ряне, а водневе охолодження, що зменшує втрати на ЗО—40%. У цілому втрати в синхронних компенсаторах не перевищують 2—3% від їх номінальної потужності. Радянські заводи випускають синхронні компенсатори потужністю від 1000 до 75 000 ква на різні напруги і різне число обертів.

ЕЛЕКТРИЧНІ ГЕНЕРАТОРИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

8—1. БУДОВА TA ПРИНЦИП ДІЇ ГЕНЕРАТОРА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Генератори постійного струму застосовують як збудники синхронних генераторів, у зарядних при­строях, на автомобілях тощо.

Основними частинами генератора (рис. 8—1) є ста­нина /, сердечники полюсів 8, обмотка полюсів (об­мотка збудження) 7, якір 5 (сердечник з обмоткою), колектор 2, підшипникові щити З і 9 (передній і задній) і траверса 4 з щіткотримачами та щітками. На валу якоря закріплено вентилятор 6. Станина /— це литий або зварений циліндр, виготовлений з чавуну або сталі з високою магнітною провідністю. Вона є магнітопроводом, а також основою для кріплення головних і додаткових полюсів, підшипникових щитів, вивідних затискачів на клемному щитку.

Підшипникові щити 3 і 9 прикріплюють болтами до торців станини. На підшипниках, вставлених в от­вори щитів, обертається вал якоря. Якір 5 складає­ться з сердечника, обмотки, колектора і вала. Сердеч­ник якоря — це стальний циліндр, складений з окре­мих штампованих листів електротехнічної сталі, ізо­льованих один від одного для зменшення вихрових струмів. На поверхні сердечника є пази, в які укла­дають обмотку якоря.

Колектор (рис. 8—2) складається з окремих пласти­нок 4 клиновидної форми, виготовлених з міді. Вони ізольовані одна від одної слюдою. До кожної колек­торної пластини прикріплюють відводи від обмотки якоря. Сердечник якоря з обмоткою і колектором закріплюють на валі якоря, ізолюючи їх від вала.

Щіткотримач із щіткою зображено на рис. 8—3. Щітка 3 — це вугляно-графітова, графітова, мідно- графітова прямокутна призма. Кожна щітка має свої технічні характеристики: твердість, допустиму густи­ну струму та ін. Іх добирають, виходячи з потужності

генератора, швидкості обертання якоря та ін. Щітка притискається до колектора пружиною 2. Щіткотримач 4 через хомутик з’єднується з пальцем щіткової траверси, яка кріпиться на одному з підшипни­кових щитків. Щіткотримач із щітками призначений для знімання струму з колектора генератора і подавання його до споживача.

Рис. 8—1. Генератор постійного струму в розібраному вигляді.

Принцип дії генератора постійного струму грунтується на законі електромагнітної індукції і законі електромагнітних сил.

У провіднику, що рухається в магнітному полі генератора, постійний струм виникнути не може. Постійна е. р. с. і струм можуть бути створені тільки випрямленням змінної е. р. с., що вини­кає в обмотці генератора змінного струму. До пластин колектора

1 — провід; 2 — пружина; З — щітка; 4 — щіткотримач.

1 — гайка; 2 — натискний конус; З — мі- канітовий конус; 4 — колекторні пласти­ни; 5 — бандаж; 6 — втулка.

Рис. 8—3. Щіткотримач із щіт­кою:

Рис. 8—2. Колектор:

(рис. 8—4) приєднують кінці витка abed. Щітки на колекторі встанов­лені нерухомо так, щоб вони при обертанні витка з півкільцями переходили з одного півкільця на друге, коли індукована е. р. с. у витку дорівнює нулю. Як видно з рис. 8—4, а, щітка А завжди в контакті з тим півкільцем, провід від якого проходить під північ­ним полюсом, а щітка В — з тим, провід від якого проходить під

південним полюсом. Тому в зовнішньому колі струм проходить в одному напрямі — від щітки А до щітки В. Графік випрямленого струму зображено на рис. 8—4, б. Як видно з рисунка, випрямлений струм є пульсуючим, тобто значення е. р. с. і струму збільшуються

Рис. 8—4. Схема роботи машини постійного струму:

а — схема генератора; б — випрямлений пульсуючий струм.

від нуля до максимуму і знову спадають до нуля. Для зменшення пульсації е. р. с. і струму на роторі збільшують кількість витків (які зсунуті між собою під певним кутом) і відповідно кількість колекторних пластин, до яких приєднують кінці витків.

Рис. 8—5. Сек­ція обмотки якоря:

Розглянемо найпростіші якірні обмотки машин постійного струму.

1 — активні про­відники, що ле­жать у лазах; 2 — задня лобова час­тина; 3 — передня лобова частина; 4—колекторні пла­стини.

У машинах постійного струму найчастіше засто­совують петльові і хвильові обмотки. Секція (рис. 8—5) — це частина обмотки якоря, що складається з одного або кількох витків і міститься між двома колекторними пластинками. Активні сторони сек­ції розміщують одну від одної на відстані по­люсного кроку т. Секції старанно ізолюють і просочують ізоляційним лаком. Перед укладанням обмотки пази якоря також ізолюють. Укладання обмотки в пази якоря показано на рис. 8—6. Ук­ладену обмотку закріплюють у пазах дерев’яними клинами. Кінці секцій припаюють до виступів ко­лекторних пластин колектора, що називаються півниками. На лобові частини обмотки для закрі­плення останніх накладають бандажі.

Обмотка повинна відповідати таким вимогам: бути замкненою і розподіленою щітками на парне число ділянок однакової довжини; е. р. с., які індукуються в усіх провідниках однієї ділянки, повинні додаватися; е. р. с. сусідніх ділянок повинні бути однакові і напрямлені одна проти одної так,

щоб сумарна е. р. с. дорівнювала нулю і щоб не утворювалися зрівняльні струми.

Розглянемо петльову (паралельну) обмотку (рис. 8—7). Для наочності розглянемо тільки дві секції. Як бачимо, активні провід­ники 1 і 2 перебувають під північним полюсом, а провідники З

і '4 — під південним. Тому індукована е. р. с. у провідниках 1 і 2 напрямлена протилежно е. р. с. у провідниках З і 4. Щоб е. р. с. усіх чотирьох провідників додавалися, треба сполучити кінець першої секції з початком другої, кінець другої — з початком наступ­ної і т. д., рухаючись петлеподібно. Звідси і назва — петльова обмотка. Кінці секцій приєднують до сусідніх колекторних плас­тин. Для виконання обмотки треба знати такі дані:

Рис. 8—6. Укладання обмотки в пази якоря. Рис. 8—7. Петльова

обмотка.

Ij_l — перший частковий крок, відстань між початком і кінцем секції, тобто ширина секції; у₂ — другий частковий крок, відстань між кінцем однієї секції і початком наступної; у — результуючий крок, відстань між початками двох секцій, що йдуть одна за одною (усі кроки якірної обмотки вимірюються числом пазів барабана); у_к — крок обмотки по колектору, відстань між початком і кінцем секції по колектору, що вимірюється числом пропущених ізоля­ційних прошарків.

Розрахункові формули для простої петльової (паралельної) обмотки такі:

у — Уі — уг; (8-і)

Ук= 1. (8-2)

(8-3)

Оскільки число активних сторін обмотки завжди в два рази більше від числа колекторних пластин, то, щоб рівномірно пересу­ватись як по пазах якоря, так і по колектору, треба, щоб

У = 2 у_к

(8-4)

Уі

^Z±S = Tp^±e’

де ζ — число активних сторін обмотки: 2р —число полюсів; τ — полюсний крок; є — найменше число, яке додається або віднімає-

ться від ^ , щоб D₁ було цілим числом. На практиці застосовують

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА 1

I = ^eW- "-^П> 9

/~ТГ~ 50

' “ Vl\ + 1\ + I\ + I\+ ■■ +Il (1-93) 50

^сп\ 59

и, 64

—0⁷ 110

,· _а,-J.,-, ⁽⁴-^,2) 122

K = ~i[~t + nxi· 152

⁷¹ = (р₂ + SP_im)^{100 %} ’ 173

0= 174

'XfX'' ~хГхГ 233

B. + ^, ₍₉_₁₄₎ 253

Tft 351

де k — число колекторних пластин.

WM
і „а J к I. 1—Іьі-	J І 4 І й б

2 9 12 7 10 5

—і

- г'» TJ-

TT"js

Рис. 8—8. Схема простої петльової обмотки, в якої уі = 5; уг = 3; у = 2; y_k= 1;

г = 12; 2р — 2:

а — радіальна; б — розгорнута; в — спрощена схема обмотки з позначенням е. р. с.

Для прикладу накреслимо просту одношарову петльову обмотку за такими даними: 2 р = 2, s = 6.

За (8—3) знаходимо: ц = ^sIv_h = 2; за (8—6)- Z = 2s = 2 ■ 6= 12; за (8 —8) — k = s = 6;

z 12

за (8—4) — i/₁₌=^ — S = -J-1 = 5 (укорочення на один паз); за (8—1) — Ij₂ = Ij₁- у = Ь — 2 = 3.

Починаємо виконувати обмотку з першої колекторної пластини (рис. 8—8,а), потім укладаємо її в перший паз.

Щоб визначити номер паза, в який треба укладати кінець секції, треба до номера паза, в якому лежить початок секції, додати у_и отже, 1+5 = 6. Кінець секції укладаємо в шостий паз і закін­чуємо її на другій колекторній пЛастині, оскільки уи — 1, тобто між початком і кінцем секції по колектору лежить один ізоляційний прошарок.

Другу секцію починаємо з другої колекторної пластини. Щоб визначити номер паза, в який треба укласти початок другої секції, до номера паза, в якому лежить початок першої секції, додаємо у.

Отже, 1 + у = 1 + 2 = 3. Початок другої секції укладаємо в третій паз. Потім укладаємо обмотку аналогічно. Щоб полегшити виконання обмотки, бажано скласти таблицю.

Таблиця 8—1

Колекторна пластина, до якої припаяно поча­ток секції	Пази, в яких міститься секція	Колекторна пластина, до якої припаяно кінець секції
1	1—6	2
2	3—8	3
3	5—10	4
4	7—12	5
5	9—2	6
6	11—4	1

Рис. 8—9. Двошарова проста петльова обмотка, в якої г = 6; s = 6; 2р = 2; уі = 3; уг = 2; Уи = У = І-

З рис. 8—8, б видно, що полярність на щітках різна. Якщо руха­тись по двох паралельних вітках обмотки, то помітно, що в першій вітці е. р. с. (струм) мають один на­прям (11, 4, 1, 6, З, 8), у другій вітці— протилежний напрям (2, 9,12, 7,10, 5).

Отже, в обох паралельних вітках е. р. с. однакові і протилежно на­прямлені, тому струму в обмотці якоря при відсутності зовнішнього кола не буде. При наявності зовніш­нього кола по кожній паралельній вітці обмотки якоря проходитиме по­ловина струму зовнішнього кола (рис.

8—8, в). На практиці найчастіше за­стосовують двошарові обмотки, тобто в.кожний паз вкладають дві сторони двох різних секцій. Якщо розгля­нуту обмотку намотаємо в два шари, то при S = 6 (шість секцій) нам потрібно буде лише 6 пазів. Ос­кільки число пазів у два рази зменшується, то й результуючий крок по пазу у також у два рази зменшиться і дорівнюватиме 1.

Двошарова обмотка з z = 6, s = 6, 2р = 2, y_k = t/ = k зображена на рис. 8—9. Штриховими лініями показано нижні шари обмотки.

Хвильова (послідовна) обмотка. Обмотка називається хвильовою тому, що форма секції нагадує хвилю. На рис. 8—10, а

Рис. 8—10. Елементи хвильової обмотки:

а — секція; б — частина обмотки з позначенням кроків

зображено секцію, а на рис. 8—10, б — хвильову обмотку з її елемен­тами. Якщо в петльовій обмотці спочатку послідовно заповнюють фази однієї окремої пари полюсів, а потім переходять до другої, то хвильову обмотку виконують відразу по всіх полюсах, тобто по

Рис. 8—11. Розподілення магнітної індукції під по-

всьому колу якоря. Потім через точки а —а повертаються до першого полюса з деяким зсувом відносно першого положення і знову обходять по всьому колу і т. д. Якщо в пет­льовій обмотці кількість паралельних віток не може бути меншою за кількість пар по­люсів, то при простій хвильовій обмотці паралельних віток може бути навіть дві, незалежно від числа пар полюсів; кіль­кість послідовно сполучених витків збіль­шено для збільшення е. р. с. Таку об­мотку називають послідовною і засто­совують для генераторів з великою на­пругою.

8—2. ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА І ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ МОМЕНТ

Для визначення е. р. с. генератора слід урахувати те, що маг­нітна індукція В в повітряному зазорі по колу неоднакова (рис.

5. 11). Магнітний потік у повітряному зазорі

Ф = ^BdS = j Bldx,

х=0

де S — поверхня якоря в межах полюсного поділу, м²;

1. — довжина активної частини провідників. Середнє значення індукції в зазорі B_tp:

(8—10)

B_cp=F-L Г Bdx ^в~

Tj , M²

х=0

З (8—9) і (8—10) маємо:

Ф = B_cpIx [вб]. (8-11)

Середнє значення е. р. с. в одному провіднику обмотки якоря»

. . „ . M

якии рухається з лінійною швидкістю V — , дорівнює:

Ecp = B_cpIv -5- · V. (8—12)

Якщо загальну кількість провідників якоря візьмемо N, то . . . - N

в одній паралельній вітці послідовно буде сполучено ^ провід­ників. Тому е. р. с. генератора буде:

^Ε = ία^Ε" = ίά· Τ ^Φ· (⁸-¹³>

Подамо лінійну швидкість провідника υ і полюсний поділ τ через діаметр якоря:

1. = ¾?. (8-14)

τ=·=?. (8-15)

60 сD

2. р '

З (8 — 13), урахувавши (8—14 і 8—15), матимемо:

E = ~ ■ -ξ-₀ пФ = с_епФ, (8-16)

Д^е °е = ш ^{= const-} (8—17)

Отже, е. р. с.. генератора пропорційна числу обертів якоря за хвилину і магнітному потоку Ф.

У кожній машині постійного струму спостерігається взаємодія між струмом якоря і магнітним полем, створеним струмом збу­дження. Внаслідок на кожний провід якоря діятиме електромаг­нітна сила F = B_cpIL При числі проводів якоря N результуюча сила, що діє по дотичній до кола якоря

F = B_cpIIN. (8-18)

Підставивши сюди середнє значення індукції з (8—11) і значення струму в кожному з проводів якоря Ι=γ_α, матимемо:

2. р

Електромагнітний момент

(8-20)

Таким чином, електромагнітний момент, який для генератора є гальмівним моментом, пропорційний струму якоря і магнітному потоку машини.

Механічна потужність, яка перетворюється в електричну:

(8-21)

(8-22)

Це є закон перетворення механічної енергії в електричну і навпаки — електричної в механічну (без урахування теплових втрат).

6. 3. Реакція якоря. Комутація

Реакція якоря — це вплив потоку якоря Ф_я, створеного стру­мом навантаження, на основний потік Ф₀, створений струмом збу­дження. Результуючий потік Ф наводить е. р. с. в обмотці якоря. На рис. 8—-12 зображено три окремих положення магнітних потоків. Магнітні силові лінії основного потоку (рис. 8—12, а) мають вісь симетрії, яка збігається з віссю полюсів. Потік, утворений обмот­кою якоря, збігається з геометричною нейтраллю машини, яка про­ходить через центр якоря (рис. 8—12, б) і перпендикулярна до осі полюсів. Потік індуктора і потік якоря додаються геометрично, утворюючи один результуючий потік машини Ф (рис. 8—12, в).

З рис. 8—1*2, в видно, що напрями магнітних потоків полюсів і якоря під збігаючими краями полюсів збігаються, а під набігаю­чими — не збігаються. Внаслідок цього результуюче магнітне поле під збігаючими краями полюсів підсилене, а під набігаючими — послаблене. Тому вісь результуючого магнітного потоку, яку нази­вають фізичною нейтраллю, розміщується під деяким кутом β до осі полюсів. Отже, фізична нейтраль — це лінія, що проходить через центр якоря і перпендикулярна до осі магнітного поля. Pe-

зультуючий потік Ф у ненасиченій машині майже не змінюється за величиною, тому що ослаблення потоку під набігаючими сто­ронами компенсується підсиленням під збігаючими сторонами. У насиченій машині із збільшенням навантаження результуючий потік не тільки спотворюється, а й зменшується, бо ослаблення магнітного поля під набігаючими краями полюсів не повністю ком­пенсується підсиленням його під збігаючими краями полюсів.

Зсув фізичної нейтралі спричинює іскріння під щітками, що призводить до обгоряння колекторних пластин, а зменшення резуль­туючого поля — до зменшення е. р. с. Щітки при переході з однієї колекторної пластини на іншу замикають накоротко одну з секцій.

а б в

Рис. 8—12. Магнітне поле генератора.

При відсутності реакції якоря витки цієї секції проходять геоме­тричну нейтраль, і в ній не індукується е. р. с., що не спричинює іскріння. Якщо ж існує реакція якоря, то короткозамкн^йа секція при переході щітки з однієї колекторної пластини на другу опини­ться в магнітному полі, і в ній індукується е. р. с.; у цій коротко- замкненій секції йде струм, що й призводить до іскріння під щіт­ками при обертанні якоря. Щоб запобігти іскрінню під щітками, їх установлюють на фізичній нейтралі, повернувши щітки разом

з траверсою на кут β (практично до зникнення іскріння) в генера­тора в напрямі обертання якоря, а в двигуна — проти.

Спаданню напруги на затискачах генератора внаслідок реакції якоря можна запобігти, якщо із збільшенням навантаження відпо­відно збільшувати струм збудження, що збільшить основний потік.

Іскріння під щітками від пересування їх у фізичну нейтраль не зникне внаслідок комутації струму в короткозамкне- них секціях. Крім того, фізична нейтраль весь час змінюватиметься із зміною струму навантаження. Тому в машинах постійного струму

для усунення іскріння встановлюють додаткові полюси, які буде розглянуто нижче.

Комутація. При обертанні якоря генератора щітки, переходячи

з однієї колекторної пластини на іншу, замикають накоротко на деякий час секції, з’єднані з цими пластинами. При цьому відбу­вається процес перемикання цих секцій з однієї паралельної вітки обмотки якоря на іншу. Процес перемикання секцій з однієї пара­лельної вітки на іншу і всі явища, що виникають при цьому в ко- роткозамкнених секціях, називаються комутацією.

На рис. 8—13, а показано положення щітки на правій колектор­ній пластині. Якщо до щітки підходить струм І_я, то в кожній із

паралельних віток струм дорівнюватиме ~ І_я. Якщо щітка розмі­щена на двох колекторних пластинах (рис. 8—13, б), то струм у ко- роткозамкненій секції дорівнюватиме нулю. Якщо щітка перейде

Напрям руху якоря

іу~^<ДУ2 ^і”

¹Iji

'XfX'' ~хГхГ

Рис. 8—13. Комутація струму в секції: а — перед комутацією; б — усередині періоду комутації; в — після комутації.

на ліву колекторну пластину, то струм у секції, що замикалася накоротко, змінить свій напрям на протилежний (рис. 8—13, в). Час, протягом якого щітка переходить з однієї колекторної пластини на іншу, називається періодом комутації.

Як видно з наведених вище схем, за час комутації струм у корот- .... · , 1 , і , козамкненш секції змінює свій напрям і величину з +γIn на —^ /_я.

Справді, при зміні струму в короткозамкненій секції відбува­ється зміна магнітного потоку навколо проводів секції, внаслідок чого у витках цієї секції індукується е. р. с. самоіндукції е_с. Крім того, у комутуючій секції індукується е. р. с. комутації е_к від ре­зультуючого магнітного поля, яке існує в зоні комутації внаслідок реакції якоря.

Отже, у комутуючій секції матимемо дві е. р. с.: е_с і е_к, які алгебраїчно додаються і створюють результуючу е. р. с. Під впли­вом результуючої е. р. с. в короткозамкненій секції проходитиме струм, який створює під щіткою іскріння.

Для створення безіскрової комутації на сучасних машинах установлюють додаткові полюси (рис. 8—14). їх беруть меншого

перерізу, ніж головні, і розміщують між собою так, щоб після пів­нічного головного полюса був південний додатковий полюс у на­прямі обертання якоря генератора. Обмотки додаткових полюсів вмикають послідовно з обмоткою якоря. Через них проходить весь струм навантаження. Магнітний по­тік додаткових полюсів спрямований назустріч магнітному потоку якоря, а оскільки обидва вони пропорційні струму навантаження, то магнітний потік якоря автоматично компенсу­ється при будь-якому навантаженні.

Для цього додаткові полюси виго­товляють такого перерізу, щоб сталь полюсів не була насичена, тобто, щоб магнітний потік був пропорційний струму навантаження.

Число витків обмотки додаткових полюсів розраховують так, щоб маг- _{Рис 8}_₁₄_ _{Схема вмикання до}. нітний потік додаткових полюсів на- даткових полюсів,

водив у комутуючій секції Є. p. C.,

яка б дорівнювала результуючій е. р. с. е_с + е_к і була проти­лежно їй напрямлена. Таким чином, повністю компенсуючи шкід­ливі е. р. с., досягають безіскрової комутації і нормальної ро­боти генератора. Щітки в цьому разі розміщуються на геометричній нейтралі.

6. 4. Типи генераторів постійного струму

Для створення магнітного потоку в полюсах машини їх обмотка збудження повинна живитись постійним струмом.

Рис. 8—15. Способи збудження генераторів: а — незалежне; б — паралельне; в — послідовне; з — мішане.

Струм збудження машини постійного струму може пода­ватись або від стороннього джерела електричної енергії (аку­мулятора, випрямляча або іншого генератора) або без­посередньо від генератора. У першому випадку машина називається генератором з незалежним збуд­женням (рис. 8—15, а), у другому — з самозбуд­женням.

Генератори з незалежним збудженням не поширилися, бо обмотку збудження прос­тіше живити від якоря того самого генератора, тобто ро­бити їх із самозбудженням.

Генератори з самозбудженням за способом сполучення обмотки збудження розрізняють: 1) з паралельним збудженням (рис. 8—15, б), або шунтові, в яких обмотка збудження сполучена паралельно обмотці якоря; 2) з послідовним збуджен­ням (рис. 8—15, в), або серієсні, в яких обмотка збудження спо­лучена послідовно з обмоткою якоря; 3) із м і ш а н и м збуд­женням (рис. 8—15, г), або компаундні, що мають дві обмот­ки збудження, одну з яких вмикають послідовно, а другу — па­ралельно обмотці якоря.

Для правильного вибору типу генератора і правильної його експлуатації, крім номінальних даних (потужність Р_н, напруга U_h, струм І_н, швидкість обертання п_н), які є в паспорті машини, треба знати залежність між деякими його величинами. Ці залеж­ності найчастіше подають у вигляді кривих, що називаються харак­теристиками.

Характеристика холостого ходу — залеж­ність е. р. с. генератора E від струму збудження I₃₆ при сталому числі обертів п і відсутності струму якоря /_я, тобто:

.E = U₀ = f (I₃₆)

при п = const і І_я = 0, де U₀ — напруга генератора при холо­стому ході.

Зовнішня характеристика — залежність напру­ги на затискачах генератора від струму навантаження при сталих обертах і сталому опорі кола збудження, тобто

U = У(/)

при п = const і τзб = const (або I₃₆ = const).

Регулювальна характеристика — залежність струму збудження від струму навантаження при сталих обертах і напрузі на затискачах генератора, тобто

136 = /(/)

при п = const і U = const.

6. 5. Генератор з незалежним збудженням

Електрична схема генератора з незалежним збудженням (рис. 8—16) складається з кола збудження, в яке ввімкнені джерело постійного струму, амперметр та регулювальний реостат і кола якоря; в останнє ввімкнені амперметр, вольтметр, рубильник і стру­моприймач. Обидва кола незалежні, тобто електрично не сполучені.

Якщо обертати якір генератора з номінальною швидкістю і пос­тупово змінювати регулювальним реостатом т_р струм збудження в колі збудження, то із збільшенням струму збільшуються магнітний

потік і е. р. с. генератора. Утворена при цьому залежність E = = U₀ = /(/_Зб) є характеристикою холостого ходу (рис. 8—17). При збільшенні і зменшенні струму збудження діставатимемо різні криві внаслідок явища гістерезису. За практичну характеристику холостого ходу беруть середню криву (зображена штриховою лінією).. Як видно з рисунка, крива U₀ = /(/.,б) спочатку має прямо­лінійний характер, тому що до насичення сердечників Ф = f(I₃ і, отже, E також пропорційна I₃₆- Магнітне насичення сердечників порушує цю пропорційність, і потім із збільшенням струму збу­дження характеристика поступово загинається і йде майже пара­лельно осі абсцис. Точка а характеристики, ) P₁₁ що відповідає номінальній напрузі, лежить.

I l—і на коліні кривої. Якби вона лежала на

І початковій прямолінійній частині кривої, напруга дуже змінювалася б при зміні наван­таження. Якщо ця точка лежить вище коліна кривої, то обмежується можливість регулю­вати напругу.

Рис. 8—16. Електрич­на схема генератора

з незалежним збуджен­ням.

Рис. 8—17. Характери­стика холостого ходу генератора з незалеж­ним збудженням.

Рис. 8—18. Зовнішня характеристика гене­ратора з незалежним збудженням.

Зовнішню характеристику генератора {/ = /(/) (рис. 8—18) діс­таємо так: спочатку встановлюємо номінальний струм наванта­ження і напругу, а потім, не змінюючи струму збудження, змен­шуємо струм навантаження до 0, вимірюючи при цьому напругу на затискачах генератора. Як видно з кривої (рис. 8—18), напруга генератора із зменшенням його навантаження збільшується. Це зумовлено, по-перше, зменшенням реакції якоря і, отже, посилен­ням загального магнітного потоку, а по-друге, зменшенням втрати напруги в обмотці якоря.

Напруга на затискачах генератора при номінальному наванта­женні дорівнює його е. р. с. мінус спад напруги в обмотці якоря:

Спад напруги MI 5-10% від U_H:

при номінальному навантаженні становить

Δ U

100%.

(8-24)

Uo-U_h

и„

Регулювальна характеристика зображена нарис. 8—19. Її зні­мають, змінюючи струм навантаження і регу­люючи струм збудження так, щоб напруга на затискачах генератора була сталою. При збільшенні струму навантаження слід збіль­шувати струм збудження, а це призведе до збільшення потоку і, отже, е. р.с. генератора.

/

Потреба в сторонньому джерелі постій­ного струму для живлення обмотки збу­дження є великим недоліком генераторів

^^егулю' з незалежним збудженням. Вони застосовую- вальна характеристика ^J . ^J

генератора з незалеж- ^{ться в} схемах електроприводів з широким

ним збудженням. діапазоном регулювання напруги.

8. 6. Генератор з паралельним збудженням (шунтовий)

Рис. 8—20. Електрич­на схема генератора з паралельним збуджен­ням.

У генератора з паралельним збудженням обмотка збудження (о. з.) приєднується паралельно якорю, тобто живлення її здійснює­ться струмом, який виробляє сам генератор (рис. 8—20). Струм збу­дження звичайно становить 2—3% номінального струму якоря. Самозбудження генератора відбувається так. У початковий момент роботи генератора залишковий магнітний потік індуктора створює в якорі невелику е. р. с. Ця е. р. с. створює в обмотці індук­тора струм, який підсилює магнітний потік.

Збільшений магнітний потік створює більшу е. р. с. в якорі, що в свою чергу збільшує струм в обмотці збудження і, отже, магніт­ний потік, і т. д. Таким чином, після пуску генератора із самозбудженням е. р. с. обмотки автоматично зростає до розрахункової мак­симальної величини, яка обмежується маг­нітним насиченням сталі полюсів. Цей процес проходить дуже швидко. Для сповільнення його в коло обмотки збудження вмикають регулювальний реостат г_р, яким поступово змінюють струм збудження і дістають ха­рактеристику холостого ходу E = U₀ = f(I_s6)

при п = const і 1 = 0, подібну до харак­теристики генератора з незалежним збуд­женням (рис. 8—17).

Зовнішня характеристика генератора (крива / на рис. 8 21) різко відрізняється від тієї самої характеристики при незалежному збудженні (крива 2). При зменшенні опору навантаження струм генератора з незалежним збудженням весь час зростає. При короткому замиканні струм досягає недопустимих розмірів І'_к.₃, бо ослаблений реакцією якоря магнітний потік все ще має значну величину і індукує в обмотці якоря порівняно ве­лику е. р. с.

'оз -Г ' а

Рис. 8—21. Зовнішня харак­теристика генератора з па­ралельним збудженням.

При паралельному збудженні із зростанням струму якоря І_я напруга зменшується, оскільки U = E — І_яЯ_я (реакція якоря вважається скомпенсованою). Зменшення напруги веде до змен­шення струму збудження при г_р = const і_аб = -—що в свою

чергу призводить до зниження напруги (див. криву 1). При певному опорі зов­нішнього кола струм навантаження досягає свого критичного значення І_кр, який дорівнює (2 -ч- 2,5) /„. Напруга із зменшенням зовнішнього опору також зменшується. Потім напруга починає спадати швидше, ніж зменшення опору навантаження, що призводить до змен­шення струму (штрихова частина кри­вої 1). При короткому замиканні на затискачах генератора магнітний по­тік генератора дорівнюватиме залишковому магнітному пото­ку, яки'і індукує в обмотці якоря невелику е. р. с. Ця е. р. с. створює струм короткого замикання, менший за но­мінальний струм, а тому ніяких пошкоджень у генераторі не спри­чинює.

При номінальному навантаженні спад напруги AU в генераторів малої і середньої потужності без додаткових полюсів досягає — 12—20% від U_h, а в генераторів з додатковими полюсами — 8-15% від U_h.

Щоб дістати сталу напругу на затискачах генератора, слід із збільшенням струму навантаження збільшувати струм збудження. При цьому зростає магнітний потік Ф, внаслідок чого збільшується і е. р. с. машини Е, оскільки E=c_eti Ф. Якщо одночасно із збіль­шенням спаду напруги в якорі І_як_я внаслідок збільшення наван­таження відповідно збільшуватиметься і е. р. с. машини Е, то, як видно з формули U = E — І_я R_sl, напруга на затискачах генера­тора підтримуватиметься сталою. Залежність струму збудження від струму навантаження I_b6 = f(I) при п = const і U = const є регулювальною характеристикою генератора, аналогічною до регулювальної характеристики генератора з незалежним збуджен­ням (рис. 8 — 19). Генератори з паралельним збудженням широко застосовують для живлення установок, в яких немає різких коли­

вань навантаження. Різкі коливання навантаження спричинюють різкі коливання напруги генератора, що недопустимо для нормаль­ної експлуатації споживачів.

8. 7. Генератор з послідовним збудженням (серієсний)

1

>

Електрична схема генератора з послідовним збудженням зобра­жена на рис. 8—22. З рисунка видно, що обмотка збудження ввімк­нена послідовно з обмоткою якоря і тому струм навантаження є і струмом збудження I₃₆ = І. Генератор з послідовним збудженням має лише одну характеристику, а саме, зовнішню U = /(/) при п = const.

Із збільшенням

Рис. 8—23. Зовнішня характеристика гене­ратора з послідовним збудженням.

струму навантаження на­пруга на затискачах гене­ратора швидко зростає (рис. 8—23) пропорційно струму /.

Рис. 8—22. Елек­трична схема гене­ратора з послідов­ним збудженням.

При насиченні сталі машини величина напруги перестає збільшуватись із зростанням навантаження. Реакція якоря і спад на­пруги в якорі та в обмотці збудження І „(Rh + Г₀,з) дедалі більше зростають, а тому характеристика спадає.

Таким чином, напруга серієсного генератора при змінному на­вантаженні різко змінюється, є нестійкою, а тому серієсні машини в режимі генератора не застосовуються.

8. 8. Генератор із мішаним збудженням (компаундний)

Електрична схема генератора із мішаним збудженням зобра­жена на рис. 8—24. Генератор має дві обмотки збудження, одна з яких увімкнена паралельно обмотці якоря, а друга — послідовно з нею. Обидві обмотки розміщують на тих самих полюсах і зви­чайно вмикають узгоджено, тобто так, що їх магнітні потоки дода­ються. Наявність двох обмоток збудження надає компаундному генератору властивостей одночасно шунтового і серієсного генера­торів. Число витків обмоток збудження підбирають так, що напруга генератора з мішаним збудженням при зміні навантаження лишає­ться майже сталою. У цьому його велика перевага перед іншими генераторами. Зовнішня характеристика U = f(I) являє собою поєднання зовнішніх характеристик шунтового і серієсного гене­раторів. Напруга на затискачах генератора

Рис. 8—25. Зовнішні харак­теристики генератора з міша­ним збудженням:

крива а — при узгодженому вми­канні обмотки збудження; кри­ва б — при зустрічному вмиканні обмотки збудження.

Рис. 8—26. Регулюваль­на характеристика ком­паундного генератора.

Рис. 8—24. Елек­трична схема ге­нератора з міша­ним збудженням.

де /_я = / -f- і₃б — сума струмів навантаження і збудження паралельної обмотки; г₀.₃. „ — опір серієсної обмотки збудження. При зміні навантаження напруга є стійкішою і зі збільшенням на- вантаження спочатку (до магнітного насичення) навіть збільшу- ється (рис. 8—25, крива а).

У деяких випадках бажано при значних коливаннях напруги мати майже сталий струм Ί . у споживачі, наприклад у прожекторних і зва- J рювальних установках. Для цього застосовують зустрічне вмикання обмоток збудження (рис.

KjT)-——і 8—25, крива б). Зовнішня характеристика стає -s. круто спадною, напруга буде несталою і генера-

тор на себе великого навантаження не візьме.

Характеристику холостого ходу знімають аналогічно до шунто­вого генератора.

Регулювальна характеристика зображена на рис. 8—26 і пояс­нення не потребує.

Генератори з мішаним збудженням широко застосовують для живлення установок з різкими і частими коливаннями навантажень.

8—9. ВТРАТИ І КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ

Перетворення механічної енергії в електричну в генераторах відбувається з певними втратами енергії, які поділяють на: пос­тійні втрати, тобто втрати в сталі і механічні втрати; змін­ні втрати — втрати енергії в міді обмотки якоря і в обмотці збудження.

Втрати в сталі. При обертанні якоря в магнітному полі полю­сів генератора сталь якоря перемагнічується. Втрати енергії на перемагнічування сталі залежать від обертів, тобто частоти пере­магнічування / = ~ , і називаються втратами на гістерезис Р_г.

Крім того, при зміні магнітного потоку Ф в листах сталі індукую­ться вихрові струми, які нагрівають їх. Це так звані втрати на вихрові струми Р_в._с. Величина втрат енергії в сталі дорівнює сумі обох втрат

Pcm = Pt +Рв.с. (8-26)

Втрати на гістерезис і вихрові струми визначаються за емпірич­ними формулами і таблицями.

Рис. 8—27. Залежність к. к. д. генератора постій­ного струму від наванта­ження.

Механічні втрати Р_мех — це втрати на тертя в підшипниках, щіток об колектор, якоря об повітря і вентиляційні. Величина механічних втрат енергії від навантаження не залежить, але залежить від швидкості обертання маши­ни; оскільки швидкість при роботі є ста­лою, то і величина втрат є сталою.

Втрати в міді Р_м. Величина втрат у міді обмоток якоря і збудження залежить від струму навантаження, оскільки із зміною його змінюється величина струму в обмотках.

Величину втрат на нагрівання обмоток генераторів визначають за такими формулами.

Для машин з паралельним збудженням:

Pm = IlR_a + IW п. + иі_зб, (8 -27)

Гд. „—опір обмотки додаткових полюсів.

Для машин з послідовним збудженням:

Pm — IhRh + I >/ д. п + І яГ посл , (8—28)

де гпосл — опір послідовної обмотки збудження.

Для машин з мішаним збудженням:

Pm — IhRh^jT І я^д. п + ІяГпосл + UI₃S- (8—29)

Коефіцієнтом корисної дії (к. к. д.) машини постійного струму називають відношення корисної потужності P₂, яку віддає маши­на, до повної потужності P₁, яка підводиться до машини:

η = 5 . 100о/₀ . (8-30)

г 1

Для генераторів корисна потужність P₂ = UI_h; підведена потужність P₁ = P₂ + Vp, де Yp = Pcm + Рмех + Pm-

При зміні навантаження генератора змінюється його к. к. д. (рис. 8—27). Максимальне значення к. к.д. буде при навантаженні 80—100% від номінальної потужності машини.

Машини малої і середньої потужності (до 100 кет) мають к. к. д. 75—90%. Машини великої потужності (500—1000 кет) мають к. к. д. 91—95%.

8. 10 Паралельна робота генераторів постійного струму

Електричні станції і перетворювальні підстанції постійного струму звичайно мають кілька генераторів, щоб забезпечити безпе­ребійне постачання енергії і найкраще використання машин.

Навантаження

Рис.

—28. Схема вмикання шунтових гене­раторів на паралельну роботу.

При одночасній роботі генераторів можливі два способи їх електричного сполучення:

Послідовне, коли між собою сполучають точ­ки з різнойменними потен­ціалами, тобто «плюс» од­ного генератора з «мінусом» другого. Але цей спосіб застосовують дуже рідко, бо при виході з ладу од­ного з генераторів пору­шується робота всієї уста­новки .

Паралельне, ко­ли між собою сполучають точки з однойменними по­тенціалами, тобто «плюс» одного генератора з «плю­сом» другого. Паралельне

сполучення генераторів найбільш по­ширене, бо забезпечує надійність роботи цілої установки.

Розглянемо паралельну роботу лише шунтових генераторів. На рис. 8—28 подано електричну схему двох генераторів, один з яких Г! увімкнений на збірні шини і працює під навантаженням. Щоб увімкнути другий генератор Г₂ до тих самих шин, потрібні дві умови:

1. полярності «плюс» і «мінус» генератора Г₂ при вмиканні по­винні відповідати тим самим полярностям збірних шин;

2. е. р. с. генератора Г₂ повинна дорівнювати напрузі U₁ на збірних шинах.

Для виконання цих умов генератор Г₂ приводять у рух з потріб­ного швидкістю і, не збуджуючи його, замикають один з його одно­полюсних рубильників, наприклад рубильник 1. Якщо до розімкне- ного рубильника 2 приєднати чутливий вольтметр V₀, то він вимі­ряє напругу U₁. Якщо тепер почнемо поступово збуджувати гене­ратор F₂, і вольтметр свої покази збільшуватиме, це означає, що полярність виводів генератора не збігається з полярністю шин, тобто обидва генератори сполучені послідовно, тому вольтметр вимірює суму U₁^-E₂. У цьому разі вмикати генератор Г₂ не ■можна, бо це відповідало б короткому замиканню обох машин.

Навпаки, якщо полярність генератора F₂ збігається з поляр­ністю шин, то вольтметр V₀ почне зменшувати свої покази при збільшенні збудження, вимірюючи різницю U₁ — Е. Коли ця різ­ниця дорівнюватиме нулю, то можна ввімкнути рубильник 2 і тим самим увімкнути генератор Г₂ на паралельну роботу.

Струм у кожному генераторі визначають за формулою

F-U

І = ϊ-yf- , (8-32)

де E — е. р. с. генератора; U — напруга на збірнях шинах; г_я — опір обмотки якоря генератора.

Оскільки на шинах напруга U₁, a E₂- U₁, то струм генератора F₂ дорівнюватиме нулю:

І _{= =} 0.

Щоб навантажити генератор F₂, треба поступово збільшувати струм збудження регулювальним реостатом. Це приведе до поси­лення загального магнітного потоку і до збільшення е. р. с., що спричинить поступове збільшення струму навантаження.

Збільшення струму спричинить збільшення електромагнітної сили і гальмівного моменту якоря генератора. Щоб зберегти швид­кість обертання якоря генератора, спочатку треба збільшити обер­тальний момент первинного двигуна і потужність, яку він розвиває, тобто збільшити подачу палива, пари або води, а якщо первинним двигуном є трифазний асинхронний двигун, то він сам автоматично збільшить споживання струму з мережі і тим збільшить свій обер­тальний момент.

Напругу на шинах станції регулюють, змінюючи е. р. с. пра­цюючих генераторів. Цього досягають одночасно змінюючи їх струми збудження.

Якщо генератор треба вимкнути, то спочатку його розвантажу­ють, тобто зменшують його струм навантаження до нуля, після чого вимикають рубильник. Для розвантаження треба зменшити

е. р. с. до напруги на шинах, зменшуючи струм збудження, і вимкнути генератор.

Нагадаємо, що при надмірному зменшенні е. р.с. (е. р. с. менша за напругу на шинах) різниця E — U стане від’ємною. Це означа­тиме, що генератор почне споживати струм з мережі, тобто перейде в режим роботи двигуна, що є небажаним і небезпечним, тому що наявність двох двигунів на одному валі може призвести до аварій.

Щоб уникнути цього явища, на електростанціях ставлять реле зворотного струму і автомати, які автоматично вимикають генератор, коли його е. р. с. стане меншою за напругу на шинах.

Після вимкнення генератора треба поступово збільшити опір регулювального реостата до кінця, а потім зупинити первинний двигун.

ЕЛЕКТРИЧНІ ДВИГУНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

9—1. ПРИНЦИП ДІЇ І ОБЕРТАЛЬНИЙ МОМЕНТ ДВИГУНІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Електричні машини постійного струму, як і всі електричні машини взагалі, є оборотними, тобто вони без будь-яких конструктивних змін можуть працювати і як генератори, і як двигуни.

Принцип дії електродвигунів грунтується на взає­модії магнітного поля статора Ф із струмом якоря /_я. Електромагнітний момент, який виникає при цьому, приводить якір в обертальний рух. Наявність колек­тора в двигунах постійного струму забезпечує зміну напряму струму в обмотках якоря при переході полю­сів через геометричну нейтраль. Завдяки цьому обер­тальний момент залишається сталим за напрямом і ве­личиною.

Якщо підвести до якоря двигуна постійну напругу U (рис. 9—1), то виникає обертальний електромагніт­ний момент At, напрям якого визначається за прави­лом лівої руки. Під впливом цього моменту якір двигуна почне обертатися в напрямі моменту з певним числом обертів п. При обертанні якоря його провід­ники перетинатимуть силові лінії магнітного поля статора, і в них індукуватиметься е. р. с. Е, яка спря­мована (за правилом правої руки) назустріч струму, тобто назустріч підведеній напрузі LI. На цій підставі індукована е. р. с. називається зворотною е. р. с., або проти-е. р.с. Якщо в якийсь момент струм якоря становить І я, магнітний потік полюсів Ф і число обер­тів якоря п не змінюється за величиною, то рівняння е. р. с. для двигуна матиме вигляд

U-E = I₄R_n,

звідки

и = Е + І^_я. (9-1)

Отже, прикладена до двигуна напруга зрівнова­жується проти-е. р.с. двигуна і спадом напруги е. р. с. на активному опорі кола якоря R_h при npq-

ходженні по ньому струму І_я. Складова I_ilR_a називається оміч­ним спадом напруги в колі якоря.

Якщо обидві частини рівняння (9—1) помножити на І_я, то рів­няння матиме такий вигляд:

(9-2)

UI_h = EI _я + IlR_a.

З рівняння видно, що підведена до якоря двигуна потужність дорівнює сумі електромагнітної потужності, що передається на вал двигуна El_a = Р_ем, і потужності, яка йде на покриття втрат у колі якоря I²_aR_a.

Електромагнітна потужність Р_ем більша від потужності на валі двигуна P₂ на величину потужності, що витрачається при холостому ході P₀.

Тому Р_ем = P₂ + P₀- (9—3)

то дістанемо рівняння

(9-4)

Рис. 9—1. Принцип роботи двигуна по­стійного струму.

Якщо обидві частини рівняння (9—3) поділити на кутову швидкість обертання якоря ω = 2π^. моментів:

^Р '· _ P₂ , Po

або

М_ем — M₂ + M₀.

Отже, обертальний електромагнітний мо­мент двигуна М_ем дорівнює сумі двох момен­тів: корисного гальмівного моменту M₂, ство­рюваного приводом, і гальмівного моменту при холостому ході Ai₀, який виникає вна­слідок тертя всередині двигуна і втрат у сталі. Підставимо в рівняння електромаг­нітної потужності значення проти-е. р. с.

с_еп Ф = η Ф і поділимо обидві його частини на

з (8-16) E - ^ ^ΝΡ

кутову швидкість:

EL

^ΝΡ

60а ^я 2π п/60

або

(9-5)

М_ем = ^ · ФІ я = с_мФІя.

Ми дістали рівняння електромагнітного моменту двигуна постій­ного струму.

Потужність двигуна постійного струму:

Рем = Мем · CO (н · м/сек) = М_ем ■ ω (β/л). (9—6)

Якщо обертальний момент вимірюватиметься в кГм, то поперед­ня формула перепишеться так:

Рем = 9,8Ш · ω (кГм/сек) = 9,8Ш · ω (вт) = 1,028пМ (вт). (9—7)

Формула електромагнітного моменту двигуна (9—5) аналогічна до формули (8—20) електромагнітного моменту генератора з тією різницею, що в генераторі момент є гальмівним, а в двигуні — обертаючим. З формули (9—5) видно, що зміна напряму обертання двигуна можлива при зміні напряму струму збудження І₃д в об­мотці збудження або напряму струму в якорі І_я. При одночасній зміні напряму обох струмів напрям обертання двигуна не змі­нюється.

8. 2. Способи збудження і пуск двигунів постійного струму

Двигуни постійного струму, як і генератори, бувають з неза­лежним, паралельним, послідовним і міша­ним збудженням. Незалежне збудження (рис. 9—2) застосо­вується в тих випадках, коли напруга збудження відмінна від напруги якоря.

R36

~г

_ormrv_

03 П

Рис. 9—3. Електрична схема двигуна по­стійного струму з паралельним збуджен­ням.

Рис. 9—2. Електрична схема двигуна постійного струму з незалежним збудженням.

У двигунах з паралельним збудженням (рис. 9—3) напруга сітки однакова для якоря і для обмотки збудження. Номінальний струм двигуна I_h дорівнює сумі струмів у якорі і в обмотці збудження:

Двигуни з послідовним збудженням (рис. 9—4) мають обмотку збудження, яка послідовно приєднана до обмотки якоря, тому струм якоря є струмом збудження: I_h = І_я = I₃₆.

Електромагнітний момент для цього двигуна пропорційний квад­рату струму:

М_ем = Cm ■ ФІ = с’_мР, (9-9)

тому що основний потік для ненасиченої машини пропорційний струму: Ф = ki.

Рис. 9—4. Електрична схема двигуна постійного струму з послідовним збу­дженням.

Двигуни з мішаним збудженням (рис. 9—5) мають дві обмотки збудження, одна з яких увімкнена пара­лельно якорю, а друга — послідовно з ним.

Послідовна обмотка збудження має неве­лику кількість витків і може бути ввім­кнена узгоджено або зустрічно. У першому випадку її електромагнітне поле підсилю­ватиме поле основної паралельної обмот­ки, а в другому — послаблюватиме.

Пускають двигун постійного струму за допомогою пускового реостата. Це по­яснюється тим, що в момент пуску проти- е. р. с. дорівнює нулю (E = 0), тому струм у якорі буде в 8—10 раз більший, ніж номінальний. Опір обмотки якоря малий (десяті або навіть соті частки ома).

U £

За формулою (9—1) струм якоря І_я = —„— . При пуску п = 0,

^Я

тому E — ЫФ = 0, тоді

І я = (8—Ю) І_н· (9-Ю)

^ Я

Для обмеження пускового струму послідов­но з якорем вмикають пусковий реостат R_n, який у міру розгону двигуна поступово пов­ністю виводиться. Пусковий струм визна­чається за формулою:

¹^ = R^r.^(1.5-5-2,0)/*, (9-11)

де Rn — пусковий опір.

Щоб мати потрібний пусковий момент, опір пускового реостата вибирають таким, щоб пу­сковий струм був більший від номінального в 1,5—2,0 рази. Крім того, для збільшення пуско­вого моменту і полегшення пуску паралельну

обмотку збудження вмикають на повну напругу мережі, для чого регулювальний реостат у колі паралельного збудження виводять повністю. Процес пуску двигуна з триступеневим пусковим рео­статом зображено на рис. 9—3, б. Під дією пускового обертального моменту M = с_мФ /_я ротор двигуна почне обертатись і в якорі виникне проти-е. р. с. Тоді струм якоря визначається з формули електричної рівноваги U = E + І_я (R_a + R_n):

^<9-¹²⁾

При такому струмі якоря обороти двигуна збільшуватимуться доти, поки не зрівняються обертальний і гальмівний моменти (точка Ґ). Потім виводять черговий ступінь пускового реостата, і струм якоря збільшується (точка 2), а отже, збільшується момент і кіль­кість обертів (точка 2'). Так, поступово виводячи пусковий реостат, доводять оберти двигуна до номінальних (точка З'). Струм у якорі при цьому дорівнюватиме

І я = (9-13)

8. 3. РЕГУЛЮВАННЯ ШВИДКОСТІ ОБЕРТАННЯ TA РЕВЕРСУВАННЯ ДВИГУНІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

І. Регулювання швидкості обертання двигунів з паралельним збудженням. Якщо в коло якоря ввімкнено регулювальний реос­тат R_p, то швидкість обертання двигуна з паралельним збуджен­ням визначається за формулою:

B. + ^, ₍₉_₁₄₎

З формули видно, що швидкість обертання двигуна можна регу­лювати трьома способами: зміною опору кола якоря; зміною магніт­ного потоку Ф (струму збудження); зміною напруги U, підведеної до двигуна.

Регулювання швидкості обертання двигуна зміною опору кола якоря. Схема регулювання швидкості обертання двигуна зображена на рис. 9—3, а, де пусковий реостат R_n виконує функцію регулю­вального реостата. Обмотку збудження вмикають на повну напругу мережі, внаслідок чого утворюється сталий магнітний потік Ф. Припустимо, що гальмівний момент на валі двигуна залишається сталим і не залежить від швидкості обертання. Якщо при цій умові зменшити опір регулювального реостата, то в перший момент швид­кість обертання п внаслідок інерції не встигне змінитись. У зв’язку з цим не зміниться і проти-е. р. C., оскільки E = с_еп Ф. Тоді струм якоря, що визначається за формулою (9—12), збільшується обернено

пропорційно опору (R_n + R_p). Внаслідок цього порушується рів­новага між обертальним і гальмівним моментом (обертальний мо­мент стає більшим за гальмівний момент). Внаслідок цього швид­кість обертання двигуна і його проти-е. р. с. збільшуватимуться, а струм якоря I_n зменшуватиметься доти, поки не досягне свого попереднього значення. Обертальний момент при цьому дорівню­ватиме гальмівному моменту при новій більшій швидкості обер­тання. Якщо при сталих опорах у колі якоря збільшувати гальмів­ний момент, то швидкість обер­тання двигуна спадатиме. Цей спо­сіб дає можливість регулювати швидкість обертання двигуна в до­сить широких межах, але він є невигідний через великі втрати в реостаті і зменшення к. к. д.

Рис. 9—6. Характеристика холос­того ходу двигуна з паралельним збудженням.

Якщо паралельно працюють декілька двигунів, наприклад у трамваях, то швидкість їх обер­тання регулюють одночасно регу­лювальним реостатом і зміною електричної схеми сполучення дви­гунів. Замінюючи послідовне сполу­чення мішаним і потім паралель­ним, збільшують оберти двигунів.

Усі перемикання виконують за допомогою спеціального переми­кач а — ко нтрол ер а.

Регулювання швидкості обертання двигуна зміною магнітного потоку. Припустимо, що гальмівний момент двигуна і напруга залишаються сталими і не залежать від швидкості обертання дви­гуна. Якщо зменшити опір у колі збудження, то струм збудження і магнітний потік Ф також збільшаться (рис. 9—6). У перший момент швидкість обертання п внаслідок інерції не зміниться. З рівняння U = E + I_nR_si = с_епФ + I_nR_n = const видно, що збільшення магніт­ного потоку Ф спричинить зменшення струму в якорі I_n = -~^^еПф .

^я

Оскільки проти-е. р.с .E набагато більша від спаду напруги I_nR_n в колі якоря, то навіть при невеликому збільшенні магнітного по­току Ф струм у якорі різко зменшується. Внаслідок цього обер­тальний момент стає меншим, ніж гальмівний, і швидкість двигуна п та проти-е. р. с. зменшуватимуться, а струм якоря почне збіль­шуватись доти, поки не поновиться рівновага між моментами. При цьому способі регулювання швидкості к. к. д. двигуна майже не змінюється.

При холостому ході крива п = f(I₃₆) при U = const називається характеристикою холостого ходу двигуна. При великих значеннях струму збудження (див. рис. 9—6) крива

η — j(lзо) зменшується набагато (впливає насичення індуктора) і далі йде майже паралельно осі абсцис.

При певному навантаженні двигуна і сталій напрузі крива п = /(/*) має такий самий вигляд, але розміщується трохи нижче.

Регулювання швидкості обертання зміною підведеної до двигуна напруги.

версування двигуна постійного струму з паралельним збуджен-

Напругу на затискачах двигуна регулюють зміною напруги генератора, що живить двигун. У цьому випадку обмотка збудження двигуна живиться від окремого джерела (незалежне збудження).

2. Регулювання швидкості обертання двигуна з послідовним збудженням. Швид­кість обертання двигуна з послідовним збу­дженням, як і двигуна з паралельним збу­дженням, визначається за формулою (9—14).

Швидкість обертання двигуна послідов­ного збудження можна регулювати трьома способами: зміною опору кола якоря; змі­ною магнітного потоку Ф статора; зміною напруги U, підведеної до двигуна.

Регулювання швидкості обертання двигу­на зміною опору кола якоря. Регулювання двигуна таким способом аналогічне до регу­лювання двигуна з паралельним збуджен­ням. Здійснюється таке регулювання за до­помогою реостата R_n-

Регулювання швидкості обертання двигу­на зміною магнітного потоку Ф. Магнітний потік в обмотці збудження двигуна змінюють шунтуючим реостатом R_ui (рис. 9—4). Якщо двигун має сталий галь­мівний момент, незалежний від швидкості обертання, то при вимк­неному рубильнику P₁ струм збудження дорівнюватиме струму якоря I₃Q = /_я. При цьому обертальний електромагнітний момент визначиться за формулою Ai_e* = с_м І_яФ, а рівняння електричної рівноваги буде U = E + І_яКя (пусковий реостат повністю виведе­ний). Оскільки спад напруги I_xRn дуже малий, то, нехтуючи ним, дістанемо: U^E = с_епФ. Отже, при сталій напрузі U = const на затискачах двигуна швидкість обертання п і магнітний потік Ф залежать один від одного. Якщо ввімкнено рубильник P₁, то струм в обмотці якоря збільшиться, внаслідок чого обертальний момент стане більшим, ніж гальмівний, і швидкість обертання двигуна збільшуватиметься.

Процес зміни швидкості обертання триватиме доти, поки обер­тальний момент’знову не дорівнюватиме гальмівному моменту і дви­гун не обертатиметься з новою ПОСТІЙНОЮ ШВИДКІСТЮ H₁ > п.

Такий спосіб регулювання є найекономічнішим і дає можливість плавно регулювати швидкість обертання двигуна.

Напрям дії обертального моменту двигуна можна змінити, змінюючи напрям струму якоря I₁ або полярність полюсів зміною напряму струму збудження. Схема реверсування двигуна з пара­лельним збудженням зображена на рис. 9—7. Напрям струму в об­мотці збудження змінюють перемикачем П.

8. 4. Характеристики двигунів постійного струму

Властивості всіх електричних двигунів і, зокрема, двигунів постійного струму визначаються за сукупністю трьох видів характе­ристик: пускових, робочих і регулювальних.

Пускові характеристики визначають властивості двигуна від моменту пуску до моменту переходу його до усталеного режиму ро­боти. До цих характеристик належать пусковий струм I_n, пуско­вий момент M_n, час пуску та ін.

і

Рис. 9—8. Робочі характеристики:

а — двигуна з паралельним збудженням; б — двигуна з послідовним збудженням.

Робочі характеристики визначають властивості двигуна при усталеному режимі роботи. До них належать залежності η, М, І_я і η = /(P₂) при U = U_h = const. До робочих характеристик нале­жить і механічна характеристика двигуна: n = /(M) при U = const і /_Зб = const.

Регулювальні характеристики визначають властивості двигунів при регулюванні швидкості їх обертання. До них належать: межі регулювання, характер регулювання (плавний чи ступінчастий), а також простота і надійність регулюючої апаратури.

Розглянемо робочі характеристики двигунів з паралельним і послідовним збудженням.

І. Робочі характеристики двигунів з паралельним збудженням.

Робочі характеристики двигунів з паралельним збудженням зображені на рис. 9—8, а. Вони є виразом залежності швидкості обертання п, струму якоря І_я, електромагнітного моменту M і

κ. κ. д. η від корисної потужності P₂ на валі двигуна при ста­лій номінальній напрузі U_h на його затискачах і сталому струмі збудження І об, тобто: п, І_я, M і η = / (Р?) при U = U_h = const і І о = І об. н Const.

Іноді розглядають залежність η, І, η і P₂ від корисного мо­менту на валі M₂= М_ем — M₀ або залежність п, М_ем, η і P₂ від струму в якорі /_я.

Швидкісна характеристика п = f(P₂). При номінальній напрузі і відсутності навантаження (холостий хід) струм якоря буде незнач­ним і визначиться ординатою OA.

Збільшення навантаження на валі двигуна є збільшення галь­мівного моменту. При цьому оберти двигуна і проти-е. р. с. повільно зменшуються (див. рис. 9—8, а). Із зменшенням проти-е. р. с. струм якоря I₁ збільшиться, а це зумовить збільшення обертального моменту двигуна, оскільки він пропорційний струму.

Обертальний момент збільшуватиметься доти, поки не зрівняється з гальмівним моментом. При цьому встановлюється нова постійна швидкість обертання, яка відповідає новому навантаженню двигуна. У цьому полягає принцип саморегулювання двигунів. Зменшення швидкості обертання при навантаженні двигуна становить всього 5—10% від номінальних обертів. Це пояснюється тим, що магніт­ний потік, створений струмом обмотки збудження, при всіх наван­таженнях залишається сталим Ф — I₃₆ = const, а результуючий магнітний потік із збільшенням навантаження трохи зменшується за рахунок реакції якоря, що веде до збереження швидкості дви­гуна.

Залежність моменту і струму якоря від навантаження: M і /я =/(Р₂). При сталих обертах п = const корисний обер­тальний момент буде пропорційний корисній потужності і крива M = f(P₂) перетвориться в пряму. Із збільшенням навантаження швидкість обертання п зменшується, отже, щоб потужність P₃ була так само корисною, обертальний момент M повинен мати більше значення, ніж при п = const. Тому крива M =/(P₂) із збільшенням навантаження відхиляється в бік більших значень.

Згідно з формулою (9—5) при Ф = const струм якоря І_я пови­нен би змінюватись прямо пропорційно моменту, але потік Ф при збільшенні навантаження трохи зменшується внаслідок роз­магнічуючої дії реакції якоря. Отже, для створення того самого моменту струм якоря І_я повинен мати більше значення, ніж при Ф = const. Тому крива /_я = / (P₂) більше вигнута, ніж крива M = / (P₂).

Залежність к. к. д. двигуна від P₂. К. к. д. дви-

P P

гуна визначається за формулою η = ~ = ^ _де р_j

повна споживана потужність, а Σρ — сумарні втрати в дви­гуні.

При холостому ході P₂ = 0 і η = 0.

При невеликому, але зростаючому навантаженні сумарні втрати (в основному втрати на тертя) залишаються практично сталими.

р

К- к. д. при цьому зростає, бо чисельник рівняння η = -μ

M

Рис. 9—9. Механічні характеристики: — двигуна з паралельним збудженням; б· двигуна з послідовним збудженням.

зростає швидше, ніж знаменник. При значному навантаженні дуже зростають втрати в обмотці якоря, тому що вони пропор­ційні квадрату струму. При навантаженні 0,7—0,8 від но­мінального к. к. д. двигуна починає зменшуватись.

Механічна характеристи­ка. Механічна характеристика о двигуна з паралельним збу­дженням являє собою залеж­ність п = f(M) при U = const I₃₆ = const і R_pea = 0. Ура­ховуючи (9—5) і (9—14) і зро­бивши невеликі перетворення, дістанемо рівняння залежності швидкості обертання від моменту:

U

C_e ф

U

^{п =} C_e Ф

*,х_я

Ce Ф

Cm Ф С_ЛФ

C₂M. (9 — 15)

M

= C₁

С_еСмФ²

На рис. 9—9, а зображено механічну характеристику двигуна паралельного збудження (при цьому нехтують реакцією якоря).

Властивість двигуна з паралельним збудженням — зберігати майже незмінною швидкість обертання при значних змінах наван­таження— широко використовується на практиці.

2. Характеристики двигуна з послідовним збудженням.

Робочі характеристики двигуна з послідовним збудженням аналогічні до тих самих залежностей для двигуна з паралельним збудженням, а саме: η, М, І_я і η = / (P₂) при U = U_h = const або п, M І I)' = /(/я) при U_h = const.

Швидкісна характеристика п = /(P₂), або п = f (/_я), при U = = U_h = const (рис. 9—8,6).

Зауважимо, що істотної різниці між характеристиками п = = f (P₂) і п = f (Ія) немає, тому що при U = const P₂ = /_я-

У двигуні з послідовним збудженням струм збудження є водно­час і струмом навантаження І = І_я = І_з6, тому двигун не має характеристики холостого ходу п = f(I₃₆). Магнітний потік дви­гуна з послідовним збудженням залежить від навантаження. При збільшенні навантаження двигуна в перший момент порушується рівновага обертального і гальмівного моментів. Оберти вала поч­нуть зменшуватись, що приведе до збільшення струму якоря /_я

і обертального моменту М, який зростатиме доти, поки не зрівня­ється з гальмівним моментом.

Таким чином, швидкість обертання двигуна із збільшенням навантаження зменшується. Якщо нехтувати спадом напруги в колі якоря та реакцією якоря і вважати, що магнітна система двигуна не насичена, то магнітний потік буде пропорційний струму

якоря Ф = І_я. Число обертів можна зобразити таким співвідно-

U const шенням: п = —т- = —:— .

с_еФ І_я

Це співвідношення показує, що із збільшенням навантаження швидкісна характеристика п = /(/_я), або п = /(P₂)₁ матиме вигляд гіперболи (рис. 9—8, б). З кривої видно, що при зменшенні наван­таження до нуля швидкість обертання безмежно збільшується. Насправді це не так, бо при холостому ході струм у якорі не дорів­нюватиме нулю. Тому швидкість обертання двигуна при холостому ході хоч і не дорівнюватиме безмежності, проте значно перевищу­ватиме номінальну швидкість (у 4—6 раз), що з механічних мірку­вань недопустимо для двигуна (розрив бандажів, псування обмотки якоря тощо). Ось чому двигун послідовного збудження слід ставити в такі умови, при яких холостий хід двигуна був би неможливим.

Залежність моменту двигуна від P₂. При ненасиченій магніт­ній системі можна вважати, що магнітний потік прямо пропор­ційний струму Φ ξξξ І, Тоді з формули (9—5) маємо:

М_ем = с_мІ_я.

Отже, момент двигуна змінюється пропорційно квадрату струму, тому крива М_ем = Z(P₂) має вигляд параболи (рис. 9—8,6). Але в міру збільшення струму якоря при збільшенні навантаження P₂ настає насичення магнітної системи машини. Тому Ф ^ const і крива обертального моменту наближається до прямої лінії.

Залежність к. к. д. двигуна від P₂. Залежність к. к. д. двигуна з послідовним збудженням від навантаження має характер, анало­гічний до такої Самої залежності двигуна паралельного збудження.

Механічна характеристика. Як було вже зазначено, у дви­гунів з послідовним збудженням струм збудження дорівнює струму навантаження:

1. = L б = /_я.

Для ненасиченої машини основний магнітний потік Ф пропор­ційний струму якоря Ф = &ф/_я. Ураховуючи це, електромагнітний момент М_ем можна зобразити такою формулою:

Мем = ^ Ф², ^кф

звідки

M_e

Cm

III. Характеристики двигуна з мішаним збудженням.

Робочі характеристики двигуна з мішаним збудженням є про­міжними між характеристиками двигунів паралельного і послідов­ного збудження (рис. 9—10).

Ураховуючи (9—17), число обертів двигуна п можна подати таким

рівнянням:

U

іЛ

¹A

С_еФ '

п —

9—5. КОЛЕКТОРНІ ДВИГУНИ ЗМІННОГО СТРУМУ

Двигуни постійного струму можуть працювати і на змінному струмі. Обертальний момент створюватиметься так само, як і в ма­шинах постійного струму, від взаємодії струму в якорі з магнітним потоком індуктора Ф, тому що напрям струму змінюється одно­часно і в якорі, і в індукторі. Але в такому двигуні в сталі індуктора були б надто великі втрати енергії на вихрові струми і гістерезис. З цієї причини і к. к. д. двигуна був би дуже низьким.

Для того щоб колекторні машини працювали на змінному струмі, конструктивно їх значно ускладнюють, а саме: сердечник індук­тора виготовляють з окремих листів електротехнічної сталі, а в якорі закладають допоміжну обмотку, яка поліпшує умови кому­тації і зменшує іскріння під щітками.

Хоч колекторні машини змінного струму і складніші та дорож­чі, ніж машини постійного струму тієї самої потужності, проте вони мають велику перевагу перед асинхронними двигунами (дають мож­ливість у широких межах плавно регулювати швидкості обертання). Наша промисловість випускає колекторні двигуни змінного струму з послідовним і паралельним сполученням обмоток якоря та індуктора. Ix характеристики досить близькі до характеристик відповідних двигунів постійного струму.

М,п

(9-18)

Рис. 9—10. Робочі характеристики двигуна з мішаним збудженням.

(М₂ + М₀)

Ce

Рівняння (9—18) є механічною характеристикою двигуна послі­довного збудження, яка зображена на рис. 9—9, б.

Однофазні двигуни з послідовним сполученням обмоток засто­совуються на електрифікованих залізницях, де їх живлення здій-

2

снюється струмом зниженої частоти (25 і 16у періодів за секунду),

що поліпшує умови їх роботи. Двигуни малої потужності знайшли застосування в побутових приладах і автоматиці. Колекторні дви­гуни малої потужності, які працюють і на змінному, і на постій­ному струмі, називаються універсальними.

8. 6. Bi рати, к. К. Д. І галузь застосування двигунів постійного струму

Втрати у двигунах постійного струму такі самі, як і в генера­торах постійного струму (див. § 8—9).

К. к. д. двигунів постійного струму можна зобразити відно­шенням корисної потужності до всієї витраченої:

де Y₁P = P_m + P_cm + Рмех — загальні втрати в двигуні.

Величина номінального к. к. д. в сучасних двигунах коливається в межах від 75% (для машин порівняно малої потужності) до 96% (для машин великої потужності).

З двигунів постійного струму найбільш поширені серієсні дви­гуни (з послідовним збудженням). Вони мають великий пусковий момент, пропорційний квадрату струму. Швидкість обертання цих двигунів легко регулюється в широких межах. Це дало можливість застосувати двигун з послідовним збудженням як основний тяговий двигун на приміських і магістральних електрифікованих заліз­ницях, у метро, на заводському і шахтному електротранспорті, у трамваях тощо.

Двигуни з мішаним збудженням застосовуються в тролейбусах і на електрифікованих залізницях, а також у потужних прокатних станах, у текстильній промисловості, де потрібне плавне регулю­вання швидкості обертання в широких межах.

Електромашинобудівні заводи нашої країни випускають багато типів машин постійного струму (відкритих, захищених, вибухобез- печних та ін.), розрахованих за потужністю від 0,25 до 10 000 кет і напругою від 150 б до 1500 в.

Розділ X ВИПРЯМЛЯЧІ

8. 1. Напівпровідникові вентилі

У природі є дуже багато речовин, які за їх елек­тропровідністю не можна віднести ні до провідників, ні до діелектриків. Ці речовини проводять електрич­ний струм, але значно гірше, ніж провідники. Тому їх називають напівпровідниками. До на­півпровідників належать майже всі окисли металів (Cu₂O, Al₂O₃, Fe₂O₃,...), сульфіди (PbS, Cu₂S,...), а також деякі чисті хімічні елементи, наприклад кремній (Si), германій (Ge), селен (Se) та ін. У тех­ніці найбільше поширилися германій, кремній, селен, закис міді та ін.

Характерною особливістю напівпровідників є те, що при підвищенні температури їх опір зменшується і, отже, збільшується електропровідність, тоді як у провідників при цій умові опір зростає. У напів­провідників зменшується електричний опір під дією світла (внутрішній фотоефект). Існує цілий ряд інших властивостей напівпровідників, завдяки яким вони широко застосовуються в автоматиці і в пристроях контролю та вимірювань.

У напівпровідників розрізняють власнуі до­мі ш к о в у провідність. Домішкова провідність бу­ває «-типу і р-типу.

Для пояснення власної провідності напівпровід­ника розглянемо плоску схему кристалічної решітки кремнію. На зовнішній орбіті кожного атома кремнію є 4 валентних електрони (кремній розміщений у 4-й групі періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва). У решітці кремнію кожний атом оточений чотирма найближчими сусідами. Зв’язок двох сусідніх атомів зумовлений парою електронів, що утворюють так зва­ний парно-електронний, або ковалент­ний зв’язок (рис. 10—1).

При підвищенні температури кристала частина електронів може набути енергії, достатньої для роз-

риву зв’язків із своїми атомами. Такі електрони стають вільними, а на їх місці залишаються незаповнені місця, так звані дірки. Кіль­кість вільних електронів завжди дорівнює кількості утворених дірок.

Під впливом прикладеної до кристала різниці потенціалів вільні електрони рухаються проти поля і утворюють електричний струм.

Рис. 10—1. Схема парно-елек­тронних зв’язків у кристалі кремнію.

При цьому дірки переміщаються в напрямі силових ліній поля. Ство­рюється враження, ніби в напівпро­віднику рухаються позитивні заряди, хоч насправді рух дірок зумовлений стрибкоподібним переміщенням зв’я­заних валентних електронів від од­ного вільного місця до іншого.

Отже, у чистому напівпровіднику провідність створюється як вільними електронами, так і електронами зв’яз­ку. Така провідність дістала назву власної провідності на­півпровідників. На величину провід­ності напівпровідників великий вплив мають домішки,завдяки яким створюється так звана до мішкова провідність. Якщо в кристалі кремнію деякі атоми в кри­сталічній решітці будуть замінені атомами п’ятивалентного еле­мента, наприклад фосфору (рис. 10—2, а), то чотири електрони фос­фору братимуть участь у ковалентних зв’язках із сусідніми атомами кремнію, а п’ятий при досить низькій температурі буде зв’язаний лише з атомом фосфору. Але цей зв’язок буде досить слабкий, тому вже при незначних підвищеннях температури енергія електрона

Рис. 10—2. Атоми фосфору (а) і Індію (б) в кристалічній решітці кремнію.

стає достатньою для розриву його зв’язків з атомом. Електрон стає вільним носієм заряду, але дірка на його місці не утворюється. Такі напівпровідники мають електронну провідність, або провідність /г-типу (negativ — негативний). При значному під­вищенні температури частина ковалентних зв’язків між атомами розриватиметься, утворюватимуться пари електрон-провідності — дірка, тобто напівпровідник матиме вже й власну провідність. Але в напівпровіднику η-типу кількість електронів завжди перевищу­ватиме кількість дірок.

Якщо в напівпровідник ввести атом тривалентного елемента, наприклад індію (рис. 10—2, б), то утворюється напівпровідник з дірчастою електропровідністю, або р-типу (positiV — позитивний). Атом індію має на зовнішній орбіті три

	P			п
J0	©	©-	-©	©	0I
•	©		-©	©	©
1®	©	©-	-©	©	*

	P	п
І ©	© і -	+1 ©	el
Г	© І - І	+ І ©	0
L	І © І - І	І + І © L_i„.	of

Рис. 10—3. Схема утворення запірного шару:

а — початок дифузії зарядів; б — запірний шар.

валентних електрони. Усі вони братимуть участь у створенні кова­лентних зв’язків між атомами. Але оскільки індій має три валент­них електрони, то один зв’язок залишається незайнятим. Виникає дірка. Якщо до такого кристала прикласти різницю потенціалів, то в ньому виникне струм. Носіями заряду в цьому випадку будуть електрони зв’язку, хоч створюється враження, ніби рухаються позитивні заряди-дірки.

Напівпровідникові випрямлячі утворюють систему, яка скла­дається з контактуючих між собою шарів напівпровідника і металів або двох напівпровідників, один з яких — з електронною провід­ністю /г-типу, а другий — з дірковою провідністю p-типу (рис. 10—3).

При контакті внаслідок дифузії деяка кількість вільних елек­тронів з /z-частини перейде в p-частину, де є незайняті валентні рівні (дірки). Електрони займуть частину цих рівнів поблизу кон­такту. Дірки в свою чергу дифундуватимуть з p-частини в «-частину, де відбуватиметься їх рекомбінація із вільними електронами. Таким чином, концентрація вільних електронів і дірок поблизу контакту дуже зменшиться. Отже, опір цієї частини напівпровідника буде великим. Крім того, /г-частина поблизу контактної області заряди­ться позитивно, бо вона втратила частину своїх вільних електронів, а p-частина зарядиться негативно. Електричне поле, яке при цьому виникає, перешкоджає дальшій дифузії вільних електронів і дірок,

установлюється динамічна рівновага. Цей шар дістав назву з а- пірного шару або р-/г-переходу.

Якщо до р-я-переходу прикласти різницю потенціалів так, щоб на p-частину подати позитивний потенціал (рис. 10—4, а), а на «-частину — негативний, то під дією зовнішнього поля віль­ні носії заряду рухатимуться до р-я-переходу, концентрація їх на переході зростає і через напівпровідник піде значний струм.

P		п
І ©—	Sbi	І
І	(?)—1~ І	4—© -*-0 В
©—		-J—Θ —Θ J

P	п
І —©—©І	і Θ— Θ— І
І © ——© І	! ©~ ©~ І
—© —© І	j©—©~[

а б

Рис. 10—4. Пряме (а) і зворотне (б) вмикання напівпровідникового вентиля.

Цей струм називається прямим струмом, а напруга, яка спричинює виникнення цього струму,— прямою напругою.

Якщо різницю потенціалів прикласти в протилежному напрямі (рис. 10—4,6), то ширина p-я-переходу зростає, бо носії заряду

ма

Рис. 10—5. Вольтамперна харак­теристика напівпровідникового вен­тиля.

під дією поля відходитимуть від контактної області. У цьому ви­падку опір р-л-переходу буде великим, а струм у колі незнач­ним. Цей струм і напругу нази­вають зворотними. Відношення

K = при

U_np — U₃Qop нази-

звор

вається коефіцієнтом ви­прямляння.

Отже, прилади, в яких створено р-я-перехід, пропускають струм практично тільки в прямому на­прямі, тому їх застосовують для випрямляння змінного струму в електро- і радіотехніці, а сам прилад називають вентилем.

Залежність прямого і зворотного струмів вентиля від напруги, прикладеної до його електродів, називають вольтамперною характеристикою вентиля (рис. 10—5). Чим крутіша крива прямого струму, тим вища якість випрямляча.

Усі напівпровідникові вентилі поділяються на точкові і площинні. Через площинний вентиль можна пропускати значно більший елек­тричний струм, ніж через точковий. Тому для випрямляння змін­

ного струму технічної частоти (50 гц) застосовують площинні вен­тилі. Точкові вентилі застосовують у різних радіотехнічних схе­мах, де мають справу з високочастотними електричними коливан­нями і малими струмами. Найбільш поширені в сучасній практиці селенові і міднозакисні (купроксні) вентилі, але за останнє десяти­річчя більш перспективними виявилися германієві і кремнієві вен­тилі. Елемент міднозакисного вентиля (рис. 10—6, а) складається з мідного диска 1, шару закису міді з запірним шаром 2, свинце­вого диска З для кращого контакту, мідного диска-радіатора 4 для відведення тепла, болта 5 і ізолюючої втулки 6.

Внаслідок термічної обробки внутрішній шар закису міді, який лежить ближче до мідної пластинки, насичується атомами міді (рис. 10—6, б) і матиме електронну провідність я-типу, а зовнішній шар, збагачений киснем,— діркову провідність p-типу. Отже, шар закису міді містить два напівпровідникові шари з різними типами провідності. Між цими шарами всередині закису міді виникає запір­ний шар з односторонньою провідністю (р-п-перехід).

Електричні властивості міднозакисного вентиля залежать від його температури. Так, при 50° C вентиль втрачає властивості одно­сторонньої провідності; при — 30° C він практично припиняє про­пускати струм у прямому напрямі.

Основними параметрами міднозакисних вентилів є: допустима густина прямого струму 20—35 ма/см², а при штучному охолодженні 100—150 ма/см²; допустима зворотна напруга — не більше 10—

12. в. Для збільшення потужності елементи вентиля сполучають послідовно і паралельно.

Купроксні вентилі скорочено позначають BK (вентиль купрокс- ний) з наступною цифрою, яка показує діаметр шайби вентильного елемента в мм. Наприклад. BK—20—8 (цифра 8 визначає модель

Рис. 10—6. Схема будови (а), утворення запірного шару (б) і вольтамперна характеристика («) міднозакисного вентиля.

або партію при серійному виробництві). К. к. д. міднозакисного вентиля дорівнює 50—70%.

Елемент селенового вентиля (рис. 10—7, а) складається з заліз­ного або алюмінієвого диска 1 товщиною 0,5—1,5 мм, покритого з одного боку шаром селену 2, який має діркову провідність (р-типу) і є одним з електродів, та шару сплава олова, кадмію і вісмуту 4, нанесеного на селен, до якого прилягає пружинна шайба 5 — дру­

в

Іηρ, MO

Unp, в

гий електрод. Внаслідок термічної обробки вентиля при його виго­товленні на зовнішній поверхні селена утворюється хімічна сполука (селенід кадмію), яка має електронну провідність («-типу). Отже, на межі між селеном і селенідом кадмію утворюється запірний шар З з односторонньою провідністю (^-«-перехід). На рис. 10—7, б і в зображено стовпчик селенового вентиля і його вольтамперну харак­теристику. Елементи стовпчика складаються на спільному болті 6 через ізоляцію 7 (рис. 10—7, а). їх можна сполучати послідовно і паралельно. Допустимий струм у прямому напрямі може дося­гати 0,5 а!CM², а допустима амплітуда зворотної напруги — 20— 25 в. При напрузі 50—80 в вентиль пробивається. Такі вентилі використовуються при температурах від — 40 до +70° С; їх к. к. д. доходить до 70—90%.

Селенові вентилі маркірують так само, як і купроксні, напри­клад: BC—25—55 або ABC—25—55 (буква А показує, що підкладку випрямляча, на яку нанесено шар селену, виготовлено з алюмінію).

Останніми роками створено нові типи напівпровідникових вен­тилів: германієві і кремнієві з вищими технічними характеристи­ками.

Германієві вентилі виготовляють з чистого германію з домішками однієї десятимільйонної частини сурми або миш’яку, що надає кристалу германію електронної провідності (л-типу). У виготовлену з нього пластинку (завтовшки 1 мм) з одного боку вплавляють індій,

який надає цій стороні пластин­ки діркову провідність (р-типу). На межі цих двох напівпровідни­ків з різною провідністю створю­ється запірний шар з односторон­ньою провідністю (р-п-перехід).

Рис. 10—8. Германієвий вентиль: а — конструктивна схема; б — Еольтамперна характеристика.

На рис. 10—8, а зображена конструктивна схема германієвого площинного вентиля. Вентильний елемент 2 з р-п-переходом при­паюють до основи 1, яка має затискач 7. Верхню сторону переходу для кращого контакту покривають оловом і через гнучкий провід­ник 3 приєднують до верхнього затискача 4. Для захисту випрямля­ючої пластинки від вологи і пилу її поміщають у металевий кожух 5. Між кожухом і основою для ущільнення ставлять прокладку 6. На рис. 10—8,6 зображена вольтамперна характеристика германіє­вого вентиля. Внутрішній спад напруги цього вентиля дуже малий (близько 0,5 в при струмі 100 а). Це забезпечує дуже високий к. к. д. вентиля — 97—98%.

Допустима густина струму для германієвих вентилів майже в тисячу раз більша, ніж для селенових, а геометричні розміри набагато менші. Наприклад, випрямляльний елемент вентиля на струм 200 а має діаметр всього 30 мм і товщину 0,8 мм. Германієві вентилі на 10 і 50 а, що випускаються в СРСР, виготовляють з пові­

тряним охолодженням, а на 200 а — з водяним. Допустима темпе­ратура нагріву не повинна перевищувати 75° С.

Потужні випрямляючі установки виконують з паралельним і послідовним сполученням окремих випрямляльних елементів. Тепер вже працюють германієві випрямляльні установки потуж­ністю в кілька десятків тисяч кіловат.

Кремнієві вентилі конструктивно майже не відрізняються від германієвих. Створення р-п-переходу в них таке саме, як і в гер­манієвих, тільки для створення діркової провідності замість індію беруть алюміній. Кремнієві вентилі допускають вищу температуру нагрівання вентиля — до 200° С, але вони мають внутрішній спад напруги в 1,5—2 рази більший, ніж у германієвих. Допустима питома густина струму дуже висока — до 50—100 а/CMⁱ. Простота будови і експлуатації, відсутність обертових частин, велика меха­нічна міцність, надійність і стійкість у роботі, високий к. к. д.— ось неповний перелік позитивних якостей твердих напівпровіднико­вих вентилів.

8. 2. СХЕМИ ВИПРЯМЛЯННЯ

Однопівперіодне випрямляння. Схема однопівперіодного випрям­ляння однофазного змінного струму зображена на рис. 10—9. Про­тягом одного півперіоду змінної напруги, коли на анод випрямляча подається позитивний потенціал, він працює в прямому режимі і струм проходитиме в колі з опором R. Протягом другого півпе­ріоду, коли на аноді буде від’ємний потенціал, струму в колі не буде, бо випрямляч опиниться в зворотному режимі. Таке випрям­ляння називається однопівперіодним.

Рис. 10—9. Схема однопівперіодного випрямляння (а) і графіки напруги та

Струму (б).

U,

б

Пульсуючий струм на опорі R створює спад напруги U_r, який змінюється аналогічно до струму (рис. 10—9, б) і називається в и- прямленою напругою.

Якщо вимірювальні прилади ввімкнути в коло випрямленого струму, то вони показуватимуть середнє значення струму за період, а якщо в коло змінного струму, то — його діюче значення. Позначив­ши випрямлену напругу і струм через U₀, I₀ і знехтувавши спадом напруги у випрямлячі, можемо вивести співвідношення між змін­ними та випрямленими струмами і напругами.

Миттєве значення напруги змінного струму и = U_m sin α = = ]/2i/sina. Випрямлена напруга U₀ дорівнює середньому зна­ченню його за період:

U₀ = ~ f \Ґ2 U sin a. da = ^ί/ = 0,45ί/. (10—1)

о

Вибір границь інтегрування від 0 до п пояснюється тим, що в "другому півперіоді випрямлений струм I₀ і спад напруги на опорі R дорівнюють нулю.

Максимальне значення змінного струму

Середнє значення випрямленого струму

(10-3)

Для однопівперіодного випрямлення з (10—2) і (10—3) маємо:

(10-4)

о

Діюче значення змінного струму дорівнює середньому квад­ратичному значенню струму за період:

(10-5)

Інтегрування знову провадиться в межах (0, —π), оскільки в другому півперіоді / = 0. Підставляючи значення і = /_m sin а в в (10—5), дістанемо:

звідки

Порівнявши (10—6) з (10—4), дістанемо співвідношення між ви­прямленим і діючим значенням змінного струму при однопівперіод- ному випрямлянні:

I₀ = -L (10-7)

Пульсуючий струм часто негативно впливає на роботу спожи­вача. Так, наприклад, у репродукторі радіоприймача в цьому разі

Рис. 10—10. Схема випрямляча з фільтром (а) і крива випрямленого струму (б).

буде чути гудіння, що перешко­джатиме його нормальній роботі.

Для згладжування пульсації випрямленого струму застосовують котушки індуктивності і конденса­тори, так звані згладжуючі фільтри (рис. 10—10). Котуш­ку індуктивності вмикають зви­чайно послідовно з споживачем. Вона діє як маховик, що запасає кінетичну енергію при зростанні швидкості і віддає її при спаданні швидкості.

У момент зростання, коли зро­стає струм, е. р. с. самоіндукції в котушці перешкоджає його зро­станню. Навпаки, при зменшенні струму е. р. с. самоіндукції підтримує його, зменшуючи, таким чином, пульсацію.

Конденсатори звичайно вмикають паралельно споживачеві. При зростанні напруги конденсатор запасає енергію і віддає її при зниженні напруги. Внаслідок цього пульсація напруги і струму на споживачі зменшується. Нарис. 10—10, б пунктиром зображена крива зміни струму при однопівперіодному випрямлянні без фільтра а суцільною лінією — з фільтром.

Двопівперіоднг випрямляння. Двопівперіодне випрямляння ви­конують за допомогою двох випрямлячів (рис. 10—11, а). Живлення їх відбувається від трансформатора з виведеною середньою точкою вторинної обмотки. Протягом півперіоду, коли верхній кінець об­мотки трансформатора має позитивний потенціал, струм проходи­тиме через верхній випрямляч. Через нижній випрямляч у цей час струм не проходить, тому що анод має від’ємний потенціал. Про­тягом другого півперіоду позитивний потенціал буде на нижньому кінці обмотки і струм проходитиме через нижній випрямляч. Легко побачити, що через споживач R струм протягом обох півперіодів

проходитиме в одному напрямі. На рис. 10—11, б зображено криву випрямленого струму при двопівперіодному випрямлянні.

(10-8)

При двопівперіодному випрямлянні маємо такі співвідношення для діючих значень змінного струму і середніх значень випрямле­ного:

U_o = 0,9U·, I₀ = ~І.

Крім того, струм I₀, що проходить через споживач, буде вдвоє більший від струмів, що проходять через кожний випрямляч.

_ Я

H

+ J2

Рис. 10—.11. Схема двопівперіодного випрямляння (а) і крива випрям­леного струму без фільтра (б).

Місткова схема. Двопівперіодне випрямляння можна виконати також за допомогою містковоїсхеми (рис. 10—12). У першому пів- періоді, коли затискач а вторинної обмотки трансформатора ма­тиме позитивний потенціал, струм піде з точки а через випрямляч 1 (випрямляч 4 замкнений), наван­таження R, випрямляч 3 до затис­кача в обмотки трансформатора, а в другому півперіоді — від точки в через випрямляч 2 (випрямляч З замкнений), навантаження R, ви­прямляч 4 до затискача а.

Співвідношення струмів і на­пруг таке саме, як і в попередньо­му випадку.

Випрямляння трифазного стру­му. На рис. 10—13, а зображено

схему випрямляння трифазного струму. Вторинна обмотка транс­форматора сполучена зіркою. До нульової точки приєднують один затискач споживача R. У кожну фазу обмотки ввімкнено випрямляч, катоди якого становлять одну спільну точку, до якої приєднується другий затискач споживача R.

У кожний момент часу працює тільки один випрямляч, а саме той, на якому найбільший позитивний потенціал (рис. 10—13, б). У точці 1 позитивна напруга у фазі А стає більшою, ніж у фазі С; випрямляч у фазі C припиняє роботу, а починає працювати випрям­ляч фази А. У точці 2 його замінює випрямляч фази В і т.д. Отже, кожна фаза вторинної обмотки трансформатора і ввімкнений у неї випрямляч працюють протягом V₃ періоду. Випрямлений струм майже не має пульсації.

(

У

і

O

Рис. 10—13. Схема випрямляння три­фазного струму (а) і крива випрям­леного струму (б).

Рис. 10—14. Місткова схема випрямлян­ня трифазного струму (а) і крива ви­прямленого струму (б).

Напруга випрямленого струму U₀ визначається як середнє зна­чення на відрізку 2π/3 (1—2, 2—З і т. ін.). Початок відрізка відпо­відає куту 30° від початкової точки півсинусоїди, а кінець — куту 150°. Таким чином,

150° 150°

~ 2π/3 I Um sin a da = - ^ ^U j sin а da = 1,17(/.

30° 30°

де U — діюче значення фазної напруги.

Співвідношення між випрямленим струмом I₀ і діючим стру­мом І легко знайдемо, якщо знехтувати незначною пульсацією випрямленого струму, тобто вважати, що Z₀^ const. При цій умові миттєве значення змінного струму протягом 1/3 періоду дорівнюватиме I₀. Тоді

150° 150° _{2 2}

^{12 =} 2?. J ⁱ^^{da =} 2π j ⁱO^{dci =} 2i ^Х T ⁼ "з ’

30° 30°

звідки

I₀ = Уз І. (10-10)

Струм у кожному випрямлячі буде в три рази менший за миттєве значення змінного струму

/;=4°, (ίο-п)

де I₀- випрямлений струм у фазі.

Місткова схема. Для випрямляння трифазного змінного струму широко використовується місткова схема (рис. 10—14, а). Випрям­лячі 1, 2,3 працюють аналогічно до випрямлячів попередньої схеми (10—13). Коло випрямленого струму замикається після наванта­ження R послідовно через випрямлячі 4, 5, 6. Так, якщо працює випрямляч 1, то першу половину робочої третини періоду його коло замикається через випрямляч 5, а другу — через випрямляч 6. При цьому дуга кривої випрямленого струму за цей час поділяє­ться на дві самостійні частини. Частота пульсацій зростає в два рази, а амплітуда помітно зменшується (рис. 10—14, б).

8. 3. ЕЛЕКТРОННІ TA ІОННІ ВИПРЯМЛЯЧІ

На явищі термоелектронної емісії грунтується робота електрон­них і іонних випрямлячів. Енергія, яка витрачається на вихід електрона з металу, називається роботою виходу. Робота виходу буде різною для різних металів. Практично емісія починається при температурі порядку 1500—2000° K-

Конструктивно електронний або іонний випрямляч являє собою скляний або металевий балон, в якому створюється певний вакуум (в електронних 10~⁶—IO^-7 мм рт. ст., в іонних IO^-2 — —IO^-3 мм рт. ст.). Усередині балона розміщені два металеві електроди — катод K і анод А (рис. 10—15). Оскільки вакуум не

€ провідником, то потрібні для електропровідності лампи електрони дістають, розжарюючи катод. Розжарюють його постійним струмом від батареї розжарювання або змінним струмом від трансформатора малої напруги (до 6 в). Катод звичайно виготовляють з вольфраму, який має високу роботу виходу; тому для створення значної емісії треба розжарювати катод до високих темпера/ тур (2200°—2500°С).

Рис. 10 •електронного прямляча.

Більш економічні (щодо витрати енергії на розжарювання) катоди, в яких вольфрамова нитка покрита плівкою іншого металу з малою роботою виходу, наприклад торію, окису барію тощо. Такі електроди розжарюють до темпера­тури 900°— IlOO⁰C.

Крім розглянутих катодів прямого розжа­рювання, застосовуються катоди непрямого розжарювання, в яких вольфрамова нитка вміщена всередину циліндра (катода). Вольф­рамова нитка електрично ізольована від циліндра і призначена для нагрівання катода до потрібної температури. Перевагою такої конструкції є те, що розжарювати катод можна змінним струмом без помітної пульсації емісії.

Матеріалом для анода є нікель, молібден або тантал, які мають велику роботу виходу. Це потрібно для того, щоб електрони катода не могли вибивати вторинних елек­тронів з анода, бо це призвело б до зменшення струму в анодному колі.

Рис. 10—16. Залежність анодного струму від анодної напруги при різних значеннях струму розжарю­вання.

Якщо до електродів лампи при­класти так звану анодну напругу, то при виникненні на аноді пози­тивного потенціалу, а на катоді — негативного, під дією електрично­го поля електричні заряди пере­міщатимуться від розжареного ка­тода до анода лампи і через наван­таження R до джерела змін­ного струму, створюючи електрич­ний струм. Поповнення електро­нів катода відбувається від дже­рела змінного струму.

Електрони, які покинули катод, не всі доходять до анода, частина з них повертається знову до катода. Це пояснюється тим, що електрони біля катода створюють об’ємний негативний заряд, який протидіє вильоту електронів з катода і переміщенню їх до анода.

Збільшуючи анодну напругу (між катодом і анодом), матимемо

збільшення струму до певної межі, яка називається струмом насичення І_нас (рис. 10—16). Дальше підвищення анодної напруги не приводить до збільшення струму. При струмі насичення число електронів, які вилітають з катода за одиницю часу, дорів­нює числу електронів, що надходять до анода.

Збільшення анодного струму при певній анодній напрузі дося­гають підвищенням температури катода, збільшуючи струм роз­жарювання I_p.

ІЛ А А,

Рис. 10—18. Однопівперіодне випрям­ляння змінного струму кенотроном*.

а — схема; б — графік випрямленого струму.

Якщо на аноді електронної лампи буде негативний потенціал, то створене між електродами електричне поле примусить елек­трони, що покинули нитку катода, по­вернутися назад.

Рис. 10—17. Кенотрон:

1 — балон; 2 — катод; З — анод; 4 — цоколь; 5 — ніж­ки цоколя.

Таким чином, електронна лампа має односторонню провідність Цією властивістю двоелектродної лампи — кенотрона (рис. 10—17) широко користуються для випрямляння змінного струму.

Схема однопівперіодного випрямляння змінного струму за допо­могою кенотрона зображена на рис. 10—18. Уся система живиться від трансформатора. Первинна обмотка 1 увімкнена в мережу змін­ного струму. Обмотка 2 живить анодне коло лампи з споживачем R. Обмотка 3 призначена для розжарювання нитки лампи. Приєд­нання споживача до середньої точки обмотки 3 трансформатора створює однакові умови роботи обох половин нитки розжарювання. На рис. 10—19 зображено схему двопівперіодного випрямляння змінного струму за допомогою двоанодного кенотрона. Для згла­джування пульсації струму застосовують згладжуючі фільтри (див.

рис. 10—10). Випрямляють трифазний струм так, як описано в

§ ю-з.

Кенотрони випускають на низьку напругу і на напруги в де­кілька десятків тисяч вольт і більше, а на струми дуже малі (від кількох міліамперів до десятих часток ампера). Кенотрони ие

Рис. 10—19. Схема двопів- періодного випрямляння з од­ним двоанодним кенотроном.

можуть застосовуватись як джерело постійного струму для промислових ці­лей, бо вони мають великий внутрішній опір (тисячі ом) і малі робочі струми. Вони використовуються для випробову­вання ізоляції, у рентгенівських апа­ратах, у радіолокації, телебаченні тощо.

Балони іонних апаратів після ева­куації з них повітря заповнюють па­рами ртуті або інертним газом (аргоном, неоном, гелієм). Тиск у балонах — IO^-2—IO^-3 мм рт. cm.

Електрони, що летять з великою швидкістю від катода до анода, стикаються з молекулами заповнювача і, розщеплюючи їх на пози­тивно і негативно заряджені часточки — іони, іонізують заповню­вач. Негативні іони разом з електронами летять до анода, а пози­тивні — до катода. Позитивні іони компенсують негативний об’ємний заряд, сприяючи збіль­шенню емісії.

Таким чином, на відміну від електронних апаратів, де струм чисто електронний, струм в іон­ному апараті —електронно-іон- ний. Внутрішній опір іонних апаратів значно менший, тому їх виготовляють з розрахунку на великі струми.

Рис. 10—20. Газотрон (а) і його вольт­амперна характеристика (б).

Зовнішній вигляд іонного апарата — газотрона і його вольтамперна характерис­тика зображені на рис. 10—20, а і б. Пластина В захищає катод від позитивних іонів, а анод — від часточок оксидного шару, яким покривають катод для кращої емісії.

До деякого потенціалу на аноді енергія електронів є недостат­ньою для іонізації газу, тому струм невеликий (див. рис. 10—20,6). При потенціалі запалювання U_3an починається іонізація газу, і струм різко збільшується, а напруга між анодом і катодом внаслі­

док компенсації позитивними іонами від’ємного об’ємного заряду дещо зменшується. Потенціал запалювання в газотронах дорівнює 20—ЗО в. Газотрони виготовляють на струми до 100—150 а і напругу до кількох тисяч вольт.

Газотрон економічніший, ніж кенотрон, бо при значних струмах, які він пропускає, спад напруги на ньому не перевищує 15—20 в.

При випрямлянні струму газотронами застосовують ті самі схеми, що й для кенотронів. Термін служби скляних газотронів — до 3000 год.

а

Тиратрон. Конструктивно тиратрон подібний до газо­трона, але має додатковий проміжний між катодом і анодом елек­трод — сітку (рис. 10—21).

Uc, в				Ia
6
4			'Л	—
2■			f
0 -2 -4 -Я	\ . Ua,в		'	0	Uo
	\ЮО 200Ділянка ^допалювання ДіЛЯНН!1~~ —		ІІзап

запирання

в

Рис. 10—21. Схема випрямляння змінного струму тиратроном (а), пускова характеристика (б) і сіткова характеристика (¢).

Якщо на сітку тиратрона подати негативний потенціал, то іоні­зація газу в балоні погіршиться, бо поле сітки гальмуватиме елек­трони, що вилітають з розжареного катода. Чим більший негатив­ний потенціал буде подано на сітку, тим більший позитивний потен­ціал треба подавати на анод, щоб іонізувати газ.

Залежність напруги на сітці U_c від напруги на аноді U_a, при якій запалюється тиратрон, називається його пусковою ха­рактеристикою (рис. 10—21, б). Якщо точка, яка відповідає певній напрузі на аноді U_a і напрузі на сітці U_c, лежить нижче пускової характеристики, то тиратрон не запалюється (запертий). Якщо ця точка лежить вище пускової характеристики, то тира­трон запалюється.

Залежність анодного струму I_a тиратрона від напруги на сітці U_c при сталій анодній напрузі U_a = const зображена на рис. 10— 21, в. При великих від’ємних напругах на сітці тиратрона він запертий і I_a = 0. Якщо ж поступово зменшувати від’ємну напругу на сітці, то при U_c = U_3an тиратрон запалюється, і струм в анод­ному колі різко зростає до певного значення (залежно від величини анодної напруги і опору анодного кола). Дальша зміна сіткової напруги вже не впливає на величину струму в анодному колі.

Більше того, навіть коли повернутися знову до від’ємних значень напруги, при яких тиратрон був запертий, він працюватиме.

Втрата керування сіткою тиратрона після іонізації пояснюється тим, що простір, в якому міститься сітка, заповнений електронами і позитивними іонами. Негативний і позитивний потенціали, що подаються на мережу, негайно нейтралізуються іонами або елек­тронами, які притягує сітка. Тому наявність потенціалу в мережі тиратрона під час його роботи зумовлює лише виникнення сітко­вого струму. Для деіонізації газу в тиратроні треба розімкнути коло або різко зменшити анодну напругу.

Вмикання струму з допомогою тиратрона здійснюється дуже швидко (за час приблизно IO^-7 сек). Таким чином, тиратронами безінерційно вмикають електричне коло і тому їх широко застосо­вують в автоматиці і телемеханіці.

Отже, сітка дає змогу досить легко регулювати роботу тира­трона, у потрібні моменти запирати і відкривати його.

Тиратрони широко застосовують у схемах автоматичного керу­вання різними процесами.

8. 4. РТУТНІ ВИПРЯМЛЯЧІ

Ртутні випрямлячі бувають скляні і металеві, однофазні і три­фазні. Однофазні звичайно мають два аноди для двопівперіодного випрямляння. За принципом роботи вони належать до іонних апаратів. Основною частиною випрямляльної установки першого типу є скляна колба з відростками, в якій створено вакуум IO^-3 — —IO^-4 мм рт. cm. (рис. 10—22).

Верхня, розширена частина колби 1 називається конденсацій­ною камерою, в якій пара ртуті конденсується і по стінках стікає вниз. У верхні відростки впаяні головні аноди 2, виготовлені з заліза або графіту. Ртуть 4 на дні колби є катодом. Ртуть 3 в ниж­ньому відростку колби є анодом запалювання.

Схема вмикання однофазного ртутного випрямляча для двопів­періодного випрямляння з самозбудженням (без анодів збудження) зображена на рис. 10—22, а. На основні аноди А _х і А _а і на анод запа­лювання A₃ ртутної колби подають змінну напругу. Наванта­ження R_h з послідовно сполученим дроселем Д ввімкнено між катодом' колби K і середньою точкою вторинної обмотки транс­форматора T. Опір г у колі анода запалювання призначений для обмеження пускового струму під час пуску випрямляча.

Для пуску ртутного випрямляча колбу обережно нахиляють так, щоб ртуть катода і анода запалювання злилася. Потім натис­кують на пускову кнопку ПК,. При цьому під дією е. р.с. правої половини вторинної обмотки трансформатора виникає струм, який проходитиме через опір г, ртутний місток між анодом запалювання та катодом і далі через пускову кнопку до трансформатора. Цей струм спричинює нагрівання і випаровування ртуті. При поверненні

колби в нормальне положення ртутний місток розривається, вини­кає дуга, і катод стає джерелом вільних електронів.

а

Рис. 10—22. Схема роботи двопів- періодного ртутного випрямляча з самозбудженням (а) і крива випря­мленого струму без фільтра (б).

Якщо один з головних анодів має позитивний потенціал, то вільні електрони рухаються до нього, іонізуючи пару ртуті. Між катодом і анодом виникає дуговий розряд, у колі з опором наван­таження R_h з’являється струм, кнопку к відпускають, і коло запа­лювання розмикається. Електрична дуга супроводиться утворенням на ртуті катода світлої катодної плями, яка є ділянкою розжареної ртуті з температурою близько 200° С. При такій температурі ртуть випаровується і колба заповнює­ться парою ртуті. Крім того, ка­тодна пляма інтенсивно виділяє електрони, які під впливом елек­тричного поля рухаються до того анода, який у цей момент має вищий позитивний потенціал, по­рівняно з катодом і другим ано­дом. Позитивні іони ртуті, рухаю­чись до катода, бомбардують його, віддаючи ртуті свою енергію і під­тримуючи температуру катодної плями. Для підтримання дуги і переходу її з одного анода на дру­гий при зміні знака прикладеної до анодів напруги ввімкнена дро­сельна котушка Д. Якщо цієї котушки немає, то при зменшенні

позитивної напруги між анодом і катодом нижче критичної струм у колі переривається, і дуга гасне. Пара ртуті дуже швидко втра­чає іонізацію; з появою на другому аноді позитивного потенціалу дуга знову не запалюється.

При наявності дросельної котушки струм відстає за фазою від напруги. При зменшенні напруги нижче критичної дуга між пер­шим анодом і катодом підтримується і в колбі відбувається іоніза­ція пари ртуті. Коли на другий анод надійде позитивний потен­ціал, дуга перейде з першого анода на другий і не перерветь­ся. Таким чином, відбувається двопівперіодне випрямляння (рис. 10—22, б).

Дуга в колбі може існувати тільки при струмі, не меншому від 4—5 а. Щоб дуга не погасла при менших струмах, застосовують аноди збудження. Вони пропускають невеликий струм, достатній для підтримування катодної плями і іонізації в колбі.

При зміні знака напруги між анодом і катодом (зворотна на­пруга), коли на анод надходить негативний потенціал, між елек­тродами виникає дуже незначний струм зворотного напряму (близь­ко кількох міліамперів).

^_ll sin π/т π/т '

(10—12)

нап-

Рис. 10—23. Схема сполучення трифазного ртутного випрямля­ча^) і випрямлений струм без фільтра (б).

Скляні ртутні випрямлячі виго­товляють на струми до 500 а при напрузі до 600 в і на струми до 20 а при напрузі до 15 кв.

Відносна крихкість скляної колби і потреба відведення значної кіль­кості тепла, що виділяється у випря­млячах великої потужності, зумов­люють потребу заміни скляної колби стальною посудиною з под­війними стінками, між якими циркулює охолодна вода — це так звані металеві ртутні випрямлячі (рис. 10—24).

Усередині стальної посудини розміщені головні аноди А, ізольо­вані і захищені стальними циліндрами, щоб між анодами не виникло зворотного запалювання.

Металеві ртутні випрямлячі звичайно мають шість або дванад­цять анодів, які живляться від шести- і дванадцятифазних анодних трансформаторів (на рис. 10—24, б зображено тільки два аноди). Збільшення числа анодів зменшує пульсацію випрямленого струму.

Шість фаз для живлення анодів дістають на вторинній обмот­ці трансформатора, сполучаючи середини трьох фаз обмотки

Схема сполучення трифазного ртутного випрямляча зображена на рис. 10—23. Три головних аноди випрямляча приєднані до трьох вторинних обмоток трансформатора T₁, нульова точка якого є міну­сом кола випрямленого струму. Кола анодів збудження живляться від трансформатора T₂, середня точка якого сполучена з катодом K- Робочий процес у трифазному випрямлячі такий самий, як і в

однофазному. Дуга в трифазному

випрямлячі буде між катодом і тим з анодів, який у цей момент матиме вищий потенціал. Кожний головний анод працює одну третину періоду (поки на ньому найбільший позитив­ний потенціал). Криві випрямленого струму зображено на рис. 10—23, б.

Величину випрямленої напруги U₀ визначаємо за формулою:

т = З, U₀= 1,17 Uф.

U₀ = V 2 и_ф

де ш — число фаз для однофазного ртутного випрямляча;

Uф — діюче значення фазної руги.

При т = 2, U₀ = 0,9 и_ф;

при

(рис. 10—25). При цьому утворюється шестипроменева зірка із змі­щенням струмів за фазою на 60°.

Рис. 10—25. Схема перетворення трифазного струму в шестифазний.

При вмиканні ртутного випрямляча за допомогою соленоїда C автоматично опускається електрод запалювання A₃ (рис. 10—24, б). Електрод запалювання торкається катода K і по утвореному елек­тричному колу від трансформа­тора збудження T₃₆ піде струм. Коли пружина П підніме анод запалювання, виникає дуга, яка переходить на аноди збудження А_з6, а після вмикання наванта­ження — на головні аноди А. Ду­га в ртутному випрямлячі спа­лахує між катодом і тим з анодів, який у цей момент має найвищий позитивний потенціал, періодично переходячи з одного анода на другий згідно із зміною їх потенціалів. Щоб у посудині підтриму­вати потрібний вакуум, увесь час працюють два послідовні насоси — масляний M і ртутний P.

(10—13)

Рис.

10—26. Ігні­трон: анод; 2 — катод;

Металеві ртутні випрямлячі випускають на струми до 12 000 а і напругу до 50 000 в. Втрати в самому випрямлячі (без втрат у трансформаторі) визначаються величиною спаду напруги AU в дузі між анодом і катодом. Цей спад напруги залишається практично незмін­ним при всіх значеннях струму навантаження і коливається в межах 15—20 в. Втрати потуж­ності у випрямлячі дорівнюватимуть AUI₀.

Якщо від випрямляча йде корисна потужність то

η

UJ о,

U₀I о + AUl₀ U₀ + AU

Отже, к. к. д. ртутного випрямляча безпосе­редньо залежить від випрямленої напруги. При U₀ = 50 000 в і AU = 20 в η ~ 1; при U₀ =

З -

- запалювач.

220 в і AU = 20 е; η = 0,915. З урахуванням додаткових втрат, а саме: у трансформаторі, у колі збудження, на охолодження тощо і низь­ких значеннях U₀, к.к.д. ртутного випрямляча може бути нижчим, ніж у випрямлячів інших типів. Вводячи між анодом і катодом випрям­ляча керуючу сітку, можна керувати початком роботи анода і регулювати величину випрямленої напруги.

Останнім часом ртутні випрямлячі почали виготовляти у вигляді одноанодних апаратів, в яких кожна пара електродів (анод і катод) вміщена в окрему посудину. Це так звані ігнітрони (рис. 10—26).

Вони мають менший спад напруги, більший к. к. д. і допускають більші струми.

В ігнітроні, крім анода І і ртутного катода 2, вміщено запалю- вач 3. Запалювач являє собою карборундовий (не змочуваний ртут­тю) стержень, опущений у ртуть. При пропусканні електричного струму через запалювач у тонкому перехідному шарі між карбо­рундом і ртуттю утворюється електричне поле, достатнє для іоні­зації пари ртуті. При роботі ігнітрона як випрямляча він запа­люється в кожний період змінного струму.

Ртутні випрямлячі з керуючими сітками, а також тиратрони і ігнітрони застосовуються для випрямляння струму і перетво­рення (інвертування) постійного струму в змінний на лініях електропередачі. Ці апарати встановлюють у кінці лінії електро­передачі постійного струму. Називають їх інверторами.

Ртутні випрямлячі тепер є основним типом промислового ви­прямляча. Вони мають високий к. к. д., тривалий термін служби, надійні в роботі, мають нескладну автоматизацію тощо. Через ртутні випрямлячі живлять двигуни трамваїв і тролейбусів, метро, шахтні і прокатні установки тощо.

ЕЛЕМЕНТИ АВТОМАТИЧНИХ ПРИСТРОЇВ TA СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

8. 1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Економічні завдання, поставлені в Програмі КПРС, передбачають створення матеріально-техніч­ної бази комунізму, основою якої є технічний прогрес з широким застосуванням різних машин і пристроїв для комплексної механізації і автоматизації.

Рівень автоматизації стає нині основним показ­ником технічного розвитку країни. Вирішальним спо­собом підвищення продуктивності праці є застосу­вання автоматичних пристроїв і систем автоматики в усіх галузях народного господарства. Тепер немож­ливо знайти жодної галузі техніки, де б не засто­совувалась автоматика.

Будь-яка система автоматики складається з окре­мих елементів, пов’язаних між собою. Властивості системи автоматики залежать від властивостей еле­ментів, які входять до її складу. Кожний елемент системи розв’язує завдання якісного чи кількісного автоматичного перетворення або впливу поперед­нього елемента системи і передачі його наступному елементу. Окремий елемент автоматичного пристрою може бути розглянутий як перетворювач енергії (рис. її—I). На вхід його подається енергія X₁, а після перетворення фізичної величини або її ха­рактеру на виході матимемо енергію X₂.

Елементи можуть бути пасивними або а к- т и в н и м и. Пасивні елементи не мають джерела енергії. Енергію величини X₂ черпають тільки з енер­гії X₁ і внаслідок втрат X₁ > X₂.

Активні елементи мають джерела енергії. Вхідна величина X₁ лише керує пропусканням цієї енергії на вихід. Тому в активних елементах вихідна енер­гія може бути і більшою за вхідну.

Величини X₁ і X₂ можуть бути як електричними (струм, опір, напруга), так і неелектричними (швид-

кість, в’язкість, переміщення, тем- _χ

гіература, тиск, прискорення та ін.). ¹—*- —-—

Проте в більшості випадків застосову-

ються електричні величини, а тому

надалі розглядатимемо тільки 0Л6К- Рис. 11—1. Елемент автоматич- ТрИЧНІ. ного пристрою як перетворювач

Автоматичні пристрої і системи. енергії,

автоматики складаються з різнома­нітних елементів, які за характером виконуваних функцій можна поділити на шість основних груп: 1) датчики; 2) підсилювачі;

3. стабілізатори; 4) реле; 5) розподілювачі; 6) двигуни.

Розглянемо кожну групу елементів автоматики за функціями, які вони виконують.

8. 2. ДАТЧИКИ

Датчик — це вхідна частина автоматичного пристрою, що сприймає вплив ззовні і виконує безперервне перетворення цього впливу у вид, зручний для передачі на інші частини пристрою, на­приклад, вплив тиску, довжини, швидкості, температури тощо — у механічну зміну положення вузла або деталі, у зміну елект­ричного струму кола тощо. Датчик слід розглядати як пристрій, що складається з приймального (чутливого) елемента і проміжних перетворювачів. Чутливий елемент — це пристрій, який сприймає безпосередньо від об’єкта будь-які фізичні або хімічні величини і перетворює їх в інші величини, зручніші для використання в авто­матичних системах. За видом вихідної електричної величини датчи­ки, що застосовуються в системах автоматики, поділяють на пара­метричні і генераторні.

Параметричні датчики характеризуються тим, що зміна кон­трольованої величини впливає на параметр електричного кола (опір, індуктивність, ємність).

Генераторні датчики характеризуються тим, що величина, яка контролюється або регулюється, перетворюється в е. р. с.

До параметричних датчиків належать: реостатні, вугільні, дро­тяні, індуктивні, ємнісні, фотоопори, термопари опору та ін.

До генераторних слід віднести: термопари, п’єзоелементи, фото­елементи з запірним шаром, тахогенератори постійного і змінного струму.

Розглянемо конструкції пристроїв і принцип дії деяких пара­метричних та генераторних датчиків, які широко застосовуються на практиці.

а) Параметричні датчики

Реостатні (потенціометричні) датчики. Під реостатним, або потенціометричним, датчиком мають на увазі дротяний реостат, повзунок якого механічно зв’язаний з об’єктом, що переміщується.

Переміщення об’єкта може бути як лінійним, так і кутовим. За допомогою такого датчика механічне переміщення перетворюється в зміну опору. На рис. 11—2 подано реостатні датчики, які дають змогу перетворювати кутове (а) і лінійне (б) переміщення в зміну опору.

Реостатний датчик складається з каркаса 1, виготовленого з ізольованого матеріалу (пластмаса, текстоліт та ін.), на який намо­тують обмотку 2. Обмотку виготовляють з константану, манганіну або фехралю і покривають ізоляційною емаллю. У тих випадках, коли реостатний датчик застосовують для передачі відліку дуже чутливих приладів, обмотку датчика виготовляють з платино-іри- дієвого дроту. Він має високі антикорозійні властивості і забезпечує надійний контакт з повзунком.

'	_2Г U1 0 I J					(
			[Ul і.		4J
Ґ "/Г 2		, 1' ,		U2 0

Рис. 11—2. Реостатні датчики:

а — кутового переміщення; б — лінійного переміщення.

Повзунок 3 виготовляють з двох-трьох дротинок або пружної металевої щітки. У датчиках з лінійною зміною опору вихідна напру­га U₂ пропорційна величині зміщення I₁ повзунка (рис. 11—2, б):

U_i = ¹J¹Ik Д^е І можна подавати в лінійних одиницях при ліній­ному або в градусах при кутовому переміщенні.

Похибка реостатних датчиків лежить у межах 0,2 ч-0,5%. До позитивних якостей реостатних датчиків слід віднести малі вагу і габарити, простоту конструкції, достатньо високу надійність у роботі, незначне споживання енергії, можливість кивлення постій­ним і змінним струмом. Наявність рухомого електричного контакту і значні зусилля для переміщення повзунка є недоліками датчиків цього типу.

Реостатні датчики широко застосовуються для контролю поло­ження різних задвижок, клапанів, положення шасі на літаках та ін.

Вугільні датчики. Принцип дії їх грунтується на зміні контакт­ного опору між частинками вугілля при зміні тиску. Вугільний датчик виготовляють у вигляді стовпчика‘(рис. 11 —3), складеного з вугільних або графітових шайб 1.

Шайби мають діаметр 5—10 мм і товщину 1—2 мм. До стовпчика з обох боків кріплять контактні пластини 2. До упорних пристроїв З прикладають осьові зусилля Р. При стисканні контактні елек­тричні опори між шайбами зменшуються. При зменшенні стискання електричний опір стовпчика збільшується. Загальний опір стовпчика

R = Rui + Rkm,

де R_tu — власний опір шайби; R_kui — контактний опір між шайбами.

Для більшої стабільності стовпчику надають початкового стиску близько 20—25 кГІсм². Такими вугільними датчиками можна замі­рювати тиск, вібрації, прискорення,

Рис. 11—3. Вугільний датчик. Рис. 11—4. Тензометричні датчики.

Тензометричні датчики. Принцип дії тензометричних датчиків грунтується на зміні опору матеріалу провідника при деформації (розтяг, стиск) останнього. Опір провідника при сталій темпера­турі дорівнює: R = .

Якщо провідник деформується, то його опір змінюється. Ця зміна відбувається не тільки внаслідок зміни його довжини і площі поперечного перерізу, а й внаслідок зміни структури мате­ріалу, тобто його питомого опору. Між відносним видовженням

M ■ ■ „ . AR

провідника і відносним приростом його омічного опору

^L R

існує відома залежність: ^ = γ ■ ~ , де γ — коефіцієнт тензо-

чутливості матеріалу, що залежить від властивостей провідника і його технологічної обробки.

R

Приріст опору визначається як AR = ^Alγ.

Тензометричні датчики (рис. 11—4) призначені для вимірювання різних деформацій і механічних напруг у досліджуваних конструк­

ціях, а також для вимірювання експериментальних тисків у ріди­нах. Вони мають тонку дротину (або фольгу) 1, укладену і при­кріплену до паперу 2. Цей папір у свою чергу прикріплюють до поверхні досліджуваного матеріалу. Для вмикання тензодатчика в схему до кінців дротини (фольги) припаюють два мідних провід­ники. Для виготовлення тензодатчиків використовують константа- новий або ніхромовий дріт, що має властивість значно змінювати питомий опір при механічних напругах. Крім того, електричний опір ніхрому і константану мало залежить від температури.

використані властивості провідника змінювати свій опір залежно від зміни температури.

Для виготовлення термоопорів застосову­ють метали — платину, мідь, вольфрам. Можуть бути використані також високий за абсолютним коефіцієнт

Термоопори. У датчиках цього типу

Рис. 11—5. Термічний датчик.

напівпровідникові матеріали, які мають значенням, але негативний за знаком, температурний опору. Ix використовують для вимірювання температури, концен­трації розчину, швидкості потоку, вакууму та ін.

Приріст опору датчика при зміні його температури визначають як AR = R₀а At.

0R ±&RЯ

Термоопори являють собою тонку нікелеву, мідну, платинову або вольфрамову дротинку, яка намотується на слюдяний каркас. Для захисту від механічних і хімічних по­шкоджень термоопори поміщають у спеціаль­ну захисну арматуру (рис. 11—5).

2г-

Рис. 11—6. Електро­літичний датчик.

Останнім часом в автоматичних системах широко застосовують напівпровідникові тер­моопори (термістори) типу MMT і КМТ. Ці термоопори являють собою суміш окислів мі­ді і марганцю, калію і марганцю, кобальту і марганцю. Вони мають великий від’ємний температурний коефіцієнт, що підвищує їх чутливість. Напівпровідникові термоопори відзначаються малими розмірами і великими опорами. Термістори можуть працювати в режимі від —70° до +180° С, але мають малу стабільність характеристик і майже пов­ністю не взаємозамінювані.

Електролітичні датчики (рис. 11—6). Принцип їх роботи грун­тується на властивості змінювати питому провідність електролітів залежно від концентрації розчину.

Провідність електроліту g між двома циліндричними електро­дами однакового радіуса г з паралельними осями визначиться

2 τν\1 г

Су, де C =

— коефіцієнт, що характеризує

як g

TT

In —

геометричні розміри датчика; γ — питома електропровідність розчину електроліту.

Щоб запобігти електролізу розчину за час вимірювання опору цих датчиків, вимірювання проводять на змінному струмі. Недолі­ком електролітичних датчиків слід вважати невисоку точність вимі­рювання, яка зумовлюється нестабільністю температури електро­літу. Щоб зменшити похибку вимірювання від впливу температури, у вимірювальну схему вводять компенсуючий термоопір.

Електролітичні датчики застосовують як перетворювачі меха­нічних переміщень у пропорційні величини електричного струму або напруги. Такі перетворювачі застосовуються в рівномірах, динамометрах, покажчиках вертикалі, покажчиках курсу (компа­сах) та ін. Електролітом у цих датчиках є розчин азотнокислого свинцю, суміш води, гліцерину і саліцилової кислоти.

Ємнісні датчики. У них використана залежність ємності кон­денсатора C від віддалі δ між його обкладками, площі обкладок

§

S і діелектричної проникності s середовища між ними: С = є-^ .

Відповідно до цього існують три види ємнісних датчиків: з рухо­мою пластиною, із змінною віддаллю між пластинами; із змін­ною діелектричною проникністю середовища між пластинами (рис. 11—7 а, б, в).

Датчики першого типу подібні до конденсаторів із змінною ємністю (рис. 11—7, а). Повертаючи рухому частину, ми змінюємо ємність датчика. Такі датчики зручно використовувати для кон­тролю явищ з незначними кутовими переміщеннями, для передачі показів вимірювальних приладів та ін.

Датчики другого типу (рис. 11 —7, б), призначені для вимірювання вібрацій або дуже малих зміщень — до десятих часток мікрона. Якщо пересувати рухому пластину вгору, то між нею і верхньою пластиною ємність збільшується, а між нею і нижньою пластиною — зменшується. Датчики такого типу найчастіше вмикають у з’єд­нання плечей місткової схеми, щоб підвищити їх чутливість. Дат­чики такого типу називають диференціальними.

Датчики третього типу (рис. 11—7, в) застосовуються для вимі­рювання рівня рідини в котлах, посудинах, баках та ін. Такі дат­чики являють собою трубчаті конденсатори. Одна з обкладок кон­денсатора — зовнішня стінка трубки, друга — центральний стер­жень. Між трубкою і центральним стержнем проходить рідина, рівень якої замірюють. Чим вищий рівень рідини в трубці, тобто чим більша частина трубчастого конденсатора заповнена рідиною, тим більша його ємність, бо діелектрична проникність повітря нижча за діелектричну проникність рідини.

Індуктивні датчики. Принцип дії їх грунтується на зміні індук­тивності або взаємної індуктивності при зміні контрольованої або вимірюваної величини. За допомогою індуктивних датчиків можна вимірювати механічні переміщення, механічні сили, температуру, товщину магнітних покриттів на сталі та ін. Найпростішим датчи­ком цієї групи є дросель із змінним повітряним проміжком (рис. 11—8, а). Переміщаючи якір /, змінюємо індуктивний опір котушки 2. Так механічне переміщення змінює струм, що протікає по котушці 2. Датчики цього типу мають малу чутливість, а також похибку від коливань напруги джерела і температури.

Щоб уникнути цих недоліків, застосовують індуктивні датчики диференціального типу (рис. 11—8, б). Такий датчик складається з двох дроселів із змінними повітряними проміжками. Повітряний проміжок дроселів змінюють за допомогою одного якоря 1. Тоді в одній котушці проміжок збільшується, у другій — зменшується. Кожну котушку вмикають у плечі місткової схеми.

Часто в системах автоматики використовують індуктивні датчики

із зміною взаємоіндуктивності переміщенням якоря. Такі датчики називаються трансформаторними. Використовують їх для вимірю­вання незначних переміщень. Обмотка 1 (первинна) живиться від мережі змінного струму U₁. В обмотці 2 (вторинній) індукується е. р. с. Е_г, величина якої залежить від величини повітряного про­міжку б.

В індуктивних датчиках з поворотною рамкою (котушкою) також змінюється взаємоіндуктивність (рис. 1 —18, г). Рамка І повертається в повітряному проміжку магнітопроводу 2, в якому створюється

τ

fjfflJX,

I ~u₀ I

Рис. 11—8. Індуктивні датчики: а — із змінним повітряним проміжком; б — диференціальний; в — із змінною взаємоіндук- тивністю; г — з поворотною рамкою; д — магнітопружного типу.

змінний магнітний потік Ф, зумовлений обмоткою 3, по якій про­тікає змінний струм. Коли рамка займає горизонтальне положення, то вона не має магнітного зчеплення з потоком Ф, і е. р. с. у рамці дорівнює нулю. При відхиленні рамки на кут а виникає потоко­зчеплення, і в рамці індукується е. р. с., пропорційна куту відхи­лення а рамки. Тут кутове переміщення перетворюється в зміну взаємоіндуктивності обмотки 3 і рамки 1. Такі датчики використо­вують для вимірювань кутових переміщень у межах +45° і часто застосовують для передачі показів манометрів, ватметрів та ін.

На рис. 11—8, д показано датчик магнітопружного типу. Прин­цип роботи його грунтується на зміні магнітної проникності феро­

магнітних матеріалів під впливом магнітних напружень. Найяскра­віше цей ефект проявляється в залізо-нікелевих сплавах — пер- малої.

Датчик цього типу являє собою замкнений магнітопровід /, на який намотано котушку індуктивності 2. Якщо до такого датчика прикласти тиск P₁, то магнітна проникність пермалою зміниться, внаслідок чого зміниться індуктивний опір котушки. Магнітна проникність сердечника магнітопружного датчика може змінюва­тись і від температури. На основі цього створені індуктивні магніто- пружні датчики температури.

б) Генераторні датчики

Індукційні датчики. Принцип роботи їх грунтується на вико­ристанні електромагнітної індукції. Ці датчики застосовують для вимірювання вібрацій, швидкості обертання, прискорень і парамет­рів коливань за конструкцією. Розрізняють два основні типи ін­дукційних датчиків: датчики, в яких е. р. с. виникає за рахунок

Рис. 11—9. Індукційні датчики:

а — з поступовим переміщенням котушки; б — з обертанням котушки.

поступового переміщення котушки відносно нерухомого магніту (рис. 11—9, а); датчики, в яких е. р. с. індукції виникає за ра­хунок обертання рухомої котушки в кільцевому зазорі магніту (рис. 11—9, б).

У процесі обертання котушки або рамки змінюється величина зазора в магнітопроводі, а внаслідок цього і величина виникаючої е. р. с. Індукційні датчики мають високу чутливість. Конструктивно вони являють собою невеликі генератори постійного і змінного струму, які називаються в техніці тахогенераторами.

П’єзоелектричні датчики. В основі їх дії лежить п’єзоелектрич­ний ефект, властивий для деяких кристалів (кварц, турмалін, сегнетова сіль, титанат барію).

Для виготовлення датчиків (рис. 11 — 10) застосовують кварц, що має високу механічну міцність, незначну залежність від темпе-

ратури і високі ізоляційні властивості. Якщо прикласти тиск P на пластинку в напрямі так званої електричної осі кристала на його поверхнях, перпендикулярних до електричної осі, то виникають заряди, пропорційні прикладеному зусиллю, які не залежать від геометричних розмірів плас­тинки. Величина виникаючих L зарядів мала, тому для вимі­рювання тиску застосовують кілька пластинок, увімкнених між собою паралельно з до­держанням полярності заря­дів, що збільшує загальний заряд.

щшшшт

0 "

ШПЩШШ

П’єзоелектричні датчики застосовують здебільшого для вимірювання швидкопроті- каючих процесів (тиск газів у стволах артилерійських гармат, метеорних частинок на супутниках та ін.).

Рис. 11—10. П’єзоелектричний датчик.

Рис. 11—11. Схема ввімкнення термопари.

Термоелектричні датчики (термопари). Принцип дії цих датчиків грунтується на яви­щі термоелектричного ефекту, який полягає в тому, що ко­ли два провідники з різних матеріалів сполучити в одній точці і місце сполучення на­гріти, то на вільних кінцях провідників виникне е. р. с.

Величина цієї е. р.с. залежа­тиме від матеріалів, з яких виготовлені елементи термо­пари, і від різниці температур сполучених і вільних кінців.

Для термоелектричних дат­чиків (рис. 11 —11) вибирають

такі термоелектроди, які дають найбільше значення термоелектро­рушійної сили.

Термоелектрорушійну силу матеріалу визначають у парі з пла­тиною, яку взято за еталон. Найпоширенішими є термопари, що складаються з таких металевих провідників: платини і платино- радію, хромелю і копелю, хромелю і алюмелю, ніхрому і констан­тану та ін.

Фотоелектричні датчики. Ці датчики дають змогу перетворю­вати енергію світла безпосередньо в електричну напругу. У фото­електричних датчиків генераторного типу використовуються фото­

елементи з запірним шаром. Схема одного з фотоелементів із запір­ним шаром наведена на рис. 11 —12.

На дисковий електрод 1, виготовлений з хімічно чистої міді, наносять шар напівпровідника 2 (закис міді), а на останній при відповідній технологічній обробці наносять тонкий напівпрозорий для світлових променів шар металу 3. При цьому між шаром напів­провідника 2 і шаром металу 1 утворюється запірний шар 4, який має односторонню провідність. Крізь запірний шар електрони мо­жуть проходити від напівпровід­ника до металу. Тому при оп­ромінюванні світлом фотоеле­мента зовнішні електрони напів­провідника звільняються і, про­ходячи крізь запірний шар до мідної основи, заряджають його негативно. На електродах 1 і З виникає деяка різниця потен­ціалів, тим більша, чим інтен- Рис. 11—12. Фотоелектричний датчик, сивніше опромінювання фото­елемента. Крім міднозакисних фотоелементів із запірним шаром, широко застосовуються селенові і сірчано-талієві фотоелементи.

До позитивних якостей фотоелектричних датчиків генераторного типу слід віднести те, що для їх роботи не потрібні джерела жив­лення. Мала чутливість, значна інертність, залежність від темпе­ратури — все це недоліки фотоелектричних датчиків із запірним шаром.

Крім розглянутих датчиків, на практиці застосовують цілий ряд інших датчиків, які широко використовуються в системах квтома- тичного контролю, регулювання і керування.

Елементи автоматичних систем: підсилю­вачі, стабілізатори, реле, розподілювачі, виконавчі двигуни

Підсилювачі. В автоматичних пристроях різноманітні сигнали спочатку перетворюються в електричні, які потім підсилюються і використовуються для керування об’єктом або процесом.

Підсилювачем називається пристрій, в якого основним елемен­том є електронний, іонний, напівпровідниковий, магнітний або параметричний прилад. Він діє так, що малі зміни електричної величини на його вході приводять до значно більших змін тієї самої або іншої електричної величини на виході.

Залежно від підсилювальних елементів підсилювачі поділяють на лампові, напівпровідникові, магнітні, діелектричні, електрома­шинні та ін. За призначенням розрізняють підсилювачі напруги

і підсилювачі потужності.

Підсилювачі в пристроях автоматики підсилюють потужність сигналів, що виробляються вимірювальними елементами (датчи­ками сигналів), до рівня, який потрібний для приведення в дію виконавчих пристроїв.

Підсилювачі на електронних лампах здебільшого складаються з таких елементів: перетворювача, підсилювача напруги, підсилю­вача потужності і джерела живлення (рис. 11 —13).

Підсилювачі на напівпровідникових тріодах мають кращі харак­теристики, ніж підсилювачі на електронних лампах.

Рис. 11—13. Блок-схема електролідсилювача.

Стабілізатори. Обов’язковою умовою більшості автоматичних пристроїв є вимога підтримувати постійними напругу або струм. Напруга в колі змінного струму практично завжди підлягає коли­ванням. Такі коливання напруги в багатьох випадках недопустимі, бо призводять до порушень нормальної роботи апаратури. Тому між джерелом струму і споживачем ставлять стабілізатор. Під за­гальним поняттям стабілізатора напруги слід розуміти пристрій, на виході якого забезпечується стабільна змінна напруга тієї самої частоти, що й напруга живлення. Крім стабілізаторів, існують ще стабілізовані джерела живлення.

За принципом дії стабілізатори поділяються на параметричні і компенсаційні, а стабілізовані джерела живлення — на електрон­ні і електромашинні.

У параметричних стабілізаторах використовуються властивості нелінійних або керованих елементів. Прикладом такого виду еле­ментів є бареттер, газорозрядні і кремнієві стабілітрони, конден­сатори з сегнетодіелектриком, трансформатори і дроселі з наси­ченим магнітопроводом.

Параметричні стабілізатори являють собою розімкнену систему автоматичного керування.

У компенсаційних (рис. 11 —14) стабілізаторах дійсна напруга (або струм) на виході U_eux порівнюється з заданим значенням напруги (або струму); внаслідок порівняння дістаємо різницю сиг­налів, яка підсилюється елементом 2 і впливає на виконавчий

елемент із стабілізатора, який реагує на елемент 1, доти, поки ця різниця сигналів не стане близькою до нуля. Компенсаційні ста­білізатори являють собою замкнену систему автоматичного регу­лювання.

З параметричних стабілізаторів розглянемо ферорезонансний стабілізатор. Практично найкращі результати за величиною к. к. д.,

І
2
3

Uou>

и„

витратою матеріалів і малою залежністю від характеру навантаження дають стабі­лізатори напруги з ферорезонансом стру­мів. Ці стабілізатори широко застосову­ються в автоматиці.

Рис. 11—14. Блок-схема компенсаційного стабілі­затора.

На рис. 11 —15, а наведено принципову схему ферорезонансного стабілізатора. Він складається з дроселя Др₂, конденсато­ра C і дроселя Mp₁, сердечник якого при роботі стабілізатора не насичується. Сер­дечник дроселя Др₂ при заданому діапа­зоні зміни U₁ досягає насичення. Внаслі­док явища ферорезонансу струмів нелі- нійність характеристики паралельного спо­лучення дроселя Mp2 і конденсатора C є більш різкою, ніж нелінійність характе­ристики самого дроселя. Залежність спа­ду напруги U\ на контурі ферорезонансу струмів від струму I₁ має вигляд кривої 1 (рис. 11 —15, б). Ця крива спочатку може мати деяку дільницю з від’­ємним нахилом. Напруга U"₂, індукована у вторинній обмотці дроселя Мрі, приблизно пропорційна струму I₁. Якщо нахйл кри­вої 2 зробити таким, що дорівнює нахилу кривої 1, і ввімкнути обмотку W₂ так, щоб напруга U\ віднімалась від U’₂, то вихідна напруга U₂ в значному діапазоні не залежатиме від I₁ (крива 3), що й роблять на практиці.

Рис. 11 —15. Схема ферорезонансного стабілізатора напруги (а) і характеристики стабілізатора (б).

При збільшенні вхідної напруги U₁ і струму I₁ від нуля вихідна напруга U₂ стабілізатора спочатку зростає повільно. При певному значенні U₁ вихідна напруга зростає стрибком. При зменшенні U₁ до певного значення вихідна напруга стрибком зменшується. Цей інтервал вхідних напруг U₁ спричинює нестійку роботу стабіліза­тора. Робочий режим стабілізатора маємо за межами стрибків.

Розглянемо схему компенсаційного стабілізатора напруги, наве­дену на рис. 11 — 16. При збільшенні напруги в мережі збільшується вихідна напруга стабілізатора і струм через подільник R₁ — R₂. Частина вихідної напруги порівнюється з опорною напругою, яка задана кремнієвим стабілізатором Д_х. Різниця цих напруг підси­люється тріодом T_n і у відповідній фазі подається на базу тріода Tp,

Tp

Рис. 11—16. Схема компенсаційного стабілізатора напруги на напівпровідникових елементах.

тобто регулюючий тріод Tp прикриється, його внутрішній опір збільшиться, а отже, збільшиться і спад напруги на ньому. Збіль­шення спаду напруги на тріоді Tp компенсує збільшення напруги в мережі.

Реле. Одним з найпоширеніших елементів різноманітних авто­матичних пристроїв є реле. Реле — це прилад, який перетворює плавну зміну вхідної величини в стрибкоподібну зміну вихідної величини.

За принципом дії реле, що застосовуються в автоматиці, поді­ляють на два великих класи: електромеханічні і електронні. Реле, в яких електрична величина перетворюється в механічне перемі­щення, що зумовлює перемикання контактів, називається електро­механічним. До них належать: електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні, електротермічні та ін.

Електронні реле — це безконтактні електронні пристрої, в яких перемикання здійснюється різкою зміною провідності кіл.

До безконтактних релейних пристроїв належать електронні, магнітні, тіратронні і фотореле.

Електромагнітне реле. Робота електромагнітного реле (рис.

11. — 17 ,а) грунтується на притяганні стального якоря 4 до сердечника 5 електромагніту, по обмотці 6 якого протікає струм. Якщо відімкнути

12. реле від джерела живлення, то під дією зворотної пружини 1 контакти 2 і якір 4 повертаються у вихідне положення. Щоб якір під впливом залишкового магнетизму не залишався притягненим до сердечника, на ньому закріплено невеликий штифт З висотою близько 0,1 мм, виконаний з немагнітного матеріалу (мідь, латунь), який називається штифтом відлипання. Електромагнітне реле спра­цьовує під дією струму, що тече по обмотці, або напруги, прикла­деної до нього. На рис. 11 — 17, б показано реле з втягнутим яко­рем. Якір 5 циліндричної форми при збудженні котушки 3, уста­новленої в циліндричний корпус 4 з магнітного матеріалу, втя-

Рис. 11—17. Електромагнітні реле:

а — з кутовим переміщенням якоря; б — з втяжним якорем.

гується всередину котушки, піднімаючи рухому контактну пере- мичку 1 і замикаючи між собою контакти 2. При відмиканні дже­рела якір під дією сили тяжіння опускається на упори 6, розми­каючи контакти 2.

Магнітоелектричне реле (рис. 11 —18). Це звичайний магніто­електричний прилад, в якого замість стрілки встановлено важіль з контактами. Принцип дії реле полягає в тому, що при протіканні струму через рамку /, яка міститься в полі постійного магніту, вона повертається в ту або іншу сторону залежно від напрямів струму в обмотці керування, внаслідок чого рухомий контакт 2 замикає­ться з нерухомим контактом 3. Чутливість магнітоелектричних реле — до 10~⁹—10~¹⁰ вт. Проте тиск на контактах реле неве­ликий. Для збільшення тиску застосовують блокуючий пристрій 4, що являє собою два мініатюрних електромагніти, які автоматично вмикаються при замиканні контактів і притягують важіль рамки, тим самим збільшуючи тиск у контактах. Це дає можливість реле перемикати великі потужності. Коли струму в рамці нема, реле не розриває контактів, бо треба розімкнути коло блокування. До недо­

ліків магнітоелектричних реле слід віднести їх повільне спрацьо­вування: 0,1 -V-0,5 сек.

Рис. 11—18. Схема магнітоелек­тричного реле.

Електродинамічні реле (рис. 11 — 19) подібні за принципом дії до магнітоелектричних, але в них магнітний потік створюється обмотками збудження на магнітопроводі.

Рис. 11—19. Схема електродинамічного реле:

1. — рамка,

2. — рухомий контакт,

3. — нерухомі контакти.

Швидкодійність, а також керування великими електричними потужностями є перевагами цих реле перед магнітоелектричними. Крім того, електродинамічні реле вигідно відрізняються від магніто­електричних здатністю реагувати на величину фазового зсуву між струмом у рамці і струмом в обмотці збудження. До недоліків слід віднести потребу окремого джерела збудження.

Термореле — це пристрої, що здійснюють перемикання в елек­тричних колах при зміні температу­ри. Найбільше поширені біметалеві реле. Сприймаючою частиною цих реле є біметалева пластинка, яка складається з двох металів (рис. р_нс_ jj—20. Схема біметалевого 11—20), що мають різні коефіцієнти реле,

лінійного розширення (наприклад,

латунь і інвар). Через нагрівний елемент R протікає струм керу­вання. Струм нагріває обмотку і біметалеву пластинку. Внаслідок

різного видовження шарів пластинка вигинається і замикає кон­такти. Біметалеві реле мають значну теплову інерцію.

Розподілювачі. Розподілювачем називається пристрій, призна­чений для почергової дії на різні електричні кола. Розподілювачі знайшли широке застосування в автоматичних установках. Вони застосовуються там, де потрібні контроль і керування багатьма об’єктами.

Розрізняють розподілювачі електромеханічні і електронні. До електромеханічних належать крокові шукачі і розподілювачі, скла­дені на електромагнітних реле; до електронних належать безкон­тактні розподілювачі на електронних лампах, напівпровідникових елементах та ін.

Рис. 11—21. Принципова схема розподільника на тиратронах з холодним

Катодом мтх-90.

На рис. 11—21 наведена принципова схема кільцевого розподі­лювача на лампах з холодним катодом. Аноди тиратронів T₁ ~~ T_i, приєднані до шини, що живиться напругою +E_a через загальний опорний опір R_a. Величина цього опору підібрана так, що завжди може горіти тільки один з чотирьох тиратронів розподілювача, тобто той, в якого створюються кращі умови для запалювання. Нехай загориться тиратрон T₁. Через нього пройде струм, який створює на опорі R₁ спад напруги. До цієї напруги прагне заряди­тись конденсатор C₁. Напруга Ue_l подається з одного боку на керо­ваний об’єкт /, з другого — через опір Rj до пускового електрода тиратрона T₂. Коли U_Cl = U_3an , тиратрон T₂ запалюється, a T₁ гасне, бо напруга між анодом і катодом тиратрона T₁ стає меншою за напругу горіння внаслідок того, що напруга на конденсаторі C₁ відразу змінитися не може. Так по черзі запалюються всі тиратрони і по черзі керуються (контролюються) об’єкти І—IV.

Виконавчі двигуни. У системах автоматики виконавчі двигуни використовуються як виконуючі пристрої. їх установлюють на виході автоматичних пристроїв для здійснення впливу на керуючі або регулюючі органи керованого об’єкта або процесу. Двигуни

постійного струму при однаковій потужності мають більшу вагу, дорожчі і менш надійні ніж двигуни змінного струму, тому їх засто­совують рідше. Двигуни змінного струму внаслідок простоти виго­товлення і надійності в роботі застосовуються значно ширше. З різноманітності двигунів, які застосовуються в автоматичних системах як ви­конавчі, тепер застосовують двофазні асин­хронні двигуни з короткозамкненим і порож­нім роторами.

Рис. 11—22. Схема керування двофаз­ним асинхронним двигуном.

На статорі двигуна розташовані дві обмотки, які зсунуті в просторі на 90 електричних гра­дусів (рис. 11—22).

Обмотку збудження вмикають у коло змін­ного струму через фазозсувний елемент, яким у більшості випадків є конденсатор. Конденса­тор вмикають послідовно з обмоткою збуджен­ня О. 3. На другу обмотку подається сигнал керування.

Розглянуті вище елементи відіграють в автоматиці важливу роль, бо застосовуються тією або іншою мірою в усіх системах авто­матичних пристроїв.

11. 3. Автоматичний контроль і захист.

АВТОМАТИЧНЕ РЕГУЛЮВАННЯ

Усі автоматичні пристрої можна поділити на пристрої автоматич­ного контролю, автоматичного захисту, автоматичного керування і автоматичного регулювання.

Автоматичний контроль — це галузь автоматики, що охоплює методи і засоби, які звільняють людину від спостере­ження за тим або іншим виробничим процесом, за роботою тієї або

Рис. 11—23. Блок-схема автоматичного контролю:

O — об’єкт контролю; СБ — сприймаючий блок; ВБ — виконуючий блок.

іншої машини. Сукупність елементів, за допомогою яких виконується це завдання, становлять систему автома­тичного контролю. До авто­матичного контролю нале­жать: автоматичний контроль розмірів і якості обробки де­талей, автоматичний кон­троль температури, тиску, електричної напруги, рівня, концентрації розчинів та ін. з по­казом абсолютних значень або з сигналізацією відхилень від норми. Блок-схема автоматичного контролю наведена на рис. 11—23.

Автоматичний захист стежить за справністю уста­новки, а також за правильністю її роботи. Якщо установка несправна або працює при тому чи іншому граничному режимі, то спрацьовує система автоматичного захисту і вимикає її.

Автоматичне керуванн я—це сукупність операцій, що виконуються за допомогою автоматичних пристроїв і потрібні для пуску, зупинки, гальмування, реверса, а також для підтри­мання або зміни в потрібному напрямі величин, що характеризують процес. Автоматичне керування широко використовується в елек­троприводах. Нарис. 11—24 наведена схема керування швидкості обертання двигуна Д постійного струму. Автоматична зміна поло­ження повзунка реостата R змінює струм збудження в обмотці генератора Г, що веде до зміни його е. р. с., а отже, і напруга, прикладена до двигуна, змінюва­тиметься. Таким чином, зміню­ватиметься швидкість обертання двигуна.

Рис. 11—24. Схема автоматичного ке­рування швидкістю обертання двигу­на Д постійного струму.

Рис. 11—25. Функціональна схема ав­томатичного регулятора напруги.

Автоматичне регулювання — це галузь автома­тики, що охоплює сукупність методів і засобів, підтримання за наперед заданим законом з певною точністю.

Функціональна схема автоматичного регулятора напруги наведена на рис. 11—25. Тут напруга регулюється впливом на струм збуджен­ня. У регулятора напруги PHe вимірювальний елемент BE, в якому відбувається порівняння величини, регульованої напруги U₃₆ гене­ратора Г з заданою величиною напруги U. Вихідний сигнал вимірю­вального елемента BE малий, щоб керувати струмом збудження генератора Г. Тому цей сигнал підсилюється підсилювачем П, на виході якого під’єднано обмотку збудження. Таким чином, збу­дження змінюється так, щоб при будь-яких змінах у колі якоря генератора напруга на затискачах генератора встановилася на рівні заданої величини.

Розді л XII ЕЛЕКТРОПРИВОД

11. 1. Загальні відомості

Для пуску робочої машини потрібні електричний двигун, механічна передача і апаратура для керування електродвигуном. Сукупність цих трьох елементів називають електричним приводом.

Електричні двигуни, механічні передачі і електрич­на апаратура для керування можуть бути різними залежно від типу робочої машини, місця встановлення і вимог до електроприводу.

Правильний вибір потужності двигуна має велике значення. При недостатній потужності двигун пере­грівається і не забезпечує нормальної роботи машини- знаряддя; завищена потужність двигуна підвищує вартість установки і знижує к. к. д. та cos φ. He менш важливим є правильний вибір конструктивного типу електродвигуна за способом захисту від впливу вироб­ничого середовища (вогкість, пил, наявність різних газів тощо). До електричної апаратури керування належать вмикаючі і вимикаючі пристрої, плавкі запобіжники, додаткова захисна апаратура тощо.

Найпоширенішою механічною передачею між дви­гуном і машиною-знаряддям є клинопасова передача. В окремих випадках, коли швидкість обертання ро­бочої машини і двигуна однакові, передача виконує­ться за допомогою муфти.

Розрізняють три види електроприводів: груповий, одиночний і багатодвигунний.

Груповим називають електропривод, в якому рух від одного електродвигуна за допомогою одного або кількох передавальних механізмів передається групі робочих машин. Цей тип привода застарілий і застосовується рідко.

Одиночним, або індивідуальним, називається електропривод, в якому кожна робоча машина приво­диться в рух окремим електричним двигуном.

Багатодвигунним називають електропри­вод, при якому окремі органи однієї машини приво­дяться в рух окремими електродвигунами.

Якщо електропривод мае електричну апаратуру, яка автома­тично (без втручання людини) керує роботою двигуна залежно від вимог виробничого процесу, то такий електропривод називають автоматизованим.

Застосування автоматизованого електропривода підвищує про­дуктивність праці, поліпшує якість продукції та умови виробництва і полегшує працю робітника.

12. 2. Нагрівання і режими роботи електродвигунів

Якщо для різних механізмів межа допустимого навантаження визначається механічною міцністю окремих деталей, то наванта­ження електродвигуна обмежується допустимим нагрі­вом окремих його частин.

Найчастіше двигуни виходять з ладу внаслідок пошкодження ізоляції обмоток від надмірного перегрівання. Перегрівання обмо­ток є результатом проходження по них недопустимо великого струму, спричиненого механічним перевантаженням двигуна. Якщо двигун працює тривалий час, то обмотки його нагріває струм, що прохо­дить по них; двигун при цьому також нагрівається і тепло з його поверхні розсіюється в навколишнє середовище. Коли наванта­ження незмінне, обмотки нагріваються рівномірно, а інтенсивність тепловіддачі залежить від ступеня нагрівання двигуна: чим вища температура двигуна (порівняно з температурою навколишнього середовища), тим більше він віддає тепла і швидше охолоджується. Температура двигуна, який почав працювати, спочатку швидко під­вищується, а потім, у міру збільшення тепловіддачі, підвищення температури сповільнюється і, нарешті, зовсім припиняється. На­стає термодинамічна рівновага, коли при повній потужності тепло, яке виділяється в обмотці двигуна, за той самий час встигає розсію­ватись у навколишнє середовище і температура двигуна більше не підвищується. В такому разі настає термодинамічна рівновага дви­гуна. Якщо двигун працює тривалий час і не перевантажений, тобто має потрібну потужність, то його термодинамічна рівновага настане при температурі, яка безпечна для ізоляції обмоток. Коли двигун працює короткий час, то можливе і перевантаження, бо він не всти­гає перегрітися. Робоча температура двигуна не може бути довіль­ною, бо, вибравши допустиму температуру дуже невеликою, ми забезпечимо тривалу і надійну його роботу; але двигун при цьому 'буде надто громіздким і дорогим. Якщо, навпаки, виберемо робочу температуру надто високою, то ізоляція обмоток швидко пересохне, а при дуже високій температурі навіть згорить.

Виходячи з бажання мати електричний двигун, з одного боку, досить компактним і дешевим, а з другого, забезпечити тривалість роботи машини в кілька десятків років, електромашинобудівною практикою встановлені величини робочих температур для кожної частини електродвигуна. Так, наприклад, гранично допустима тем­

пература для обмоток електродвигунів з ізоляцією класу А стано­вить 95° С, а для класу В — 105° С.

Усі ізолювальні матеріали поділяють на шість класів: А, В, C_r BA, BC і CB, для кожного згідно ГОСТу установлено найбільшу допустиму температуру.

До класу А належать органічні матеріали (бавовна, шовк, па­пір), просочені діелектриком, а також матеріали з пластмаси, емалі для покриття проводів тощо.

До класу В належать слюда, азбест, скляне волокно з добавкою в’яжучих речовин тощо. До класу C входять скло, фарфор, кварц, слюда і скляне волокно без в’яжучих речовин.

Нагрівання машин залежить не тільки від кількості тепла, що виділяється в ній, а й від умов відведення тепла від машини, тобто від охолодження.

Машини з природним охолодженням майже не випускають, бо відведення тепла в них дуже неінтенсивне. Найбільш поширені машини з самовентиляцією. У таких машинах на валі розміщено вентилятор для відсмоктування нагрітого повітря.

Кількість тепла, яке виділяється в електродвигунах, залежить не тільки від навантаження електродвигуна, а й від тривалості його роботи. Тому розрізняють кілька режимів роботи електродвигуна.

Тривалий режим характеризується незмінним наван­таженням, що триває довгий час. Працюючи в цьому режимі, двигун нагрівається до певної температури, допустимої за нормами нагріву. У такому режимі працюють електродвигуни вентиляторів, відцен­трових насосів тощо.

Короткочасний режим характеризується робо­чими періодами і періодами зупинок, причому робочі періоди такі короткі, що двигун не встигає досягти усталеної температури, а періоди зупинок такі тривалі, що двигун встигає повністю охоло­нути. Двигуни, призначені для короткочасного режиму, нормують для певної тривалості роботи (15, ЗО або 60 хв), яка зазначена в пас­порті двигуна.

Повторно-короткочасний режим характери­зується безперервним чергуванням однакових щодо характеру ро­бочих періодів і пауз. У робочий період двигун не встигає нагрітися до усталеної температури, а під час паузи не встигає повністю охо­лонути. Цей режим роботи визначається відносною тривалістю ввімкнення і позначається ПВ («продолжительность включе­ния»), що дорівнює відношенню тривалості робочого періоду до сумарної тривалості циклу (робочого періоду і паузи), поданого в процентах.

Стандарт передбачає такі величини ПВ: 15; 25 і 40% при три­валості одного циклу не більш як 10 хв.

На паспорті двигуна, призначеного для повторно-короткочасної роботи, поряд з його потужністю ставлять величину ПВ, наприк­лад ПВ-40. Це означає, що при зазначеній потужності двигун може

працювати тривалістю 40% від 10 хв, а решту циклу повинен бути вимкнений.

У цьому режимі працюють двигуни кранів, лебідок, підйомни­ків тощо.

12. 3. Вибір електродвигунів

Вибір електродвигуна для робочої машини або установки зво­диться до визначення потужності двигуна, швидкості його обертан­ня, напруги, типу і конструктивного виконання.

Потужність двигуна вибирають залежно від режиму його роботи.

При тривалому режимі роботи двигуна його номінальна потуж­ність повинна дорівнювати потужності навантаження. Якщо в ката­лозі немає двигуна з потужністю, яка дорівнювала б потужності навантаження, то вибирають найближчий двигун більшої потуж­ності .

Потужності двигуна для тривалої роботи із змінним наванта­женням вибирають за еквівалентним струмом.

Еквівалентним струмом називається умовний незмінний струм, теплова дія якого дорівнює тепловій дії змінного струму наванта­ження.

Якщо протягом одного циклу роботи загальною тривалістю T електродвигун за період Z₁ споживає струм I₁, за період t₂ — струм

I₂ і т. д., то кількість тепла в джоулях, яке виділяється в обмотці за цикл на підставі закону Ленца—Джоуля, буде:

k

(12-1)

Q = Ilrt₁ + Ilrt₂ + ■···= Σ Prt,

де г —опір обмотки двигуна; k — число періодів в одному циклі.

Сума окремих періодів дорівнює тривалості циклу, тобто

k

Σί = τ.

З другого боку, еквівалентним струмом за цикл виділиться та сама кількість тепла:

(12-2)

k

Оскільки Q==Q', то l\rT = Y_iPrt, звідки

Q' = IlrT.

Таким чином, еквівалентний струм дорівнює середньоквадратич- ному значенню струму, який змінюється за заданим графіком.

Від струмів можна перейти до потужностей на підставі формул: P = UI (для двигунів постійного струму) і P = YWI cos φ (для трифазних двигунів змінного струму).

Якщо напруга сітки і коефіцієнт потужності (при невеликих змінах навантаження) сталі, то струм буде пропорційний потуж­ності :

де P_e — еквівалентна потужність двигуна; P₁, P₂, ... — наван­таження двигуна за відповідні періоди t_lt t₂, ...

Відповідно до знайденої еквівалентної потужності вибирають за каталогом двигун, який має номінальну потужність Р_н, не меншу за P_e. Цей двигун, працюючи за заданим графіком, буде в певні періоди перевантажений або недовантажений, а в середньому, за нагріванням обмотки, перебуватиме в допустимих межах. Вибраний двигун перевіряють на можливість подолання миттєвого переван­таження за графіком роботи робочої машини.

При повторно-короткочасному режимі двигун вибирають за ка­талогом відповідно до знайденої еквівалентної потужності і потріб­ної відносної тривалості ввімкнення ПВ.

Щодо вибору двигуна за видом струму, то слід зауважити, що перевага електродвигуна постійного струму перед електродвигуном змінного струму полягає в можливості плавного і економічного регулювання швидкості. У всьому іншому асинхронний трифазний двигун простіший, дешевший і надійніший, ніж двигун постійного струму. Тому двигун постійного струму застосовують лише в спе­ціальних приводах, де до регулювання швидкості ставлять великі вимоги.

Вибираючи електродвигун за швидкістю, виходять з таких мір­кувань: чим швидкохідніший двигун, тим (при певній потужності) розміри його менші, а, отже, він буде легший і дешевший. Поясню­ється це тим, що розміри електродвигуна визначаються його обер­тальним моментом, який пропорційний добутку магнітного потоку на струм (в якорі або роторі) /И = Ф/. Струм визначає переріз проводів, а магнітний потік — переріз магнітопроводу. Оскільки механічна потужність двигуна пропорційна моменту і числу обер­тів P_h = Mn, то потужність двигуна певних розмірів (М = const) зростає із збільшенням швидкості обертання п. Навпаки, чим менша швидкість, тим при певній потужності (Р_к = const) двигуна його розміри більші. Тому бажано вибирати швидкохідні двигуни. При

цьому швидкість двигуна повинна бути такою, щоб між двигуном і виконавчим механізмом була мінімальна кількість передач. Для забезпечення високих швидкостей двигунів змінного струму (понад 3000 об!хв) застосовують спеціальні генератори підвищеної частоти. Для привода тихохідних механізмів застосування відповідних тихо­хідних двигунів не бажане, бо вони громіздкі і дорогі. Застосу­вання для цього швидкохідних двигунів потребує створення гро­міздких механічних передач, що також не бажано. У таких випад­ках питання розв’язується техніко-економічним розрахунком.

За конструктивним виконанням електродвигун вибирають за­лежно від середовища, в якому він працюватиме: відкритого, захи­щеного, закритого, вибухобезпечного типу тощо.

12—4. АПАРАТУРА КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОДВИГУНАМИ

Електричними апаратами називають пристрої, призначені для вмикання і вимикання електричних кіл (комутаційна апаратура) і захисту окремих елементів кіл (захисна апаратура). До комута­ційних і захисних апаратів належать рубильники, вимикачі, пере­микачі, контактори, магнітні пускачі, запобіжники, реле тощо.

Керування приводними двигунами може бути ручним і автома­тичним.

Захист електродвигунів від перевантаження, короткого зами­кання, підвищення, зниження і втрати напруги здійснюється авто­матично.

До апаратури ручного керування належать рубильники, па­кетні вимикачі і перемикачі, контролери і пускові реостати.

При виборі апаратів ураховують потужність і режим роботи привода, величину напруги тощо. Для безпечної роботи вибирають апарати ручного керування так, щоб їх номінальний струм був утричі більший за струм споживачів.

Розглянемо апаратуру ручного керування.

Рубильники і перемикані. Призначені для нечастої комутації ■■(вмикання, вимикання і перемикання) електричних кіл постійного і змінного струму напругою до 500 в.

Рубильники і перемикачі бувають одно-, дво- і триполюсні на величину струму 100, 250, 400, 600 а різних типів: Р, PB, РПБ, РПЦ, П, ПБ, ППБ, ППЦ тощо.

Позначення типів рубильників розшифровується так: P — ру­бильник, PB — рубильник з бічною ручкою, РПБ — рубильник з бічним приводом, РПЦ — рубильник з центральним важільним •приводом. Перша цифра після літер показує кількість полюсів, друга — величину номінального струму апарата в сотнях амперів. Перемикачі розшифровують так само, як і рубильники.

Триполюсні рубильники з бічним важільним приводом типу РПБ-31 і типу РПЦ зображено на рис. 12—1, а і б. Для забезпе­чення техніки безпеки рубильники оснащені захисними кожухами

або їх поміщають у пластмасові чи стальні пускові ящики· (рис. 12—1, в).

На рис. 12—2 зображено перемикачі типів П-32 (без кожуха) і ППЦ.

Для невеликої потужності застосовують рубильники з бічною ручкою і кожухом типу PK (рис. 12—3, а). Три мідні ножі 7 з’єднані ізолюючою траверсою 4, можуть за допомогою ручки З поверта­тися навколо осей 5. Ці ножі в положенні, показаному на рис. 12—3, а,

Рис. 12—1. Триполюсні рубильники:

а — з бічним приводом РПБ-31; б — з центральним важільним приводом РПЦ; в —в сталь­ному кожусі з важільним приводом

розміщені в латунних пружинних контактних губках 2 і замикають верхні та нижні планки 6 і 8, до яких болтами прикріплені підвідні проводи. Увесь апарат змонтований на шиферній або мармуровій плиті 1. Кожухом 9 апарат закривається так, що ручка 3 залишає­ться назовні.

При розмиканні кола струму між ножами 7 і щітками контакт­них губок 2 виникає електрична дуга, що оплавляє їх. Щоб збе­регти рубильник, треба розривати дугу якомога швидше. Для цього роблять рубильники з відривними і моментними ножами (рис. 12—3, б). Відривний ніж 4 з’єднаний пружиною 3 з моментним

Рис. 12—2. Загальний вигляд триполюсних перемикачів: а—типу П-32; б — типу ППЦ; / — ножі; 2 — ручки.

Рис. 12—3. Рубильники: а — типу PK; б — з відривними і моментними ножами.

ножем 2. Коли коло вимикають, ножі 4 виходять з контактних губок 1, а ножі 2 залишаються в них. При натягуванні пружини З вона швидко відриває ножі 2 від контактів 1, і електрична дуга гасне.

Пакетні вимикачі і перемикачі. Пакетні вимикачі і перемикачі широко використовуються як пускачі для асинхронних двигунів невеликої потужності з робочою напругою 380/220 в на струми до

100 а і допускають до 300 вимикань на годину. Бувають вони від­криті, захищені і герметичні. За кількістю полюсів вони бувають одно-, дво- і триполюсні. Позначають їх так: ПВ1-10; ПВ2-60; ПВЗ-10; ПП2-10/Н2; ППЗ-100/Н2 і т. д. Позначення типів пакетних вими­качів і перемикачів розшифровують так: перша літера П — пакет­ний, друга В або П — вимикач або перемикач, перша цифра після літер — кількість полюсів, число після дефіса — номінальний струм вимкнення, літера H після дро­бу — напрям, цифра після літери H — ²~—/³ кількість напрямів.

Рис. 12—4. Пакетний вимикач (а) і схема вми- Рис. 12—5. Контролер

кання двигуна (б). барабанний.

Трифазний пакетний вимикач (рис. 12—4, а) складається з трьох ізолювальних дисків (пакетів) 1, які мають по два нерухомі кон­такти 2. До трьох із цих контактів приєднують проводи мережі JI₁, Лі, JI₃ (рис. 12—4, б), інші три сполучають з двигуном. Пакети різних фаз різняться тільки положенням нерухомих контактів у пазах ізолюючих дисків і розміщені на валику 3. На дисках є ру­хомі контакти, насаджені на валик 3. При повертанні рукоятки 4 на 90° вони повертаються і замикають або розмикають нерухомі контакти.

В одній площині з нерухомими контактами міститься іскрога- сильна фіброва шайба. Стикаючись з електричною дугою при вими­канні кола струму, фібра, розкладаючись, виділяє водень і вуглекис­лий газ, які гасять дугу.

Особливістю пакетних вимикачів є те, що вони мають механізм миттєвого розривання кіл і тому швидкість вмикання, вимикання і перемикання контактів не залежить від швидкості обертання ручки.

Контролери. Контролерами називають перемикачі барабанного (рис. 12—5) або кулачкового типу, які призначені для пуску, регу­лювання швидкості і зміни напряму обертання двигунів різних потужностей. Барабанні контролери застосовують при кількості вмикань до 240 за годину, а кулачкові — до 600 за годину.

Рухомі контакти контролера — сегменти 4 — обертаються ра­зом з барабаном при обертанні маховичка 2, закріпленого на валі барабана. При цьому сегменти вимикають (шунтують) секції реоста-

Рис. 12—6. Пускові реостати:

а — з повітряним охолодженням; б — з масляним охолодженням типу ПР.

а

б

та в колі керованого двигуна. Внаслідок цього струм у колі дви­гуна, а отже, і його швидкість, змінюватимуться. Контролер вмон­товують у спеціальний кожух 5 і кріплять болтами у вертикальному положенні.

Контролери широко застосовують у трамваях, тролейбусах, електровозах, кранах і т. д.

Пускові і регулювальні реостати. Пускові реостати призначені для пуску двигунів постійного струму, а також асинхронних дви­гунів змінного струму з фазним ротором.

Пускові реостати використовують тільки для пуску, а для регу­лювання швидкості обертання двигунів вони непридатні, бо під час тривалого проходження струму перегріваються. Регулювальні реостати розраховані на тривале проходження струму, потрібного для двигуна. Охолодження реостатів буває повітряним і масляним.

Пускові реостати (рис. 12—6) бувають рідинні, дротяні і з литими чавунними опорами. Дротяні реостати виготовляють з окремих

дротяних опорів, намотаних на ізолювальні пластини або кера­мічні циліндри, що монтуються в металевому кожусі. Кінці від окремих ділянок опору виводять назовні і приєднують до закріпле­них на кожусі затискачів, по яких ковзає перемикаючий повзун (рис. 12—6, а).

Реостати з чавунними литими опорами мають вигляд наповне­ного трансформаторним маслом бака, в який опускають елементи опору. На рис. 12—7 зображено зовнішній вигляд ящика опорів серії ЯС, складеного з окремих чавунних елементів.

Апаратура автоматичного керування поділяється на командні апарати, реле і контактори. До командних апаратів належать кнопки керування і командоконтролери. Ці апарати призначені для подавання первинного імпульсу — команди в авто­матизовану схему електропривода.

Рис. 12—7. Ящик опорів серії ЯС.

Кнопки керування відрізняються одна від одної кількістю та конструкцією контактів і натискних пристроїв, а також конструк­цією захисної оболонки. Командоконтролери також відрізняються один від одного кількістю і конструкцією контактів. Контакти командних апаратів розраховані на малий струм кіл керування.

На рис. 12—8 зображено зовнішній вигляд кнопки керування (кнопочна станція) типу КУ. Вона має один нормально відкритий (HB) і один нормально закритий (НЗ) контакти місткового типу, електрично між собою не сполучені. Положення контактів змінюють кнопками «Пуск» і «Стоп». Кнопкові елементи мають спільний кожух.

Реле. Реле є основними апаратами в схемах автоматизованого електропривода, які за допомогою малих струмів керують роботою електричних установок, що споживають великі струми. Вони мають нормально відкриті або закриті контакти, увімкнені в коло керу­вання. Залежно від різних фізичних факторів реле замикають або

розмикають свої контакти, здійснюючи перемикання в колах керу­вання автоматичних схем. Існує величезна кількість різних типів

і конструкцій реле: механічні, теплові, електромагнітні та ін. В ав­томатизованому електроприводі поширені теплові та електромаг­нітні реле.

о—VVvVv—°

Теплові реле застосовують звичайно для захисту дви­гунів від перевантажень. Схему теплового реле показа­но на рис. 1—29. Струм голов­ного кола проходить по спе­ціальному нагрівному елемен­ту I_y який нагріває бімета­леву пластинку 2. Коли струм у нагрівному елементі пере- Рис. 12—8. Кнопка керування типу КУ. вищить установлену вели­чину, біметалева пластинка вигнеться так, що кінець її, піднімаючись угору, звільнить важіль 4. Тоді під дією пружини З контакт 7 розімкнеться і змінить режим роботи кола керування. Рух від важеля 4 до рухомого контакту 7 передається ізолювальною планкою 6. Для повернення реле у вихідне положення після ос­тигання біметалевої пластин­ки треба натиснути на кноп­ку 5. Реле можна відрегулю­вати на різні струми спрацьо­вування.

Електромагнітне реле максимального струму типу «ЭТ» показано на рис. 12—10.

O——	ί°
	CE E
	Lrl

Рис. 12—9. Схема теплового реле.

При коротких замиканнях у колі двигуна або короткочас­них надмірних перевантажен­нях двигуна від сітки піде великий струм, який одно­часно протікатиме і по ко­тушці реле /. Котушку реле вмикають у коло навантажен­ня через вимірювальний тран­сформатор струму або безпо­середньо. Електромагніт при­тягне z-подібний якір 7, а разом з ним повернеться вісь і рухомий контакт 6, який замкне нерухомі контакти 5. При цьому буде поданий електричний сигнал на вимкнення двигуна. Як тільки струм змен­шиться, пружина 4 поверне z-подібний якір і контакт 6 у вихідне положення. Повертаючи стрілку 3 на шкалі 2, можна регулювати величину струму спрацьовування реле.

Контактори і магніт­ні пускачі. Контактори призначені для автоматич­ного і дистанційного ке­рування електричними установками з напругою до 500 в. Сучасні кон­тактори витримують до 20 млн. вимикань, розри­ваючи струми 100—600 а за дуже короткий час —

0,04—0,1 сек.

Рис. 12—10. Реле максимального струму.

На рис. 12—11 показа­но триполюсний контак­тор змінного струму без дугогасильної камери. Він змонтований на цементно- азбестовій плиті, просоче­ній ізоляційним лаком.

Безпосередньо на ній за­кріплені нерухомі контакти 5, сердечник електромагніту і його ко­тушка 5. Рухомі контакти 2, до яких підходять гнучкі провідники 1

Рис. 12—11. Триполюсний контактор змінного струму.

І ЛІ,	лг	N W j

А

1. якір 6 електромагніту, закріплені на валі 7. Для вмикання контактора подають струм до котушки електромагніту 5, який при­тягує якір 6. Разом з якорем обертається вал 7, що замикає рухомі

2. і нерухомі 3 робочі контакти, через які струм іде від сітки до електричної установки. Якщо припинити подачу струму до котушки електромагніту, то контактор вимкнеться під дією пружини і влас­ної ваги рухомих частин. Короткозамкнений виток 4 зменшує вібрацію якоря і гудіння контактора під час роботи.

Для гасіння дуги, що виникає в момент розмикання кола, послі­довно з нерухомими контактами вмикають дугогасильні котушки (на рисунку не показано). Під час проходження по них струму ство­рюється магнітне поле, яке видовжує дугу і виштовхує в дугога­сильну камеру, де вона потрапляє на металеву решітку, подрібнює­ться, інтенсивно охолоджується і швидко загасає. Праворуч на валі закріплені блок-контакти 8, призначені для замикання і роз­микання допоміжних електричних кіл.

Контактори бувають однополюсні, двополюсні і триполюсні

3. нормально відкритими (HB) і нормально закритими (НЗ) голов­ними контактами. Нормальним станом контактів є такий, при якому струму в котушці керування немає. Випускають контактори на змінний струм типів KT з переднім і заднім приєднанням проводів і типу КТЭ — тільки з заднім приєднанням проводів і на постій­ний струм типу КП. Перша цифра після літер показує кількість головних контактів, друга — величину (всіх п’ять), наприклад, КТ-32, КТЭ-32 і т. д.

Магнітні пускачі — це ті самі контактори, які звичайно ще мають теплові реле для автоматичного вимикання двигуна під час перевантажень струмом.

Найбільш поширені пускачі типу П, які допускають вмикання асинхронних короткозамкнених двигунів до 75 кет при напрузі до 500 в. Позначення типу пускача, наприклад П-322, розшифро­вується так: літера П — магнітний пускач, перша цифра 3 — габа­рит, друга — виконання кожуха (1 — відкрите, 2 — захищене), третя показує, чи реверсивний пускач чи нереверсивний, а також чи має він тепловий захист (1 — нереверсивний без теплового за­хисту, 2 — нереверсивний з тепловим захистом, 3 і 4 — реверсивні відповідно без теплового захисту і з тепловим захистом).

Апаратура захисту електропривода. Захист від перевантажень і коротких замикань може здійснюватись за допомогою плавких запобіжників, автоматичних вимикачів або реле. Захист від пере­грівання, зникнення напруги або її зниження чи підвищення здій­снюється тільки за допомогою реле.

Запобіжники низької напруги виготовляють двох типів: з різь­бою (пробкові) до 60 а і 500 в і трубчасті до 1000 а і 500 в.

Пробкові запобіжники виготовляють з різьбою трьох діаметрів: 14, 27 і 33 мм відповідно на струми 10, 20 і 60 а.

Трубчасті запобіжники бувають кількох типів. Ix поділяють

-V-	І"1 І »
;	4-
ΊΓ		І !
	*! 4і
V	-И і і	t! І І
ί і '		J=U
*:	H— 11	V
t	і

Рис.

а

12—12. Трубчасті запобіжники:

а — типу НПР; б — типу ПР.

на дві основні групи: з струмообмеженням і без струмообмеження. Запобіжники з струмообмеженням — де такі, в яких після розплав- лення плавкої вставки струм швидко зменшується до нуля. Для цього в трубчастому запобіжнику є сухий кварцовий пісок, який швидко охолоджує дугу, що й приводить до різкого зменшення струму короткого замикання.

У запобіжників без струмообмеження після розплавлення плав- кої вставки і утворення дуги струм короткого замикання (або струм

перевантаження) не зменшує- ться. Дуга гасне лише після підвищення тиску газів (до 90—100 атм), які утворю- ються від розпаду оболонки запобіжника.

Нарис. 12—12, а показано запобіжник із струмообме- женням типу НПР (запобіж- ник розбірний з наповнюва- чем). Він складається з фар- форової трубки 1, на кінці якої накручено ковпачки з но- жами. Усередині трубки роз- міщено кілька паралельних дротинок 2 відповідних діа- метра і довжини. На кожній дротинці зроблено петельку, на яку напаяна олов’яна кулька 3, що прискорює пе- регоряння дротинки в цьому місці.

У патроні запобіжника розміщають 6, 8, 10 і 12 па-

ралельних дротинок відповідно до номінальних струмів 100,125, 160 і 200 а. Трубка заповнена кварцовим піском. Запобіжник пра- цює без викидання полум’я, безшумно.

На рис. 12—12, б показано трубчастий запобіжник типу ПР. Він складається з фібрової трубки 5, на кінцях якої закріплено два кільця 6 з різьбою. На ці кільця накручені ковпачки 3, які затискують ножі 2. Плавка вставка 4 (звичайно цинкова) прикріп- лена гвинтами до ножів. Вставка має неоднаковий переріз. Під час проходження струму короткого замикання вставка плавиться в міс- цях меншого перерізу. У цьому випадку утворюється менша кіль- кість пари металу. Якщо плавка вставка розплавлюється і утво- рюється дуга, то розкладається твердий дугогасильний матеріал (фібра), підвищується тиск газів, внаслідок чого дуга гасне. Спа- лену плавку вставку легко замінюють новою. Запобіжники для двигуна електропривода добирають так. Визначають струм плавкої

де а — коефіцієнт запасу, який ураховує тип запобіжника та характер пуску двигуна (легкий або важкий пуск) і приблизно до­рівнює 2,5.

Визначають пусковий струм I_n, який для трифазного асинхрон­ного двигуна з короткозамкненим ротором обчислюють за фор­мулою:

/,і = (5 — 8) /_к, (12-5)

Рис. 12—13. Повітряні автоматичні вимикачі:

а — однополюсний максимального струму; б — однополюсний мінімальний автомат.

де I_h — номінальний струм двигуна, який обчислюють за фор­мулою:

P_u ■ 1000

Ih = ГтЧ (12—6)

VzU COS φ

беручи значення номінальної потужності двигуна P_h у кілова­тах, лінійну напругу — у вольтах і cos φ — з паспорта двигуна. Відповідно до обчисленого струму вставки I_e знаходять у таб­

лицях довідників запобіжник на відповідний або найближчий біль­ший струм.

Повітряні автоматичні вимикачі. Повітряні автоматичні вими­качі призначені для роботи в електричних силових установках змінного і постійного струму з напругою до 500 в. Вони автоматично розмикають електричні кола при недопустимих перевантаженнях, коротких замиканнях і зниженні напруги, а також здійснюють нечасту комутацію кіл у нормальних умовах.

Нарис. 12—13, а зображено схему автомата максимального стру­му. До ізолювальної плити 6 прикріплені пружинні плоскі кон­такти 3, в які заходить ніж рубильника 2. У робочому положенні ніж з рукояткою 4 тримає заскочка 5. Обмотка електромагніту 8 сполучена з ножем 2 послідовно. Коли струм перевищить допустиме значення, сердечник електромагніту 8 притягне якір 7, заскочка 5 звільнить рукоятку 4, яка під дією пружини 1 відхилиться вліво і розімкне коло струму. На рис. 12—13,6 показано схему міні­мального автомата, який вимикає установку при зниженні або зникненні напруги.

Обмотка електромагніту 8 увімкнена на напругу сітки і тримає якір 7, укріплений на рукоятці 6. При зменшенні напруги сила притягання електромагніту зменшується і рубильник під впливом пружини 2 та вантажу 5 розмикає коло струму. Обидва автомати вмикають вручну.

Повітряні автоматичні вимикачі бувають однополюсні, двопо­люсні і триполюсні.

12. 5. Схеми автоматизованого електропривода

Схему автоматизованого електропривода з реверсивним магніт­ним пускачем показано на рис. 12—14, яка дає змогу вмикати двигун у мережу, вимикати його з мережі і проводити реверсування.

На схемі жирними лініями зображено силове коло, а тонкими — коло керування.

Для пуску двигуна вперед вмикають рубильник IP і натискають кнопку «Вперед»; при цьому котушка контактора В живиться по такому колу: лінія Jl₃—нормально замкнена кнопка «Стоп» — кнопка «Вперед» — нормально замкнений контакт H контактора «Назад» — котушка контактора В — контакти теплових реле І PT; 2РТ — лінія Jl_i. Контактор В замикає свої контакти в силовому колі, і ротор двигуна починає обертатись. Одночасно з головними контактами контактора В замикається його блок-контакт В, який забезпечує живлення котушки контактора В при відпущеній кнопці «Вперед».

Після пуску двигуна вперед помилкове натиснення на кнопку «Назад» не ввімкне контактора H і не спричинить зв’язаного з цим короткого замикання в схемі, бо коло контактора H буде розімк- нене допоміжним контактом контактора В.

Для пуску двигуна назад насамперед натискують кнопку «Стоп», що приводить до вимкнення контактора В і до зупинки електродви­гуна. Потім натисканням кнопки «Назад» пускають двигун у зво­ротному напрямі. Котушка

ґ;

^wJ=

Ґ/

Ψ

[] 0 її П

Вперед „ IPT 2РТ

. . JU H

L-0|0-»0

Стоп

Bi=

IPT

[2 PT

Рис. 12—14. Схема сполучень реверсивного магнітного пускача:

В —контактор «вперед»; H — контактор «назад», PT — реле теплові.

л

Рис. 12—15. Схема автоматизованого електро­привода з двигуном постійного струму послі­довного збудження:

JJ—лінійний контактор: — контактор керування

контактора H живиться по такому колу: лінія JI₃ — кнопка «Стоп» — кнопка «Назад»— увімкнений кон- такт В — котушка кон- тактора H — увімкнені контакти теплових реле IPT і 2РТ — лінія JI₂. Тут знову-таки помилкове натискання кнопки «Впе- ред» не спричинить недо- пустимого ввімкнення кон- тактора «Вперед», бо це коло буде розірване до- поміжним контактом H контактора «Назад». На- гадуємо, що кнопки ма- ють механічне блокуван- ня, тому при одночасному їх натисканні двигун не ввімкнеться.

При перевантаженні двигуна спрацьовує теп- лове реле IPT або 2РТ. Розмикаючи свої контакти IPT або 2РТ, вони зне- струмлюють будь-яку з увімкнених котушок кон- такторів, і двигун зупи- няється. Схему автомати- зованого електропривода двигуном постійного стру- му послідовного збуджен- ня показано на рис. 12—15.

При натисканні кноп- ки «Пуск» котушка ліній- ного контактора вмикає-

ться в мережу і спрацьовує, замикаючи силовий і блокуваль- ний контакти JI. У колі нерухомого якоря двигуна виникне постій- ний струм, величина якого обмежуватиметься пусковим реостатом R і R 2*

У перший момент пуску напруга на котушках контакторів керу- вання IKK і 2КК мала, оскільки вона визначається тільки спадом

напруги в нерухомому якорі, опір якого дуже малий. У міру збіль­шення швидкості обертання двигуна відповідно збільшується про- тиелектрорушійна сила в обмотці якоря. Разом з нею збільшується і напруга на котушках контакторів керування. Коли напруга на щітках двигуна досягне величини, достатньої для спрацьовування першого контактора керування 1КК, він своїми силовими контак­тами закоротить першу секцію R₁ пускового реостата, що різко збільшить струм у колі якоря двигуна і прискорення. Коли шви- кість якоря досягне значення, при якому напруга на щітках ма­шини (яка визначається величиною проти-е. р. с.) дорівнюватиме напрузі спрацьовування другого контактора керування 2КК, він також замкне свої контакти і зашунтує другу секцію R₂ пускового реостата. Двигун набере нового прискорення і обертатиметься з постійною швидкістю, що визначається навантаженням на його валі. Зупиняють двигун кнопкою «Стоп».

ВИРОБНИЦТВО, ПЕРЕДАЧА І РОЗПОДІЛ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

13—1. ТИПИ ЕЛЕКТРИЧНИХ СТАНЦІЙ

Електростанція — це підприємство, при­значене для вироблення електричної енергії. Енерге­тичне господарство Радянського Союзу, як і всіх країн світу, розвивається на базі використання всіх наявних енергетичних ресурсів (тверде, рідке і газове паливо, гідроенергетичні ресурси, енергія вітру і сон­ця, атомна енергія).

Загальносвітові енергетичні ресурси кам’яного вугілля становлять приблизно 3600 млрд. т або 21,8 · IO¹⁵ кет ■ год електроенергії; бурого вугілля — 1200 млрд. т або 1,8 · IO¹⁵ кет ■ год; нафти — 260 млрд. т або 3,2 · IO¹⁵ кет ■ год; горючого газу — 16000 млрд. м³ або 0,2 · IO¹⁵ кет · год електроенергії. З цієї кількості в Радянському Союзі зосереджено близько 50% кам’яного і бурого вугілля, до 20% нафти і понад 10% горючого газу. Водна енергія CPCP тільки великих і середніх річок може забезпечити щорічне виробництво електроенергії в кількості, що перевищує 1700 млрд. кет ■ год.

Світові запаси найбільш досліджених розщеплю­ваних матеріалів становлять: урану — 25 млн. т або 500 ■ 10^і* кет ■ год; торію—1 млн т або 20 ■ IO¹⁵Kem · год.

Енергія, яка виділяється при розпаді 1 кг урану, дорівнює 18—20 млрд. ккал, тобто в 2,6—2,8 млн. раз більше від теплотворності доброго кам’яного вугілля.

Таким чином, світові запаси розщеплюваних мате­ріалів, переведених на кількість можливого вироблен­ня електроенергії, вищі за всі світові паливні запаси майже в 20 раз.

Ось чому питома вага атомних електростанцій у загальному балансі виробництва електроенергії весь час зростає. Немає сумніву, що електроенергетика майбутнього буде електроенергетикою атомною.

Залежно від виду енергії, яка перетворюється в електричну, розрізняють три основні типи електрич-

них станцій: теплові (ТЕС), гідростанції (ГЕС) і атомні (AEC) елек­тростанції.

Безпосереднє перетворення сонячної енергії в електричну на геліоелектростанціях поки що не вийшло за рамки експериментів. Вітрові та інші електростанції (геотермічні — на підземному теплі, приливні — на енергії морських приливів) не відіграють помітної ро­лі в сучасній електроенергетиці. Тому докладно опишемо процеси роботи і структуру обладнання тільки теплових, гідравлічних і атомних електростанцій.

Теплові станції. Технологічний процес теплової електростанції (пиловугільної) відбувається за такою схемою (рис. 13—1).

Паливо у вагонах 1 через вагу надходить у розвантажувальний пристрій 2, з якого транспортними механізмами а або б транспор­тується на вугільний склад 3 або в котельню. Із складу в котельню паливо можна подавати і транспортерами.

На шляху в котельню вугілля проходить через дробильну уста­новку 4, в якій подрібнюється в окремі кусочки розміром 10—20 мм. Транспортерами в подрібнене вугілля подають у бункери сирого вугілля котельної 5, а потім у вугільні млини 6.

Вугляний пил з млинів відсмоктується ексгаустерами 7 (від­смоктуючий вентилятор) і подається в топку 8 котельного агрегату. Гарячі гази, які тут утворюються, омивають поверхні нагріву ко­тельного агрегату: кип’ятильні трубки 9, пароперегрівник 10, водя­ний економайзер 11 і повітропідігрівник 12. Після золовловлювача 13 гази димососом 14 видаляються в атмосферу через димову трубу 15.

Повітря, яке потрібне для горіння, подається нагнітальним вен­тилятором 16 через повітропідігрівник у топкову камеру.

Шлаки, що випадають з топкової камери, і зола, яка збирається під повітропідігрівником та золовловлювачем, відводять звичайно за допомогою води по каналах або трубах г в установку золовидалення 17 і потім на золові відвали.

Перегріта пара з котельного агрегату паропроводом д через водовідділювач 18 підводиться до турбіни 19. У турбінах енергія пари перетворюється в механічну, а потім у генераторі 33, розта­шованому на одному валі з турбіною, — в електричну енергію, звідки й надходить на шини розподільного пристрою станції.

Конденсат турбіни з конденсатора 20 конденсатним насосом 21 через регенеративні допоміжні підігрівники низького тиску 22 по­дається в деаератор 23, який призначений для видалення газів з живильної води котлів. Потім насосами 24 через підігрівники високого тиску 25 вода подається по трубах е у водяний економай­зер котельного агрегату 11 і далі по трубі 2 в котел.

Втрати пари і конденсату на станції поповнюються хімічно очищеною водою, яка подається насосами 26 через очищувальні апа­рати 27 по трубах Ж в деаератор 23.

Для охолодження конденсаторів турбін насоси 28 подають воду з каналу 29, після чого підігріта вода зливається в канал ЗО.

Пара від турбіни підводиться до установки 31, з якої за допомо­гою теплоносія (пари або гарячої води) подається до споживачів теплової енергії те.

До споживачів електрична енергія надходить через головний електричний розподільний пристрій 34 (звичайно через підвищу­вальну підстанцію). Для власних потреб станції енергія подається через розподільний пристрій власних потреб 35.

На рисунку зображено також джерело водопостачання (річка, озеро) 36, яке сполучене з каналами 29 і ЗО.

Теплові станції поділяються на станції з паровими турбінами (найбільш поширені) і станції з двигунами внутрішнього згоряння. Якщо паротурбінна електростанція виробляє тільки електричну енергію, вона називається конденсаційною (КЕС), якщо вона одно­часно виробляє електричну і теплову енергію, то — теплоелектро­централлю (ТЕЦ). На сучасних теплових паротурбінних електро­станціях питома витрата палива становить 0,34—0,31 кг/квт ■ год, а їх к. к. д. досягає 36—40%. К. к. д. ТЕЦ досягає 60%. Понад 80% усієї електроенергії виробляють теплові електростанції.

Гідроелектричні станції (ГЕС). Комплексна силова установка, яка перетворює енергію руху водних джерел в електричну енергію, називається гідроелектричною станцією (ГЕС). Залежно від геологічних умов місцевості ГЕС поділяють на г р е- бельні і дериваційні.

На гребельних гідростанціях упоперек русла річки споруджу­ють греблю, яка утворює потрібний підпір H рівня води. Така ГЕС має машинне приміщення, в якому встановлюють гідрогене­ратори, головний пульт керування, шлюзи для пропускання суден і допоміжні споруди. На рис. 13—2 показано поперечний переріз гребельної ГЕС. Вода з верхнього б’єфа, створеного греблею 1, надходить у спіральну камеру 15, а потім на лопаті турбіни 14 і робоче колесо турбіни 13, де кінетична енергія води перетворює­ться в механічну енергію. Спрацьована вода через всмоктувальну трубу 11 іде в нижній б’єф річки. Всмоктувальна труба створює під турбіною розрідження, що сприяє збільшенню потужності і к. к. д. станції. Турбогенератор 17 вертикальним валом з’єднують з тур­біною. У машинному залі станції 8 установлено мостовий кран 7. Для грубої фільтрації води призначена решітка 2, яка чиститься механізмом 4, а бруд відводить назовні лотік 3.

На період ремонту в пази 12 і 16 за допомогою кранів 9 і 6 закла­дають щити (шандори) 5 і 10, які припиняють надходження води в турбіну.

Потужність турбіни вручну і автоматично регулюють поворотом лопаток напрямного і робочого коліс.

Дериваційні ГЕС будують звичайно на річках у гірській місце­вості. Ix особливість полягає в тому, що вода з русла річки до турбін підводиться по обхідних водоводах, які утворюють напір біля турбінної установки.

Атомні електростанції (AEC). Першу в світі атомну електро­станцію потужністю 5000 кет введено в експлуатацію в CPCP у 1954 р. Схему її показано на рис. 13—3. Основною частиною станції є атомний реактор 1. У цей реактор завантажують 550 кг урану-238, збагаченого до 5% ураном-235. При розщепленні ядер урану-235 повільними нейтронами частинки ядер, рухаючись з величезними швидкостями, при стиканні з ядерним «пальним» або з уповіль­нювачами руху передають їм частково свою енергію, внаслідок чого температура в реакторі значно підвищується. Між урановими стерж­нями для регулювання реактора рівномірно розміщують стержні з карбідом бору. При їх опусканні активність реактора знижується і може бути зовсім припинена. Для захисту від радіоактивного випромінювання навколо реактора є шар води завтовшки до 1 м, бетонна стіна завтовшки до 3 ж і чавунна стіна завтовшки 0,25 м.

Коли збагачення природного урану-238 розщеплюваним ураном- 235 зменшиться до 4%, уранові стержні змінюють, заново збага­чуючи їх на відповідних підприємствах.

Під час роботи реактора частина урану перетворюється на плу- тоній-239, який також застосовується як ядерне «пальне».

Щоб забезпечити безпосередній догляд за турбогенератором і турбіною, на атомних електростанціях застосовують двоконтурну теплову схему, за якою нагріта під тиском в атомному реакторі вода використовується як теплоносій для вироблення водяної пари в пароутворювачах поверхневого типу. Після пароутворювача пара не заражена радіоактивністю, тому парові турбіни, до яких подається пара другого контура, може безпосередньо доглядати обслуговуючий персонал.

Теплова потужність атомного реактора на першій атомній елек­тростанції AH CPCP дорівнює ЗО 000 кет, що забезпечує при від­повідних параметрах робочої пари (12,5 атм, 260° С) потужність турбогенератора 2 і 3 в 5000 кет. Вода в реакторі, що циркулює в першому контурі, нагрівається до температури 270° — 280° під тиском 100 щпм.

Після пароутворювача другого контура (підігрівник — 4, ви­парник — 5, перегрівник пари — 6) охолоджена вода (теплоносій) з температурою близько 190° знову подається в реактор. Тиск води в першому контурі забезпечується живильним насосом 7, вирівню­вачем тиску 8, тиск в якому підтримується газовими балонами висо­кого тиску 9. У другому контурі передбачено дві конденсаторні установки: 11 — для конденсації пари після турбіни і 10 — пуско­вий конденсатор.

При навантаженні 5000 кет станція витрачає ЗО г урану за добу.

Сучасні атомні електростанції поки що мають низький к. к. д.— 25—30%.

Комутаційна апаратура високої напруги призначена для вми­кання і вимикання генераторів, трансформаторів, ліній електропе­редач тощо. При вимиканні електричного кола між контактами вимикаючого апарата виникає електрична дуга, яка нагріває і псує контакти. Особливо тяжкі умови виникають для вимикаючого апа­рата при розриві ним кола в аварійному режимі, при короткому замиканні, коли струми набагато перевищують нормальні значення.

Рис. 13—4. Вимикач горшковий типу ВМГ-133, 6—10 кв, 400—1000 а.

Щоб вимикаюча апаратура пра­цювала нормально довгий час, передбачено пристрої для швид­кого гасіння дуги (наприклад, обдування дуги газом або повіт­рям, застосування пружин для швидкого збільшення дугового проміжку тощо).

Вимикачі. Високовольтним вимикачем називають апарат, призначений для вмикання і вимикання електричного кола напругою понад 500 в під стру­мом навантаження. У конструк­ції вимикачів передбачено та­кож автоматичне вимикання електричного кола під час ко­ротких замикань. За принципом дії такі вимикачі поділяють на масляні і повітряні.

У масляних вимикачах ос­новні контакти, що розмикають головне коло, розміщують у мас­лі, яке є ізолятором і гасить дугу. Масляні вимикачі поді­ляють на бакові (з вели­ким об’ємом масла) і горш­кові (з малим об’ємом масла).

Безмасляні вимикачі бувають: автогазові, повітряні з стисненим повітрям та ін. Усі вимикачі приводяться в дію вручну і автоматично.

Бакові вимикачі важкі. Вони потребують великої кількості масла і вибухонебезпечні, тому їх тепер установлюють рідко.

Найпоширенішим типом вимикачів в CPCP є горшкові малома- сляні вимикачі, які безпечніші щодо вибуху, легші і менші за бакові.

На рис. 13—4 показано трифазний вимикач горшкового типу ВМГ-133 на 6—10 кв і 400—1000 а, які випускають для внутріш­нього встановлення.

Щоб увімкнути такий вимикач спеціальним приводом, звичайно електромагнітним, повертають вал 8, разом з яким повертається коромисло 13. Кінець коромисла через ізолятор 12 тисне на кінець стержня 6 (рухомий контакт), який своїм другим кінцем проходить крізь ізолятор 11 і заходить у нерухомий контакт 7. На другому кінці коромисла 13 у цей час розтягується пружина 9. Коли вими­кач увімкнений, струм проходить через ввідну струмопровідну шину 1, гнучку шину 5, контактний стержень 6, контакт 7, затис­кач 2 і надходить до відвідної шини. У ввімкненому стані контакти цього вимикача вдержує спеці­альна заскочка на приводі.

Рис. 13—5. Роз’єднувач рубаючого ти­пу для зовнішнього встановлення на 6 кв.

Коли заскочку зміщують (вруч­ну або автоматично), пружина 9 швидко піднімає стержень 6 і розмикає коло. Дуга, що вини­кає при цьому, гасне в маслі, яким наповнений бак 4 вимика­ча. Вимикач кріплять до сталь­ної рами 10 на ізоляторах 3.

В автогазових вими­качах дуга гаситься газами, які утворюються під дією дуги внаслідок розкладання пластич­них мас (плексигласу, органіч­ного скла і гетинаксу).

В окрему групу слід виділити так звані вимикачі наван­таження, які вимикають тільки струми навантаження. Для захисту обладнання від коротких замикань до цих вимикачів при­єднують високовольтні запобіжники. Вимикачі навантаження роз­раховані на напругу 6—10 кв і можуть вимикати струми 200—400 а. Застосовують їх на закритих підстанціях невеликих потужностей.

Найбільш потужними і досконалими, але разом з тим складними і дорогими, єповітряні вимикачі, в яких гасіння дуги і все керування виконується стисненим (до 18—20 атм) повітрям. У повітряних вимикачах дуга гаситься за 0,05—0,08 сек. Вони роз­раховані на напругу HO, 220 і 400—500 кв.

Роз’єднувачі. Роз’єднувачі не мають дугогасильних пристроїв. Тому ними можна розмикати електричні кола лише після того, як струм навантаження вимкне масляний або якийсь інший вимикач; вмикають роз’єднувач раніше, ніж вимикач. Роз’єднувачі створю­ють видимий розрив електричного кола, що гарантує безпеку під час ремонтів і ревізій вимикальних апаратів. Якщо ж розірвати роз’єднувачем коло з струмом навантаження, то утворена дуга може спричинити аварію електричної установки.

Правилами експлуатації електричних установок роз’єднувачем дозволяється вимикати: струми навантаження до 15 а при напрузі

до 10 кв; трансформатори напруги і повітряні лінії будь-якої дов­жини з робочою напругою до 20 кв; струм холостого ходу силових трансформаторів потужністю до 750 кет, а при напрузі — до 10 кет.

Роз’єднувачі бувають однополюсні і триполюсні, для внутріш­нього і зовнішнього встановлення, на різні струми і напруги (від цього залежить тип ізоляторів, на яких вони змонтовані).

На рис. 13—5 показано (у вимкненому положенні) один полюс роз’єднувача рубаючого типу на 6 кв для зовнішньої установки.

Рис. 13—6. Високо­вольтний запобіж­ник типу ПК.

Для вмикання кола повертають вал 11. З ва­лом зв’язаний важіль 10, який через ізолятор S з’єднаний з ножем роз’єднувача 7. Коли повер­нути вал 11, ніж 7 електрично сполучиться з контактом 6, і струм піде через контакти З і 6, ніж 7 і контакт 9.

На нерухомому контакті 6 закріплений ріг 4. Другий ріг 5 закріплений на ножі. Ці роги призначені для гасіння дуги, яка утво­рюється під час вимикання намагнічуючих струмів трансформаторів або невеликих стру­мів ліній.

Роз’єднувач монтують на стальній рамі 1 через опорні ізолятори 2.

13—3. АПАРАТУРА ЗАХИСТУ ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯ

Для захисту високовольтного електрооблад­нання від коротких замикань застосовують високовольтні запобіжники і реле. Крім того, електрообладнання захищають від грозових ударів і перенапруг відповідними апаратами і пристроями.

Високовольтні запобіжники. Високовольтні запобіжники бувають для внутрішнього вста­новлення — типу ПК і ПКТ і для зовніш­нього встановлення — типу ПКН і ПСН на напругу 3, б, 10 і 35 кв. їх плавкі вставки виготовляють для струмів різної величини — від 2 до 400 а.

Нарис. 13—6 показано розріз запобіжника типу ПК (запобіжник з кварцовим наповнен­ням). Він має фарфорову трубку 5, на кінцях якої цементним розчином закріплені латунні ковпачки 2 і 6. Усе­редині трубки міститься плавка вставка 4 з кількох покритих сріб­лом мідних дротинок, намотаних на керамічний сердечник. Внут­рішній простір трубки заповнений чистим дрібним кварцовим піс-

ком 3. У робочому положенні одна з дротинок плавкої вставки вдер­жує пружину покажчика 7 у стисненому стані. Зверху і знизу до патрона припаяні кришки 1. Коли плавка вставка перегоряє, пру­жина виштовхує назовні покажчик і цим сигналізує, що запобіж­ник спрацював. У запобіжнику ПКТ (для захисту вимірювальних трансформаторів) плавку вставку виготовляють з константанової дротинки. Вона не має по­кажчика спрацьовування, то­му що перегоряння запобіж­ника в колі вимірювального трансформатора відразу помі­тить черговий персонал.

Для зовнішньої установки застосовують стріляючі запо­біжники типу ПСН, в яких при згорянні плавкої вставки з трубки з шумом викидаєть­ся полум’я.

Для напруг понад 10 кв застосовують рогові запобіж­ники. Плавка вставка в цьо­му запобіжнику міститься в скляній трубочці, заповненій тальком. При перегорянні вставки від тепла дуги тальк бурно виділяє гази, скляна трубка вибухає, дуга пере­ходить на стальні роги,здов­жується і швидко гасне.

Реле. У складних мережах з двома або більше точками живлення плавкі запобіжни­ки не можуть забезпечити достатньо надійного захисту обладнання при коротких за­миканнях. У цих випадках захист виконують досконалі­ші, але й складніші, автома­тично діючі апарати — реле.

Крім головних реле, які спрацьовують при порушенні нормаль­ного режиму роботи (зміна зверх норми струму, напруги, тиску газів та ін.), у схемах захисних пристроїв застосовують допо­міжні реле: часу, сигнальні, проміжні.

Реле часу забезпечує спрацювання пристроїв через певний проміжок часу після початку короткого замикання; сигнальні реле полегшують обслуговуючому персоналу швидку орієнтацію в схемі аварійного захисту; через контакти проміжного реле

(їх завжди кілька пар) вмикаються кола вимикачів, сигнальних пристроїв тощо.

На рис. 13—7 схематично зображено реле часу типу ЭВ. При вмиканні намагнічуючої котушки З в коло джерела живлення якір 1 втягується всередину котушки, стискуючи протидіючу пружину 2. Поступальний рух якоря за допомогою зубчастої передачі 4 і 5 перетворюється в обертальний рух повідця 6, який заводить пру­жину 7 годинникового механізму. На осі годинникового механізму, що має маятник 8 і храповик 9, закріплена струмопідвідна пружина 10 рухомого контакту 11. При роботі реле вона повертається до зіткнення з струмовідвідною пружиною нерухомого контакту 12, який за допомогою колодки 13 можна пересувати і закріплювати на шкалі 14, забезпечуючи потрібний час спрацювання виконуючого кола, яке приєднується до затискачів 15 і 16. При вимкненні котушки З пружина 2 повертає якір 1 у вихідне положення.

Рис. 13—8. Принципові схеми максимального (а) і диферен­ціального (б) струмових захистів.

Головні і допоміжні реле разом з вимірювальними трансфор­маторами сполучені в схеми захисту генераторів, транс­форматорів, ліній, двигунів тощо.

Найбільше поширені дві основні схеми захисту: максималь­на струмова і диференціальна струмова.

Для забезпечення надійності поєднують обидва види захисту. На рис. 13—8, а зображено принципову схему максимального стру- мового захисту. Струмове реле ЭТ вмикають у кожну фазу. Котушки цих реле живляться від трансформаторів струму, які ввімкнені також у кожну фазу. При короткому замиканні струм / у голов­ному колі різко зростає. Збільшений струм у вторинній обмотці I_p трансформатора струму примушує замкнути розімкнені контакти реле ЭТ. У колі реле часу ЭВ виникне оперативний струм від сто­роннього джерела. Контакти замкнуться і живлення дістане ко­тушка проміжного реле ЭП, яке спрацює і замкне коло вимикаю­чих апаратів: вимикача, сигнального пристрою тощо.

Принципову схему диференціального струмового захисту (одна фаза, без допоміжних реле) зображено на рис. 13—8, б. Реле типу ЭТ

вмикаються до з’єднувальних проводів паралельно. У нормаль­ному режимі вторинні струми циркулюють по з’єднувальних про­водах, не заходячи в реле, тому що потенціали в точках 1 і 2 рівні. При короткому замиканні в зоні захисту, охопленої двома транс­форматорами струму, баланс струмів обох груп трансформаторів порушується, струм заходить у реле ЭТ, і воно спрацьовує. Далі схема працює аналогічно до попередньої.

Диференціальний захист відзначається високою чутливістю і швидкістю дії, тому він зараз широко застосовується.

Рис. 13—9. Схема будови і вмикання трубчастого роз­рядника типу PT.

Грозозахист електроустановок. Ураження грозовими розрядами незахищених споруд і електроустановок бувають причиною пожежі і руйнування, а інколи — навіть людських жертв.

Аналіз аварій за ряд років на електроуста­новках України показує, що близько 30% цих аварій були наслідком грозових перенапруг.

Там, де є надійний грозозахист, імовірність попадання грозових розрядів в електричні установки виключається майже повністю.

Блискавка являє собою складне явище електричного розряду в атмосфері між різно­йменно зарядженими частинами хмар або між хмарою і землею. Принцип дії будь-якого грозо­захисного пристрою полягає в тому, що він при­ймає на себе розряд блискавки і потім відво­дить його в землю, не допускаючи на спору­ду. Потужність грозового розряду буває дуже великою. Його напруга може досягати кількох мільйонів вольт, а струми — десятків тисяч амперів.

Захист електричних установок від прямих ударів блискавки виконують за допомогою блискавковідводів. На відкритих підстанціях установлюють стержневі блискавковідводи, що являють собою високу (кілька десятків метрів) щоглу, яку вста­новлюють на бетоні. Зверху закріплюють стальний стержень, який надійно заземлюють. Зона захисту буде тим більша, чим більша висота стержня блискавковідводу. Захист певної площі (підстанція тощо) від прямих ударів блискавки виконують установленням кіль­кох стержневих блискавковідводів. Опір заземлення їх не повинен перевищувати 20 ом.

Підходи ліній передачі до підстанцій напругою 20—35 кв захищають від прямих ударів блискавки захисними заземленими тросами, які підвищують над прово­дами лінії електропередач на 800—1000 м від підстанції. Лінії напругою HO кв і більше захищають тросами по всій її довжині.

Під час грозових розрядів у проводах ліній електропередач від електромагнітного поля блискавки індукуються великі е. р. с., значно вищі від напруги лінії. Ця перенапруга в лінії доходить до підстанції або станції і може пошкодити ізоляцію машин і апа­ратів, якщо не вжити відповідних заходів захисту.

Захист електричних установок від грозових перенапруг вико-

нують розр ядниками.

Рис. 13—10. Вентильний розрядник типу РВП.

Існують трубчасті і вен­тильні розрядники.

Трубчасті розрядники застосо­вують для захисту ліній електро­передач, а вентильні захищають трансформатори, генератори та ін­ше електрообладнання.

Трубчастий розрядник (рис. 13—9) складається з фібробакеліто- вої трубки 4, металевого стержне­вого електрода /, металевих нако­нечників 3 і резервуара 2 (для ство­рення газового дуття). Відстань I₁ між електродами забезпечує роз­ряд усередині трубки, а не по поверхні розрядника (відстань I₂). Крім внутрішнього іскрового про­міжку, трубчастий розрядник від­окремлений від лінії, що захи­щається, додатковим зовнішнім іскровим проміжком Ib, щоб при нормальних умовах розрядник не був весь час під напругою.

Атмосферна перенапруга про­биває зовнішній і внутрішній про­міжки розрядника і відводиться в землю. Гази, що утворюються в трубці, вириваються через перед­бачений для цього отвір яскра­вим снопом назовні з шумом, що нагадує постріл. При цьому від­бувається повне гасіння дуги, і споживачі електроенергії не від­чувають перерви в електропостачанні.

Вентильні розрядники за своїм призначенням поділяються на станційні (PBC) і підстанційні (РВП).

На рис. 13—10 показано вентильний розрядник типу РВП. Він складається з фарфорового кожуха 1, іскрових проміжків 2, вико­наних з латунних фасонних пластин (електродів), розділених міка- нітовими шайбами, вушка 4 для підвішування до проводу лінії, хомута 5 для заземлення і дисків 3 з спеціального матеріалу — віліту, електричний опір якого різко знижується з підвищенням напруги.

Якщо по лінії до електростанції або підстанції пробігає хвиля атмосферної перенапруги, то вона насамперед попадає на вентиль­ний розрядник, пробиває іскрові проміжки і через вентиль іде в землю. Коли струм, створений атмосферною перенапругою, пройде в землю, опір віліту різко зростає і не пустить робочого струму лінії в землю. При цьому споживач не відчує перерви в електро­постачанні.

13-4. ІЗОЛЯТОРИ, ШИНИ І КАБЕЛІ

Для закріплення проводів (ліній електропередач, збірних шин на станціях і підстанціях), а також апаратів високої напруги і для ізоляції цих проводів та апаратів від землі застосовують і зол α­τό р и: опорні, прохідні, штирові І ПІДВІСНІ.

а зверху покривають гла-

Рис. 13—11. Опорний ізоля­тор типу OA.

Виготовляють їх найчастіше з фарфору, який має високу елек­тричну (200 кв/см) і механічну міцність, зуррю. Усі з’єднання в ізоляторах ви­конують спеціальною цементуючою за­мазкою. Нарис. 13—11 показано опор­ний ізолятор типу OA. Його металева головка 1 і фланець З прикріплені до корпусу 2. У головці ізолятора є отвори з різьбою для кріплення затискачів або шинотримачів.

Прохідні ізолятори для розподіль­них пристроїв мало чим відрізняються від прохідних ізоляторів для транс­форматорів (див. рис. 4—5).

На лініях до 10 кв застосовують штирові ізолятори типу ШС (штировий Слов’янського заводу) і до 35 кв — ТІШ (штировий дельта). Для ліній електро­передач напругою 35 кв і вище застосо­вують підвісні ізолятори типу П.

Підвісні ізолятори підвішують один під одним, утворюючи так звану гірлянду.

Шини. У розподільних пристроях схему первинних кіл вико­нують головним чином за допомогою голих шин — алюмінієвих, мідних або стальних — звичайно прямокутного перерізу. Рідше застосовують круглі і трубчасті шини.

При великих струмах застосовують декілька шин водній фазі. Для кращого охолодження їх кріплять на певній відстані плазом або на ребро (рис. 13—12). До ізоляторів такі шини кріплять шино- тримачами.

Для відкритих розподільних пристроїв на повітряних лініях електропередачі найчастіше застосовують гнучкі шини з таких са­мих голих багатодротяних проводів.

Кабелі. На електричних станціях і підстанціях для сполучення генераторів і трансформаторів з розподільним пристроєм, для виведення живильних ліній від розподільного пристрою до повітря­ної лінії, для подачі енергії до електродвигунів тощо застосовують силові кабелі. Кабель складається з кількох жил, кожна з яких має велику кількість голих мідних провідників круглого перерізу.

Разом узяті, вони являють собою один струмоведучий провідник великого пере­різу. Така конструкція жили зменшує електричні втрати і надає кабелю певної гнучкості. Кожна з жил кабеля ізольо­вана одна від одної кабельним папером. Між жилами закладено джутовий запов­нювач. Щоб ізолювати жили від землі, роблять пасову ізоляцію з кількох шарів кабельного просоченого паперу. Поверх пасової ізоляції кабеля напресована свин­цева суцільна оболонка, яка захищає стру- моведучі жили кабеля від проникнення в ізоляцію вологи і від витікання з кабель­ного паперу речовини, якою його просо­чують. В окремих випадках свинцеву обо- 1 лонку замінюють алюмінієвою або пласт­масовою. Поверх свинцевої оболонки на- Рис. 13—12. Кріплення кладають шар просоченої паперової стріч- шин на ребро. ки і шар джуту, просоченого асфальтовим

лаком, які захищають свинцеву обо­лонку від механічних пошкоджень і хімічного впливу навколиш­нього середовища.

Зовні поверхню кабеля покривають стальною бронею у вигляді стрічки, яка захищає кабель від механічних пошкоджень.

Усередині приміщень і на території станцій та підстанцій кабелі прокладають у спеціальних кабельних каналах, а на стінах і стелях — на спеціальних кронштейнах, скобах і підвісах.

13-5. РОЗПОДІЛЬНІ ПРИСТРОЇ TA ПІДСТАНЦІЇ

Розподільним пристроєм (РП) називають сукупність електро­обладнання, призначеного для приймання і розподілу електричної енергії. Розподільні пристрої бувають закриті і відкриті.

Закриті РП монтують усередині приміщень, а відкриті — поза приміщеннями.

Підстанції (П/С) призначені для зміни напруги, струму, для розподілу електричної енергії. Вони також бувають закриті і від­криті, але і в закритих П/С трансформатори можна встановити на відкритому повітрі.

РП і П/С можуть бути збірними і комплектними.

Збірними називають такі РП і П/С, електрообладнання яких монтує в запроектованому місці бригада електромонтерів.

Комплектні РП і П/С — це такі, усе електрообладнання яких змонтоване в спеціальних шафах на заводі і повністю підго­товлене для вмикання до джерел енергії.

У РП все електрообладнання, яке належить одній лінії, монту­ють в окремих камерах, що називаються комірками. Електрооблад­нання таких комірок сполучають між собою проводами і приєд­нують до збірних шин. На рис. 13—13 зображено схему розподіль-

Рис. 13—13. Схема розподільного пристрою 6—10 кв з однією системою збірних

шин.

ного пристрою на 6—10 кв закритого типу з однією системою збір­них шин. До комірок 5 і 6 від генераторів кабелями підводять жив­лення вздовж коридора керування. Ці кабелі через роз’єднувачі і вимикачі приєднують до збірних шин. Дві секції збірних шин можуть працювати окремо або паралельно через секційний масля­ний вимикач у комірці 3. Сім комірок РП живлять окремими лініями трансформаторні пункти (ТП), які встановлюють біля підприємств або в певному пункті міста, де напруга знижується до 380—220 в і подається безпосередньо до споживачів. Трансформатори струму і трансформатори напруги (в комірках № 11 і № 12) забезпечують

живлення вимірювальних приладів і реле, які розміщені на щиту керування станції або підстанції.

Будова закритих підстанцій майже не відрізняється від описа­ного вище розподільного пристрою.

Відкриті підстанції. Відкриті підстанції на напругу понад 35 кв економічно вигідніші, ніж закриті. Хоч вартість електрооб­ладнання, призначеного для встановлення на відкритому повітрі, і більша, ніж електрообладнання для закритих П/С, проте в цілому вартість відкритих підстанцій менша, ніж закритих, бо тут не потрібне громіздке приміщення.

1-І

—crnibcn . 2 З

Рис. 13—14. Відкрита підстанція на 35 кв.

На рис. 13—14 зображено розріз відкритої підстанції на 35 кв. Живлення подається від розподільного пристрою елек­тростанції 6 по шині 5 до підвішувального трансформатора 4 і далі через транзитну шину 2-3 та вимикач 1 на металевій конструкції до збірних шин 8. Від збірних шин можуть відходити до спожива­чів кілька ліній. Одна з них показана на рисунку. Лінія 12 жи­виться від збірних шин 8 через шинний роз’єднувач 9, вимикач 10 і лінійний роз’єднувач 11.

Будова знижувальної відкритої підстанції аналогічна до опи­саної.

13-6. ЛІНІЇ І сітки

Пристрої для передачі електричної енергії з місць виробництва до місця споживання називаються лініями електропере­дач (ЛЕП). Під лінією електропередач, на відміну від передачі енергії по місцевих або розподільних електричних мережах, розу­міють передачу великих потужностей (десятки і сотні мегават) на великі відстані (десятки і сотні кілометрів) з великою напругою.

Лінії електропередач можуть бути транзитними, тобто такими, які передають усю потужність на кінцеву підстанцію, і магістраль­ними з кількома відгалуженнями.

Є лінії постійного і трифазного змінного струму. Передача енергії змінним струмом є основною і найбільш поширеною пере­дачею.

Під електричними мережами розуміють сукуп­ність електропровідників і електричних пристроїв, призначених для передавання електроенергії з електростанції або потужної підстанції в місця споживання і розподілення цієї енергії між транс­форматорними підстанціями, трансформаторними пунктами та інди­відуальними споживачами (розподільні мережі).

Мережі бувають постійного струму, однофазного і трифазного змінного струму. Усі вони можуть бути внутрішніми і зовнішніми.

Внутрішні мережі проклада­ють усередині приміщень ізольо­ваними проводами відкритим спо­собом на роликах та ізоляторах або захованим способом у гумо­вих і паперових з металевою обо­лонкою трубках, а також кабелем, який прокладають у каналах, по стінах і стелях на спеціальних кронштейнах.

Зовнішні мережі, як і лінії електропередач, можуть бути ка­бельними (підземні) і повітряними.

Повітряні лінії і мережі по­требують менших капітальних за­трат, ніж підземні (кабельні); вони зручніші в експлуатації, бо пошкодження легко виявити при огляді, але менш надійні і більш небезпечні, ніж підземні.

Повітряні лінії і мережі висо­кої напруги виконують з голих мідних багатодротових або стале­алюмінієвих проводів. Ix укріп­люють на штирових ізоляторах (лінії до 35 кв) або на гірляндах підвісних ізоляторів, які в свою чергу закріплюють на дерев’яних (лінії до 35 кв) або металевих опорах на бетонному фундаменті. Гірлянда складається з 3—4 ізоляторів для напруги 35 кв, 6—7 — для 110 кв, 12—14—для 220 кв.

Опори бувають проміжні, анкерні, кінцеві і кутові.

Проміжні опори (рис. 13—15) установлюють на прямоліній­них ділянках лінії. Вони призначені лише для підтримування проводів.

Анкерні опори ставлять через певні інтервали між проміж­ними опорами. Кожна анкерна опора повинна витримувати натяг проводів в один бік у випадку обриву всіх проводів з другого боку.

Кутові опори встановлюють у місцях повороту лінії. Сила натягу проводів у цих місцях спрямована по бісектрисі кута

повороту і намагається повалити опори. Відповідно до напряму дії цієї сили і ставлять кутові опори.

Кінцеві опори встановлюють на виході лінії з електростан­ції або підстанції. За міцністю вони повинні бути такими, як і ан­керні.

Віддаль між опорами для ліній 35—220 кв беруть приблизно 200 м, а для ліній низької напруги — ЗО—50 м.

Кабельні підземні лінії і мережі застосовують переважно в густо населених містах і місцевостях, на територіях промислових під­приємств, а також для внутрізаводської проводки.

Величину напруги для передачі електричної енергії визначають з таким розрахунком, щоб при найменшій вартості передачі, при найменшій витраті провідникових матеріалів енергія передавалась би

з досить малими втратами.

У таблиці наведені найвигідніші співвідношення між напругою, потужністю і довжиною лінії передачі, вироблені практикою.

Напруга (кв)	Передавана потужність, кет	Віддаль
0,22	50—100	до 200 м
0,38	100—175	» 350 м
6,00	2000—3000	» 10 км
35,00	5000—10 000	» 15—20 км
220,00	100 000—150 000	» 200—300 км
400,00	150 000 і вище	понад 400 км

На рис. 13—16 показано одну з можливих схем передачі і розпо­ділу електроенергії від двох електростанцій.

Від генераторів станцій А і Б енергія напругою 10—15 кв над­ходить на трансформаторні підвищувальні підстанції. Після підви­щення напруги на підстанціях енергія від обох станцій по високо­вольтних лініях 110 кв надходить у район споживача на знижу­вальну підстанцію 110/10 кв. Далі, через розподільний пристрій енергія по лініях мережі передається до трансформаторних підстан­цій споживачів (ТП). Тут напруга знижується до 220—380 в і енер­гія по низьковольтних кабельних або повітряних лініях електро­передачі подається безпосередньо до споживачів.

Енергію на далекі відстані постійним струмом передають так: на початку лінії генераторну напругу підвищують до потрібної напруги, ртутними випрямлячами змінний струм випрямляють у постійний і по лініях електропередачі передають енергію в ра­йон споживання. У кінці лінії інверторами перетворюють постій­ний струм у змінний, знижують його до потрібної напруги і подають до споживачів.

Для передачі енергії постійним струмом можна виконати надійну ізоляцію лінії напругою до мільйонів вольт, оскільки в ізоляції немає втрат, пов’язаних із змінним електромагнітним полем. Крім

Tft

/70 не

Станція А

HO не

JJO не

[Підстанція (п/с)

IfOflej

""! Розподільний пристріїи

\ТП

220-380 в

Рис. 13—16. Схема передачі і розподілу електроенергії.

того, передача енергії постійним струмом розв’язує питання стій­кої паралельної роботи кількох електростанцій, розміщених на далекій відстані. Проте постійний струм високої напруги для пере­дачі енергії поки що широко не застосовується в зв’язку з трудно­щами, пов’язаними з виконанням високовольтних випрямлячів і перетворювачів.

3-7. ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ І СПІЛЬНА РОБОТА ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ

Енергетичною системою називається сукупність електричних станцій, підстанцій і споживачів електричної та теп­лової енергії, зв’язаних між собою електричними і тепловими мере­жами. Робота всіх ланок системи тісно пов’язана; пошкодження і неполадки в одній частині впливають на роботу всієї системи.

Спільність господарства енергетичної системи дає змогу забез­печити високі економічні і технічні показники, яких не можна доби­тися при роздільній роботі електростанцій. При створенні енерго­систем зменшується вартість електростанцій, забезпечується еко­номічно доцільний розподіл навантаження між станціями системи,

Рис. 13—17. Добовий графік навантаження підприємства, що працює в дві зміни.

краще використовуються місцеві енерге­тичні запаси дешевого палива, забезпе­чується надійність електропостачання споживачів, значно зменшується потуж­ність резервного енергообладнання.

Такі, далеко не повні, переваги си­стеми перед станціями, що працюють ізольовано. Оперативне керування енер­гетичною системою провадиться з цен­трального диспетчерського пункту чер­говими диспетчерами.

В енергетичних системах і на окре­мих електростанціях треба безперервно стежити за змінами попиту на електро­енергію і навіть знати цей попит наперед.

При збільшенні попиту в найближчі години слід підготувати до пуску агрегати, які покрили б можливе підвищення наванта­ження; при зменшенні споживання треба підготувати зупинку агрегатів.

Наочне уявлення зміни попиту на електроенергію дають гра­фіки навантаження.

0 4 8 12 16 20 год

Рис. 13—18. Добовий гра­фік енергосистеми.

Графіки електричних навантажень можуть бути добові і річні, для окре­мого підприємства, підстанції, станції або цілої системи. Графіки складають на основі розрахунків, виходячи з уста­новленої в мережі потужності і врахо­вуючи коефіцієнти завантаження, одно­часність та графіки роботи виробництв. На графіку по осі абсцис відкладають час, а по осі ординат — навантаження. Сполучивши нанесені точки прямими лініями, дістають графік навантажень. Проте зручніше користуватися схід­частими графіками навантажень, які дають можливість швидше виконувати розрахунки, пов’язані з графіком. Складаючи такий графік, треба стежити, щоб його площа дорівнювала площі графі­ка навантаження, побудованого за точками, і відповідала наван­таженням у характерних точках максимуму, і мінімуму.

На рис. 13—17 зображено добовий графік навантаження під­приємства, що працює в дві зміни. Заштрихована частина відпові­дає навантаженню від освітлення, яке звичайно становить близько

10% від загального навантаження. Провали навантаження в про­міжки з 10 до 11 і з 19 до 20 год зумовлені обідніми перервами в ро­боті цехів. Під час цих перерв навантаження не спадає до нуля, тому що перерви в роботі окремих цехів зсунуті в часі одна від­носно одної.

Добовий графік енергосистеми показано на рис. 13—18. При такому графіку найбільш економічні станції (ТЕЦ і ГЕС) заван­тажують повністю, потім завантажують конденсаційні електро­станції і лише в години максимумів навантаження включають у роботу найменш економічні (пікові) станції. Піки навантаження можна покривати також за рахунок ГЕС. Такий розподіл наван­таження між окремими станціями системи дає можливість знизити собівартість електроенергії і зменшити витрату палива за рахунок повного використання гідростанцій і найбільш економічних (із сучасним енергообладнанням) теплових електростанцій.

Об’єднання електростанцій в енергосистеми є характерною особливістю розвитку радянської енергетики.

Об’єднуються і енергетичні системи суміжних промислових ра­йонів. Так, вже створена єдина енергетична система Європейської частини нашої країни, а незабаром буде створена загальна енерге­тична система всього Радянського Союзу.

Стор.

З

Вступ

Розділ І

Електричні кола змінного струму

1-1. Вироблення змінного струму

1-2. Векторні діаграми

1-3. Діючі (ефективні) і середні значення синусоїдальних е. р. с. струму

і напруги

1-4. Параметри електричних кіл змінного струму

1-5. Активний опір в колі змінного струму

1-6. Індуктивність в колі змінного струму

1-7. Ємність в колі змінного струму

1-8. Коло змінного струму з активним опором і індуктивністю

1-9. Коло змінного струму з активним опором і ємністю

1-10. Послідовне сполучення активного опору, індуктивності і ємності в колі

змінного струму. Резонанс напруг

1. 11. Паралельне сполучення активного опору, індуктивності і ємності в колі

змінного струму. Резонанс струмів

1. 12. Техніко-економічна ефективність коефіцієнта потужності cos φ і способи його підвищення

1. 13. Індуктивна котушка з стальним осердям в колі змінного струму . .

Розділ Il

Багатофазні (трифазні) системи змінного струму

2. 1. Загальні відомості .

2. 2. З’єднання трифазної системи зіркою

2. 3. З’єднання трифазної системи трикутником .

2. 4. Потужність трифазних систем змінного струму

2. 5. Обертове магнітне поле трифазного струму

Розділ III

Основи електровимірювальної техніки

2. 1. Загальні відомості

3-2. Прилади магнітоелектричної системи

2. 3. Прилади електромагнітної системи

3. 4. Прилади електродинамічної системи

3. 5. Прилади індукційної системи

3. 6. Прилади електростатичної системи

3. 7. Прилади вібраційної системи

3. 8. Прилади з урівноваженою рухомою частиною — логометри

3. 9. Самозаписні прилади

3. 10. Електромеханічні осцилографи .

3. 11. Електронний осцилограф

3. 12. Методи вимірювання основних електричних величин у колах постійного

і змінного струмів

Сто p.

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА 1

I = ^eW- "-^П> 9

/~ТГ~ 50

' “ Vl\ + 1\ + I\ + I\+ ■■ +Il (1-93) 50

^сп\ 59

и, 64

—0⁷ 110

,· _а,-J.,-, ⁽⁴-^,2) 122

K = ~i[~t + nxi· 152

⁷¹ = (р₂ + SP_im)^{100 %} ’ 173

0= 174

'XfX'' ~хГхГ 233

B. + ^, ₍₉_₁₄₎ 253

Tft 351

Електричні генератори постійного струму

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА 1

I = ^eW- "-^П> 9

/~ТГ~ 50

' “ Vl\ + 1\ + I\ + I\+ ■■ +Il (1-93) 50

^сп\ 59

и, 64

—0⁷ 110

,· _а,-J.,-, ⁽⁴-^,2) 122

K = ~i[~t + nxi· 152

⁷¹ = (р₂ + SP_im)^{100 %} ’ 173

0= 174

'XfX'' ~хГхГ 233

B. + ^, ₍₉_₁₄₎ 253

Tft 351

Розділ IX

Електричні двигуни постійного струму

8. 1. Принцип дії та обертальний момент двигунів постійного струму . . . 222 9-2. Способи збудження і пуск двигунів постійного струму . . . . . . . 224 9-3. Регулювання швидкості обертання та реверсування двигунів постійного

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА 1

I = ^eW- "-^П> 9

/~ТГ~ 50

' “ Vl\ + 1\ + I\ + I\+ ■■ +Il (1-93) 50

^сп\ 59

и, 64

—0⁷ 110

,· _а,-J.,-, ⁽⁴-^,2) 122

K = ~i[~t + nxi· 152

⁷¹ = (р₂ + SP_im)^{100 %} ’ 173

0= 174

'XfX'' ~хГхГ 233

B. + ^, ₍₉_₁₄₎ 253

Tft 351

З

⁷ = pf = 0.7071₁

і остаточно р = Pi + Pi + Рз-

З цього видно, що миттєве значення потужності складається

з трьох складових. Знайдемо середнє значення потужності за період:

⁷ = V I а²+ Iη²,

1аів—в7