> Категория Энциклопедический словарь Железнова, страница 556

Энциклопедический словарь Железнова, страница 556

Всего 30623 статей:

Электролиты, то есть водные растворы солей, кислот и щелочей, обладают гораздо меньшей проводимостью, нежели металлы, как вследствие меньшего числа подвижных зарядов (ионов) в-единице объёма N, так и вследствие меньшей их подвижности, то есть большего коэффициента трения f (ср. формулу 5). При этом с повышением температуры электропроводность их не уменьшается, как у металлов, но, наоборот,увеличивается, что объясняется уменьшением коэффициента трения f вследствие уменьшения вязкости той жидкой среды—воды, в которой происходит движение ионов, атакжеувеличеяием степени диссоциации, то есть числа подвижных ионов N при том же числе растворенных молекул No. Напомним, что эта диссоциация не вызывается, но лишь облегчается действием воды; причиной ее, так же как и всякого другого химического разложения, является тепловое движение. При постоянной температуре степень диссоциации зависит, вообще говоря, от концентрации раствора, увеличиваясь с его разбавлением, то есть с увеличением No (закон Оствальда). Эта зависимость объясняется общими условиями химического равновесия (ср. XLV, ч. 2, S32 сл.). Последнее характеризуется равенством числа распадающихся молекул и числа воссоединяющихся за то же время противоположных ионов. Но для подобного воссоединения необходима встреча („столкновение“) двух ионов, а эти столкновения при данном числе их происходят тем реже, чем меньше концентрация ионов при данном общем числе, тогда как скорость диссоциации зависит только от концентрации молекул. Т. обр. при разбавлении раствора скорость диссоциации не меняется, тогда как скорость воссоединения (или „рекомбинации“) уменьшается, в разультате чего равновесие смещается в сторону увеличения степени диссоциации. Впрочем, новейшие исследования (Дебая и др.) показали, что концентрация раствора влияет не только на степень диссоциации, но и на подвижность „свободных“ ионов. Не будучи связаны друг с другом попарно (как в недиесоциированных молекулах), последние оказываются все же частично связанными силами своего электростатического взаимодействия в единый коллектив. Благодаря этим силам, положительные ионы оказываются окруженными преимущественно отрицательными, а отрицательные—преимущественно положительными. Двигаясь в противоложные стороны под действием внешнего электрического поля, они, таким образом, до некоторой степени удерживают друг друга. При уменьшении концентрации раствора это взаимное торможение ионов проти-иоложного знака должно ослабляться, а это ослабление должно влиять на шроводимость таким же образом, каки увеличение диссоциации. При малых концентрациях первое обстоятельство является во многих случаях более существенным, нежели второе, в особенности в случае так называемых „сильных“ электролитов, то есть растворов с легко диссоциирующими молекулами, которые при больших разбавлениях можно считать нацело диссоциированными.

Прохождение электрического тока через электролит, осуществляясь в виде движения противоположно заряженных частей молекул растворенного вещества в противоположные стороны, должно сопровождаться химическим разложением этого вещества, или, вернее, поскольку диссоциация уже представляет собой разложение — выделением его продуктов на границах электролита. Подобными границами служат погруженные в него металлические пластинки (или проволоки), называемые электродами (рисунок 6). Заметим, что положительная пластинка, к которой движутся положительные ионы, называется анодом, а отрицательная—катодом. Доходя до электродов, соответствующие ионы нейтрализуются (путем отдачи электронов в случае отрицательных ионов или захвата их в случае положительных). При этом они либо осаждаются на электродах в виде твердого налета образуемого ими вещества (например, ионы металлов), либо же выделяются около них в виде пузырьков газа, либо же вступают в химическую реакцию с водой, вызывая разложение последней на водород и кислород. Из вышеизложенного ясно, что обычное представление о том, что химическое

разложение з электролите „вызывается электрическим током“, вдвойне неверно. Во-первых, потому, что оно имеется в скрытой форме (диссоциация) и при отсутствии тока; и во-вторых, потому, что выделение продуктов разложения (ионов) вызывается той же причиной, что и ток, то есть исходящим от электродов электрическим полем, заставляющим двигаться противоположные ионы в противоположные стороны.

В твердом состоянии гетерополярные вещества, образующие при растворении в воде электролиты, обычно рассматриваются как изоляторы. В действительности, однако, они также обладают некоторой, хотя при обычных условиях и весьма слабой, проводимостью, очень быстро, впрочем, возрастающей с повышением температуры. Это обстоятельство объясняется тем, что диссоциация гетерополярных частиц на ионы, поскольку она вызывается тепловым движением, должна иметь место и в твердых телах, образованных этими частицами. Необходимо, впрочем, иметь в виду, что во многих случаях сочленение гетерополярных молекул в кристаллическое тело сопровождается полной „коллективизацией“ всех ионов. Так, например, в кристалле каменной соли положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора располагаются в шахматном порядке, так что каждый из них оказывается непосредственно связанным с шестью окружающими его ионами противоположного знака. В подобных случаях, поскольку понятие парной молекулы утрачивает всякий смысл, „диссоциация“ ионов сводится к отрыву их от своего нормального положения и переходу к „бродячему образу жизни“ между закрепленными (до поры до времени)ионами. Это бродяжничание диссоциированных ионов происходит очень медленно и притом одинаково по всем направлениям при отсутствии внешних сил или же преимущественно в направлении их, если они имеются налицо. Таким образом, помещая между двумя металлическими электродами пластинку „изолирующего“ вещества, мы все же получаем слабый ток, обусловленный движениемдиссоциированных ионов к электродам Этот ток, так же как и ток в водном растворе рассматриваемого вещества., сопровождается „электролизом“, т.-е, выделением одного из продуктов разложения на соответствующем электроде. Законы этого электролиза в обоих, случаях совершенно одинаковы: количество разложившегося вещества оказывается пропорциональным количеству прошедшего Э., а одному и тому же количеству Э. соответствуют химически эквивалентные количества разных ионов (законы Фарадея).

Необходимо, впрочем, заметить, что в случае большинства кристаллов (так же как и у металлов) перенос Э. осуществляется лишь частицами одного только сорта, обычно положительными ионами (то есть как раз теми частицами, которые в случае металлов остаются неподвижными). Впрочем, при достаточно высоких температурах в проведении тока начинают принимать участие ионы обоих знаков. В некоторых кристаллах, обладающих так называемым „смешанной“ проводимостью, в ней участвуют также и „свободные“ электроны; в этом случае на ряду с обычной диссоциацией имеет место ионизация атомов путем отделения от них электронов, переходящих к бродячему образу жизни. В отличие от металлов, где все атомы являются ионизированными, здесь мы имеем дело с частичной ионизацией, степень которой, так же как и в случае обычной диссоциации, очень сильно зависит от температуры. Зависимость эта выражается формулой вида _в

α= Ас 1 (6)

где А и В постоянные, а а—электропроводность (которая, впрочем, является мерой не только числа, но и подвижности соответствующих частиц).

Электропроводность не является исключительным свойством перечисленных выше веществ

Электропроводность не является исключительным свойством перечисленных выше веществ. В большей или. меньшей мере ей обладают все „изоляторы“. Во многих случаях она обусловливается, главным образом, содержащимися в них ионными примесями. Однако, и абсолютно чистые диэлектрики обладают некоторой хотя ивесьма слабой, проводимостью, причем зависимость ее от температуры выражается той же формулой (6). В тех случаях, когда эта проводимость имеет чисто электронный характер ‘) и .достигает значительной величины уже при обычных температурах, как, например, в случае угля, селена и др. веществ, тело называется не диэлектриком, а tполупроводником. Как видно отсюда, различие между диэлектриками и полупроводниками имеет весьма относительный характер, завися всецело от выбора „нормальной“ температуры: при достаточно высокой температуре большинство диэлектриков становится полупроводниками, и, наоборот, при достаточно низкой температуре всякий полупроводник становится изолятором- Т. обр., в этом отношении мы имеем существенную разницу не между С полупроводниками и диэлектриками, а между полупроводниками и металлами, проводимость которых с понижением температуры не понижается, но, наоборот, увеличивается. Это различие объясняется тем, что в случае металлов число бродячих электронов, будучи равно (приблизительно) числу атомов, не зависит от температуры, которая влияет лишь на их подвижность, между тем как в случае полупроводников температурой определяется самое число этих электронов. Любопытно также отметить то обстоятельство, что в то время как подвижность ионов (обусловливающих перенос Э. в жидких и твердых электролитах) с понижением температуры уменьшается (благодаря увеличению вязкости), подвижность бродячих электронов в металлах, а равным образом, повидимому, и в полупроводниках, при этом увеличивается. Эта особенность „свободных” электронов объясняется тем, чтоб своих странствованиях они не задерживаются у отдельных атомов, но непре-рывно переходят от одного атома к соседнему. Неправильности в расположении атомов, вызываемые их тепловым движением, лишь затрудняют этот переход. )

) Т.-о. обусловливается исключительно оторвавшимися от отдельных атомов электронами.

Различие между металлическими проводниками и диэлектриками имеет, впрочем, с принципиальной точки зрения также относительный характер, не по отношению к температуре, но по отношению к давлению. Как уже было отмечено выше, при достаточной близости между атомами любого вещества, электроны, образующие их наружную оболочку, утратили бы постоянную связь с определенными атомами и превратились бы в „бродяг”. Необходимые для такого сближения давления в случае неметаллических веществ столь велики, что они реализуются, по всей вероятности, только в недрах небесных тел под влиянием сил тяготения. Идя в противоположном направлении—увеличения расстояния между атомами и молекулами—мы приходим к газам, являющимся изоляторами как в случае неметаллических, так и в случае металлических веществ.

При отсутствии полной ионизации, обусловленной сцеплением соседних атомов, то есть давлением (внешним или „внутренним”), мы имеем, однако, в металлических парах и других газах черезвычайно слабую ионизацию, обусловленную тепловым движением. В этом случае оторвавшиеся от атомов электроны являются свободными в полном смысле слова, но зато количество их при обычных температурах столь ничтожно (1 на 1023 и даже более атомов), что зависящую от них проводимость можно практически не принимать в расчет. Иные условия имеют место, конечно, в газовой атмосфере Солнца и других звезд с их черезвычайно высокой температурой, а тем более в недрах этих тел, где к температуре, как фактору ионизации, присоединяется высокое давление.

§ 3. Электрический разряд (пробой). При не очень сильных электрических полях диэлектрики, так же как и металлы, подчиняются закону Ома, то есть, другими словами, сохраняют постоянную электропроводность. Однако, при усилении поля за известные пределы последняя начинает черезвычайно быстро возрастать, так что диэлектрики фактически превращаются в проводники. Обычно это иревращение наступает более или менее внезапно и сопровождается ярким свечением (электрическая искра); в твердых и жидких диэлектриках оно связано с сильным нагреванием, вызывающим проплавление и механическое разрушение цервых и вскипание вторых. Совокупность этих явлений называется электрическим разрядом, или пробоем. Электрический пробой изоляторов весьма аналогичен механическому разрыву твердых тел под влиянием достаточно большого растягивающего усилия; при этом механическому „пределу прочности“ соответствует „пробивное напряжение“ Е0, достижение или превышение которого вызывает пробой диэлектрика. В технике высоких напряжений, связанной с применением изолирующих материалов, эта величина играет такую же роль, как предел прочности в строительной технике. Заметим, что в случае обычно применяемых твердых и жидких изоляторов (стекло, фарфор, масло) пробивное напряжение составляет несколько тысяч абс. электрост. единиц на см. В случае газов оно бывает значительно меньше; так,например, для воздуха при нормальном давлении оно равно примерно 100 (то есть 30.000 вольт насж).

Сущность пробоя, как уже было отмечено в начале этого параграфа, заключается в резком повышении электропроводности при приближении электрического поля к некоторой критической величине Еа. Эго увеличение электропроводности должно, таким образом, обусловливаться непосредственно или косвенно самим полем. Поскольку электропроводность диэлектрика определяется степенью его ионизации и подвижностью ионов (или электронов), действие поля должно заключаться в увеличении этих факторов или, по крайней мере, одного из них. Напомним для сравнения, что в области справедливости закона Ома они оказываются совер-inemio независимыми от присутствия ноля: последнее не вызывает ионизации, но лишь подхватывает уже „готовые“ подвижные заряды, сообщая им скорость, пропорциональную своей напряженности; напомним также, что эта пропорциональность означаетпропорциональность между скоростью движения и силой трения (торможения),—пропорциональность, котораядолжна иметь место лишь при достаточно малых скоростях.

Наиболее изучено явление пробоя в случае газов, где оно обычно известно под именем электрического разряда (смотрите разряд электричества в газах). Как показал Таунсенд, действие поля сводится в этом случае главным образом к увеличению степени ионизации путем столкновения гонимых полем электронов и ионов с нейтральными частиц.ами (атомами или молекулами). Для того, чтобы подобные столкновения могли привести к ионизации, необходимо, чтобы ударяющая частица имела достаточно большую кинетическую энергию, равную или большую так называемой ионизационной энергии W0, то есть той энергии, которую нужно затратить для ионизации нейтральной частицы (путем расщепления ее на положительный ион и электрон или на два противоположных иона). В случае слабых электрических полей кинетическая энергия W, накопляемая электронами или ионами от одного столкновения до следующего, оказывается недостаточной для ионизации ударяемых частиц; она передается им в том же самом виде, то есть в виде кинетической энергии поступательного движения, проявляясь в нагревании газа (Джаулево тепло). Если же электрическая сила, действующая на электрон или ион, столь велика, что за время „свободного пробега“, то есть от одного столкновения до следующего, он приобретает кинетическую энергию, большую илй равную ионизационной энергии, то столкновение его с нейтральной частицей может сопровождаться в определенном проценте случаев ионизацией последней. Продукты этой ионизации тотчас лее подхватываются электрическим полем и в свою очередь ионизуют при столкновениях новые частицы. Таким образом, число ионов и электронов непрерывно, лавинообразно возрастает по мере их движения, а вместо с ним возрастает и сила тока, создаваемого данным электрическим полем.

Впрочем, в ограниченном объёме газа это возрастание силы тока может происходить лишь до тех пор, пока „ионная лавина“ не докатилась до электродов, то есть в течение очень короткого времени после включения электрического поля. Затем весьма быстро устанавливается „стационарный режим“, при котором число новообразуемых при столкновениях электронов и ионов равно числу электронов и ионов, доходящих за то лее самое время до электродов, где они так или иначе „выходят в тиране; кроме того, необходимо принять в расчет электроны и ионы, взаимно нейтрализующиеся путем воссоединения (рекомбинации) в объёме газа. Таким образом, каждой величине электрического поля Е соответствует определенное стационарное значение силы или плотности тока j (Е). То значение Е, при котором эта зависимость начинает сказываться очень резко (в смысле возрастания), и представляет собой величину пробивного напряжения (или напряженности). Это значение, по существу своему не поддающееся Точному определению, лежит обычно очень близко к тому начальному значению Е0, при котором начинается ионизация столкновениями и которое может быть легко определено из условия, необходимого для этой ионизации, то есть из равенства W — W0, где W0—ионизационная энергия, a W— кинетическая энергия, приобретаемая электроном или ионом мелсду двумя столкновениями.

Эта энергия должна

Эта энергия должна, очевидно, равняться работе электрической силы еЕ, действующей нарассматриваемую частицу, на длине I ее свободного пробега. Мы получаем, таким образом, условие

(‘E-J,=ТГ0, (7)

которое может служить для определения пробивного напрялсения в газе.

Так как длина свободного пробега частиц газа обратно пропорциональна его плотности1), то отсюда следует, что пробивное напряжение должно

») Следует, впрочем, отуетять, чго соотношение справедливо лишь при не слишком больших скоростях.

быть прямо пропорционально плотности или, что то лее самое (при данной температуре),—давлению газа. Это соотношение между пробивным напря-ясением и давлением в точности подтверждается на опыте. В частности, в сильно разреженных гдзах „электрический пробой“ начинается при сравнительно очень слабых полях; в этом случае вместо пробоя говорят обычно об электрическом разряде—„тихом“ или „тлеющем“ (в виду сопровождающего его свечения).

В предыдущем мы совершенно не касались вопроса о происхождении и количестве тех электронов или ионов, которые являются зачинщиками процесса ударной ионизация. Вопрос этот не имеет существенного значения, подобно тому как не имеет существенного значения при исследовании процесса взрыва порохового склада вопрос о происхождении искры, его вызвавшей. Заметим лишь, что „первичная“ ионизация газа при обычных температурах обусловливает! я, главным образом, не тепловым движением, а действием особых ионизирующих лучей, отчасти испускаемых радиоактивными веществами, находящимися в почве и в воздухе, отчасти лее приходящих из окружающего земной шар пространства (космические лучи), Если эту начальную ионизацию искусственно увеличить, наир, действием лучей радия на находящийся в разрядной трубке газ, то наблюдается зависимость силы тока от напряженности поля, изображенная на рисунке 7. Здесь область ОА соответствует применимости закона Ома.; далее, между А я В ток достигает так называемым „насыщения, то есть максимальной величины, совместимой с данными условиями; он характеризуется тем, что все ионы, непрерывно образующиеся в газе благодаря действию лучей, не успев соединиться друг с другом, относятся полем к электродам. В точке В, где кривая круто заворачивает вверх, начинается ударная ионизация, т.-е пробой или разряд.

Необходимо отметить, что зачинщиками его являются именно электроны, а не ионы. Это обстоятельство объясняется обычно (Таунсенд) тем.

что электроны, благодаря малости их геометрических размеров (по сравнению с ионами их можно трактовать как точки), обладают значительно большим свободным пробегом, а по тому, согласно формуле (7), могут вы-зыгагь ионизацию столкновениями при значительно более слабом поле, нежели ионы. Еще, однако, большее значение, чем размеры, имеет относительная легкость электронов, то есть малость их массы по сравнению с массой ионов,—в особенности в тех случаях, когда электрический разряд вызывается очень сильными полями. А именно, в то время, как массивные ионы лишь начинают разгоняться электрическим полем, легкие электроны успевают не только разогнаться, но и проионизовать большое число атомов, многократно увеличив таким образом свою численность. Итак, в начальной фазе всякого электрического разряда в газе

-4-

лв

Рисунок 7.

образных телах участвуют практически одни только электроны.

Это обстоятельство дает

Это обстоятельство дает, между прочим, ключ к уяснению формы грозовых разрядов, то есть молнии (Симпсон). Молния (смотрите XXIX, 221/22) не вспыхивает сразу (как это нам кажется), но представляет собой электрический разряд, который, возникнув в некоторой маленькой области, где электрическое поле достигло пробивного напряжения, быстро растет в сторону, противоположную направлению движения электронов. Это объясняется тем, что последние при своем движении обнажают положительные ионы, от которых они оторвались, и нейтрализуют положительные ионы, находящиеся перед ними:в результате—максимум электрического напряжения, а вместе с ним и область разряда перемещается в тыльную сторону. Это перемещение сопровождается обычно разветвлением, столь характерным для формы молний. Различные соображения, а также лабораторные опыты показывают, что подобное разветвление пути электрического разряда происходит всегда в сторону от положительного полюса к отрицательному, то есть в сторону, обратную движению электронов.

В сильно разрезкенных газах оказывается возможным исследовать разряд при напряжениях, значительно превышающих пробивное. Наиболее существенной чертой подобного разряда является -г- образование около катода К „темного пространства“ КВ, за которым следует примыкающее к аноду А „положительное свечение“ обычного для разряда в данном газе типа. При напряжениях, близких к пробивному, это свечение заполняет все пространство между электродами. По мереувеличениянапрязке-ния оно все более и более отодвигается от катода до тех пор, пока, наконец, катодное „темное пространство“ не заполнит всей трубки (ср. разряд электричества в газах, XXXY, 514/16). При этом стенки последней начинают светиться зеленоватым светом; эти явления были исследованы еще Круксом, который показал, что свечение стекла вызывается „катодными лучами“, то есть потоком электронов, испускаемых катодом. „Темное пространство“ представляет собой область, где они движутся более или менее свободно, не испытывая практически ни. 3

каких столкновений. Мы не имеем возможности останавливаться на более подробном рассмотрении этих явлений. Заметим лишь, что электроны вылетают не из газа, окружающего катод, но из самого катода, откуда они, по видимому, непосредственно высасываются черезвычайно сильным полем, которое создается у его поверхности благодаря скоплению около нее положительных ионов.

В случае твердых и жидких тел наблюдение электрического разряда за пределами пробивного напряжения является практически невозможным или крайне затруднительным. Что касается величины пробивного напряжения, то оно (в противоположность случаю газов) зависит от начальной температуры тела. Необходимо иметь в виду, что прохождение электрического тока сопровождается нагреванием, которое в свою очередь вызывает увеличение электропроводности и, следовательно, силы тока (при данном внешнем поле). Это „саморазогревание“ тела при прохождении электрического тока может весьма быстро привести к пробою. Механизм подобного пробоя, называемого „тепловым“, сводится к местному проплавлению твердого тела, то есть образованию жидкого хорошо проводящего канала или же к местному испарению жидкости, то есть образованию в ней ряда пузырьков пара в направлении от одного электрода к другому. Соответственно этому, пробивное напряжение жидких изоляторов при приближении их (начальной) температуры к температуре кипения стремится к нулю. В случае твердых изоляторов пробивное напряжение с повышением начальной температуры (до нескольких сот градусов Цельсия) также довольно быстро падает, достигая величины совершенно ничтожной по сравнению с нормальной.

Необходимо отметить, что одним из факторов теплового пробоя, наряду с начальной температурой, является теплоотдача тела, то есть отдача выделяющейся внутри него теплоты в наружное пространство и в особенности к электродам. Чем больше теплоотдача, тем выше должна быть начальная температура, при которой данное электрическое поле может вызвать тепловой пробой.

При средних и низких температурах пробой твердых диэлектриков имеет совершенно иной характер или, вернее, подготовляется совершенно другим механизмом.

А именно, как показали новейшие исследования, дело при этом начинается так же, как и в случае газов, с вырывания электронов либо из металлического электрода в диэлектрике, либо из молекул (или атомов) самого диэлектрика. Заметим, что электронный пробой первого типа может иметь место и в пустоте. При наличии электрического поля достаточной интенсивности (порядка 100 тысяч вольт на см), стремящегося вырвать электроны из металла в вакуум, эти электроны, обычно прочно связанные с металлом, начинают на самом деле вырываться наружу и при том в количестве, черезвычайно быстро возрастающем с увеличением напряженности поля£(аименно,

— е0И

пропорционально выражению е где Е0—некоторое характерное для металла поле порядка миллиона вольт на см). Это явление, называемое обычно „холодной электронной эмиссией“ (в отличие от термоэлектронной эмиссии, вызываемой высокой температурой), представляет собой по существу не что иное, как „пробой вакуума“. Последний представляет собой наилучший изолятор лишь в том смысле, что электроны не могут вырываться из него самого. Если вакуум заменить диэлектриком, то, на ряду с совершенно аналогичным процессом срыва электронов из металлического электрода (служащего катодом) в диэлектрик, может иметь место—вероятно при еще больших интенсивностях элекфического поля—вырывание электронов из частиц диэлектрика. Эти „первичные“ электроны, разгоняясь под действием электрического поля, могут в дальнейшем вырывать из атомов новые электроны (путем соударения, то есть так лее, как это имеет место в газах). Впрочем, независимость напряженности поля, способного пробить диэлектрик, от толщины последнего, свидетельствует отом,что эта .ударная“ ионизация если и существует, то во всяком случае не играет существенной роли. Срыв электронов полем является, вероятно, лишь начальной стадией пробоя; вслед за электронами поле приводит в движение и ионы, причем дальнейшее усиление тока, вероятно, осуществляется путем саморазогревания.

При пробое жидких диэлектриков существенную роль играет, повиди-мому, образование или выделение пузырьков воздуха или какого-нибудь другого газа, поглощенного в жидкости. Эти пузырьки, вытягиваясь в направлении поля и сливаясь друг с другом, образуют сплошной газовый путь, который пробивается легче, чем окружающая жидкость. Следует, впрочем, заметит, что вопрос о механизме пробоя жидкостей и твердых тел в настоящее время далеко еще не вполне выяснен- § 4. Контактные электродвисису-тие силы; индукционные электростатические машины; гальванические токи; аккумуляторы. В предыдущем мы оставляли в стороне вопрос о происхождении тех электрических или,как их обычно называют, „электродвижущих“ сил, которыми вызываются электрические токи. Основным источником этих сил является (помимо электромагнитной индукции, которая будет рассмотрена в следующей главе) противоположная электризация разнородных тел при соприкосновении их друг с другом При этом в случае проводников как „первого класса“, то есть металлов, так и „второгокласса“, то естьэлектролитов, для электризации оказывается достаточным простое соприкосновение без трения, которое обычно является необходимыми елучае диэлектриков. Заметим, что, исходя из некоторой хотя бы даже черезвычайно слабой электризации, получаемой путем соприкосновения („контакта“), можно далее, пользуясь принципом электростатической индукции (гл. I, § 2), получить сколь угодно большое количество противоположных электричеств. На этом принципе в комбинации с так называемым принципом самовозбуждения (который применяется и в связи с электромагнитной индукцией) основаны различные электростатические машины.

Не останавливаясь на описании их устройства, заметим лишь, что действие их заключается в непрерывном отделении друг от друга противоположных зарядов ± е, полученных путем индукции с помощью ранее имевшихся зарядов ± е, и непрерывном прибавлении первых к последним (положительного к положительному, отрицательного к отрицательному). При разделении разноименных зарядов (в первом акте), так лее как и при соединении одноименных (во втором),приходится преодолевать электрические силы (притяжения или отталкивания), то есть, следовательно, совершать работу за счет энергии некоторого механического источника, переводя эту механическую энергию в электрическую энергию, накопляемую машиной. Это накопление происходитдо тех пор, пока электрическое поле между ее .полюсами“, то есть теми местами, где скопляются противоположные заряды, не оказывается достаточным для пробоя окружающего диэлектрика (воздуха), причем электрическая энергия превращается в тепловую. Если соединить полюса машины проводником, то в последнем получается непрерывный электрический ток, обычно черезвычайно малой силы, в виду незначительности тех количеств электричества, которые могут быть получены (разделены) электростатическим путем. При этом, конечно, остается весьма малой и разность потенциалов между полюсами машины, определяющая электрическое поле в соединяющем их проводнике,—тем меньшей, чем больше электропроводность последнего.

Несравненно более сильные токи могут быть получены без применения механической работы за счет химической энергии путем соединения нескольких разнородных проводников (среди которых при этом непременно должны присутствовать электролиты, смотрите ниже) в замкнутую цепь. Происхождение подобных токов, называемых гальваническими (смотрите гальванизм), станет нам понятным, если мы рассмотрим внимательно явления, происходящие при контакте двух разно“ родных проводников. Явления эти I сводятся е внешней стороны к протиЕоположной пх электризации, то есть к переходу некоторого электрического заряда определенного знака с одного проводника на другой. Заряд этот переходит, конечно, не сам по себе, но переносится материальными частицами-электронами или ионами, — которые устремляются от одного проводника к другому вследствие каких-то сил, действующих на них в пограничном слое. Каковы бы ни были эти силы, они, однако, скоро уравновешиваются электрическими силами, появляющимися в этом слое, вследствие противоположной электризации соприкасающихся в нем проводников. Форма и размеры последних при этом, очевидно, не имеют значения. Мы можем поэтому сосредоточить своё внимание на пограничном слое. Здесь мы имеем некоторое электрическое поле Е, действующее на протяжении весьма малого расстояния d. Точное знание того, каким образом это поле распределено в толще слоя, то есть на отрезке d, не имеет существенного значения. Практически существенной величиной является лишь соответствующая ему разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов, или контактным „скачком“ потенциала. Этот скачок потенциала AFrr F] — V2, равный произведению среднего значения Е на d, представляет собой меру той контактной „электродвижущей силы“,которая гонит заряды из одного проводника в другой. Обозначая ее через ©ь 2 мы можем, следовательно, положитьеi. 2= У — F2,

при чем ©з,=V2 — I7!=— срь 2. Если расматриваемые проводники не соединены ни с какими другими проводниками, то в состоянии равновесия электрическое поле внутри каждого из них, помимо их контактного слоя, исчезает. Это значит, что потенциал каждого из них принимает постоянную величину, отличную от потенциала соседа. Эти потенциалы мы можем подразумевать под величинами V, и V3 в предыдущей формуле.

То же самое получается и в более сложном случае незамкнутой цепи, составленной из нескольких проводников. Считая потенциал первого звена V2

заданным (он может быть выбран произвольно), мы получаем для всех последующих звеньев вполне определенные потенциалы, связанные друг с другом соотношениями F2 — Vt=<f2, Уе, — V-j=<р3,2 и так далее Разность потенциалов между крайними звеньями <р, равная алгебраической сумме контактных электродвижущих сил <р2, i + + з. 2 +, зависит, при этом, вообще говоря, от промежуточных звеньев. Это обстоятельство остается справедливым и в частном случае цепи, конечные звенья которой одинаковы. Смыкая их друг с другом, мы не должны иметь скачка потенциала между ними. А между тем, при том распределении потенциала, которое соответствовало разомкнутому состоянию цепи, подобный скачек потенциала должен был бы иметь место. Отсюда следует, что в рассматриваемой нами замкнутой цепи, для которой сумма контактных электродвижущих сил (определяемых как скачки потенциала при обходе цепи в определенном направлении) отлична от нуля, равновесное распределение электрического заряда невозможно. Поскольку замкнутость цепи не может влиять на скачки потенциала между соседними ее звеньями, потенциал внутри каждого из них должен изменяться таким образом, чтобы, обойдя цепь в надлежащем направлении, мы получили ту же самую сумму скачков или, как говорят, ту же самую результирующую электродвижугцую силу », как и в том случае, если эта гепь была разомкнута. Таким образом, в звеньях замкнутой цепи, помимо „поверхностного“ электрического поля в контактном слое между соседними звеньями, должно иметься обыкновенное „объёмное“ электрическое поле, а следовательно и неизменный спутник его— электрический ток.

При невозможности равновесного состояния в замкнутой цепи устанавливается в этом случае стационарное состояние, характеризуемое неизменным (во времени) распределением потенциала, а следовательно и тока. Эт® стационарное распределение, характеризуемое постоянством тока во времени, требует также неизменности силы тока в пространстве, точнее— одинаковости тока для любого поперечного сечения цепи. При несоблюдении последнего условия в отрезке цепи, ограниченном двумя произвольно взятыми поперечными сечениями, происходило бы непрерывное накопление Э. того или иного знака, что несовместимо с постоянством электрического потенциала во времени.

Таким образом, в случае замкнутой цепи с отличной от нуля результирующей электродвиясущей силой <р мы получаем постоянный электрический ток, вполне определенной, то есть независящей от выбора поперечного сечения, силы i. Легко видеть, что последняя должна быть прямо пропорциональна первой. Этот результат, обычно известный под именем закона Ома, непосредственно следует из той элементарной формы закона Ома, которая была приведена в § 1 (уравнение 4). Его обычно пишут в виде

_ jp_ _ V — Г 1 ~ R R ’ (8)

где R обозначает коэффициент пропорциональности, называемый сопротивлением, или „омическим сопротивлением“ цепи, a, V — V“ означает ту разность потенциалов, которая получилась бы на концах рассматриваемой цепи, если бы ее разомкнули, разорвав одно из звеньев.

Сопротивление R зависит от удельного сопротивления каждого из звеньевцепи Р= а также, конечно, от егоразмеров и формы. Контактные слои не играют при этом никакой роли, обусловливая лишь те слагаемые, из которых составляется электродвижущая сила. Считая, что в каждом из этих слоев ток имеет направление, перпендикулярное к ограничивающим его параллельным поверхностям, мы можем трактовать эти поверхности как эквипотенциальные и говорить об определенной разности потенциалов на „концах“ каждого звена цепи. Обозначая эту разность потенциалов для п-го звена через F«—TV (где Vn представляет собой потенциал на одном конце, а У»“ на другом), мы моясем положить

Vn - Vn“

подразумевая под коэффициентом Rn сопротивление проводника, образующего рассматриваемое звено1).

Отсюда следует 2„ (Vn— Vn“) — Rn, или, так как сумма ТУ — V” + Ту — — V.,“ + совпадает с суммой скачков потенциала V2— ТУЧ- V3— F2“-f„.=ts,

_ <0

l~2RV (9)

Сравнивая эту формулу с (8), мы видим, что общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных звеньев

R=2Т£м. (10)

Далее легко показать, что количество тепла Qn, выделяющегося в та-ом звене за единицу времени, выражается формулой

Qn=г (Vn — Vn“), (11)

которую молено таклсе переписать в виде

„ (Vn - TV)2. „

Qn— —i2Rn. (12)

Для этого рассмотрим слой проводника, ограниченный двумя весьма близкими эквипотенциальными поверхностями, и разобьем его на призматические элементы, ограниченные двумя противолежащими участками этих поверхностей. Обозначая площадь одного из этих участков через dS, а расстояние между ними через dl, мы получаем для объёма соответствующего элемента выражение dS dl, а для количества тепла dQ, выделяющегося в нем за единицу времени, согласно формуле (6) § 1,

dQ=EjdSdl.

Принимая во внимание, что произведение Edl=dV представляет собой разность потенциалов на краях слоя, а произведение jdS—di—силу тока, проходящего через рассматриваемый участок его поверхности, мы получаем для теплоты, выделяющейся во всем слое, выражение idV, а следовательно для всех слоев в га-ом проводнике ildV= г (Vn‘— Vn“).

l) Rn зависит только от свойств п-го проводника и остается неизменным при включении его в другуюцепь.

Сумма теплоты Qn для всех звеньев цепи представляет собой общее количество теплоты Q, в ней выделяющейся, если пренебречь незначительными тепловыми эффектами, могущими иметь место в контактных слоях (смотрите след, параграф). Мы имеем, следовательно, в виду s (Vn —Vn“)=<р (э.-д. сила),

Q =г<в — -j£-=PR.

(13)

Эта формула представляет собой обычное выражение закона Джауля.

Заметим, что цепь проводников, способная при замыкании давать электрический ток, то есть обладающая неисчезающей электродвижущей силой, называется вообще говоря гальвани-1ьеским элементом (смотрите XII, 419 сл.). Как будет показано ниже, подобная цепь не может быть составлена из одних лишь металлических проводников (если только температура их одинакова, см. след. §), но должна содержать хотя бы одно электролитическое звено. Про-! хождение электрического тока через: это звено сопровождается не только выделением тепла, но и выделением продуктов электролиза на его краях (электродах). В результате происходит постепенное изменение контактного скачка потенциала на этих краях и притом с сторону, соответствующую уменьшению электродвижущей силы (э.-д. с.), а следовательно и силы тока-Это явление называется электролита-ческойполяризацией. Оно представляет! собой непосредственное следствие того общего принципа, согласно которому всякая система, будучи предоставлена самой себе, постепенно приходит к состоянто равновесия, если последнее первоначально отсутствовало, как это имеет место в случае замкнутой системы проводов с неисчезающей э.-д. силой. Т. обр., электрический ток, протекающий в подобной системе, не является вполне стационарным, как это предполагалась гы не. В действительности, следуя за изменением э.-д. силы, он постепенно ослабевает. Заметим, что уменьшение э.-д. силы гальванического : элемента обычно интерпретируется как результат возникновения, вследствие прохождения тока, электродвижущей силы противоположногонаправления, т. наз. поляризационной э.-д. силы. Последняя появляется при прохождении тока через всякий электролит и может в свою очередь служить источником электрического тока, если электролит выделить из цепи и соединить электроды металлическим проводом. На этом принципе основаны приборы, называемые электрическими аккумуляторами (смотрите I, 585 сл.). Аккумулятор представляет собой, в сущности, не что иное как гальванический элемент, электродвижущая сила которого создается путем предварительного пропускания электрического тока, питаемого каким-нибудь внешним источником („зарядка“). От хорошего аккумулятора требуется, чтобы при „разрядке“ э.-д. сила оставалась практически постоянной в течение возможно более длительного времени по отношению к общей длительности его действия.

§ 5. Контактные разности потенциалов между металлами-, термоэлектрические токи. Механизм контактной электризации металла и электролита сводится, с одной стороны, к переходу некоторого числа положительных ионов металла в раствор, а с другой—к переходу некоторого числа ионов растворенного вещества на металл. Таким образом, контактный скачок потенциала между металлом и электролитом зависит существенным образом от взаимоотношения между ними.

Проще обстоит дело в случае соприкосновения двух различных металлов друг с другом. В этом случае электризация обусловливается переходом небольшого числа „бродячих” электронов от одного металла к другому, причем контактная разность потенциалов может быть определена непосредственно из условия равенства потенциальной энергии электронов в обоих металлах, после установления равновесия.

Обозначим работу, которую нужно затратить для того, чтобы вырвать один из бродячих электронов из данного металла наружу, через U. Считая эти электроны совершенно свободными до тех пор, пока они находятся внутри металла, мы можем отнести работу U за счет сил, действующих на них в поверхностномслое, последнего. Величину— U мы можем при этом трактовать как эффективную потенциальную энергию электрона в металле по отношению к пустоте1), а величину

<е(>0), где — ежуточных (закон Вольты). В самом деле, например в случае трех металлов мы имеем в качестве условий равновесия цепь равенств V, 4 ®, — VT + 4-= + е3> из которой следует, что

V3 — V,=-f! — cf3, совершенно незазаряд электрона, как эффективный внутренний потенциал металла при наружном потенциале=0, или -как контактный скачек потенциала при переходе из пустоты в данный металл.

При соприкосновении двух разных металлов электроны будут переходить от того из них, где их потенциальная энергия меньше, то есть где потенциал <f больше, к другому, где он меньше, до тех пор пока внутри обоих металлов не установится один и тот же потенциал. Обозначая скачки потенциала у первого и у второго металла соответственно через и а дополнительные потенциалы, приобретаемые ими при соприкосновении друг с другом (и обнаруживающиеся не только внутри них, но и во внешнем пространстве), через 7j и V2, мы молсем записать условие равновесия электронов в виде еi~j- Vi=®2+ 73 или

Y — V2 — <f2 — <Pi. (14)

Таким образом, контактная разность потенциалов между двумя металлами Vt — V2, или—что то яге самое—электродвижущая сила <рь 2, измеряемая этой разностью потенциалов, представляется в виде разности значений двух величин ®1 и ®г, характерных для каждого из металлов в отдельности. Следует подчеркнуть, что это соотношение является отличительным признаком металлических проводников и что оно не имеет места для контактных э.-д. сил между металлами и электролитами.

Из предыдущего соотношения следует, что в цепи, составленной из нескольких металлов, разность потенциалов между крайними звеньями не зависит от числа и природы проме-

J) Слово „эффективный41 указывает на то обстоятельство, что энергию U можно было бы считать потенциальной лишь при одинаковости кинетической энергии электронов внутри и вне металла. В действительности последнее уоловие не соблюдается, ибо внутри металла „свободные44 электроны находятся в очень быстром движении, которое не учитывается при обычном определении работы вырывания U.

ВИСИМО ОТ ср2.

В частности, при одинаковости конечных звеньев разность потенциалов между ними равна нулю. Соединяя эти звенья друг с другом, мы получим замкнутую цепь с исчезающей электродвижущей силой. Таким образом, в замкнутой цепи, составленной исключительно из металлических проводников, стационарный электрический ток не может иметь места (см., впрочем, ниже).

Мы улсе указывали в первой главе (§ 3), что раскаленные металлы испускают электроны. Это испускание представляет собой не что иное как испарение. Скорость всякого процесса испарения, то есть число и частиц, испаряющихся в единицу времени, зависит от абсолютной температуры испаряющегося тела по формуле ип—АТ1 е kl, (15)

где А, а и ГУ—постоянные. При этом последняя (U) представляет собой „скрытую теплоту испарения“, отнесенную к одной частице, то есть, другими словами, работу, которую нужно затратить для отрывания одной частицы от рассматриваемого тела. Показатель а зависит от рода тела, точнее — от теплоемкости его, и близс к по порядку величины к 1.

Предыдущая формула, как показал Ричардсон, применима и к электронному испарению, скорость которого может быть легко измерена по силе г соответствующего „термо-ионного“ или, лучше, „термо-электронного“ тока. Заметим, что для предупреждения обратного процесса конденсации электронов, то есть возвращения их в исследуемый металл, их необходимо „отсасывать“ внешним электрическим полем. Для этого раскаленный металл присоединяется к отрицательному полюсу гальванического элемента и помещается в непосредственной близости к холодному металлическому

Электроду, соединенному с положительным полюсом. Воздух из сосуда, содержащего оба электрода, удаляется. Мы получаем, таким образом, простейшую катодную лампу (смотрите электронная лампа) или электронную трубку с накаливаемым катодом (рисунок 9). Нагревание последнего производится обычно путем пропускания специального тока от вспомогательного элемента (или батареи) А. Таким образом, катод оказывается

Рис.

(епь анода, пи-элементом или батареей В, и цепь накала. При достаточно большой электродвижущей силе в цепи анода, сила тока в этой цепи достигает предельной величины, при которой всякий испаряющийся из катода электрон попадает на анод. Эта предельная сила тока, зависящая только от температуры катода, равна произведению заряда электрона на число электронов, испаряющихся в единицу времени. Зависимость ее от температуры в точности выражается формулой (15) при α= 2 (что, как показывает термодинамический вывод, соответствует исчезающе малой теплоемкости электронов внутри металла).

Согласно вышеизложенному, энергия испарения электрона U, деленная на его, заряд, должна равняться эффективному потенциалу металла у. Опыт показывает, что разность вычисленных таким образом эффективных потенциалов для различных металлов совпадает с непосредственно измеренной контактной разностью потенциалов между ними, в согласии с формулой (14). Следует, впрочем, заметить, что эта формула может считаться вполне точной лишь при абсолютном пуле температуры, ибо только в этом случае равновесие свободных электронов определяется равенством потенциальной энергии их в обоих металлах, то естьравенством нулю электрической силы в переходном слое. При всякой иной температуре оказывается необходимым учитывать давление, производимое электронами. Рассматривая совокупность последних как идеальный газ, подчиняющийся классической статистике Максуэла-Больцмана, мы можем определить величину этого давления известной формулой кинетической теории:

р=пкТ, (16)

где и обозначает концентрацию, то есть число электронов в единице объёма. Если эта концентрация изменяется в направлении от одного металла к другому, то на бесконечно малом отрезке мы получаем разность давлений dp dn

dx=kT jj— dx. В состоянии равновесия эта разность давлений должна уравновешиваться электрической силой, отнесенной к единице объёма, которую молено представить в виде про-

изведения —п-

где ТПпотенциаль-Мыная энергия одного электрона, имеем, таким образом, уравнение dW 1 dn d

- ЧБ=кт-ш=кт1Б 1п п

(In и обозначает натуральный логарифм п) или, переходя от бесконечно малых изменений W и и на бесконечно малом отрезке dx к конечным изменениям этих величин при переходе от одного металла к другому,

п„

Wj—W2—kT 1пПо—кТ1пп,==кТ1п--’ (Iе)

- щгде щ и щ обозначают концентрации электронов в обоих металлах. Эти концентрации можно рассматривать как характерные для соответствующих металлов постоянные, так как они изменяются совершенно неощутимым образом при переходе небольшого числа электронов от одного металла к другому. Заметим, что формула может быть переписана в виде равенства щ _ Е! _®‘

~п~е кТе кТ’ опРеДеляК)Щего равновесное распределение свободно движущихся частиц в любом внешнем поле, где они имеют потенциальную энергию W.

В рассматриваемом случае мы имеем Ид — — е (F3 + <п) и Ид— — e(F2-j- f2).

Таким образом, мы получаем следующее выражение для контактной разности потенциалов двух разных металлов:

Vl-Г2=Ь-ъ+- In-g (IS)

(при чем заряд электрона обозначенчерез—в).

Второй, зависящий от температуры, член в этой формуле черезвычайно мал по сравнению с первым, так что практически при измерении контактной разности потенциалов он не играет роли.

Положение, однако, меняется, когда мы имеем дело с замкнутой цепью нескольких металлов, различные сочленения или „спаи“ которой имеют разную температуру. В этом случае сумма скачков потенциала при обходе Есей цепи в одном определенном направлении, вообще говоря, не исчезает-, согласно формуле (16) она должна сводиться к сумме малых „температур-hT п-> ных“ членов — In —

Так, например, в простейшем случае двух металлических проводов 1 и 2, спаи которых а и 6 (рисунок 10) имеют разную температуру Та и Ть, алгебраическая сумма скачков потенциала при обходе цепи в направлении,указанном стрелкой, то есть разность

if — (if а — Ьа) — (е1 _ %Ь)

оказывается равной

k(Ta-Tb) Ио

» =-b- 1п щ- (1Э)

В результате, в подобной замкнутой цепи, при неодинаковости температуры обоих спаев (Та и Ть), получается электрический ток, сила которого пропорциональна результирующему скачку потенциала <р. Этот ток называется термоэлектрическим ). а величина <е называется термоэлектродвижущей силой (смотрите термоэлектричество).

Наличие термоэлектрического тока означает, что „свободные“ электроны не могут распределиться равновесным образом при неодинаковости температуры своих спаев. Так как, однако, всякая система, будучи предоставлена самой себе, постепенно переходит в состояние теплового равновесия, то мы должны ожидать, что прохождение термоэлектрического тока должно сопровождаться уменьшением той разности температуры, которой он вызывается, то есть, другими словами, охлаждением более горячего и нагреванием более холодного спая. Поддерживая температуры Та и Т6 постоянными, мы должны, следовательно, наблюдать в горячем спае поглощение и в холодном — выделение тепла. Этот эффект был обнаружен на опыте Пельтье и известен под его именем. Его легко вывести непосредственно, рассматривая условия прохождения „свободного“ электрона через спай двух металлов. В самом деле, энергия электрона изменяется при этом на величину

(W, -W,)=me (F, + 1 - V2 -

равную, согласно формуле (16), где знак -j- или — зависите щ’

от того или иного- направления перехода. Это изменение энергии и обнаруживается в виде выделения тепла— в случае ее уменьшения, или поглощения его—в случае ее увеличения (теплота Пельтье). Следует заметить, что в однородном проводнике, разные части которого имеют разные температуры, также возникают разности электрических потенциалов;однако, они не влияют на результирующую силу тока, вызывая лишь добавочные тепловые эффекты вдоль проводника (эффект Томсона).

Рассмотренный нами случай замкнутой цепи из двух металлических проводов представляет собой простейший пример получения постоянного тока о помощью электродвижущей силы в

) Его не слелует смешивать с термоэлектронным током, получающимся при испарении электронов в пустоту.

замкнутом контуре (цепи). Следует заметить, что величина и температурная зависимость термоэлектродвижущей силы <f оказывается на опыте отличной от теоретической (19). Различие это обусловливается тем, что свободные электроны в металле нельзя трактовать как классический идеальный газ. Более строгая теория, развитая недавно Зом-мерфельдом на основе новой статистики Паули-Ферми, приводит к формуле для <f, находящейся в полном согласии с опытом.

§ 6. Измерительные приборы и единицы измерения. До этих пор мы совершенно не касались вопроса о методах измерения тех величин, которые встречаются в учении об электрическом токе: силы тока, электродвижущей силы и сопротивления.

Один из простейших методов измерения силы тока основывается на законе Фарадея о пропорциональности этой силы весовому количеству вещества, выделяющгося на электродах в единицу времени при пропускании тока через какой-нибудь электролит. Основанные на этом принципе приборы называются вольтметрами ).

Для измерения электродвижущих сил служат приборы, называемые электрометрами или вольтметрами-Они основываются либо на измерении электрических сил между двумя проводниками, соединенными с противоположными полюсами разомкнутой цепи, служащей источником э.-д. силы, либо на измерении силы тока, создаваемой рассматриваемой э.-д. силой в проводнике с данным предварительно измеренным сопротивлением, либо, наконец, на измерении теплового эффекта в подобном проводнике.

Что касается, наконец, сопротивления, то оно обычно измеряется путем сравнения с -каким-нибудь „эталоном“, то есть заранее измеренным сопротивлением. Абсолютное определение последнего сводится в конце концов к самостоятельному измерению э.-д. силы и силы тока и вычислению отношения между ними. Наиболее употребитель-

1) Более распространенными измерителями силы тока являются так называемые гальванометры и амперметры, основанные на магнитных действиях тока (смотрите XII, 451/64, и электротехника).

ным прибором для относительного из мерения сопротивлений служит так. наз. мостик Уитстона.

Он представляет (рисунок 11) собой провод MN, разветвляющийся в точках А и С. Одна ветвь АВС состоит из однородного провода со скользящим кон-

D

Рисунок 11.

тактом В; другая ADC — из измеряемого сопротивления AD и эталонного DC. Точки В -и. С соединяются перемычкой, содержащей измеритель силы тока. Контакт В передвигают до тех. пор, пока ток в BD не исчезает. При этом отношение сопротивлений AD и DC должно равняться отношению сопротивлений АВ и ВС, которое непосредственно равно отношению длины АВ к длине ВС.

Предыдущий результат непосредственно вытекает из простых соотношений (так называемым законов Кирхгофа),. характеризующих распределение тока и потенциала в разветвленной сети линейных проводов. Это соотношение сводится к тому, что сумма токов, притекающих по разным проводам к точке, где они встречаются, равна нулю и что разность потенциалов при обходе вдоль замкнутого контура, не содержащего э.-д. сил, равна нулю.

С помощью приведенных соотношений нетрудно далее показать, что сопротивление R нескольких последовательно включенных проводов равно сумме их сопротивлений: Ri + Л2 + тогда как при „параллельном“ их включении путем разветвления (рис.121

складываются не их сопротивления, а обратные величины, то есть проводимости:

A=-L + J,+

li н2 “

Путем последовательного или параллельного соединения нескольких разомкнутых гальванических цепей получаются гальванические (или аккумуляторные) батареи (смотрите XII, 439/41). Не останавливаясь подробнее на этих не имеющих принципиального значения вопросах, мы рассмотрим в заключение вопрос о тех единицах, которыми пользуются на практике для измерения э.-д. сил токов и сопротивлений (смотрите XII, прил. единицы измерений, 6/8). Практической единицей э.-д. силы, или разности потенциалов, 1 служит вольт, равный д электростатической единицы разности потенциалов. Соответственным образом уменьшается и единица напряженности электрического поля, определяемая как градиент потенциала в 1 вольт на см. Практической единицей электрического заряда и силы тока служат соответственно кулон и ампер, равные 3.10° электроетатич. единиц заряда и силы тока. Практическая единица сопротивления определяется как такое сопротивление, при котором э.-д. сила в 1 вольт дает ток в 1 ампер. Эта единица сопротивления называется омом. Заметим, что контактные э.-д. силы имеют обычно порядок 1 вольта.

Удельное сопротивление р разных металлов (равное обратной величине их электропроводности о) колеблется обычно при нормальных температурах и пределах от одной стотысячной до одной миллионной ома. Сопротивление II металлического стержня с длиной I и сечением S может быть вычислено из удельного сопротивления р по формуле

I

R=f ~8‘

Таким образом, в случае провода с сечением в 1 кв. .«3t=10~s кв. сантиметров мы получим сопротивление в 1 ом при длине порядка 10—100 метров. В случае ртути, имеющей исключительно большое сопротивление, эта длина близка к 1 метру. Громадность тех количеств

Электричества, которые перемещаются в металлах при прохождении электрических токов под влиянием весьма незначительных электрических сил, объясняется тем, что при этом используются все скрытые в проводах резервы подвижных электрических зарядов, между тем как в электростатических явлениях обнаруживаются лишь ничтожные части этих резервов.

В непосредственной связи с практическими единицами заряда, тока и потенциала находятся практические единицы работы и мощности. Практическая единица работы называется джаулем; ее можно определить, как работу, совершаемую при прохождении зарядом в 1 кулон падения потенциала в 1 вольт. Другими словами, это есть работа, совершаемая в 1 секунду электродвижущей силой в 1 вольт в цепи, по которой течет ток в 1 ампер. Эта работа эквивалентна, количеству теплоты, равному 0,24 малых калорий. Мощность, при которой в 1 секунду совершается работа в 1 джауль, называется ваттом. На практике обычно пользуются в 1000 раз большей единицей, называемой киловаттом и близкой к механической единице мощности—лошадиной силе.. Впрочем, следует заметить, что приставки кило, милли и так далее применяются: не только к ватту, но равным образом и к другим электрическим единицам: для обозначения в 1000 раз больших или в ЮОО раз меньших единиц (наир.

1 киловольт обозначает 1000 вольт, один миллиампер — 0,001 ампера). На практике в качестве единицы энергии часто потребляется так называемый „ватт-час“, то есть энергия, выделяющаяся в течение часа при мощности в 1 ватт. Эта энергия равна 3.600> джаулей.

Наконец, следует упомянуть, что практической единицей емкости служит емкость проводника, который при заряде в 1 кулон получает потенциал в 1 вольт. Эта единица, равная 9.10й см, называется фарадой. Обычно емкость измеряется в микрофарадах (= 9.105 см)..

Глава III. Электромагнитные явления и магнетизм. § 1. Взаимодействие-движущихся электрических зарядов (электрокинетические действия). В заимодейотвие заряженных частиц не ограничивается кулоновскими силами притяжения и отталкивания. В том случае, когда эти частицы движутся, к электрическим силам, зависящим только от их положения, присоединяются так называется электрокинетиче-скце силы, пропорциональные электрическим количествам движения, то есть произведению заряда каждой частицы на ее скорость. От положения частиц алектрокинетические силы зависят совершенно так же, как и электростатические, то есть они убывают с расстоянием обратно пропорционально его квадрату. Кроме того, однако, они зависят определенным образом от направления движения (скорости) каждой из двух взаимодействующих частиц, то есть от углов, образуемых их скоростями (электр. количествами движения) друг с другом и с соединяющей их прямой.

Таким образом, электрокинетическая сила f]2, действующая со стороны одной частицы (1) на другую (2), может быть выражена формулой

112— 2 V (®12®1>

(i)

12

где и V,—заряд и скорость движения первой частицы, е., и v2 — те же величины для второй, г12 —их взаимное расстояние1), а некоторая функция от угла 012 между векторами и —> —> —>

щ, угла ©! между г2и г12 и 02 междуи г13.

Формула (1) характеризует—и то весьма неполным образом (посколькуфункция 4 остается неопределенной)—

-

лишь величину силы f12. Что касается ее направления, то оно определяется довольно сложным образом через на—► —► —>

правления векторов vu v2 и г. А имен—>

но, сила fi2 оказывается перпендикулярной к вектору »2, то есть к направлению движения той частицы, на которую она действует, и лежит вплоскости, содержащей векторы v{ и —►

rltf то есть скорость частицы, от которой

О Которое мы будем предотавлять себе в виде ‘зектора, проведенного от 1-ей частицы ко второй.

она исходит, и расстояние между обеими частицами.

В простейшем случае, когда последние движутся совместно, то есть с одинаковой по величине и направлениюскоростью vt=v2=v, и притом таким образом, что соединяющая ихпрямая г12 перпендикулярна к направлению их движения (рисунок 13), элек-

— - V

трокинетические силы /и с которыми они действуют друг на друга, приобретают характер обычного ку

лоновского притяжения или отталкивания, направленного вдоль прямой г12 и равного

’ е, е, v2

fa=--br- (2)

гдег с“ 12

с„ — коэффициент пропорциональности, равный численному значению углового множителя Л в (1) при 0l2=:=0 и 0j=0з=90о.

В случае одноименных зарядов сила (2) имеет характер взаимного притяжения, а в случае разноименных—характер взаимного отталкивания. Таким образом, в обоих случаях электрокинетическое взаимодействие имеет направление прямо противоположное электростатическому — это обстоятельство выражается отрицательным знаком в формуле (2). Коэффициент с обладает размерностью скорости и может быть определен как такая скорость движения обих зарядов v — с при которой электрокинетическое взаимодействие их в точности уравновешивает электростатическое. Опыт показывает, что коэффициент с равен [ сантиметров

3-1010 1сёк/’ т-‘е- совпадает со скоростью распространения сеет а в пу-1 стоте. Значение этого совпадения станет нам яснее в дальнейшем. Здесь мы отметим лишь то обстоятельство, что на опыте скорость движения материальных частиц никогда не достигает „критической“ скорости с. Поэтому, фактически, электрокинетическая сила (2) может лишь ослаблять электростатическую но не уравновег “

12

шивать, а тем более перевешивать ее.

Далее, необходимо подчеркнуть, что как в формуле (2), так и в более общей

—► —>

формуле (1), под скоростями t’i и г>2 подразумеваются скорости обеих частиц по отношению к наблюдателю, то есть по отношению к некоторой системе координат, принимаемой за неподвижную. Выбор этой системы координат остается в значительной мере произвольным, что связано с относительным характером движения и, в частности, скорости прямолинейного и равномерного движения (смотрите ниже гл. IY).

Наконец, нужно отметить тот факт, что электрокинетические силы, в противоположность электростатическим, не удовлетворяют принципу равенства и противоположности действия и противодействия. Это видно уже из того обстоятельства, что скорости двух действующих друг на друга частиц входят в выражение электрокинетической силы, испытываемой каждой из них, несимметрическим образом. Если,

однако, мы возьмем слагающие обеих —> —>

сил fn~zf21, параллельные прямой >

»i2, то они оказываются равными и противоположными друг другу и могут быть выражены простой формулой

Г—

e,Vi e2v2

cos 012,

(3)

которая обращается в (2) при г,=v2

И 0,2=0.

Эта формула характеризует главную часть электрокинетического взаимодействия

Эта формула характеризует главную часть электрокинетического взаимодействия, то есть часть, сводящуюся к взаимному притяжению или отталкиванию. Заметим, что эта часть равна алектростатическому взаимодействию,

Щ »2 и т,

умнолсенному на — -~2-cos012. В случае, если скорости и v2 образуют-между собою острый угол, этот множитель отрицателен (силы того и другого рода имеют противоположное направление); при тупом угле 012 оба взаимодействия направлены одинаковым образом. В обоих случаях электрокинетическое притяжение или отталкивание остается меньше электростатического.

Подобно тому, как электростатическому взаимодействию двух заряженных частиц f==-ii| соответствует пое, е2

точнотенциальная энергия U:

12

так же продольной (параллельной г) части электрокинетического взаимо-действствия соответствует потенциальная энергияе е,. е, v2

(4)-

W=-

Гп

V1 v2

—cos 0i2.

Что касается поперечной части, то есть

—► —►

тех слагающих сил fl2 и f2h которыеперпендикулярны к расстоянию г)2, то, не будучи равными и противоположными, они не могут быть выведены из какой-либо потенциальной функции.

Для более полной и точной характеристики электрокинетических сил вводят вспомогательное понятие магнитного поля или магнитной напряженности Н J), аналогичной электрической напряженности Е, которая служит для описания электростатических.

взаимодействий. При этом сила f12, действующая на заряд 2 со стороны заряда 1, определяется следующим образом.

а) Двигаясь со скоростью v2 в маг—>

нитном поле Hvi, создаваемом зарядом е„ заряд е2 испытывает силу, пер-

—> —>

пендикулярную к векторам v2 и Н12 и равную

Pc

(б)

ТТ. f 2— П -4-2 sin $Р,

где f—угол между v2 и Н12. По численно- )

) Или напряженности магнитного поля.

му своему значению эта силаравнаплощадя параллелограмма, построенного ->

&9V2 —>

на векторах -уиЯв; по своему направлению она совпадает с тем из двух направлений, перпенаикулярных к плоскости этого параллелограмма, вкотором надо смотреть для того, чтобы —►

«2«2 {Т

поворот от вектора к вектору и 12

на угол <р меньший 180° совпадал бы с направлением вращения стрелокчасов; другими словами, сила А» направлена в сторону поступательногодвижения обыкновенного („правого“)

—>

e2v2

винта, вращаемого от вектора - — к

— ивектору Н12. Так, например, если первый из них направлен вверх, а второй— направо, то сила должна быть направлена вперед.

—>

b) Магнитное поле Н]2, создаваемое зарядом еь движущимся со скоро—> —>

<5ТЫО Vi на расстоянии rl2l перпенди—> —>

лсулярно к векторам и г]2 и равно

Яц== sin е, (6)

с 12 > —>

где 0—угол между г12 и е. Таким образом, магнитное поле обратно пропорционально квадрату расстояния. Что же касается его направления, то оно совпадает с направлением движения (правого) винта, вращаемого (на

—>

е1

угол 0 < 180°) от вектора с к век—►

тору Г12. Так, например, если первыйиз них направлен вперед, а второй —

—

направо, то поле Н12 должно быть направлено вниз.

Для наглядного изображения магнитного поля пользуются так называется магнитными силовыми линиями, которые проводятся согласно тем же принципам, как и в случае поля электрического, то есть так, чтобы направление .линии в каждой точке совпадало с направлением поля в этой точке, а густота линий была пропорциональна напряженности поля (смотрите XXVII, .582784). При этих условиях магнитное поле движущегося точечного за. ряда может быть представлено в виде системы коаксиальных кругов, то есть кругов с общей осыо; последняя проходит через заряд в направлениивектора е v и содержит центры кругов, образуемых магнитными силовыми линиями. Направление последних связано с направлением оси по правилу винта: если, следовательно, смотреть на силовые линии в направлении оси, то направление обхода вдоль любой из них совпадает с направлением движения стрелки часов. Так, например, в случае положительного заряда, движущегося вертикально вниз, магнитные силовые линии образуют горизонтальные круги, направление которых для наблюдателя, смотрящего на них сверху, совпадает с направлением движения часовой стрелки.—Что касается густоты, силовых линий, то, согласно предыдущему, она должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда, а при данном расстоянии уменьшаться по мере приближения к направлению оси, обращаясь в нуль вблизи последней.

Закон (5), определяющий действие магнитного поля на движущийся заряд, называется законом Ампера, а закон (6), определяющий магнитное поле, создаваемое движущимся зарядом, называется законом Био-Саеара, по имени установивших эти законы французских ученых.

Как видно из предыдущего, понятие магнитного ноля, не будучи существенно необходимым для описания электрокинетического взаимодействия, оказывается все же весьма удобным в смысле более простого и точного описания этого взаимодействия. Единица напряженности магнитит е поля носит название „гаусса“ (в честь немецкого математика Гаусса, впервые разработавшего теорию земного магнетизма, смотрите ниже). Заметим далее, что при изучении электрокинетического взаимодействия наэлектризованных частиц вместо обычной электростатической единицы электрического заряда вводится в с=3 -1010 раза большая единица, называемая элек~

-гиромагнитной. При этом условиивыражение играющее в случаес

Электрокинетического взаимодействия роль, аналогичную той, которую заряд -е играет в случае взаимодействия электростатического, может быть определено как электрическое количество движения, выраженное в электромагнитных единицах (ибо отноше-ение — представляет собой в электромагнитных единицах заряд, равный е электростатических единиц).

§ 2. Взаимодействие электрических токов. Электрокинетическое взаимодействие заряженных частиц обнаруживается на опыте простейшим и наиболее непосредственным образом в виде так называемых „пондермо-торных“ сил, действующих между замкнутыми металлическими проводниками, по которым текут постоянные электрические токи. В этом случае, поскольку различные элементы рассматриваемых проводников нейтральны, электростатическое взаимодействие между ними исчезает. Что же касается электрокинетического взаимодействия, то в этом отношении элемент объёма какого-либо проводника (IV, при наличии в нем электри-

— >

ческого тока с плотностью j, ведетсебя как заряд с электрическим коли—

чеством движения j dV. В случае тонкого „линейного“ проводника под dV обычно подразумевается элемент объёма, соответствующий весьма малому элементу длины ds. Обозначая поперечное сечение подобного проводника через q, мы имеем dV-=qds и, следовательно, jd V =jqds=ids, где г представляет собой силу тока в обычном определении, то есть количество электричества, проходящего в единицу времени через данное или—в виду стационарности тока—через любое сечение рассматриваемого проводника. Таким образом, отрезок ds линейного проводника (проволоки), в котором течет ток силы г, в смысле производимых и испытываемых им электрокинетических действий эквивалентен точечному заряду с электрическим количеством двшкения ids. Это выражение называется обычно элементом тока. Если, следовательно, измерять силу тока не в электростатических единицах, как это делалось во II главе, а в электромагнитных единицах, то в применении к элементу тока законы Ампера и Био-Савара могут быть выражены формулами

f=Hicos<ids (7)

и

ids

dH=-;2- sin 0, (8)

при чем направление электрического количества движения определяется в обоих случаях тем направлением отрезка ds, в котором происходит перенос положительного электричества. Поскольку в металлических проводах перенос электричества осуществляется отрицательными электронами, это направление фактически противоположно направлению движения последних.

Из формулы (8) следует, что в центре кругового тока, то есть тока, текущего по окружности радиуса г, магнитная напряженность равна (в виду s=2~г и 0=90°ц

при Чем вектор Н направлен в сторону движения (правого) винта, вращаемого в направлении тока.

Несколько более сложное вычисление показывает, что в случае прямолинейного провода очень большой (практически бесконечной) длины, магнитная напряженность обратно пропорциональна расстоянию от провода В и равна

При этом магнитные силовые линии образуют круги, охватывающие провод, который служит их общей осью. В непосредственной близости к линейному проводнику любой формы магнитное поле имеет то же самое строение, как и в случае бесконечного прямолинейного проводника. Вообще же говоря, магнитные силовые линии имеют при этом форму замкнутыхколеи, охватывающих контур тока (проводник), как показано на рисунке 14.

На очень больших расстояниях от (замкнутого) проводника с током, то есть таких расстояниях г, которые очень велики в сравнении с линейными размерами проводника, магнитное поле имеет строение, тождественное со строением электрического поля, создаваемого двумя зарядами равной величины и противоположного знака, расположенными надлежащим образом в той же области, где находится проводник. Совокупность двух подобных зарядов называется электрическим диполем. Выше (гл. I) мы уже

определили момент диполя как вектор, равный произведению отрезка, проведенного от отрицательного заряда к положительному (й), на их численное значение (е). На больших расстояниях от электрического диполя поле его всецело определяетсявектором момента p=ed. Соответственно этому для характеристики магнитного поля на большом расстоянии от замкнутого тока часто пользуются представлением о магнитном диполе, образованном двумя „магнитными зарядами“ или „полюсами“ противоположного знака и создающими в отдельности магнитное поле, тождественное с электрическим полем точечного электрического заряда. В действительности подобных полюсовне существует, так что они должны рассматриваться лишь как удобные фикции. Обозначая численное значение полюсов магнитного диполя через т, а вектор, проведенный от отрицательного полюса к положительному,

через й, мы можем определить произведение у.=т d как момент магнитного диполя. Несмотря на фиктивность обоих его сомножителей, этот вектор имеет вполне реальное значение, так как он определяет магнитное поле замкнутого тока (на больших расстояниях) совершенно таким же образом, каким вектор электрического момента определяет поле электрического диполя (также, конечно, лишь на больших расстояниях).

Магнитный момент замкнутого электрического тока может быть представлен в виде произведения двух множителей, имеющих вполне реальное значение. Одним из этих множителей является сила тока г, а другим—некоторый вектор, зависящий от формы и размеров контура (проводника), а также от направления, в котором он обтекается током. В простейшем случае плоского контура этот вектор численно равен его площади S, причем направление его связано с направлением тока по правилу (правого) винта. Таким об-вазом, численное значение магнитного момента электрического тока выражаете“ в этом случае формулой

Г-=iS. (9)

В случае электрического диполя вектор момента определяет не только производимое им действие (то есть поле), но и действие, испытываемое им в данном внешнем поле. Действие это сводится, во-первых, к вращательному усилию, стремящемуся ориентировать момент диполя в направлении силовых линий, и, во-вторых, к некоторой силе, стремящейся двигать его в сторону увеличения или уменьшения густоты силовых линий, то есть напряженности ноля,— в зависимости от того, образует ли направление последнего острый или тупой угол с направлением момента. При перпендикулярности последнего к полю, движущая сила обращается в нуль, тогда как вращательное усилие достигает максимума, а при параллельности, наоборот, псчезаетвращателъное усилие, и достигает максимального значения движущая сила. Эти результаты могут быть легко выведены из рассмотрения потенциальной энергии диполя. Обозначая потенциал внешнего электрического поля на отрицательном и на положительном конце диполя соответственно через tf>i и <р2, мы можем представить эту потенциальную энергию в виде TJ=е (<f 2 — =ed 1 =

= —рЕ соз а, где р=ed —момент ди-

Y]—92

ноля, a Е cos а — - - — проекция

Электрической напряженности в направлении его оси. Мы получаем, таким образом, U= — p>E cosoc. В случае магнитного диполя потенциальная энергия выражается аналогичной формулой

U — — р Н cos а, (10)

где а обозначает угол между векторами —> —>

Г- и И.

Это выражение можно вывести непосредственно

Это выражение можно вывести непосредственно, исходя из формулы (7), определяющей силу, испытываемую элементами тока в данном внешнем магнитном поле, в предположении, что в области, занимаемой контуром тока, это поле остается (приблизительно) однородным, то есть неизменным по величине и направлению; другими словами, предполагается, что линейные размеры тока малы в сравнении с теми расстояниями, на которых происходитизменение поля Н. Таким образом, эквивалентность подобного элементарного линейного тока“ магнитному диполю имеет место не только по отношению к действию, производимому им, но и к действию, им испытываемому.

Само собой разумеется, что эта эквивалентность имеет место лишь при условии „элементарности“ тока, то есть при малости его геометрических размеров в сравнении с расстояниями, для которых определяется создаваемое им иоле или на которых заметно изменяется иоле, на него действующее. В непосредственной близости к замЕсну-тому току и эквивалентному ему диполю, поля, создаваемые ими, имеют совершенно различное строение. Длятого, чтобы обеспечить эквивалентность их в наиболее полной степени, вместо диполя, образованного двумя точечными магнитными полюсами, вводят так называемый двойной магнитный слой или листок. Подобный слой представляет собой бесконечно тонкую лепешку, ограниченную контуром тока, но помимо этого обстоятельства могущую иметь произвольную форму. Одна сторона этой лепешки покрыта отрицательным, а другая положительным магнетизмом таким образом, чтобы произведение поверхностной плотности „магнитного заряда“ на толщину слоя ровнялось силе тока (что соответствует совпадению магнитного момента слоя и тока). При таких условиях магнитное поле вне слоя в точности совпадает с магнитным полем окаймляющего его тока—вплоть до сколь угодно малых расстояний от отрицательной или положительной поверхности слоя. Магнитные силовые линии, начинаясь на положительной стороне, охватывают контур тока и заканчиваются на отрицательной стороне. Считая их бесконечно близкими и сцепляя оба конца каждой из силовых линий, мы получим в точности картину поля, создаваемого током. Внутри лее слоя, то есть в бесконечно тонком промежутке между его поверхностями, магнитное поле меняет свое направление на противоположное и приобретает бесконечно большую напряженность—что, конечно, никакого отношения к действительности не имеет. Исключая, однако, эту область, мы можем считать данный ток совершенно эквивалентным соответствующему двойному магнитному слою как в смысле действий, им производимых, так и в смысле действий, им испытываемых.

Вопрос о взалмодействии двух замкнутых линейных токов может быть решен непосредственно, то есть без введения понятия магнитного поля, при помощи выражения (4) для взаимной потенциальной энергии, соответствующей продольной части электрокинетического взаимодействия (то есть взаимному притяжению или отталкиванию) двух движущихся зарядов. Заменяя соответствующие последним электрические количества движения элементами токов и i2ds2, мы получаем

%Л %П

dU’ =— ——“ cos 0j2 ds, ds2. (11) 12

Легко показать, что сумма этих выражений для различных элементов обоих токов представляет собой взаимную потенциальную энергию последних, совпадая с взаимной потенциальной энергией эквивалентных им магнитных листков. Таким образом, поперечные слагающие электрокинетичеекого взаимодействия, не учитываемые выражением (11), выпадают из рассмотрения при суммировании этих взаимодействий для всех элементов замкнутого тока.

Взаимная потенциальная энергия двух замкнутых токов может быть представлена согласно формуле (11) в виде

Ulz — Ll2 1 (12)

где Ln—некоторый коэффициент, имеющий размерность длины и зависящий от формы и расположения соответствующих проводников. Этот коэффициент называется коэффициентом взаимной индукции1) обоих токов (смотрите ниже). Аналогичным образом, исходя из той же формулы (4), можно определить потенциальную энергию какого-либо замкнутого тока на самого себя. Эта собственная потенциальная энергия тока выражается формулойи=~ 2 L12’ (13)

где L называется коэффициентом самоиндукции2) данного тока или, вернее, проводника. Эта формула может быть получена из предыдущей, если представить себе рассматриваемый ток расщепленным на множество параллельных бесконечно тонких токовых нитей и если энергию его определить как взаимную потенциальную энергию всех этих нитей друг на друга. Собственная потенциальная энергия тока может, разумеется, проявиться только в том случае, если контур его -не твердый (как это предполагалось до этих пор), но способен деформироваться.

§ 3. Электромагнитная индукция. В случае неподвижных проводников

‘) Или взаимной индуктивностью.

е) Или го2ственной индуктивностью.

Электрокинетическое взаимодействие проявляется в виде пондермоторных сил

Электрокинетическое взаимодействие проявляется в виде пондермоторных сил, то есть сил, действующих на каждый элемент проводника в поперечном (перпендикулярном к нему) направлении. В том случае, когда рассматриваемый проводник перемещается в данном магнитном поле, создаваемом какими-нибудь другими неподвижными проводниками с постоянными токами, к этим поперечным пондермоторным силам присоединяются продольные электромоторные силы, то есть электрические силы, действующие в продольном направлении и притом в противоположных направлениях на противоположные заряды, содержащиеся в каждом элементе проводника. Происхождение этих продольных сил то же самое, что и поперечных сил: первые определяются поперечной слагающей скорости зарядов, движущихся вместе с проводником, совершенно таким же образом, как вторые обусловливаются продольной слагающей скорости этих зарядов по отношению к проводнику. Однако, внешний эффект тех и других совершенно различен: действуя в поперечном направлении, „пондермотор ные“ силы стремятся вызвать перемещение проводника как целого, в то время как продольные силы, не действуя на проводник как целое, стремятся вызвать перемещение противоположных зарядов в противоположные стороны, то есть изменить силу тока, образуемого продольным движением этих зарядов.

Представим себе, наир., вертикальный проводник длины I, движущийся слева направо со скоростью v в однородном магнитном поле Я, направленном к наблюдателю. При отсутствии в проводнике электрического тока мы можем считать, что каждый из находящихся в нем зарядов е движется направо с с той же скоростью v и испытывает силу, перпендикулярную к направлению движения и поля, то есть параллельную длине проводника, и равную со-ev

гласно формуле (5) --- Н. В случаее > 0 эта сила должна быть направлена вверх, а в случае е<0 вниз.

Таким образом, действие магнитного поля на движущийся в нем проводникоказывается в рассматриваемом случае эквивалентным действию продольного (вертикального) электрического поля с напряженностью

Если скорость v образует с полем Н угол <р (оставаясь в горизонтальной плоскости), то эквивалентное электрическое поле оказывается равным

Е=~ Н sin 9. (14)

Представим себе прямоугольную рамку с двумя вертикальными сторонами с высотой I и двумя горизонтальными с длиной 2а. Если вращать подобную рамку вокруг вертикальной оси, проходящей через середины го

Гис. 15.

ризонтальных сторон, то в каждый момент времени противоположные вертикальные стороны будут иметь противоположно направленные скорости, чему соответствует противоположное направление эквивалентных электрических полей (рисунок 15). В виду замкнутости контура, образуемого рамкой, действие этих полей будет складываться, вызывая электрический ток определенного направления, зависящего от угла, образуемого нормально к рамке, с направлением магнитного поля и от направления вращения.

Описанное нами явление возникновения электродвижущей силы в замкнутом проводнике при движении его в магнитном поле называется электромагнитной индукцией (точнее—оно представляет собой частный случай

Электромагнитной индукции, смотрите ниже). Что касается величины индукционной электродвижущей силы, то она может быть определена на основании того же принципа, который служит для определения э.-д. сил гальванического происхождения, а именно—величиной той разности потенциалов (или суммы подобных разностей), которая необходима для ее компенсации. Если в контуре с длиной I действует э.-д. сила, эквивалентная электрическому полю Е, то величина этой э.-д. силы равна Е1. В только что рассмотренном случае вращающейся рамки мы получаем, таким образом, э.-д. силу V=2 Е1. Сила вызываемого его тока может быть

V

определена по формуле г= -,гдей—

общее сопротивление проводника, образующего рамку (с поправкой на самоиндукцию; смотрите ниже).

Обозначая угловую скорость вращения рамки через ш, мы имеем v= ша и, следовательно,

7=2B=2Iffls!nTi

(О

= 21аН sin tp =

=-~- SH со sin 9,

где S=2 al — площадь рамки. Так как скорость <о равна быстроте изменения угла 9, то есть производной его но

da

времени то, принимая во внимание,

df d

что sin 9 (cos 9), мы получаем следующее равенство:

Г=-т4< cos 9) =

1 ОФ,

“ с сU (15)

где величина Ф=SII cos 9 представляет собой так называемый магнитный поток через контур рамки. Изображая магнитное поле при помощи силовых линий, проводимых с таким расчетом, чтобы число их на единицу площади численно равнялось напряженности поля Н, мы можем опреде-

лить магнитный поток как число магнитных силовых линий, пронизывающих рассматриваемый контур в данном направлении (изменению последнего на противоположное соответствует изменение знака магнитного потока).

Формула (15) может быть установлена в общем случае произвольного движения какого-либо линейного проводника в постоянном магнитном ноле более простым, хотя и несколько косвенным образом, основывающимся на том обстоятельстве, что электрокинетическая сила, действующая на движущийся заряд, вследствие своей перпендикулярности к направлению движения не может производить работы. Отсюда следует, что работа электромоторных сил, появляющихся в движущемся проводнике с некоторым током г, должна быть равна по величине и противоположна по знаку работе пон-дермоторных сил, действущих на него за то лее самое время. Но работа электромоторных сил может быть выражена произведением индукционной электродвижущей силы V на силу тока гс (в электростатических единицах) и на время dt. Работа же пондермотор-ных сил может быть представлена убылью потенциальной энергии этого проводника U по отношению к источнику магнитного поля (который мы можем представлять себе в виде какого-либо другого неподвижного проводника) за то же время, при неизменной силе тока г. Мы получаем, таким обрати7

зом, равенство Vicdt=+ dU=—dt,

dU

или Vic=-ж-

С другой стороны, как мы видели выше, потенциальная энергия U в случае элементарного тока (то есть проводника малых размеров) выражается формулой (10). Подставляя в нее значение магнитного момента тока y.—iS, мы получаем V — — iSH cos ®, или

U=— гФ. (16)

Эта формула может быть легко обобщена на случай линейного замкнутого тока произвольных размеров и формы. Считая силу тока постоянной, мы получаем, следовательно.

1 йФ

V =

с dt

(17)

В рассмотренной нами форме явление электромагнитной индукции представляет собой основной источник электрического тока в технике. Машины, служащие для его получения этим путем, называются динамомагиинами. Обычно динамомашины (подобно электростатическим машинам) основываются на комбинации принципа э.-м. индукции с принципом самовозбуждения. Последний заключается в том, что ток, индуктированный во вращающемся проводнике (якоре), пропускается (последовательно или параллельно) через неподвижный проводник (обмотку возбуждения), создавая или усиливая, таким образом, индуктирующее магнитное поле. То первичное магнитное поле, которое необходимо в самом начале процесса самовозбуждения динамомашины, обычно обеспечивается слабым остаточным намагничиванием железных сердечников арматуры (смотрите ниже).

На первый взгляд может показаться, что путем самовозбуждения могут быть достигнуты сколь угодно интенсивные магнитные поля и сколь угодно большие силы тока. В действительности, однако, значения того и другого ограничены той механической мощностью, которая применяется для вращения якоря. Последний испытывает при наличии в нем тока поперечные пондермоторные силы, о которых мы говорили выше и которые противодействуют вращательному движению, вызывающему индукционный ток.

Пропуская через динамомашину электрический ток, создаваемый каким-нибудь посторонним источником, можно привести во вращение ее якорь, то есть заставить ее действовать как электромотор. При этом „обращенном“ действии динамомашины в ней индуктируется, однако, обратная электродвижущая сила, то есть э.-д. сила, противоположная той, которой вызывается ток, чем ограничивается скорость вращения якоря (смотрите электротехника— электрические машины).

Таким образам, в обоих случаях взаимодействующие факторы находятся в антагонистическом отношении друг к другу, то есть, если фактор А (наир., вращение якоря) вызывает В

(ток), то фактор В стремится уменьшить А. Этот принцип—применимый, впрочем, не только к электромагнитным явлениям, но и к множеству других явлений физики — называется обычно законом Ленца.

Чрезвычайно общая форма, в которой выражается закон электромагнитной индукции, делает весьма естественным обобщение его на тот случай, когда изменение магнитного потока Ф. определяющее согласно формуле (17) индукциоЕшую э.-д. силу, вызывается не движением данного проводника, а изменением магнитного поля, в котором находится неподвижный проводник, или лее комбинацией того и другого фактора. Представим себе, например, два замкнутых линейных проводника с токами Aj и А2. Опыт показывает, что, если они движутся совместно, то есть таким образом, что их относительное положение остается неизменным, то нн в том, ни в другом проводнике никаких индукционных явлений не наблюдается. Отсюда следует, что изменение магнитного потока Ф12, исходящего от At и проходящего через А2, вызывает в А2 один и тот лее индукционный эффект независимо от того, обусловливается ли это изменение движением А» или движением Аь Далее, однако, представляется естественным предположить, что индукционный эффект в неподвижном проводнике Ао, вызываемый изменением магнитного потока Ф12, не зависит от специальных условий, которыми определяется это изменение,—например, от движения ли проводника Аи или от изменения силы тока в нем. Мы приходим, таким образом,к явлению индукции совершенно иного типа, нежели то, из которого мы исходили, а именно—к возбуждению электродвижущей силы в неподвижном проводнике вследствие изменения силы тока в другом также неподвижном проводнике. Механизм э.-м. индукции этого типа совершенно иной, нежели у индукции первого типа, обусловленной движением рассматриваемого проводника в постоянном магнитном поле. Там дело сводилось к обычному электрокинетическому взаимодействию,то есть к созданию одним движущимся зарядом магнитного поля, действующего на другой так же движущийся заряд. Здесь, т-е. в случае индукции нового типа, мы имеем дело с силой, действующей на неподвижные заряды, то есть с силой, обусловленной присутствием не магнитного, а электрического поля, создаваемого зарядами, образующими переменный электрический ток. Так как сила тока пропорциональна скорости зарядов, то быстрота изменения силы di

тока -(ц, которой определяется рассматриваемый эффект, должна быть прямо пропорциональна ускорению этих зарядов. Таким образом, оказывается, что ускоренное движение электрических зарядов возбуждает электрическое поле, пропорциональное ускорению. Этим не кулоновым, а так сказать „фарадеевым“ электрическим полем (явления индукции были впервые открыты и изучены Фарадеем) и обусловливается рассматриваемый индукционный эффект. Можно показать, что к тому же самому механизму, то есть фарадееву электрическому полю, сводится индукционный эффект, обусловленный движением индуктирующего проводника при неизменности силы тока.

Строение фарадеевского поля будет подробно изучено нами в следующей главе. Здесь же мы ограничимся несколькими соображениями, вытекающими из предыдущего и относящимися к вопросу об энергии электрических токов.

Мы видели выше, что работа поперечных пондермоторных сил, действующих между двумя проводниками At и А2, может быть выведена из некоторой потенциальной энергии их: Uvi— =—£12 Ц Ц. Так как сумма этой работы и работы продольных электромоторных сил, индуктируемых в каждом из проводников благодаря его движению в поле другого, равна нулю, то отсюда следует, что последняя работа может быть определена как уменьшение некоторой энергии TVI=— U12 — £12 Н Ь-Но движение каждого проводника, на ряду с индукционной электродвижущей силой магнитного происхождения в нем самом, вызывает индукционную электродвижущую силу той же самой величины, но уже не магнитного (электрокинетического), а электрического (фарадического) происхождения в другом проводнике. Таким образом, полная энергия обоих проводников, то есть та величина, уменьшением которой определяется работа всех сил, действующих на находящиеся в них заряды, равна сумме 2Тп + С713=Т12. В виду компенсации работы поперечных и продольных сил магнитного происхождения, можно считать, что энергия Тп — £12 Ч Ь (18)

целиком определяет работу одних лишь фарадических сил, то есть индукционных э.-д. сил электрического происхождения. Ее можно определить как работу, которую нужно затратить против этих сил, чтобы при данном положении обоих проводников, определяемом коэффициентом взаимной индукции Х]2, создать в них токи и г2. Аналогичным образом в случае отдельного проводника энергия

1 2. Тп=2 Ln ц (19)

представляет собой меру работы, которую нужно затратить для создания в нем тока цили, вернее, для преодоления той электродвижущей силы самоиндукции, которая вызывается в нем изменением силы тока от нуля до данного значения. Эту э.-д. силу самоиндукции можно рассматривать как результирующую э. - д. сил взаимной индукции между бесконечно тонкими струями, на которые можно (мысленно) расчлени гь ток в данном проводнике. Обозначая ее через Vn и замечая, что работа ее за единицу времени равна Vn цс, имеем

Vn цс= -

dTn

dt

- Lnix

Vu=-VLn “i.

то есть, следовательно,

1 r dh

6 | dt

Аналогичной формулой, а именно

1 _ di

Vt2=-

cLdt

(20)

(21)

определить как магнитный поток, исходящий от данного тока и проходящий через его собственный контур. Это определение лишено, однако, ясного физического смысла, поскольку при рассмотрении собственной энергии тока проводник, по которому он течет.нельзя рассматривать как бесконечно тонкую линию.

Энергия Ти

Энергия Ти =Т может быть выражена как сумма бесконечно малых элементов

, eiv e2v2 „

вида + —(,гП—cos 0)2, составленных для всех зарядов, образующих данный ток [см.формулу(4)]б. Разделяя проводники на бесконечно малые элементы объёма dV и замечая, что электрическое количество движения, связанное с каждым из этих элементов, равно произведению его на плотность тока, мы получаем для энергии Т сумму выражений вида у j“ сое Н

------dV dV“ (22)

для всевозможных элементов объёма, взятых попарно (9 представляет собой угол между направлениями векторов,

плотности тока / и j“ в элементах dV1 и dV“).

Подобно тому как и соответствующее выражение для электростатической энергии некоторого объёмного распределения электрических зарядов, предыдущее выражение может быть преобразовано в сумму выраясений вида

-§~dV, (23)

взятых для всего пространства, где магнитное поле отлично от нуля. Таким образом энергию Т, которая, как мы видели выше, измеряет работу индукционных электрических сил, возбуждаемых изменением магнитного ноля, можно трактовать как энергию, связанную с этим полем и распределенную в пустом пространстве с объёмной Я3 „

плотностью — Это определение маг-8

определяется э.-д. сила, индуктируемая в проводнике А» вследствие изменения силы тока в (неподвижном) проводнике Аи Здесь i]2ii представляет собой не что иное, как магнитный поток Ф]2. По аналогии величину Lnix=ФП.можнонитной энергии вполне соответствует определению электрической энергии, как величины, связанной с эдектри-

) При этом каждая пара зарядов должнавходв :к в сумму всего лишь один раз.

ческим полем и распределенной в пространстве с объёмной плотностью

Е2

g— Далее, легко показать, что пондермоторные силы, действующие между проводниками с током, могут быть сведены, подобно электростатическим силам между наэлектризованными Tell-

лами, к натяжению -у— вдоль магнит-

IP

ных силовых линий и давлениюв поперечном направлении.

Предыдущие результаты легко обобщаются на случай любой системы токов, причем под Т в этом случае следует понимать полную величину их магнитной энергии, то есть, например, в случае двух токов величину

Т — Тп Ч + Т2о=g LnH2 Ч~ Lnhi-i -Ь

+ -Lis№. (24)

Заметим, что магнитная энергия, так, как мы ее определили в этом параграфе, представляет собой большое сходство о кинетической энергией системы материальных частиц. Это сходство выступает особенно отчетливо в случае отдельного проводника(соответ-ствующем случаю отдельной частицы). Здесь сила тока играет роль скорости v, а коэффициент самоиндукции—роль массы т в обычном выражении длякинетической энергии у mv- То, чтосходство это имеет не поверхностный характер, а лежит в существе дела, вытекает из того обстоятельства, что сила тока на самом деле пропорциональна скорости движения зарядов в проводнике. Далее, электродвижущая di

сила самоиндукции — L-j представляет собой полный аналог силы инер-

dv

щи — ; ее можно трактовать каксилу инерции электрического тока.

Аналогия между магнитной и кинетической энергией не выдерживается полностью в случае системы токов или системы частиц. Здесь на ряду с суммой членов, соответствующих отдельным токам (или частицам), мы имеем члены, характеризующие взаимодействие разных токов. Им должны были бы соответствовать члены, пропорциональные произведению скоростей различных частиц, то есть члены вида mnViV2, которые можно было бы определить как взаимную кинетическую энергию этих частиц, причем коэффициенты >и12, аналогичные коэффициентам взаимной индукции, можно было бы трактовать как „взаимную массу11. Точно так же сила инерции, испытываемая какой-нибудь частицей, должна была бы слагаться из обычной силы инерции или „самоинерции“ й»,

— тп~ df(mn=mi) и сил взаимной

dvj

инерции —1Щ.Г и т. д„ определяемых ускорениями остальных частиц.

Развитие электрической теории материи привело к преобразованию старых представлений о кинетической энергии и инерции в духе только что изложенных представлений. А именно, поскольку элементарные частицы материи обладают электрическими зарядами, движение их должно сопровождаться такими же электромагнитными эффектами, как и движение зарядов в проводниках. В частности, например, при ускоренном двшкении электрона (или протона) элементы его заряда должны оказывать друг на друга индукционное действие, обусловленное их фара-деевским полем и сводящееся к силе, пропорциональной ускорению и обратной ему по направлению. Эта сила самоиндукции электрона ничем, следовательно, не отличима от обыкновенной силы инерции. Представляется, поэтому, вполне естественным отоян-дествить последнюю с первой, то есть, другими словами, рассматривать силу инерции электрона (или протона) как электродвижущую силу самоиндукции связанного с ним заряда. С этой точки зрения масса электрона оказывается электромагнитной величиной, обусловленной его зарядом, или, вернее, фара-деевским взаимодействием элементов этого заряда, причем сам электрон (или протон) оказывается не чем иным, как электрическим зарядом, сосредоточенным в некотором элементе объёма. Последний должен иметь конечную величину, так как в противном случаемасса электрона оказалась бы бесконечной. Обычно электроны и протоны представляются в виде шариков, заряд которых равномерно распределен по их объёму или поверхности. Радиус этих шариков должен быть тем меньше, чем больше их масса. Вычисление последней проще всего можно произвести, исходя не из силы инерции (самоиндукции), которая появляется при ускоренном движении, а из кинетической, то есть магнитной энергии, которая определяется скоростью. Пользуясь формулой (в), нетрудно показать, что заряд е, распределенный внутри или на поверхности шара, создаст вне шара такое же магнитное поле, как если бы он был сосредоточен в центре, то есть поле ev v

Н=—у sin e=-E~sin 0, (24)

где Е—кулоновское электрическое поле, создаваемое им в той же самой точке. Это соотношение между электрическим и магнитным полем равномерно движущегося заряда остается в силен для внутренних точек. Отсюда следует, что магнитная энергия, то есть Г Я2 _

интеграл J g_ av, взятый по всемупространству, равен электрической

Г Еь

Энергии кулонова поля J g - dv, умноженной на среднее значение множителя

1Р „

— sin 0 для различных значении уг-

>

ла 0 между вектором скорости v и радиусом-вектором соответствующей точки пространства относительно центра заряда. В случае шаровой симметрии среднее значение sin2 в сво-2, дится к -g-, и мы получаем таким образом следующее соотношение между магнитной энергией Т и электрической U:

(25)

В случае шарика радиуса а с поверхностным зарядом е, энергия U равна

£>V

-g ~ Таким образом предыдущее выражение для магнитной энергии может быть переписано в виде

mv2,

при чем масса m оказывается равной 2 Р

= 1ГА <23>

Подставляя сюда значения е=± 4,77

10—шис=3 1010,мыполучаемвслучае электрона (яг — 9 10_2S) а — 2 10—1scm. а в случае протона, имеющего примерно в 2.000 раз большую массу, соответственно, то есть в 2.000 раз, меньший радиус.

Согласно обычным представлениям о массе, последняя является свойством аддитивным, то есть масса системы, образованной несколькими частицами, равняется сумме масс этих частиц, взятых в отдельности. С точки зрения вышеизложенной электромагнитной теории массы, подобная аддитивность не имеет места. В случае системы, образованной совокупностью нескольких электронов или протонов, например атома или атомного ядра у сложных атомов, к сумме масс отдельных частиц необходимо прибавить их взаимные массы, характеризующие силы взаимной индукции, которые они оказывают друг на друга при ускоренном движении. Эти взаимные массы тем больше, чем ближе разные частицы друг к другу. При этом в случае одно-именныхчастиц они имеют положите л-ные, а в случае разноименных частиц— отрицательные значения. Если в рассматриваемой системе разноименные частицы ближе друг к другу, чем одноименные (так что притяжение преобладает над отталкиванием и система для своего расчленения требует некоторой энергии), то сумма всех взаимных масс оказывается отрицательной. Мы получаем в этом случае дефект массы. Подобный дефект массы имеется у всех материальных тел; однако, заметной величины он достигает лишь у ядер сложных атомов, в виду их черезвычайно малых размеров, то есть черезвычайно тесной упаковки электронов и протонов, их образующих. Дефект этот составляет около 0,8°/., массы каждого протона, то есть он в 10 раз больше массы электрона (по отношению к массе всех электронов, имеющихся в ядре, он еще больше, так как число этих электронов меньше числа протонов).

Этим ооъясняется то обстоятельство

Этим ооъясняется то обстоятельство, что, принимая атомный вес кислорода за 16, или гелия за 4, для водорода получают атомный вес 1,008, между тем как атом кислорода состоит ровно из 16, а атом гелия из 4 атомов водорода.

§ 4. Магнетизм (ср. XXVII, 579 след.). Электрокинетические взаимодействия и связанные с ними индукционные явления были впервые обнаружены в замаскированной форме, а именно в форме сил взаимодействия между особыми телами, называемыми магнитами. Силы взаимодействия между постоянными магнитами были количественно изучены Кулоном, почти одновременно с силами взаимодействия между наэлектризованными телами. При этом Кулон пришел к выводу, что магнитные силы, подобно электрическим, обусловливаются наличием .магнитных полюсов“, совершенно аналогичных по своим действиям друг па друга электрическим зарядам. В каждом магните, или теле, способном намагничиваться, магнитные полюса противположного знака находятся в эквивалентных количествах, подобно электрическим зарядам противоположного знака в нейтральном теле. Однако, в отличие от электрических запядов отделение магнитных полюсов противоположного знака друг от друга оказывается абсолютно невозможным. Таким образом, явления магнетизации, аналогичного электризации в обычном смысле слова, никогда не наблюдается. Магнит, или способное намагничиваться тело, ведет себя совершенно таким же образом, как поляризованный или могущий поляризоваться диэлектрик, причем явление намагничения оказывается аналогичным не электризации, а поляризации диэлектрика.

В начале XIX века Вебер ввел представление о том, что магнетизм является молекулярным свойством, то есть что молекулы магнита представляют собой маленькие магнитики, ориентированные одинаковым образом. В теле, способном намагничиваться, они при обычных условиях ориентированы бес-иорядочио, но под влиянием внешнего магнитного поля приобретают одинаковую ориентировку, которая и проявляется в намагничении. Связь магнитных явлений с электрическими была впервые установлена Эрстедтом, показавшим, что электрический ток оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку, то есть создает магнитное поле, по существу тождественное с полем обыкновенного магнита. Далее выяснилось, что и обратно магнит оказывает действие на проводник с электрическим током. Вслед за взаимодействием между электрическими токами и магнитами обнаружилось, что и электрические токи сами по себе оказывают друг на друга такое же действие, как и магниты. Основные законы взаимодействия электрических токов, которые были рассмотрены нами выше, были установлены французскими физиками Био, Саваром и в особенности Ампером. Именно последний показал, что замкнутый электрический ток по действиям, производимым им на другие токи (или магниты) или испытываемым со стороны последних, эквивалентен магниту. Эквивалентность магнитов и токов привела Ампера к мысли о полном упразднении магнетизма как самостоятельного явления, то есть о сведении его к взаимодействию электрических токов, циркулирующих в намагниченном веществе. Исходя из гипотезы Вебера о молекулярных магнитиках, Ампер предложил трактовать их как элементарные молекулярные токи, то есть токи, циркулирующие внутри молекул и отличающиеся от обычных токов только отсутствием сопротивления, то есть следовательно способностью оставаться неизменными неограниченно долгое время.

Наконец, в начале XX века, в связи с развитием электронной теории, выяснилось, что молекулярные токи Ампера образуются вращательным движением отдельных электронов в атомах. При этом вначале имелось в виду лишь обращение электронов вокруг центрального тела атома—положительного ядра. В последнее же время выяснилось, что, помимо этого обращения, электроны обладают вращением около собственной оси, также сообщающим им свойства магнитиков, и что именно от этого осевого, а не орбитного вращения электронов зависят свойства сильно-магнитных вешеств, каковымиявляются железо и другие „ферромагнитные” тела, как, например, кобальт, ник-кель и т. д-

Связь магнитных свойств с вращательным движением электронов была особенно отчетливым образом установлена опытом Эйнштейна и де Гааеа, показавшим, что перемагничение железного стержня вызывает его вращение в ту или другую сторону, а также опытом Барнета, установившим, что вращение тела вокруг оси оказывает на него такое же намагничивающее влияние, как и внешнее магнитное ноле, параллельное этой оси. Возможно, что в этом явлении кроется причина земного магнетизма, а также намагничения Солнца и, повидимому, всех других небесных тел, обладающих осевым вращением. Таким образом отдельные атомы с быстро обращающимися в них электронами или даже отдельные электроны, вращающиеся вокруг собственной оси, ведут себя в этом случае совершенно так же, как маленькие волчки или жироскопические компасы (при медленном вращении вокруг некоторой оси подобного волчка, быстро вращающегося вокруг собственной оси, последняя стремится повернуться в направлении первой оси). Следует, впрочем, заметить, что магнитное поле земного шара во много миллиардов раз сильнее того магнитного поля, которое по своему ориентирующему действию было бы эквивалентно вращению земли вокруг оси.

Как впервые показали опыты Вейсса, магнитный момент отдельных атомов, ионов или электронов, подобно электрическому заряду ионов, может принимать лишь значения, равные или кратные некоторой минимальной величине, представляющей собой как бы атом магнитного момента и называемой магнетоном- Это обстоятельство указывает на то, что размеры и наклонность орбит, описываемых электронами в атомах, не могут изменяться непрерывным образом, но образуют некоторую дискретную совокупность различных возможностей.

Не углубляясь в рассмотрение причин этой дискретности (относящихся к квантовой теории строения атомов,

подробнее см. энергия), мы перейдем теперь к обзору важнейших магнитных свойств материальных тел. Последние с точки зрения этих свойств обычно делятся на 3 класса, а именно: на сильно магнитные, или ферромагнитные, на парамагнитные и диамагнитные. Первые могут сохранять магнитный момент и в отсутствии внешнего поля (остаточное намагничение), тогда как вторые и третьи могут намагничиваться лишь в присутствии внешнего магнитного поля (источником которого служит обычно электрический ток). При этом парамагнитные тела намагничиваются в направлении магнитного поля, тогда как диамагнитные—в диаметрально противоположном направлении. Это различие проявляется внешне в том, что парамагнитные тела втягиваются магнитным полем (то есть притягиваются к его источникам), тогда как диамагнитные—выталкиваются им.

Сущность различия между пара- и диамагнитными телами лежит, как показал Ланжевен, в совершенно различном механизме намагничения в обоих случаях. В случае парамагнитных веществ механизм этот сводится к ориентировке частиц, обладающих постоянным отличным от нуля магнитным мо ментом и способных вращаться независимо друг от друга (ими могут быть молекулы, атомы или отдельные электроны). Ориентирующему влиянию внешнего магнитного поля противодействует влияние теплового движения, стремящегося разбросать магнитные оси этих частиц совершенно беспорядочным образом. Результирующая степень ориентации, определяемая величиной намагничения, то есть магнитным моментом единицы объёма, зависит в этом случае от отношения напряженности магнитного ноля Нк абсолютной температуре Т и при не слиш-

тгком больших значениях отношения ~-

оказывается прямо пропорциональной ему (закон Кюри-Ланжевена).

В случае диамагнитных тел, как показал тот лее Ланжевен, мы имеем дело не с ориентацией готовых магнитиков, а с явлением электромагнитной индукции в отдельных атомах или молекулах. Представим себе последние,

следуя Амперу, в виде очень маленьких идеальных проводников (то есть проводников, не обладающих вовсе сопротивлением) и предположим, что при нормальных условиях никакого тока в них нет. При внесении подобных частиц в магнитное иоле или при создании последнего, появляются рассмотренные нами выше индукционные электродвижущие силы, которыми создаются молекулярные токи, сообщающие частицам свойства магнитиков. При этом оси последних оказываются направленными в сторону противоположную той, в которую поле стремилось бы их ориентировать (принцип Ленца). Заменяя представление об идеальном молекулярном проводнике представлением об атоме, образованном вращением электронов вокруг полояштельного ядра, мы получаем вместо индукционных амперовых токов некоторое изменение в скорости обращения электронов по их орбитам, вызывающее такой же добавочный магнитный момент, как и эти токи. Если при нормальных условиях результирующий магнитный момент атома равняется нулю (благодаря компенсации магнитного действия разных электронов) или если эти моменты, несмотря на присутствие поля, остаются беспорядочно ориентированными (что, например, может иметь место при высокой температуре), то в результате действия магнитного поля чело, образованное рассматриваемыми атомами, намагничивается в направлении, противополоясном полю. В общем случае наличия начального момента у атомов и ориентации их полем, диамагнитный эффект налагается на парамагнитный, обычно ослабляя, а иногда и совершенно маскируя его.

Парамагнитный эффект представляет собой полный аналог ориентационной поляризации диэлектриков, а диамагнитный аналогичен деформационной поляризации последних (ср. гл. 1, § 7). При этом статической деформации, выраясающейся в смещении электронных орбит под действием электрических сил, соответствует в магнитном случае так называемое прецессионное вращение этих орбит вокруг магнитного поля, то есть медленное вращение неискаженных орбитвокруг прямой, проходящей чере“ центр атома в направлении поля. Следует заметить, что действие магнитного поля, после установления его, сводится лишь к поддержанию этой („ларморовской“) прецессии, тогда как создается она теми электрическими силами, которыми сопровождается создание магнитного полнили введение тела в него.

В случае ферромагнитных тел, так лее как и в случае парамагнитных, намагничение сводится к чисто ориентационному эффекту. Различие между ними сводится к тому, что в первом случае основным фактором, обусловливающим эту ориентацию, является не внешнее магнитное поле, как во-втором, но особого рода внутреннее или молекулярное поле (по терминологии Вейсса). Последнее имеет чисто электрическое происхоясдение и лишь проявляется в стремлении одинаково-съориентировать соседние элементарные магнитики, которыми, как показали новейшие исследования, являются в случае ферромагнитных металлов отдельные свободные электроны.

У кристаллов кубической системы, к которым принадлежат ферромагнитные металлы, это направление остается совершенно неопределенным. При наличии ясе незначительных местных искажений кристаллической решетки оно определяется в каждом месте характером этой деформации или соответствующими внутренними упругими напрялсениями. Поскольку последние распределены в теле неправильным образом, результирующее намагничение в среднем для каждого небольшого объёма тела исчезает. Таким образом тело в целом, несмотря, на наличие в нем „спонтанного“ намагничения, представляется ненамагниченным (Вейсе). О

При отсутствии этих внутренних напряжений сколь угодно слабое внешнее поле сразу же повернуло бы все магнитики в своем собственном направлении, так как будучи улсе ориентированы по отношению друг к другу они без всякого сопротивления повернулись бы в указанном им направлении,—подобно тому, как взводсолдат поворачивается по приказа-ниго командира.

При наличии же внутренних напряжений, поворот магнитиков в отдельных однородных областях может осуществляться лишь постепенно, путем борьбы внешнего магнитного поля с ориентирующим влиянием местного искажения решетки (например, растяжения или сжатия ее в том или ином направлении). Исследование этого вопроса {Беккер) показывает, что зависимость результирующего намагничения от внешнего поля не является однозначной функцией последнего, но оказывается различной при возрастании и при последующем убывании

У

поля (с переменой направления его на иротивоположное). Это явление, представляющее собой одну из характерных особенностей ферромагнитных тел, называется гистерезисом. Кривая гистерезиса изображена на рисунке 16. На горизонтальной оси отложены значения поля (магнитной напряженности), а на вертикальной — намагничения (магнитного момента единицы объёма). Отрезок ОС представляет собой величину остаточного намагничения при постепенном убывании поля до нуля в одном направлении (влево), а оч репок OD—то же самое для другого направления. Отрезки О А и ОВ определяют так называемую .коэрцитивную силу, то есть то внешнее магнитное поле, которое необходимо для ликвидации остаточного намагничения. Опыт показывает, в согласии с набросанной выше теорией, что ширина гистерезисной петли тем больше, чем больше внутренние напряжения в соответствующем теле.

При более тщательном исследовании оказывается, что с изменением поля» Н намагничение изменяется не плавным образом, как это изображено на кривой, но скачкообразно, причем величина скачков (соответствующих мгновенному перемагничению маленького объёма тела) особенно велика на крутых участках гистерезисной петли. Это явление носит название эффекта Баркгаузена.

Ферромагнитные тела пмеют большое значение в электротехнике по той причине, что они позволяют в черезвычайно высокой степени усили» вать магнитные поля, создаваемые слабыми или не очень сильными элек-трическнми токами, а вместе с тем и различные пондермоторные и индукционные эффекты, связанные с этими полями. Это усиление сводится к тому, что к внешнему полю, ориентирующему элементарные магнитики, присоединяется то магнитное поле, которое ими самими создается и которое может превышать первое во много тысяч раз. В случае пара-и диамагнитных тел вторичное поле составляет обычно лишь ничтожную долю (порядка одной стотысячной) первичного. Следует заметить, что ферромагнитные свойства сохраняются у железа и других металлов этого типа лишь в твердом состоянии и то лишь до определенной „критической“ температуры—так называемой температуры Кюри,—выше которой они ведут себя как обыкновенные парамагнит ные тела. Роль температуры или, вернее, теплового движения сводится в этом случае к противодействию ориентирующему влиянию внутреннего или молекулярного поля. При температуре Кюри это ориентирующее влияние исчезает, и тело из ферромагнитного состояния переходит в парамагнитное.

Мы уже указывали выше на аналогию намагничения с поляризацией диэлектриков. Вектору поляризации

Р (то есть электрическому моменту еди нИцы объёма) во втором случае соответствует вектор намагничения I в первом. При этом поверхностной плотности связанного электрического заряда, определяемой нормальной проекдней вектора Р, соответствует поверхностная плотность связанного электрического тока, определяемая тангенциальной (то есть параллельной по-

—>

верхности) проекцией вектора I. Заменяя амперовы молекулярные токи молекулярными магнитиками и поверхностную плотность тока поверхностной магнитной плотностью, можно построить математическую теорию намагничения по тому же шаблону, который уже был установлен нами в случае электрической поляризации. Т. обр. вводится понятие о (средней) магнитной напряженности внутри намагниченного тела Я и магнитной —> —> —>

индукции В=Я + 4~ I, далее—о маг-

I

нитной восприимчивости тела 7. — дВ

и магнитной проницаемости |л —

играющей роль диэлектрической по—>

стоянной. При этом для векторов Я и

—

В устанавливаются те же самые граничные условия, то есть непрерывность тангенциальной проекции первого инормальной проекции второго, как и

- -> —>

для векторов Я и Я в случае поляри-, зации диэлектриков.

Однако, если с точки зрения фиктивных молекулярных магнитиков перейти на точку зрения реальных молекулярных токов, то оказывается,

что вектор В, называемый магнитной индукцией, на самом деле представляет собой среднее магнитное полев теле, соответствуя в этом смысле

— >

не вектору I), но вектору Е в случае

—> —>

диэлектриков; вектор же Я — В — 4ъ1 представляет собой вспомогательную величину, соответствующую вектору

—> —> — >

Электрической индукции V ~ Е -J-4-P, но с обратным знаком при векторе поляризации.

[ Кусок лселеза или какого-либо дру-того ферромагнитного вещества, намагничивающийся под влиянием электрического тока, называется электромагнитом. Для намагничения железного стержня его обычно вводят внутрь катушки, на которую намотана в определенном направлении изолированная проволока, и пропускают через последнюю электрический ток.. Подобная катушка называется соленоидом. Если длина ее велика в сравнении с толщиной, то внутри нее получается практически однородное магнитное поле с напряженностью

Н=4 тлю, (27)

где г—сила тока, a w—число витков проволоки, приходящихся на единицу длины катушки. При наличии в катушке сердечника с магнитной проницаемостью (А поле внутри катушки увеличивается в д раз. При этом, однако, говорят, что изменилось не поле, а вектор индукции, при отсутствии сердечника равнявшийся Н, апри наличии его принимающий зна—> —>

чение В —[>. Н.

Коэффициент самоиндукции подобной катушки может быть вычислен приближенно на основании следующих соображений. Каждый виток катушки пронизывается магнитным потоком |jJIS, исходящим преимущественно от других витков, где S площадь поперечного сечения катушки. Обозначая длину ее через I, мы видим, что через все витки проходит магнитный поток ф=j-HSIw — 4щ>. up SU.

Отсюда следует, что коэффициент самоиндукции рассматриваемой катушки равен

L — 4~x>-uPY, (28)

где V=SI объём ее, или, вернее— внутреннего пространства, где сосредоточено поле Я. Заметим, что вне катушки последнее практически исчезает. ,

Подставляя это выражение в формулу T= IAi для магнитной энергиитока и заменяя в ней -mi череэ-Я

о; согласно (27), получаем <}-

Таким образом мы можем себе представить, что энергия тока сосредоточена г, сердечнике катушки и распределена в ней с объёмной плотностью

Это выражение совершенно аналогично с уже известным нам выражееЕ2 нием g_- для объёмной плотности

Электрической энергии в диэлектрике « диэлектрической постоянной г. Если на рассмотренную выше катушку намотать проволоку, изолированную от первой, то мы получим прибор, который в зависимости от характера тока, пропускаемого через первичную обмотку, является индукционной катушкой (Рюмкорфа) илн .электрическим трансформатором (смотрите спираль Рюмкорфа). В первом случае через первичную обмотку пропускается ток постоянного направления, прерываемый через определенные промежутки времени (путем разрыва цепи, по которой он течет). При включении .этого тока во вторичной обмотке индуктируется ток обратного направления; наоборот, при выключении его—ток того же самого направления. Эти индукционные токи тем сильнее—но вместе с тем и кратковременное,—чем быстрее происходит изменение первичного тока. Обычно спадание его при выключении происходит гораздо быстрее нежели нарастание при включении. Поэтому во вторичной обмотке индуктируется гораздо более сильный < ток при выключении первичного тока, нежели при его включении. Индукционная электродвижущая сила тем больше, чем больше число витков ео вторичной обмотке. Обычно последнее берется черезвычайно большим,—так, чтобы разность потенциалов, появляющаяся на концах вторичной цепи (в разомкнутом состоянии) при размыкании первичного тока была бы достаточна для проскакивания искры желаемой длины (смотрите рисунок 17). Заметим, что при размыкании первичного. тока между концами его цепи также проскакивает искра, вызываемая электродвижущей силой самоиндукции, жоторая возбуждается в нем вследствие быстрого убывания силы тока. При замыкании тока, искры, разумеется, не происходит. В этом случае, при наличии постоянной первичной электродвижущей силы V, сила тока возрастает сравнительно медленно, постепенно приближаясь к предельной величине 7= соответствующейданному сопротивлению цепи В. Скорость этого возрастания определяется отношением сопротивления к коэффициенту самоиндукции цени L. В случае обычных цепей она настолько

мала, что нормальный ток г устанавливается в незначительную долю секунды. Заметим, что разность между этим током и тем током г (t), который фактически течет в цепи при замы-j канин ее, называется экстратоком замыкания. Аналогичным образом ток, текущий в цепи после ее размыкания (и прорывающийся через воздух в виде искры), называется экстратоком размыкания. Само собой разумеется, что подобные экстратоки наблюдаются не только в цепи катушки, но и во всякой другой цепи.

На ряду с постоянными токами в электротехнике имеют черезвычайно широкое применение так называется переменные токи. Под этим названием подразумевается обычно не всякий ток переменной силы или направления, но ток. сила и направление которого колеблется .иаятникообразно или гармонически по формуле

i=i0 sin =i0rin«>i+ (30)

где ц представляет собой амплитуду тока, Т— период колебаний, а а—так называется начальную фазу. Заметим, чтовеличина обратная периоду, то естьравная числу колебаний, или „циклов“ в единицу времени, называется частотой, а пропорциональная ей величина ш =2~f— угловой частотой. Таким образом „переменный ток“ представляет собой по существу электрические колебания синусоидального характера, или, точнее, гармоническое колебательное движение электрических зарядов в проводнике.

Источником переменного тока служит обычно динамомашина, схема которой была уже рассмотрена нами в § 3. Мы видели, что при вращении рамки (якоря) в однородном магнитном поле, в нем индуктируется э.-д.

сила, равная V=— SHv>sinе, или, еслиположить здесь <е;

2-1

1=у и V о =

= с SH, то F= T’osin о) 1.

(31)

Таким образом, эта э.-д. сила в смычем роль омического сопротивления, определяемого отношением э.-д. силы

(ок силе тока, играет величина —L, называемая индуктивным сопротивлением.

В общем случае при наличии у проводника омического сопротивления R оно складывается с индуктивным сопротивление, но не арифметически, а „геометрически“, то есть так, как складываются друг с другом два катета прямоугольного треугольника в его гипотенузу. Таким образом, полное ‘) сопротивление R, определяемое как отношение амплитуды э.-д. силы У0 к амплитуде вызываемого ей тока i0, выражается в этом случае формулой

R

= /+ ФО’

(33)

При этом угол сдвига фазы тока по отношению к э.-д. силе, то есть величина а в формуле (30), оказывается меньшей у Можно показать, что он равенодному из двух острых углов в прямоугольном треугольнике с катетами R

еле своей зависимости от времени имеет такой же колебательный характер, как и переменный электрический ток, определяемый формулой (30> Естественно, что именно такой ток ей и вызывается. Если бы проводник, в котором возбуждается электродвижущая сила (31), не имел бы вовсе омического сопротивления, то сила вызываемого его тока должна была бы определяться из условия равенства и противоположности силы э.-д. самоиндукции, связанной с этим током и 1 di 1 Т di

равной— —L l/t- Равенство =V

на самом деле выполняется, если положить в формуле (30) «=2’ то есть i —

= г0 cos и

О)

и —L, а именно тому из этих углов,

который обращается в нуль при×= 0 и, следовательно, в прямой угол при R=0.

Предыдущие соотношения значительно усложняются, когда рассматриваемый проводник, в котором действует э.-д. сила Г, находится в -индуктивной связи с каким-нибудь другим замкнутым проводником. „Индуктивная связь“ двух проводников или контуров означает наличие взаимной индукции между ними и измеряется отношением коэффициента взаимной индукции их Ln к среднему геометрическому из коэффициентов само-

_Х] 2 гиндукции (величина к — назыс

—f 1

<s>L

(32)

Таким образом, в рассматриваемом идеальном случае (проводника без сопротивления) мы получаем переменный электрический ток, сдвинутый по фазе относительно электродвижущей силы на четверть периода, привается коэффициентом связи). Максимальная связь (с коэффициентом близким к 1) осуществляется в рассмотренной выше схеме катушки с двумя обмотками, намотанными одна на дру-

J) В технике, обычно, омическое, индуктивное и полное сопротивления соответственно называются: активным, реактивным и кажущимся.

гуго. Впрочем, при наличии замкнутого (кольцеобразного) железного сердечника, магнитные силовые линии проходят практически полностью внутри последнего, так что в этом случае индуктивная связь между обеими обмотками не уменьшается, если они наматываются вокруг различных участков сердечника (рисунок 18). При таких условиях результирующие э.-д. силы Fj и V2, индуктированные в обеих обмотках и складывающиеся из силы самоиндукции и взаимной индукции (V,=Vu + 71S, =F22 + 7а),

могут быть непосредственно вычислены, исходя из величины Ф полного магнитного потока, проходящего через любое поперечное сечение сердечника по формулам

7= —

d Ф

У

1 d Ф

It’ W

где щ и га, обозначают числа витков в соответствующих обмотках. Отсюда следует, что эти индукционные э.-д. силы относятся друг к другу, как числа витков гог и щ.

Если в одной из обмоток — „первичной“ — действует синусоидальная э.-д. сила V типа (31), исходящая из какого-либо внешнего источника (например, динамомашины), то э.-д. сила того же типа -- но с другой амплитудой — индуктируется во вторичной обмотке. Эта э.-д. сила У2 называется преобразованной, или „трансформированной“ по отношению к исходной V, а самый прибор (схематически изображенный на рисунке 18) называется электрическим трансформатором. Если первичная обмотка состоит из небольшого числа оборотов толстой проволоки с маленьким сопротивлением, то внешняя э.-д. сила V, действующая в ней, практически уравновешивается той, которая в ней. индуктируется Vb Таким образом - У,

отношение у» характеризующее трансформатор, практически совпадает с

У г Щ потношением „= Если, следова-

V 1 «1

тельно, го-, очень велико в сравнении с м>1, то преобразованная э.-д. сила К2 во вторичной обмотке оказывается очень большой по сравнению с первичной. В этом случае трансформатор может преобразовывать низкое напряжение V в высокое У,. При обратном соотношении числа витков мы получаем обратное соотношение: трансформатор не повышает, а. наоборот понижает напряжение, приложенное к первичной обмотке.

Мы не можем останавливаться здесь на вопросе о различных технических применениях переменных электрических токов. Одним из наиболее широко известных, но отнюдь не специфическим, является применение их к электрическому освещению (городские

Электрические станции дают обычно переменный ток с частотой 50). В связи с этим необходимо отметить, что тепловой эффект переменного тока, то есть, другими словами, количество тепла, выделяющегося при его прохождении за единицу времени, выражается не произведением силы тока г на э.-д. силу V, как в случае постоянного тока, а формулой

Q — 2 г’о Г0 COSa,

(35)

то есть половиной произведения амплитуд тока и э.-д. силы на косинус угла, характеризующего сдвиг фазы между ними. В технике переменныхтоков величины

- и

V 2

Го

,/ называются

V 2

„эффективными“ значениями силы тока и э.-д. силы, причем произведение

Ч

vicosa’

характеризующеетучасть тока, с которой связан тепловой эффект, называется активной, апроизведение

V 2

sin а — реактивнойслагающей тока. Эти обозначения соответствуют представлению обеих слагающих тока, как катетов прямоугольного треугольника, соответственно параллельного (то есть совпадающего по фазе) и перпендикулярного (то есть сдвинутого по фазе на 90°) к внешней э.-д. силе. Переменные токи применяются, на ряду с постоянными, для превращения электрической энергии не только в тепловую, но и в механическую,то есть в различного рода электродвигателях (моторах), в рассмотрение которых мы не можем здесь вдаваться (подробнее см. электротехника).

Заметим, что переменные токи могут быть легко преобразованы в постоянные или, вернее, в токи постоянного направления (но колеблющейся величины) при помощи приборов, называемых умформерами, или преобразователями. Заметим также, что динамомашины переменного тока называются часто альтернаторами.

В заключение мы перечислим вкратце различные измерительные приборы, применяемые в электромагнетизме. Важнейшими из них являются приборы, служащие для измерения силы тока по производимому им магнитному (электрокинетическому) действию. В случае слабых токов эти приборы называются гальванометрами, а в случае сильных—амперметрами. Сила тока определяется в них по механическому действию, производимому одной частью цепи (неподвижной) на другую (подвижную) или же на постоянный магнит. Галь; анометры и амперметры могут быть легко приспособлены к измерению разностей потенциала (электро-движущих сил), причем в этом случае они называются вольтметрами. В технике временных токов широкое применение имеют приборы, служащие для измерения мощности (обычно—по тепловому эффекту)—так называемые ваттметры, а также электрической энергии, потребляемой за данное время (электрические счетчики).

Заметим, наконец, что в учении об электромагнитных явлениях часто пользуются особой, .так называется электромагпитной системой единиц, основывающейся на электромагнитной единице электрического тока или заряда, которая была введена нами в начале этой главы и которая в с=3-1010 раз больше соответствующей электростатической единицы. Таким образом, э.-д. единица заряда равна 10 кулонам, а э.-м. силы тока—10 амперам. Сохраняя в качестве единицы работы (энергии) 1 эрг, мы для э.-м. единицы потенциала получаем величину в 3-1010 раз меньшую электростатической, т-е. равную одной стомиллионной вольта. Практической единицей напряженности магнитного поля служит 1 гаусс, равный одной десятой соответствующей э.-м. единицы. Наконец, практической единицей самоиндукции и взаимной индукции является так называется генри=109 см. Напомним, что в электромагнитной системе единиц коэффициент самоиндукции (или взаимной индукции) измеряется в сантиметрах, так же как емкость—в электростатической системе единиц (смотрите электротехника— электрические измерительные приборы).

Глава IV. Электромагнитные волны и электромагнитная теория света. § 1. Ток смещения и распространение электромагнитных действий со скоростью света. Явление электромагнитной индукции в неподвижном проводнике связано с наличием этого проводника лишь в смысле своего обнаружения, а не происхождения. Мы можем и должны себе представить, что то электрическое поле, которое проявляется в виде индукционной э.-д. силы в проводнике, сохраняется и при отсутствии его. являясь непосредственным следствием тех процессов, которыми обусловливается э.-м индукция в рассматриваемом случае Процессы эти, как мы видели выше, сводятся в конечном счете к ускоренному движению электрических зарядов; индукционное электрическое поле— или, как мы его назвали, фарадеевское поле—обусловливается ускорением этого движения в таком лее самом смысле, в каком магнитное поле обусловли- вается его скоростью. Поскольку, однако, в общую формулировку закона иьдукции. то есть в уравнение г 1 4Ф

с dt

| док, а, следовательно, и электрического I поля, действующего между последними. Это изменение электрического поля в качестве фактора, определяющего внутри конденсатора как бы заменяет фарадеевекое поле, входит не движе- собой или, вернее, дополняет электри-нпс электрических зарядов, а лишь ческий ток, текущий в проводнике, обусловливаемое ими магнитное поле, превращая его из незамкнутого „как мы можем совершенно отвлечься от бы“ в замкнутый. Исходя из предсгав-этого движения, представляющего ления (по существу неправильного) о собой основную причину явления, и том, что всякий ток должен быть не-рассматривать фарадеевекое электри- пременно замкнутым, Макеуэл предло-ческое иоле как непосредстзенное след-1 жил трактовать переменное электри-ствие изменения магнитного поля во ческое поле как особого рода ток, ковремени, согласно уравнению (1). Но если переменное магнитное поле может в этом смысле являться непосредственным источником электрического,

торыи он в отличие от ооыкновенного „тока проводимости“ (кондукционного) назвал током смещения. При этом физический смысл идеи Максуэла заключался втождественностимагнитных действий тока того и другого рода, то есть, иными словами, в предположении, что переменное электрическое поле создает магнитное поле того же типа, как и обыкновенный электрический ток.

Эти представление могут быть легко уточнены

Эти представления могут быть легко уточнены. Обозначая заряд положительной пластинки конденсатора через е, а площадь ее (равную, конечно, площади отрицательной) через 8, мы имеем для напряженности электрического поля внутри конденсатора уже известнуюнам формулу Е=А~ Таким образом, е=ES — Ч, где Ч“=ES

то, естественно, возникает вопрос—не может ли переменное электрическое поле являться непосредственным источником магнитного поля, аналогичного фарадеевскомуе Этот вопрос был поставлен Максуэлом в 70-ых годах прошлого века и решен им в утвердительном смысле на основании следующих соображений.

Представим себе плоский конденсатор А, пластинки которого, после предварительного заряжения его, соединяются друг с другом с наружной стороны металлической проволокой В (рисунок 19). При этом конденсатор должен разрядиться; другими словами, по проволоке потечет электрический ток в направлении от положительной пластинки к отрицательной, что сопровождает уменьшением заряда его обклапредставляет собой электрический поток, проходящий через какое-либо сечение конденсатора. Принимая во внимание, что сила тока в электромаг-

1 de

с dt

мы

(2)

нитных единицах равна г=получаем соотношение

d qr.

=4кс dt

Эта формула показывает, что рольсилы тока играет быстрота изменения

Электрического потока между обоими концами разомкнутого проводника, деленная на 4-е. Аналогичным образом плотности тока, то есть силе тока, отнесенной к единице поперечного сечения, соответствует величина

1 dE ,

е==4 «1Г

Обыкновенный замкнутый электрический ток окружен, как мы знаем, магнитным полем, силовые линии которого представляют собой замкнутые кольца, охватывающие контур тока. Если вычислить это поле согласно закону Био-Савара и составить для какого-нибудь контура, охватывающего контур тока, величину, соответствующую электродвижущей силе V в случае фарадеевокого электрического поля, то оказывается, что эта величина V, называемая по аналогии „магнитодвижущей силой”, связана с силой тока черезвычайно простым соотношением V=Ы. (4)

Заметим, что „магнитодвижущая сила” V для какого-нибудь контура может быть определена как сумма произведений элементов этого контура dS на параллельную им слагающую магнитной напряженности (при определенном направлении обхода контура). В случае незамкнутого контура ее можно было бы определить как разность магнитных потенциалов на его концах.—Формулу (4) нетрудно проверить на частном примере, а именно, если рассматриваемый контур совместить с одной из магнитных силовых линий в непосредственной близости к проводнику с током. Эти линии, как мы знаем, имеют форму кругов, причем на расстоянии г от оси проводника, то есть для круга радиуса г, магнитная напряженность Я 21

равна .. Мы получаем, таким образом, V=Н.2~г =ЛтЛ, в согласии с формулой (4).

Заменяя в этой формуле силу тока i ее выражением (2), мы приходим к формулесовершенно аналогичной формуле (1), выражающей закон электромагнитной индукции. Нетрудно проверить, что они на самом деле отличаются только знаком. Это различие, как мы увидим дальше, имеет весьма существенное значение. Итак, мы видим, что убывающее электрическое поле создает вокруг себя магнитное поле, но своей структуре тождественное с электрически; полем, создаваемым возрастаю -

щим магнитным полем (и наоборот).

Закон, выражаемый формулой (5), можно было бы назвать законом „маг-нито электрической индукции“ 1), считая магнитодвижущую силу V „индуцированной“ изменением электрического потока через соответствующий контур.

Следует заметить, что формулы (4) и (5) представляют собой два предельных частных случая, первый из которых соответствует присутствию одного лишь тока проводимости (то есть потока электрических зарядов), а второй— одного лишь тока смещения (то есть переменного электрического потока). В общем случае наличия того и другого формула заменяется следующей:

V -= 4-/ + -df. (6)

Следует заметить трж же, что здесь i и IF представляют собой потоки через тот контур, для которого определяется магнитодвижущая сила V. Таким образом, если последний не охватывает контура тока г, а также в общем случае при отсутствии движущихся зарядов в рассматриваемой области пространства, формула (0) сводится к (5).

Ограничиваясь этим случаем, мы получаем следующую картину своеобразного сцепления между электрическим и магнитным полем. Изменение во времени одного из них вызывает появление другого. При этом магнитные силовые линии, образующиеся вокруг возрастающего электрического поля, охватывают его в виде колец в том же направлении, как и в случае обыкновенного тока (рисунок 20а), а электрические силовые линии, образующиеся вокруг возрастающего магнитного поля, охватывают его также кольцеобразно, но в противоположном направлении. Исчезновение электрического поля сопровождается появлением магнитного, исчезновение магнитного— появлением электрического. Результатом этого взаимного порождения обоих полей является—как показал Максуэл (см.ниже)—перемещение их в пространстве со скоростью с. Это перемещение,

») В настоящее время в советской-литературе этот закон, в большинстве случаев, называется закон“.-м йодного тока.

или „распространение“электромагнитного поля из некоторой области, где оно было сосредоточено в начальный момент времени, происходит по тому же самому закону, которым определяется распространение какой-либо деформации (сжатия, растяжения и так далее) в упругой однородной среде, например в воздухе. Как известно, в последнем случае всякое нарушение равновесия распространяется обычно в виде звуковых колебаний, или волн. Аналогичные колебания и волны—но не механического, а электромагнитного характера—могут распространяться в пустом пространстве из ко кого-либо очага,

Мысль об электромагнитной природе света была высказана Фарадеем, который пришел к ней весьма простым, но по существу совершенно неправильным путем. А именно, в своих исследованиях об электрических и магнитных явлениях Фарадей руководствовался представлением о том, что электрические и магнитные силы передаются от одного тела к другому не непосредственно через разделяющую их пустоту (подобное „действие на расстоянии“ казалось ему немыслимым), но через некоторую промежуточную материальную среду, заполняющую пространство, которое нам кажется совершенно пустым (ср.

Рисунок 20.

где имеются источники переменного (во времени) электрического и магнитного поля, то есть колеблющиеся электрические заряды. Скорость с=3 10101 см/сек., с которой распространяются в окружающем пространстве электрические и магнитные силы (или, вернее, напряженности) и которая может быть определена из опыта как отношение электромагнитной единицы электрического заряда к электростатической, в точности совпадает с непосредственно измеренной скоростью распространения света в пустоте. Смысл этого совпадения, которое уже было отмечено нами выше, заключается, очевидно, в том, что свет представляет собой электромагнитное явление, то есть, другими словами, что световые колебания и волны представляют собой не что иное, как волнообразно распространяющиеся колебания электрических и магнитных полей, и что источниками света, вызывающими эти „силовые“ колебания, являются колеблющиеся электрические заряды (ср. свет, XXXVJI, 563).

I главу, конец § 6). Подобная среда была введена еще за полтора века до фарадея Гёйгепсом в качестве передатчика световых действий и утвердилась в физике под названием светового (или мирового) эфира (ср. физика, XL11I, 312 сл.). Представлялось естественным не создавать новой специальной среды для передачи электромагнитных действий и возложить соответствующие обязанности на тот же самый эфир. Таким образом, гипотеза эфира послужила соединительным звеном между областями физических явлений, до этого казавшихся совершенно различными—электромагнетизмом и оптикой. Из представления о том, что электромагнитные и световые действия передаются через один и тот же эфир, непосредственно вытекало, во-первых, что электромагнитные действия должны распространяться со скоростью света и, во-вторых, что световые колебания можно рассматривать как колебания электрических и магнитных сил. При дальнейшем углублении и матсматическом развитии идей Фарадея Мак-суэл руководствовался той же самой гипотезой эфира как средоточия электромагнитных явлений, рассматривая электрические заряды и токи лишь как источники или очаги упругих напряжений и движений этой среды. Однако, логика вещей и опытные факты привели его к системе уравнений [по существу тождественных с приведенными выше уравнениями (1) и (6)], которые не могли быть согласованы ни с какими конкретными представлениями о механических свой етвах эфира.

Некоторое время казалось, что сведение электромагнитных явлений к явлениям механическим, то есть к движению и взаимодействию материальных частиц, принципиально невозможно и что теория Максуэла приводит к необходимости замены старого механического мировоззрения новым электромагнитным, в котором основной реальностью является электромагнитное поле, существующее в пустом пространстве. Вскоре, однако, в связи с развитием электронной теории, выяснилось, что это поле существует не само по себе, но обусловливается элементарными заряженными частицами материи-электронами (и протонами), и что, следов., его можно рассматривать как простого посредника в действиях, оказываемых различными частицами друг на друга.

Таким образом, отвергнув гипотезу эфира, приведшую к представлению о конечной скорости распространения электромагнитных сил в пустом пространстве, и низведя электромагнитное поле на роль посредника между заряженными материальными частицами, физика восстановила поколебавшееся было механическое мировоззрение, но не в прежней форме, где действие между частицами на расстоянии считалось мгновенным, а в новой форме, где это действие, поскольку по крайней мере оно определяется электрическим зарядом частиц, является запаздывающим.

Сведение всех физических действий к электрическим (электромагнитным) и установление того принципа, что они передаются через пустоту не мгновенно, а с конечной скоростью, и составляет основное отличие нового механического мировоззрения от старого1).

§ 2. Основы теории электромагнитного излучения.Весьма распространенное представление об электромагнитных волнах, как о чем-то. существующем самостоятельно, совершенно не связанном с электрическими зарядами, в корне неправильно. Электромагнитные волны, как и всякое электромагнитное поле, обусловливаются электрическими зарядами. Покоющиеся заряды создают одно лишь кулоновское поле. Заряды, движущиеся прямолинейно и равномерно, создают, кроме того, магнитное поле Био-Савара. Наконец, заряды, движущиеся с некоторым ускорением, создают пропорциональное последнему электрическое поле, которое мы назвали „фарадеевским“, и непосредственно с ним связанное, также пропорциональное ускорению, магнитное поле, которое мы назовем максу-эловским. Конечная скорость распространения электромагнитных действий выражается при этом в том обстоятельстве, что электрическая и магнитная напряженность в каждой точке пространства определяется положением, скоростью и ускорением данного заряда не в тот момент времени t, для которого эти напряженности определяются, а в некоторый предшествующий момент времени Г, когда расстояние заряда от рассматриваемой точки R {V) равнялось с (t — V).

Это обстоятельство

Это обстоятельство, которое обозначается как .запаздывание“ э.-м. действий, проявляется, конечно, лишь в том случае, когда заряд движется. В частности, при периодическом колебательном движении заряда, создаваемое им поле колеблется в каждой точке пространства с тем же самым периодом, но вообще говоря не синхронно, а с некоторой разностью фаз, тем большей, чем больше расстояние этой точки от заряда или, вернее, среднего его положения. Таким образом. рассматривая э.-м. поле в ряде точек, расположенных на различных расстояниях от последнего, мы полу-

J) Окончательное упразднение теории эфира связано о. развитием теории относительности (смотрите), углубившей вместе с тем принципы новой „электро“ механики“.

чим для одного и того же момента времени периодичность того же типа, как и в том случае, когда мы рассматриваем э.-м. поле в данной точке для ряда последовательных моментов времени. Впрочем, пространственная периодичность, в отличие от временной, искажается постепенным убыванием поля—или, точнее, амплитуды его колебаний—с увеличением расстояния.

Эти соотношение в простейшем случае гармонического колебательного движение данного заряда могут быть выражены формулой вида

Эти соотношения в простейшем случае гармонического колебательного движения данного заряда могут быть выражены формулой вида

F=f(R) sinw (-v), (7)

где F обозначает электрическую или магнитную напряженность в момент t на расстоянии R от заряда, ш=2-f—

2~

= гр — «угловую частоту“ его колебаний, a f(R)—функцию, характеризующую зависимость амплитуды колеба-

R

ний поля от расстояния. Разность t — —

представляет собой эффективное время V. о котором мы говорили выше и к которому относится положение заряда, действие которого определяется в момент t.

ПолагаясТ=1,

мы можем переписать выражение

/ R { t В п

ш it — (, I в виде 2- I y — у J. Отсюда видно, что величина×играет по отношению к расстоянию R такую же роль, какую период колебаний Т играет по отношению к времени t. Таким образом, для каждого момента времени формула (7) дает некоторое колебание ноля в пространстве того же самого типа как и колебание во времени — если отвлечься от искажения, характеризуемого множителем f(R) — с периодом X. Такого рода пространственные колебания называются, вообще говоря, волнами, а период их×называется длиной волны. Картина, определяемая „фазо-( R

Зым множителем“ sin oj I t — — j, представляет собой ряд концентрических сфер, характеризуемых определенными значениями „фазы“

R >

( t

R

U) ( t

~ С у

)=2=!

КТ-

0

» с течешт-

ем времени каждая из подобных сфер непрерывно расширяется во все стороны путем увеличения ее радиуса со скоростью с. Мы получаем, таким образом, шаровые волны, распространяющиеся со скоростью с.
Эти соображение применимы в принципе к любому их тех четырех типов э
Эти соображения применимы в принципе к любому их тех четырех типов э .-м. полей, которые были указаны нами выше — то есть кулоновому, био-саваровскому, фарадеевскому и максу-эловскому полю. Однако, в электромагнитной теории понятие волн применяется исключительно к полям фа-радей-максуэловского типа.. Это объясняется тем обстоятельством, что последние убывают с расстоянием гораздо медленнее, нежели кулоновское и био-саваровское ноле, а именно обратно пропорционально первой степени расстояния, а не второй степени, как последние. Таким образом, на больших расстояниях, то есть там, где волнообразный характер распространения электромагнитных колебаний становится отчетливо выраженным [благодаря сравнительно медленному убыванию амплитудного множителя f(R)], кулоновское и био-саваровское поля, преобладающие на малых расстояниях, совершенно стушевываются перед фарадей-максуэловским. При этом, под „малым“ или „большим“ расстоянием следует понимать расстояние Я, малое или большое по сравнению с длиной волны×= с Т. Заметим, что гармонически колеблющийся электрический заряд называется обычно электрическим вибратором, а зона, простирающаяся на расстояния Д>е—волновой воной.
Существенное различие между полями, убывающими обратно пропорционально квадрату расстояния и первой его степени, с точки зрения представления о волнах станет нам более ясным, если мы рассмотрим вопрос о количестве энергии, связанной с нолем к распространяющейся наружу или, как говорят, излучающейся вместе с ним. С этой целью рассмотрим количество энергии, заключенной между двумя соседними волновыми поверхностями одинаковой.
фазы, то есть двумя сферами с радиу-1 во внимание лишь большие расстоя-сами В и В -+ X, где В=ct. Если В ния, эти отступления не играютвелико в сравнении с X, то объём рассматриваемого слоя может быть представлен в виде 4-J22X. Количество содержащейся в нем энергии равно произведению его на ее объёмную плотность. Последняя, как мы знаем, пропорциональна квадрату напряженности ноля. Таким образом, в случае кулоновского и био-саваровского поля плотность энергии обратно пропорциональна четвертой степени расстояния, так что энергия, содержащаяся в волновом слое данной толщины×по мере его расширения (то есть распространения волн), убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.
Мы видим, следовательно, что в этом случае говорить о переносе волнами определенной энергии невозможно. А потому оказывается нецелесообразным вообще говорить о каких бы то ни было волнах.
Иначе обстоит дело в случае фара-дей-максуэловского поля. Здесь плотность энергии оказывается обратно пропорциональной квадрату расстояния, а, следовательно, величина энергии, уносимой раздувающимся волновым слоем,—независимой от его радиуса, то есть постоянной. В этом случае представление о волнах, как о носителях электромагнитной энергии, имеет поэтому непосредственный физический смысл. Заметим, что аналогичным образом обстоит дело в случае звуковых волн, где амплитуда колебаний также оказывается обратно пропорциональной первой степени расстояния, а средняя плотность энергии, измеряемая силой или интенсивностью звука, обратно пропорциональной квадрату расстояния. В случае световых волн, то есть электромагнитных волн определенной длины, силе звука собтьетствует сила или интенсивность света, измеряемая объёмной плотностью энергии электромагнитного поля. Па малых (по сравнению с длиной волны) расстояниях, от закона обратной пропорциональности интенсивности квадрату расстояния должны наблюдаться отступления; однако, практически, поскольку принимаютсяроли.
Энергия
Энергия, уносимая электромагнитными волнами, берется, очевидно, за счет их источника, то есть за счет механической энергии колеблющегося электрического заряда. Но эту механическую энергию, как мы знаем, можно рассматривать как энергию электромагнитного поля, создаваемого им и его партнером (то есть неподвижным зарядом противоположного знака, притяжением к которому обусловливается колебательное движение первого заряда). С этой точки зрения потенциальная энергия образуемой ими системы (включая собственную энергию каждого из зарядов в отдельности) измеряется электрической энергией кулоновского поля, а кинетическая энергия—магнитной энергией био-саваровского поля. Тактг образом, механическую энергию можно рассматривать тсак электромагнитную энергию, сосредоточенную в непосредственной близости к данному заряду (и его партнеру), то есть на расстоянии меньшем, нежели длина волны. Что касается всей остальной электромагнитной энергии, находящейся в волновой зоне и непрерывно уносимой волнами во все стороны, то для нее в механике нет аналога- Она пропорциональна квадрату ускорения движущегося заряда, а также толщине волновой зоны, то есть времени, протекшему с начала рассматриваемого движения. Эту энергию называют обычно лучистой энергией, а процесс превращения механической энергии (то есть энергии кулоновского и био-саваровского поля) в лучистую (то есть в энергию фарадей - максуэловского поля) называют электромагнитным излучением. Следует подчеркнуть, что приведенное деление электромагнитной энергии на механическую и лучистую не может быть проведено точным образом и поэтому имеет весьма условный смысл, хотя и оказывается весьма удобным на практике. Исторически оно возникло и развилось на почве представления об эфире как о передатчике „лучистых явлений“ (то есть видимого и невидимого света., причем в этой теории лучистая энергия приписывалась эфиру, а механическая—обыкновенной материи.
До этих пор мы ограничивались весьма суммарным описанием фарадей - максуэловского поля, или поля электромагнитных волн, отметив лишь тот факт, что напряженность этого поля прямо пропорциональна ускорению создающего его заряда и обратно пропорциональна первой степени расстояния. В дополнение к этому мы должны теперь указать следующие его особенности.
1) Поперечный характер, выражающийся в перпендикулярности элек-
—>
трической напряженности Е и маг—>
нитной П к направлению „луча“,
—>
то есть прямой R, проведенной от очага поля к данной точке и определяющей направление распространения волн в
Этой точке. К этому следует приба-
—> —>
вить, что Е и Н зависят не от всего
—>
вектора ускорения го, но лишь от
—>
поперечной проекции его го то есть от проекции его на плоскость, перпендикулярную к лучу, причем вектор
Е направлен в сторону противоположную ускорению.
—> —
2) Напряженности Eh Н численно равны друг другу и взаимно перпендикулярны. При этом они направленытаким образом, что при вращении от —
Е к Н (на 90°) правый винт передвигается в направлении луча.
Если изобразить рассматриваемое поле на некотором расстоянии. R от заряда при помощи силовых линий, то получается следующая картина. Силовые линии образуют сетку, лежащую на поверхности шара с радиусом R. Если уподобить этот шар земному шару и под осью его подразумевать прямую, проведенную в направленииускорения w (в эффективный момент ]
f=t— —), то электрические силовыелинии образуют меридианы шара, расходящиеся от положительного (северного) полюса и сходящиеся к отрицательному (южному), а магнитные силовые линии — параллельные круги проведенные с запада на восток, то есть так, чтобы при вращении в этом направлении правый винт перемещался в направлении оси. Наконец, густота силовых линий —как электрических, так и магнитных — достигает максимума у экватора и обращается в нуль у полюсов.
Заметим, что магнитное поле, о котором идет речь и которое мы называли выше „макоуэловским“, имеет структуру, совершенно аналогичную био-саваровскому полю—как в смысле формы силовых линий (коаксиальные круги), так и в смысле их густоты на данном расстоянии. При этом роль скорости играет ускорение, а густота убывает с расстоянием обратно пропорционально первой, а не второй степени.
Что касается фарадеевского электрического поля, то оно имеет характер совершенно отличный от кулоновского. Оно действует в сторону противоположную ускорению создающего его заряда на есз одноименные заряды, окружающие последний. В случае ускоренно - движущегося электрона, фарадеевское взаимодействие (взаимная индукция) его элементов создает силу торможения, которую мы интерпретируем как силу инерции. Учитывая запаздывание элементарных сил, исходящих от отдельных элементов заряда электрона, нетрудно показать, во-первых, что масса его должна возрастать с увеличением скорости, обращаясь в бесконечность при приближении последней к скорости света (при чем это увеличение массы оказывается пропорциональным кинетической энергии электрона). Далее, это запаздывание приводит к тому, что к силе инерции присоединяется добавочная сила, имеющая характер трения (сила лучистого торможения); действием этой силы и обусловливается то уменьшение механической энергии электрона, которым сопровождается его электро магнитное излучение.
Мы видим, таким образом, что электрические силы, которыми обусловливается инерция материи, по существу тождественны с силами, образующими световые волны.
§ 3. Электромагнитные волны и их источники. Колебательный или волновой характер световых явлений был установлен задолго до появления электромагнитной теории света в связи с явлениями интерференции (и диффрак-ции), которые вместе с тем дали возможность измерить длину световых волн. Последняя, как известно, заключается в пределах примерно от 8 стотысячных долей сантиметра для красного света и до 4 стотысячных — для фиолетового, чему соответствует громадная частота колебаний — порядка нескольких сот биллионов в секунду.
Теория Максуэла поставила на очередь создание и обнаружение искусственных электромагнитных колебаний гораздо меньшей частоты и соответственно этому гораздо большей длины волны. Эта задача была блестяще решена Герцем в начале 1880-ых годов, а двадцатью годами позлее открытые Герцем электромагнитные волны были технически использованы Маркони (а отчасти в России Поповым) для телеграфирования без проводов (смотрите радиотехника, XXXV, 362 сл.).
Длина электромагнитных волн, применяемых в радиотелеграфии, до последнего времени измерялась сотнями метров или даже километрами. Таким образом, между волнами видимого света и радио-волнами лежала целая пропасть. В настоящее время, однако, эта пропасть почти уничтожена. С одной стороны, длину искусственно создаваемых электромагнитных волн удалось путем уменьшения соответствующих приборов-вибраторов уменьшить с сотен метров до нескольких сантиметров и даже до десятых долей миллиметра. С другой стороны, чисто оптические исследования были продолжены за пределы красного конца спектра в область инфракрасных лучей <раньше называвшихся тепловыми), причем удалось практически осуществить „смычку“ этих лучей с электромагнитными. Заметим, что одновременно с необычайным расширением представления о световых волнах в сторону длинных волн было достигнуто не меньшее расширение его в противоположную сторону необычайно коротких волн, путем открытия рентгеновых лучей, (смотрите). Последние образуют непрерывную гамму, заканчивающуюся длиной волны примерно около одной миллиардной сантиметра. Волновая природа рентгеновых лучей, их принципиальная тождественность с видимыми лучами, а следовательно и с электромагнитными волнами Герца, была установлена не сразу, а лишь примерно лет через 20 после их открытия, когда Лауе (в 1913 году) впервые удалось обнаружить явления интерференции рентгеновых лучей при прохождении их через кристаллы или отражении от последних. Явление интерференции св‘-та заключается в периодическом усилении и ослаблении волн одинаковой длины при нало-лсении их друг на друга. Подобные ряды волн образуются при отражении рентгеновых лучей от равноотстоящих плоскостей, образуемых атомами кристалла, причем усиление их происходит лишь при определенных углах падения (и отражения), при которых волны, отраженные от соседних плоскостей, отличаются друг от друга по фазе на одну или несколько длин волн. Особая пригодность именно кристаллов для наблюдения интерференции рентгеновых лучей обусловливается тем обстоятельством, что расстояние между соседними плоскостями (или атомами) у большинства кристаллов совпадает по порядку величины с длиной волны рентгеновых лучей.
Явление интерференции рентгеновых лучей оказалось мощным орудием экспериментального исследования строения материальных тел—в особенности твердых, и в последнее время получило ряд важнейших применений в технологии и испытании материалов.
Спектр „световых“ колебаний (в расширенном смысле слова) простирается в сторону коротких волн еще довольно далеко за пределы рентгеновых лучей. Соответствующие ультра-рентгеновые лучи, испускаемые некоторыми радиоактивными веществами, называются гамма-лучами; лучи еще более короткой волны, в тысячу раз меньшей, чем у крайних рентгеновых лучей, пронизывают все мировое пространство и воспринимаются на земле как „космическое излучение“. Космические лучи вызывают ионизацию верхних слоев атмосферы, то есть вырывание электронов из атомов или молехсул воздуха, благодаря чему последний приобретает способность проводить Э. В этом отношении, то есть в повышении ионизации, а следовательно и электропроводности воздуха, космическим лучам помогают ультрафиолетовые лучи Солнца, действие которых ограничивается, конечно, только обращенной к Солнцу половиной земного шара.
Электропроводность верхних слоев атмосферы имеет чрезвычайно существенное значение для распространение электромагнитных волн
Электропроводность верхних слоев атмосферы имеет черезвычайно существенное значение для распространения электромагнитных волн, применяемых в радиотехнике, на большие расстояния вдоль земной поверхности. Проводящие слои воздуха отражают эти волны примерно так же, как и земная поверхность; и вместо того, чтобы уноеиться в мировое пространство, радио-волны, запертые между поверхностью земного шара и его воздушным чехлом, огибают землю без заметного ослабления. Т. обр., между самыми короткими и самыми длинными электромагнитными волнами существует весьма своеобразная связь; а именно: первые (ультрафиолетовые и космические лучи) способствуют распространению вторых (радио-волны) вдоль земной поверхности. Необходимо отметить, что в положении „наибольшего благоприятствования“ находятся так называется „короткие“ радиоволны от 40 и примерно до 8 метров-Более длинные волны проходят через ионизованные слои атмосферы беспрепятственно; более короткие, наоборот, поглощаются в них; и лишь волны, длина которых лежит в указанном интервале, возвращаются обратно к земной поверхности.
Источником электромагнитных волн служит колебательное движение электрических зарядов. В случае радиоволн это колебательное движение осуществляется в форме переменных электрических токов высокой частоты примерно от 1 и до 100 миллионов колебаний в секунду. Возможность подобных колебаний, еще до открытия сопровождающего их „электромагнитного излучения“, была установлена теоретически В. Томсоном (лорд Кельвин). Томсон исходил при этом из схемы, изображенной на рисунке 19, то есть конденсатора, обкладки которого соединены друг с другом с наружной стороны проволокой. Последняя для увеличения самоиндукции обычно закручивается в спираль {соленоид), так что предыдущая схема принимает вид, изображенный на рисунке 21. Разрядка конденсатора осуществляется, как мы уже видели, в форме электрического тока, который.
К
однако, це прекращается в тот момент, когда конденсатор совершенно разрядился, но продолжает течь по инерции (то есть благодаря самоиндукции), перезаряжая конденсатор и в результате постепенно ослабевая до тех пор, пока конденсатор не зарядится до (приблизительно) первоначальной разности потенциалов, но в противоположном смысле. Затем ток начинает течь в обратную сторону до тех пор, пока конденсатор вновь не перезарядится и таким образом вернется в исходное состояние. При этом сила тока достигает максимума в тот момент, когда заряд обкладок конденсатора обращается в нуль.
Происходящие таким образом электрические колебания совершенно аналогичны колебательному движению груза, подвешенного на пружине, если вывести его из равновесия (путемтолчка или изменения длины пружины). Заряжению или перезаряжению конденсатора соответствует сжатие или растяжение пружины, а силе тока—скорость движения груза. Колебания груза можно рассматривать как непрерывное превращение его потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Точно так же электрические колебания рассматриваемого нами типа можно трактовать как непрерывный переход электрической энергии конденсатора в магнитную энергию токаи обратно. Электриче- ская энергия (играющая в этом случае роль потенциальной) может быть выражена через заряд одной из обклае2
док е и емкость С формулой U= амагнитная—через силу тока г и коэффициент самоиндукции L формулой
Хг2. Приравнивая друг к другумаксимальные значения этих энергийео2 1 Т О
и,/ L v и принимая во внимание,
1 de
что в силу соотношения г — —
ш 2-f 2-
ео — ео— с ей — t е0,
гд /—частота колебаний, α= -
длина соответствующих электромагнитных волн (смотрите ниже), мы получаем следующую формулу (впервые выведенную Томсоном):
1 с _
~~ 2- у/сь
ИЛИ
Х=2~s/Ul. (8)
В этих Формулах емкость и самоиндукция выражены соответственно в электрических и электромагнитных единицах, то есть в сантиметрах, так что длина волны×также получается в сантиметрах. Обычно С и L имеют тот же порядок величины, как и линейные размеры проводника (поскольку форма последнего не выбрана нарочитг таким образом, чтобы по возможности увеличить значения С и L). При таких условиях длина электромагнитных волн, излучаемых полупроводником при наличии электрических колебаний, должна быть также близка к его линейным размерам.
Колебание груза, подвешенного на. пружине, является прототипом колебательного движения, которое способны совершать все решительно упругие тела—струны, стержни, пластинки и так далее, вообще тела любой формы я размеров. В этом случае роли пружины и груза оказываются совмещенными в одном и том же теле (им может быть, в частности, пружина, лишенная дополнительного груза, помимо своей собственной массы).
Аналогичным образом электрические колебания описанного выше типа могут происходить в любом металлическом теле, без дополнительной самоиндукции в виде соленоида и дополнительной емкости в виде конденсатора, каковы бы ни были его размеры и форма. При этом, так же-как и в случае упругих колебаний, частота их оказывается тем больше, чем меньше линейные размеры тела. Необходимо отметить, что в обоих случаях могут иметь место колебания различных частот. В простейшем случае струны или длинного провода эти частоты находятся друг к другу в отношении ряда целых чисел 1:2:3-и так далее, образуя основной тон, или основное колебание (самое медленное), и верхние дополнительные колебания (или обертоны).
Таким образом, всякое металлическое тело способно совершать, на ряду с упругими колебаниями, воспринимаемыми в форме звука, электрические колебания, не воспринимаемые непосредственно, но являющиеся по-существу не чем иным, как невидимым светом черезвычайно большой, длины волны. Длина электромагнитных волн, испускаемых подобным: „святящимся“, то есть электрически вибрирующим телом, приблизительно совпадает с длиной звуковых волн, соответствующих упругим колебаниям этого тела, и в случае основного колебания сравнима с его линейными размерами.. Так, например, основному колебанию металлического провода, как; упругому (звуковому), так и электрическому (световому), соответствует длина волны (звуковой или электромагнитной), ровно вдвое большая его собственной длины. Это соотношение объясняется тем, что в обоих случаях концы провода .являются „узловыми“ точками (в которых амплитуда колебаний равна нулю) и что расстояние между двумя соседними узлами равняется половине длины волны.
При данной длине волны×частота колебаний, то есть число колебаний в секунду f, тем больше, чем больше скорость их распространения; последняя может быть определена как произведение f на Принимая во внимание, что скорость звука (т.-е-скорость распространения упругих колебаний) измеряется .несколькими сотнями метров или максимум несколькими километрами в секунду, и огда как скорость света (электромагнитных волн) равна 300.000 км в секунду, мы приходим к заключению, что у одного и того же (металлического) тела частота электрических (световых) колебаний должна быть примерно в 100 тысяч раз больше, чем частота колебаний звуковых. Так, например, в случае проволоки в 1 метр длиной мы должны получить, при длине волны в 2 метра, звуковые колебания с частотой порядка 1.000 и „световые“ колебания с частотой порядка 100 миллионов в секунду.
„Звучание“ упругого тела может быть вызвано простым толчком или ударом. При этом колебательное движение тела быстро замирает или, как говорится, „затухает“, отчасти вследствие „излучения“ его энергии в виде звуковых волн, распространяющихся в окружающем воздухе, отчасти же вследствие превращения этой энергии в теплоту (нагревание). Аналогичным образом невидимое „свечение“ металлического тела может быть вызвано особым „электрическим толчком“, причем колебательное движение, образующее сущность этого свечения, черезвычайно быстро затухает, частью благодаря излучению энергии в окружающее пространство („эфир“) в виде электромагнитных волн, частью же вследствие превращения ее в тепловую энергию (тепловое действие тока, щжаулево тепло).
Электрический толчок
Электрический толчок, о которомидет речь, может быть вызван множеством различных способов, например введением рассматриваемого тела в разрядную цепь индукционной катушки. Именно таким способом пользовался Герц; аналогичным образом действовал и Маркони. Впоследствии, однако, в радиотехнике от затухающих электрических колебаний перешли к колебаниям незатухающим, которые возбуждаются не отдельными толчками, а непрерывным воздействием, аналогичным действию смычка на струну. В качестве подобного возбудителя или генератора незатухающих электрических колебаний вначале служила электрическая дуга; в последнее время выработалась новая универсальная форма „электрического смычка“ в виде так называется триода, или катодной лампы с тремя электродами (смотрите электронная лампа). Пользуясь подобным электрическим смычком, можно „играть“ на любом металлическом теле неслышимые и невидимые световые симфонии. (
В радиотехнике источниками „света“, то есть невидимых электромагнитных волн, служат передатчики или передаточные антенны, достигающие иногда (в случае очень длинных волн) гигантских размеров. Источниками видимого света (а также примыкающих к нему инфракрасных и ультрафиолетовых лучей), то есть электромагнитных волн с длиной порядка нескольких стотысячных долей сантиметра, служат отдельные атомы и молекулы материальных ’ тел. Эти миниатюрные радио-антенны имеют черезвычайно маленькие размеры—примерно в 10 тысяч раз меньшие, чем длина испускаемых ими волн. При этом под размерами их понимаются размеры тех орбит, по которым движутся находящиеся в них электроны. Эти размеры могут быть приблизительно определены из расстояний между соседними атомами в твердых телах; в случае наружных электронов они близки к 10—®, то есть одной стомиллионной сантиметра.
Заметим, что наличие в мельчайших частицах нейтральной материи-атомах—еще более мелких наэлектризованных частиц непосредственно явствует из самого факта видимости материальных тел, ибо эта видимость обозначает не что иное, как испускание электромагнитных волн, источником которых могут быть лишь колеблющиеся наэлектризованные частицы. Природа этих частиц может быть установлена более точным образом путем изучения того изменения в : арактере испускаемого света, которое вызывается действием внешнего магнитного поля. Это изменение, которое искал еще Фарадей, было обнаружено в 1900 г. Земаном. В простейших случаях оно заключается в расщеплении каждой спектральной линии на три компоненты, из которых центральная совладает с исходной линией, а боковые смещены в противоположные стороны на расстояния, пропорциональные напряженности поля (смотрите земаново явление и энергия). Теория этого „явления Земана“ была дана Лоренцом. По существу она совпадает с изложенной в предыдущей главе ланжевеновской -теорией диамагнетизма. Действие магнитного поля на колеблющийся или обращающийся вокруг центра атома электрон сводится, как мы видели, к прецессии его орбиты, то есть к сравнительно медленному вращению ее вокруг направления магнитного поля. При этом гармоническое колебательное движение, параллельное полю, не испытывает изменения, то есть сохраняет свою нормальную частоту тогда как прямолинейное гармоническое колебание в направлении, перпендикулярном к нолю благодаря прецессии, перестает быть гармоническим и может быть представлено в виде геометрической суммы двух вращений одинаковой амплитуды и противоположного направления с частотами /“-j— / х и f—fu где Г—частота невозмущенного колебания, a f,—частота прецессии, пропорциональная интенсивности магнитного ноля. Это изменение в характере колебательного движения отражается1 на характере испускае- мого света в виде расщепления исходной неполяризованной спектральной линии на три поляризованные компоненты—одну прямолинейно поляризованную с неизменной частотой и двеполяризованные по кругу в противо положные стороны с частотами /+/, и / — А (смотрите поляризация света и энергия). По направлению поляризации смещенных компонент, а также-по величине их смещения можно определить, во-первых, знак электрического заряда колеблющейся частицы и, во-вторых, отношение этого заряда к массе. Таким путем оказалась возможность отождествить внутриатомные частицы, колебаниями которых обусловлен испускаемый атомами свет, е электронами, наблюдавшимися ранее в свободном состоянии в виде катодных лучей.
При падении на атомы какого-либо тела свободные электроны, образующие катодные лучи, вызывают колебательное движение связанных внутриатомных электронов, вызывая таким образом свечение атомов. Сравнительно медленные катодные лучи, с энергией, соответствующей ускоряющей разности потенциала в несколько вольт, приводят при этом в колебание наименее прочно связанные внешние-электроны, от которых зависит видимый, а также отчасти инфракрасный и ультрафиолетовый свет. Более быстрые катодные лучи с энергией порядка нескольких тысяч или десятков-тысяч вольт приводят в колебание более прочно связанные внутренние-электроны, которыми обусловливается испускание рентгеновых лучей.
Необходимо отметить, что и при отсутствии внешнего воздействия находящиеся в атоме электроны не покоятся, но быстро обращаются вокруг положительных ядер. Однако, это нормальное движение, вопреки развитым выше представлениям, столь хорошо-применимым к электрическим колебаниям в обыкновенных проводниках,не-сопровождается излучением. Связанные с этим затруднения привели к: созданию теории квантов (смотрите энергия).
§ i. Вынужденные электрические-колебания и вторичные электромагнитные волны; распространение световых волн в материальных телах. В предыдущем параграфе мы рассматривали электромагнитные волны как; следствие электрических колебаний, то есть колебательного движения электронов. Последние могут быть, однако, не только причиной, но и следствием первых. Если какое - нибудь тело находится в поле электромагнитных волн, исходящих от внешнего источника, то образующие эти волны колеблющиеся электрические (и магнитные) силы вызывают вынужденные колебания электронов в этом теле. Эти вынужденные электрические колебания происходят синхронно с вызывающими их силовыми колебаниями, то есть имеют одинаковую с ними частоту. Будучи следствием „первичных.1 силовых (электромагнитных) колебаний, они являются в свою очередь причиной или источником „Вторичных“ силовых колебаний, д.-е. вторичных электромагнитных волн той же самой длины.
Рассеянный и отраженный свет, благодаря которому мы видим окружающие нас несамосветящиеся тела, является примером вторичных электромагнитных волн, испукаемых по вышеописанному механизму. При падении на тело монохроматического света, то есть света, образованного синусоидальными волнами, тело представляется окрашенным в тот же самый цвет, как и источник света, что соответствует совпадению длины первичных и вторичных волн. Таким образом, в этом случае различные тела отличаются друг от друга лишь яркостью своего вторичного свечения, то есть интенсивностью рассеянного или отраженного света по отношению к падающему. Эта относительная интенсивность тем больше, чем больше амплитуда электронных колебаний, вызываемых первичными силовыми колебаниями данной амплитуды. В том случае, когда электроны способны совершать свободные колебания определенной частоты /о, амплитуда их вынужденных колебаний оказывается тем большей, чем ближе частота f вынуждающих колебаний к f0. Если пренебречь силами трения, то амплитуда вынужденных колебаний изменяется обратно пропорционально разности <f2—/о3> обращаясь в бесконечность при /.= f0- На самом деле благодаря -силам трения она при этом остается конечной, достигая более или левее резко выраженного максимума.
Это явление
Это явление, хорошо известное в акустике, называется резонансом. Разнообразная окраска, которую принимают разные тела при освещении одним и тем же белым светом, объясняется неодинаковой интенсивностью отражения различных монохроматических составляющих этого света.
В особенно отчетливой форме явление оптического резонанса наблюдается в случае газов: при пропускании через какой-нибудь холодный (то есть не самоеветящийся) газ смешанного (белого) света поглощаются лишь те лучи, которые могут испускаться этим газом в раскаленном состоянии или под влиянием электрического разряда (то есть электронных ударов). Другими словами, „спектр поглощения“ газа совпадает с его спектром испускания.
В области длинных электромагнитных волн, применяемых в радиотехнике, мы имеем дело с явлением вторичных или вынужденных электрических колебаний при приеме радиоволн. Для улучшения приема, то есть максимального увеличения интенсивности вынужденных колебаний, применяется принцип резонанса. Последний достигается путем настройки приемной системы, то есть приближения частоты ее свободных колебаний к частоте f первичных силовых колебаний, которые в этом случае воспринимаются в виде некоторой внешней электродвижущей силы.
Эффективное сопротивление колебательного контура
Эффективное сопротивление колебательного контура, то есть отношение амплитуды тока -<0 к амплитуде э.-д. силы /0 выражается при наличии самоиндукции L и емкости С формулой
С,:+Д У:(9)
которая при С=0 переходит в формулу (33) предыдущей главы. Эта формула показывает, что э.-д. сила самоиндукции и разность потенциалов на обкладках конденсатора действуют в противоположных направлениях, ослабляясо С
ДРУГ друга. При условии -у Z=—g
они взаимно компенсируются, что соответствует минимальному значению эффективного сопротивления Я=Я, т.-с. максимальной силе тока. Это условие,
как показывает формула (7), в связи с и> — 2~f представляет собой условие резонанса,
При рассеянии монохроматического света обычно наблюдается частичное изменение частоты колебаний. Другими словами, в спектре, рассеянного света, наряду с „линией“, характеризующей первичные лучи, наблюдаются сравнительно очень слабые линии, которым соответствует несколько отличная частота колебаний.
Это явление
Это явление, предвиденное еще Рэлеем в начале нашего века, было впервые экспериментально открыто в 1928 г. почти одновременно Раманом в Калькутте и у нас в СССР Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом (смотрите раманово явление и энергия). В радиотехнике ему соответствует широко известное явление модуляции (незатухающих) электрических колебаний, то есть периодическое изменение их интенсивности. Представим себе, например, что на передаточной станции создаются колебания с частотой f= 1 миллион, амплитуда которых периодически усиливается и ослабляется, А —1000 раз в секунду, под действием, например, телефонной мембраны, колеблемой соответствующим звуком. Это колебание переменной амплитуды можно рассматривать как сумму двух колебаний с постоянными амплитудами, но с различными частотами, равными f-fA и
— /У).Соответственноэтому испускаемые станцией электромагнитные волны можно рассматривать как результат наложения двух систем волн, о частотами и f—f - Если приемнуюстанцию настроить на одну из них, то при наличии очень острого резонанса другая система не будет вовсе восприниматься.
В случае электромагнитных волн, рассеиваемых двухатомными или более сложными молекулами (а также кристаллами). которые мы будем при этом рассматривать не как радио-приемники, но как радио-передатчики (радио-приемником служит при этом спектральный аппарат), происходит совер )
) Действительно, согласно известной тригонометрической формуле, sin27c/1/sin27r//=[cos 2 it <1---1) / — COS 2it (/ + /1) I].
шенно аналогичное явление модуляции, обусловленное вращательным и коле- бательным движением молекул (так как амплитуда электронных колебаний зависит от расстояния между атомами и вообще от их относительного положения!. Т. обр., в спектре рассеянного света наряду с неизмененными лучами, должны наблюдаться лучи, частота которых отличается от частоты первичных лучей на частоту свободного колебательного движения атомов в молекуле или на число ее оборотов (в секунду) вокруг собственной оси. Эти результаты, а равно и все вытекающие из них следствия относительно интенсивности рассеянных лучей находятся в полном согласии с опытом. ,
Возвращаясь к радио-волнам, мы должны отметить, что ори приеме их непосредственно наблюдается не основная передающая частота f, но только лишь частота модуляции f, которая обычно лежит в акустической области и может быть слышима в телефон. Это устранение передающей частоты осуществляется путем так называется выпрямления электрических колебаний в приемном аппарате. Выпрямление осуществляется тем, что через цепь приемника электрический ток может проходить в одну лишь сторону, тогда как при противоно-ложном направлении электродвижущей силы тока не получается. Таким образом, выпрямитель представляет собой своего рода электрический клапан, или „вентиль“, напоминающпй по своему действию клапан обыкновенного воздушного или водяного насоса; при одном направлении струи воздуха (пли воды) этот клапан остается открытым, а при противоположном он захлопывается. Простейшими выпрямителями в радиотехнике являются кристаллические детекторы хорошо известные каждому радиолюбителю. Более совершенными и тонкими выпрямителями являются те же катодные лампы (триоды), которыми пользуются и для генерации электрических колебаний.,
Если в телефоне радиоприемника одновременно возбуждаются два электрических колебания с весьма высокими, но сравнительно близкими частотами А и fo, то, складываясь друг с другом, или, как говорится, интерферируя, они попеременно то усиливают. то ослабляют друг друга. Число подобных усилений или ослаблений — или так называемых биений—равно разности обеих частот f — f2. Если эта разность лежит в акустической области, то есть составляет несколько сотен или тысяч в секунду, то биения непосредственно воспринимаются слухом, как „разностный“ тон соответствующей высоты, между тем как оба интерферирующих колебания, образующих этот тон, остаются совершенно незаметными. Само собой разумеется, что для обнаружения их биений они должны быть выпрямлены.
На этом принципе (впервые использованном английским физиком Вид-дингтоном для измерения очень маленьких изменений емкости) основан построенный Л. С. Терменом „радиофон“ („терменовокс“) — музыкальный прибор, на котором можно „играть“ путем простого движения руки, без непосредственного соприкосновения с ним. Прибор состоит из двух колебательных контуров, причем частота колебаний одного из них (ft) остается постоянной, а другого (fo) меняется при приближении или удалении руки от стержня, связанного с его емкостью (конденсатором). Таким образом, движением руки мы меняем, и притом черезвычайно быстро, частоту разностного тона f — f2, издаваемого мембраной телефона, на который действуют оба колебания, (смотрите электрические муз. инструм, LII, 8 и рисунке 1).
Описанный выше эффект Рамана можно, если угодно, рассматривать как аналог подобного рода биений в оптической области, то есть в области видимого света. Здесь основными колебаниями являются быстрые первичные колебания (/) и медленные колебания. образующие модуляцию (ft). При этом, однако, на ряду с разностным „тоном“ f—fu наблюдается и суммовый с частотой / —(— /х-
Мы должны теперь вкратце рассмотреть вопрос о распространении электромагнитных и в частности световых волн в материальных телах. Это распространение представляет собой сложный процесс, заключающийся в непрерывном возбуждении первичными электромагнитными колебаниями вторичных и слиянии последних с первыми при дальнейшем совместном их распространении в теле. Если бы содержащиеся в теле электроны были связаны абсолютно прочно, то есть не могли приводиться в колебание первичными волнами, то последние распространялись бы совершенно таким же образом, как если бы тела вовсе не было, то есть как в пустоте. Изменение характера их распространения в материальной среде по сравнению с пустотой обусловливается именно тем. обстоятельством, что раскачивая электроны, содержащиеся в теле, электромагнитные волны, вызывающие эти колебания, непрерывно видоизменяются путем слияния с волнами, вызываемыми последними.
В том случае, когда колебательное двиясение электронов происходит гармонически (синусоидально) и притом без трения, результатом всего процесса является кажущееся изменение—обычно уменьшение—длины волны, тем большее, чем больше подвижность электронов, то есть чем больше диэлектрическая постоянная среды у для колебаний данной частоты /. Отношение истинной длины волны
Х0у („в пустоте“) к каясущейся >-
равно, как показал впервые Максуэл, квадратному корню из этой диэлектрической постоянной. Если, как это делается обычно, определить произведение lf=v как скорость распространения волн в данной среде, то соотношение между длинами волн можно заменить соотношением между скоростями в пустоте и в среде и положить
I — ! -/ (Ю>
С другой стороны, как известно из элементарной теории преломления волн на поверхности двух различных ссред, отношение — должно равнятьсяотношению синуса угла падения к синусу угла преломления, то есть показателю преломления данной, среды поотношению к пустоте. Таким образом, согласно электромагнитной теории Максуэла, показатель преломления какого-либо тела оказывается равным квадратному корню из его диэлектрической постоянной для колебаний рассматриваемой частоты. Последняя оговорка при первоначальных проверках теории Максуэла не принималась во внимание, так что показатель преломления для света с данной частотой колебаний сравнивался с диэлектрической постоянной тела в постоянном электрическом поле. Этим обстоятельством объясняются те кажущиеся отступления от соотношения Максуэла, которые были найдены первыми исследователями. При учете зависимости диэлектрической постоянной от частоты колебаний f (так называемой „дисперсии“) соотношение Максуэла выполняется совершенно точно.
Необходимо подчеркнуть, что обычное представление о скорости v=if, как об истинной скорости электромагнитных волн в данной среде, в корне неправильно. Истинная скорость электромагнитных волн в любой материальной среде та же самая, что и в пустоте; величина же о представляет собой кажущуюся скорость, и, строго говоря, имеет смысл только для гармонических колебаний.
Наличие сил трения, тормозящих колебательное движение электронов, проявляется в том, что результирующие волны, получающиеся от слияния волн, вызывающих это движение и им вызываемых, испытывают при распространении в теле постепенное уменьшение интенсивности или, как говорится, поглощение (помимо этого, силы сказываются также на величине кажущейся длины волны, а следовательно и кажущейся скорости распространения).
Аналогичным образом объясняются разные другие эффекты, наблюдающиеся при распространении электромагнитных волн в материальной среде, как, например, открытое еще Фарадеем явление вращения плоскости поляризации световых лучей, то есть направления колебаний при распространении их в продольном магнитном поле. Обусловливаемая последним прецессия сказывается в том, что под влиянием электрических сил, колеблющихся в одной плоскости, электроны совершают вынужденные колебания в несколько отличной плоскости, в результате чего плоскость колебаний постепенно поворачивается вокруг магнитных силовых линий.
§ 5. Математическая формулировка электромагнитной теории Мак-суэла-Лоренца. Результаты, изложенные в последних двух главах, могут быть сформулированы в виде системы дифференциальных уравнений электромагнитного поля, представляющих собой обобщение и дальнейшее развитие уравнений электрического поля, рассмотренных в конце I главы.
При выводе этих уравнений, впервые установленных Максуэлом и приведенных к окончательному виду Ло-ренцом, мы будем исходить из уравнений § 1 настоящей главы, определяющих .магнитодвижущую силу“ V электрического тока проводимости и смещения:
V=4- г 4-
aw
dt
а)
и электродвижущую силу индукции 1 <1Ф
V=-Cdt- (П)
Заметим, прежде всего, что величины г, If и Ф в правых частях этих уравнений представляют собой потоки (электрического заряда, электрического поля и магнитного поля), проходящие через какую-либо поверхность 8, ограниченную тем замкнутым контуром у. для которого вычисляется магнито- или электродвижущая сила. Потоки, не охватываемые этим контуром, не влияют на величину V или V и могут поэтому не приниматься во внимание.
Обозначая вектор нормали к поверхности >S (форма которой остается —>
произвольной) через и, мы можем представить потоки г, ‘Г. Ф в виде i— j jn dS, If=J En dS и Ф=J Hn dS, где jn, En, Hn —проекции плотности электрического тока, электрической напряженности и магнитной напряженности на нормаль п. Величины V
6йи V могут быть представлены аналогичным образом в виде интегралов
Г=ф Ят da и 7= ф Е- <U,
взятых вдоль замкнутого контура о; >
здесь т представляет собой вектор, направленный по касательной к а в ту сторону, куда нужно вращать правый винт для того, чтобы он переме-
—>
щался в направлении нормали п.
Согласно теореме Стокса, предыдущие интегралы могут быть преобразованы в поверхностные интегралы вида
V / (rot Н)п dS и V — / (гоЩп dS,
то есть в потоки через поверхность S
векторов rot Н и rot Е. Напомним, что

dEz

дЕу

1

1

дНх-

ду

~ dz

“Г

с

dt

дЕх

dEz

+

1

dHv

dz

дх

с

dt

дЕу

дЕх

+

1

dHz

дх

dy

с

dt

)
I
(13)
Заметим, что эти уравнения могут быть получены непосредственно из равенств I и II путем надлежащего выбора контура с и поверхности S. А именно, в качестве о нужно было бы выбрать бесконечно малый прямоугольный контур со сторонами, параллельными двум из координатных осей и, следовательно, с площадью S, перпендикулярной к третьей оси.
Заметим, что уравнение (И) представляет собой обобщение уравнениявектор rot А определяется через свои прямоугольные слагающие формулами [гл. I, ф. (32)]:
dAz дАу - дА
(rot А)х=-щ--зр (rot А)у=dz -
dAz -> дАу дАх
- Ш’ (rot A)z=дх ~ ду
При этом в качестве поверхности S можно выбрать ту же самую поверхность, как и при определении потоков г, Чг. Ф.
Таким образом, равенства I и II могут быть переписаны в следующем виде:
J (rotH)n ds f (ir:j+| ||)л
/ (rot da=- f c( Ж)«
dS
dS.
В виду произвольности поверхности 8 из этих равенств вытекают дифференциальные уравнения:
-> 1 дЕ
+с dt <10>
1 дН
=-Т~дГ
rotH-
rotE
которые в проекциях на координат-

ные оси принимают dHz дНу 1

вид:

дЕх

ду

dz

С

dt

дНх

dHz

1

дЕу

dz

дх

с~

dt

дНу

дНх

1

dEz

дх

ду

с

dt .

4 ~jx=4jy > (12)
= 4 ф
Электростатики rot Е=О, в которое оно превращается в случае поля, не зависящего от времени.
Другое уравнение электростатики
divE=4~р (14)
(ср. I главу, § 8), не содержащее времени, остается в силе и в общем случае. К этому уравнению мы можем присоединить аналогичное уравнение для магнитного поля
divH=0. (15)
Замена плотности р нулем соответствует отсутствию магнитных полюсов, которые являлись бы началом или концом магнитных силовых линий.
В проекциях на координатные оси предыдущие уравнения имеют вид:
дЕх 9Еу dEz _ дх ду dz =4-Р
дНх дНу dHz _
дх ду dz ~
(16)
(17)
Эти уравнения совместно с (12) и (13) составляют полную систему уравнений Максуэла-Лоренца.
Заметим, что из (12) и (16) вытекает следующее соотношение между плотностью заряда и тока:
1 dp -v
cJt + divj =°> (18)
выражающее принцип сохранения электрического заряда. В самом деле, умножая это уравнение на dr) и интегрируя по какому-либо объёму v.
мы получаем с помощью формулы Гаусса
— -qI f fdv=ф cjn d8.
Здесь левая часть представляет собой уменьшение электрического заряда, содержащегося внутри поверхности S за единицу времени, а правая—поток электрического заряда, вытекающий за то же время через S.
Помимо соотношения (18), величины —>
р и j остаются совершенно произвольными и служат исходными данными при определении поля путем интегрирования уравнений Максуэла-Лоренца.
Это интегрирование облегчается введением так называемых „потенциалов” скалярного V и векторного >
Это интегрирование облегчается введением так называемых „потенциалов” — скалярного V и векторного —>
А. по формулам
—>
—> 1 dA —> —>
Е=— grad V — (- fU> H—rot А. (19)
Подставляя эти выражения в уравнения (11) и (15), нетрудно проверить, что они удовлетворяются тождественно (чем и оправдывается введение потенциалов), между тем, как уравнения (10) и (14) обращаются в дифференциальные уравнения второго порядка
(21) выражаются следующими формулами:
—> —> ( (г.
А (г, t) — J
)dv
V) dv R
(23)
(24)
где t=t— > a ft—расстояние междуточкой (с радиусом-вектором г), для которой определяется потенциал, и
Элементом объёма dv (с радиусом—>
вектором г), к которому относится
—►
плотность заряда или тока р, j. Таким образом, плотности эти берутся не для того момента, для которого определяется потенциал, а для предшествующего момента в соответствии с конечной скоростью распространения электромагнитных действий.
Формулы (23) и (24) можно рассматривать как общее математическое выражение этого запаздывания. Заметим, что определяемые им потенциалы также называются „запаздывающими”, или „отстающими”.
В применении к случаю электрического заряда е весьма малых размеров (в пределе точечного), движущедля потенциалов V и А:
1 mv

до —

4р

(20)

, -> 1 дЫ

—►

VlA— С2 Qtf — —

4 ~j

(21)

при дополнительном условии

1 dV ->

с т +divA =

0,

(22)

которое выполняется в

связи

с со-

отношением (18).
Уравнение (20) представляет собой обобщение уравнения Пуассона (33) гл. I и называется уравнением Да-ламбера.
При р =0 оно принимает вид обыкновенного волнового уравнения, то есть уравнения распространения колебаний в упругой однородной среде, причем коэффициент с обозначает скорость этого распространения.
Общие решения уравнений (20) игося со скоростью v (которая может произвольным образом изменяться с временем) формулы (23) и (24) дают
ft(1 - vk A=V -,
с
V
(25)
где штрихи означают, что соответствующие величины—расстояние R.
скорость v, и проекция еена-R—берутся не для момента t, для которого определяются потенциалы, но для пред-
71“ г >
шествующего момента V=t — —. Заметим, что формулы (25) были впервые даны Льенаром и Вихертом.
Из этих формул с помощью (19) можно вывести выражения для напряженностей ЕяН. Они оказываются довольно сложными и сводятся к уже рассмотренным нами выше кулоновскому—
фарадеевскому полю в случае Е и биосаваровскому - максуэловскому в слу—>
чае Ы.
Связь между слагающими электромагнитного ноля и величинами г, р (которые характеризуют расположение и движение зарядов, то есть материю), устанавливаемая уравнениями Максуэла-Лоренца, может быть интерпретирована двояким образом.
В первой интерпретации материя рассматривается как первичный фактор, или „причина“, а электромагнитное поле—как вторичный фактор, или „следствие“. Математически это означает, что величины j и р считаются данными (известными), а величины
Д Н—подлежащими определению. Во второй интерпретации, наоборот, поле считается первичным фактором, а материя вторичным — местом сгущения силовых линий поля.
Развитие электронной теории привело к утверждению первой интерпретации (в обновленной форме, смотрите выше). При этом уравнения электромагнитного поля дополняются уравнениями механики электронов, определяющими движение электрона в заданном „внешнем“ электрическом поле. При таких условиях э.-м. поле может рассматриваться как посредник в процессе взаимодействия электронов, принципиально несущественный для характеристики этого взаимодействия и связанного с ним движения.
Однако, не исключена возможность того, что вторая интерпретация окажется в дальнейшем если не практически, то принципиально более правильной. Возможность эта связана с электромагнитнойинтерпретациейлшс-сы, то есть сведением ее к энергии электромагнитного поля, создаваемого соответствующей частицей. При таких условиях уравнения движения электрона могут быть выведены из дополнительного принципа, относящегося к электромагнитному полю и не содержащегося в уравнениях Максуэла-Ло-ренца (последние с точки зрения второй интерпретации служат лишь дляопределения величин р и j, характеризующих состояние, материи).
Этим дополнительным принципом является принцип сохранение электромагнитной энергии и связанный с ним принцип сохранение электромагнитного количества движения
Этим дополнительным принципом является принцип сохранения электромагнитной энергии и связанный с ним принцип сохранения электромагнитного количества движения
Понятие электромагнитной энергии как величины, распределенной в электромагнитном поле, получается, исходя из рассмотрения работы электромагнитных сил. Если не разделять элек1ромагнитное поле, связанное с движением электрона, на „внешнее“ (происходящее от других электронов) и собственное, то работа сил, действующих в объёме V за единицу времени может быть определена интеграг“ —► —> ——>
лом .‘1 — Е. с j dV, где Е. j обозначает скалярное произведение векторов
Е и j (напомним, что магнитные силы, будучи перпендикулярны к направлению движения, не совершают работы).
Если в произведении Е. с j заменить —► —
вектор j его выражением через Н, то после простых преобразований интеграл, определяющий работу, приводится к виду
A== — jt f i dV— ф К„ dS, (27)
где
8~ 4~
Е
(26)
S обозначает замкнутую поверхность, ограничивающую V; I Е Н I есть такназывается внешнее или векторное произ-
—► —►
ведение векторов Е и Н, то есть вектор, перпендикулярный к ним обоим и равный площади параллелограмма, на них построенного.
Отбрасывая второй интеграл в (26) мы, естественно, должны интерпретироватьинтеграл
/
Ы V какэнергию, заключенную в объёме V— так как за счет этой величины получается работа, производимая действующими в V силами. Полагая А =0 и принимая во внимание второй член в правой части, мы оказываемся вынужденными рассматривать его как поток энергии, вытекаю -
ющей в единицу времени через поверхность S. Введением этого потокаобеспечивается справедливость принципа сохранения энергии при А= 0. Если в объёме V содержится электрон, то равенство .4=0 возможно лишь при том условии, что силы, действующие на электрон извне, уравновешиваются силами взаимодействия его собственных элементов. Но, как мы видим выше, именно к этому условию и сводится электромагнитная теория массы. Преобразуя поверхностный интегралфКndS по формуле Гаусса в объёмный
j divKd V и полагая А=0, мы можемвыразить принцип сохранения энергии в виде дифференциального уравнения: д; ->
-f div К— 0, (28)
аналогичного уравнению (18), выражающему закон сохранения Э.
Необходимо, однако, отметить, что уравнение (28) не может быть применено к отдельным точкам электрона, так как силы, действующие на отдельные элементы его, отнюдь не находятся в равновесии, которое может осуществляться лишь в среднем для всего электрона.
Если в предыдущих рассуждениях вместо работы сил ввести в рассмотрение импульс их за единицу времени, т.-е- самые силы, то вместо уравнения энергии (26) получается уравнение того же вида, где скаляр е в объёмном
—> 1 —>
интеграле заменен вектором д=-2 К,
а вектор К в поверхностном интеграле— —>
тензором напряжений -Т (с обратным знаком), который уже был введен намив конце I главы. Соответственно этому
—
вектор д может быть интерпретирован как объёмная плотность электромагнитного количества движения, а тензор — -Т—как плотность потока количества движения.
В механике количество движения определяется как произведение массы на скорость. Аналогичным образомвектор g можно рассматривать как произведение плотности массы электромагнитного поля на скорость его распространения. Точно так же вектор
Р=— divP, j =
-j- rot J. (29)
К (поток энергии, вектор Пойнтинга) можно определить как произведение последней на плотность энергии. Т.обр., оказывается, что с энергией электромагнитного поля неразрывно связана его масса, равная энергии, деленной на квадрат скорости света.
В заключение нам остается сказать несколько слов об уравнениях электромагнитного поля в материальных телах (средах). Здесь вместо истинного поля рассматривают усредненное или сглаженное поле, соответствующее представлению о теле не как о системе дискретных частиц, а как о континууме.
При этом плотности р и j разделяются на две части, зависящие от свободных и от связанных зарядов. Последние определяются через векторы
Электрической поляризации Р и на—►
магничения J по формулам 1 дР с dt
Что касается первых, то плотностьтока определяется формулой s®,
сгде о—коэффициент электропроводности (в э.-м. единицах), а р считается равной нулю (в проводниках электрический заряд распределяется на поверхности). Таким образом, уравнения Максуэла-Лоренца (10) и (14) принимают вид
- > -> 1 д ->
rot (Н — 4~J) — — jf (Е + 4-Р) =
= 4 ~ % div (Е -f 4- Р)=0, (30)
между тем как уравнения (11) и (15)
остаются без изменения.
--> -> -> —>
Далее полагают Е -f- 4-Р=D =еЕ (е—диэлектрическая постоянная), раз—> —► —
ность Н — 4~ J обозначают через Н, а
Н пишут в виде В=Н + 4~ J=» Н О—магнитная проницаемость). В случае диэлектриков, совершенно лишенных проводимости (<з 0), мы получаемтаким образом систему уравненийдЕ
rot Н —
rot Е + Р-с
dt
дН
dt
=r0 div г Е=0
0 divaH=0
в
В простейшем случае однородной среды (е и р постоянные) отсюда получается для Е
и Н уравнение вида
£[А д2Ь
С3 (IP
= 0,
(32)
выражающее тот факт, что усредненное поле в подобной среде распространяется так же, как истинное поле в пустоте, но не со скоростью с а сосскоростью у у. Отсюда, между прочим, следует, что показатель преломления однородной среды по отношению к пустоте равен у г(А > или практически у Г (за исключением медленных колебаний в ферромагнитных телах).
Литература: Я. И. Френкель, «Курс электродинамики“; Абрагам, „Теория электричества“; Иг. Тамм, „Теория электричества“, т. 3; О. Хволъсон, „Курс физики“ (т. IV, V).
Я. Френкель.
Электричество в сельском хозяйстве
Электричество в сельском хозяйстве, см. электротехника в сельском хозяйстве.
Электровоз
Электровоз, см. XX, прил. железные дороги, 57; см. ХЫ, ч. 10, прил. новейшая техника жел.-дор. транспорта, 532/49; ср. электротехника.
Электродинамика
Электродинамика, см. электричество; ср. теория относительности, ХЫ, ч. 7, 421/23.
Электролиз
Электролиз, см. электрохимия.
Электролитическая диссоциация
Электролитическая диссоциация, см. электрохимия. ,
Электромагнетизм, см. электричество.
Электромагнитнаятеория света
Электромагнитнаятеория света, см. электричество.
Электрометр
Электрометр, см. электротехника.
Электромотор
Электромотор, см. электротехника.
Электронная лампа
Электронная лампа, представляет собою устройство, состоящее из нескольких электродов, заключенных в сосуд, в котором газ разрежен до весьма малого давления; в зависимости от числа электродов Э. л. делятся на: диоды (2 электрода), триоды (3), тетроды (4), пентоды (5), гексоды (6 электродов) и так далее Неоцененная вначале, Э. л. за последние 20 лет достигла, такого прогресса в своих применениях, что ныне трудно назвать ту область физики итехники.в которой она не использовалась бы в той или иной форме. С.-А. С. Ш. еще в 1930 г. насчитывали до 220 ее применений—практических, научных, медицинских, музыкальных; в частности, Э. л. является основой веей современной радиотехники.
История развития Э. л. тесно связана с вопросом об ионизации газов и прохождении через них электрического тока. В 1853 г. Беккерель открыл, что. воздух при температуре 1500° делается проводником электричества. Эльстер и Гейтель в 1880 г. обнаружили, что изолированная пластинка вблизи накаливаемой током нити теряет свой заряд. Эдисон в 1883 г. нашел, что при внесении в баллон лампы накаливания изолированного электрода, соединенного через гальванометр с нитью накаливания, в этой цепи обнаруживается электрический ток, направляющийся от нити через гальванометр к этому электроду и далее как бы замыкающийся через пустоту лампы („эффект Эдисона“). Дальнейшие исследования Флемминга показали, что такой электрод-пластина внутри лампы накаливания заряжается отрицательно, до. известного потенциала; в том случае, если электроду сообщить извне положительный потенциал,то в цепи идет ток, а при отрицательном ток совершенно прекращается. Он же и де-Форест в С.-А. С. Ш. первыми применили эту одностороннюю проводимость внутри лампы накаливания в целях детектирования колебаний радиочастоты, создав т. о. первые образцы Э. л. (смотрите радиотехника, XXXV, 364).
Работа всех Э. л. базируется на свойстве металлов испускать при определенных условиях электроны (смотрите электронная теория). Такими условиями, вызывающими испускание (эмиссию) электронов, могут быть: 1) высокая температура металлического-электрода, 2) фотоэлектрический эффект—например, освещение электрода при наличии разреженного пространства, 3) бомбардировка частицами, при высокой скорости последних, 4) контакт с электровозбужденными молекулами или атомами, 5) действие сильного электрического поля. В случае воздействия первого фактора, Э. л. называются термоэлектронными, при наличии второго условия—фотоэлектрическими элементами (или фотолампами). На практике—и в дальнейшем изложении—под Э. л. понимают устройства, использующие преимущественно первый фактор.
В Э. л. всех типов и назначений одним из электродов является катод, всегда могущий накаливаться извне до значительной температуры. С повышением последней увеличивается скорость „свободных“ электронов (в промежутках между атомами металла); двигаясь в металле все быстрее, такие электроны в дальнейшем испускаются с поверхности катода в окружающее разреженное пространство; „испарившись“, электроны, представляющие собою заряд электричества, уже совершенно не зависят от свойств излучившего их катода. Разреженное пространство в Э. л. („вакуум“) необходимо как для того, чтобы избежать окисления катода при температуре, обеспечивающей вылет электронов, так и в целях предоставления излученному электрону более свободного пути внутри Э. л.: при плохом вакууме молекулы воздуха, более тяжелые, чем электроны, мешают движению испарившегося электрона и направляют его обратно в катод, из которого он вылетел. Столь важный поэтому для Э. л.хороший вакуум является главной трудностью при производстве. Откачивается воздух из сосуда (стеклянного, реже металлического), и обезгаживаются электроды; достигаемая степень вакуума характеризуется цифрами остаточного давления—от миллионных до отамил-лионных долей миллиметров ртутного столба; но даже и при таком разрежении оставшиеся в Э. л. газовые молекулы находятся в среднем на расстояниях около 0,001 миллиметров, а число их в 1 кб. сантиметров выражается сотнями тысяч миллионов.
Вторым, общим для всех Э. л., электродом является анод-электрод, которому сообщается положительный (относительно катода) потенциал (смотрите электричество); испускаемые катодом электроны притягиваются анодом (рисунок 1). Следует помнить, что обычно принимаемое (от + к —) направление тока во внешней цепи противоположно истинному направлению потока элек- i тронов.
При устройстве катода (то есть нити накала) из вольфрама для получения заметной эмиссии электронов нужно довести металл до белого каления.
Стремление получить „испарение“ электронов при низших температурах привело к тому, что чистый вольфрам практически используется только в мощных лампах. Для всех прочих типов Э. л. применяют „активированные“ нити накала; наиболее распространенными из них являются торированные и оксидированные. Первые из них, вольфрамовые, нос примесью 1°/п—2%
стеклянный сосуд
Рис.1. Схема диодной Э.л.: Бн—батарея накала; Бл— батарея анода.
окиси тория, дают электронную эмиссию уже при яркокрасном калении; при этом вокруг нити образуется тонкая пленка из атомов тория, толщиной в одну молекулу. Эмиссия электронов происходит из этого слоя при сравнительно низкой температуре, при которой .атомы вольфрама могут удерживать атомы тория, но один атом тория другого атома тория удержать не в состоянии: как только из глубины нити появляется атом тория на то место, I которое уже раньше было занято другим атомом тория, этот последний
отрывается и улетает. При накале торированной нити в 1700° число электронов, испускаемое ей (и, след., сила тока), получается примерно в 3.000 раз больше, чем при чисто вольфрамовой нити с накалом в 2500°. При перекале таких Э. л. слой тория может весь испариться—тогда эмиссия прекратится: однако, соответствующим режимом нить можно реактивировать, то есть
Рисунок 2. Характеристика тока эмиссии Э. л.
вновь вызвать на ней слой тория.—
Еще более экономичными являются Э- л. с оксидированным катодом. Ник-келевые или платиновые нити, покрытые окислами бария и стронция, уже при темнокрасном калении дают обильную эмиссию электронов, требуя для своего накала мощности в десятки раз меньшие сравнит, с вольфрамовым катодом: это объясняется электролитическим разложением окислов, причем жидкий металл образует на поверхности слоя мельчайшие островки, которые и являются центрами усиленного испускания.—Примерами различных катодов в Э. л., фабрикуемых в СССР, могут служить типы: ГКВ-4 (с вольфрамовым катодом), ПТ-2 (микро)— тори-рованная нить, и УБ-107 (оксидная с барием).
На рисунке 2 показаны в виде двух наклонных прямых (для вольфрамового катода и оксидного) зависимости тока эмиссии от нагревания катода; прямая линия, дающая те же зависимости для торированного катода, проходит между начерченными прямыми, ближе к линии оксидного; при расчете принято, что поверхность катода — 1 кв. сантиметров (сила тока эмиссии прямо пропорциональна поверхности катода). Степень накала нити характеризуется мощностью в ваттах, поглощаемой нитью от того источника эл. энергии, к которому она приключена („батарея накала“—Бн на рисунке 1).
В практике принято характеризовать накал силой тока эмиссии на единицу затрачиваемой мощности накала, именно—ве-I
личиной Н= и —мерой
/ и лк.
П1А.
накала, измеряемой в —
(миллиамперы/ватт); кривые равных мер накала изображены на рисунке 2. Порядок величины меры накала следующий: а) для вольфрамовых нитей — 2 - 7; б) для т орированных—30-60; в) для ториро-ванных карбидных (с прибавкой к нити углерода для уменьшения чувствительности к плохому вакууму и перекалу)— около 120; г) для оксидных — 80 - 100; д) для азидных (при обработке их барий осаждается из паров азотистых соединений; абс. температура около 740°)— около 200. Накал оксидных и азидных Э. л. почти не виден, почему их называют также „темными излучателями“.
Естественно, что с увеличением эмиссии путем усиления накала ускоряется и изнашивание нити; срок службы Э. л. указан на рисунке 2—в функции от режима накала; поэтому завод всегда
Анодное напряжение в волЬтах Ед
Рисунок 3. Характеристика выпрямительной лампы ВТ-14 (К—2Т).
указывает то напряжение накала, при котором должна нормально работать Э. л.
В предыдущем предполагалось: потенциал анода настолько велик, что последний притягивает все испускаемые нитью электроны; такой ток называется током насыщения— он не зависит от анодного напряжения. Обычно на практике анодный потенциал бывает недостаточен—тогда ток эмиссии и при постоянном накале изменяется вместе с этим напряжением—JiA : он тем больше, чем выше анодное напряжение, и именно 1А=АЕ1э (т. наз. „закон трех вторых“, где А—величина для данной Э. л. постоянная). Рисунок 3 дает „характеристику диода“ — зависимость, типичную для всех диодов—для весьма распространенной в СССР Э. л. марки
ВТ-14 (К—2Т) производства ВЭСО: при слабом накале (Ев=2,5 вольт) уже при потенциале анода в 30—35 вольт ток больше не возрастает, то есть все „испаренные“ нитью электроны притягиваются анодом; если же Ев=3,25 V, то даже 50 V на аноде недостаточно, чтобы притянуть все электроны.
Поток электронов, движущийся от катода к аноду, несет определенное количество отрицательного электричества и образует, следовательно, некоторый пространственно распределенный заряд, который вызывает появление поля, направленного обратно полю анода, задерживает движение электронов и может заставить их двигаться обратно к нити—катоду. Это электронное облако (называемое „пространственным зарядом“) увеличивает свою плотность близ поверхности нити до большой величины,—поэтому только более быстрые электроны могут прорываться через этот барьер. Такие диоды могут быть использованы для превращения переменного тока в постоянный : этот процесс в технике сильных токов называется выпрямлением, а в случае очень малых сил токов— детектированием. Для детектирования нынеприменяются тетроды, триоды. Для целей же выпрямления — диоды, называемые выпрямителями, или кенотронами, имеют повсеместное значение, в частности в радиопередатчиках и радиоприемниках (смотрите радиотехника, 391), для питания постоянным током анодов Э. л. радиостанций. Кенотроны
Рисунок 4. Схема лампового выпрямителя с полным питанием от переменного тока и с фильтром для сглаживания выпрямленного тока.
строятся для приемников и усилите-лей—для выпрямленного тока от тА до А и напряжения от десятков до тысячи К; а в передатчиках— на напряжение до сотни тысяч V при токе силой до десятков ампер. Практическая схема кенотрона дана на рисунке 4. Ток через Э. л. пойдет только в те моменты, когда на аноде будет приходиться плюс; при минусе на аноде тока не будет. Переменный ток выпрямится (рисунок 5),
Лере. тон
s _— &ктр.
ток
1710 к
Рисунок 5. Графическое представление выпрямления в Э. л.
хотя в такой Э. л. половина тока будет „срезана“ диодом; кроме того, ток будет не постоянным, а пульсирующим. Для сглаживания толчков пульсирующего тока включается фильтр (ср. телефон., ХЫ, ч. 7,281/82).
Фильтры в основном состоят из системы емкостей (конденсаторов) и самоиндукций (катушек), соответственно включаемых. В фильтре для сглаживания пульсаций обычного переменного тока (50—60 пер. в сек.) конденсатор С (рисунок 4) служит „буфером“ (емкостью в одну или несколько микрофарад): за время прохождения тока через выпрямитель часть переносимых им зарядов скопляется в конденсаторе и затем разряжается в периоды,когда ток через выпрямитель не проходит (нижняя кривая на рисунке 5.) Для устранения все еще остающихся, хотя и малых пульсаций включают катушку самоиндукции L (с железом, несколько генри): она препятствует прохождению пульсаций, но свободно пропускает постоянную часть всего выпрямленного тока. Второй конденсатор С еще более сглаживает ток; если шум все же остается, то применяют вторую, иногда и третью, „ячейку“ из Li и С2; обычно требуется, чтобы пульсации выпрямленного тока не превышали О,1°/0 общего значения тока.
По схеме рисунок 4 и накал нити производится тем же переменным током от специальной обмотки на трансформаторе. Выпрямленный ток отбирается во внешнюю цепь от точек+ и — причем клемма, соединенная с нитью, является положительным полюсом. Ясно, что, применяя 2 выпрямителя, возможно использовать обе полуволны переменного тока и получить ток е меньшими пульсациями; с этой целью кенотрон ВТ —14 (смотрите рисунок 3) имеет два самостоятельных анода, расположенных вертикально один над другим, вдоль оси которых проходит общая нить накала; ток насыщения его — 30-50 тА; ток накала—ок. 0,5 Я.; средний срок службы около 5С0 часов.
Наиболее распространенной категорией Э. л. является триод, получающийся из диода путем введения в Э.л третьего, решетчатого электрода, называемого сеткой, располагаемой на пути электронов между катодом и анодом. Сетка, заряжаемая положительно или отрицательно, является, как и анод, источником электрического поля; но она располагается очень близко к нити и влияет на электроны значительно сильнее, чем анод. Так как ее тонкие нити занимают очень мало места, а электроны летят весьма быстро, то они на сетку Э. л. почти не попадают; т. о. сетка только воздействует на силу тока, который весь (почти) идет на анод; при положительном (относит, нити) заряде сетки анодный ток увеличивается, при отрицательном—уменьшается; если к сетке приложено переменное напряжение, то кривая на рисунке 6 представит силу тока в анодной цепи.
0,00116 а мп
Рисунок 6. Характеристика тока в анодной цепи триода.
Следов., анодный ток при постоянном накале нити м. б. изменен двояко: изменением либо Еа, либо Еа (напряжения на сетке); поэтому закон трех вторых для триода напишется так:
7л — А (ЕК + j-Ee fU; ц — коэффициент
усиления Э. л. (всегда > 1), указывающий, во сколько раз потенциал сетки Ес действует сильнее (на анодный ток), чем потенциал анода.
Характеристикой триода являются кривые 1А =/ (Ес) при /!еЛ=пост. Для рас-пространеннейшего в СССР триода УБ-107 эти кривые даны на рисунке 7; из него следует, что для увеличения /а с 3.75 до 5,9 тА, при Еа=0, V,И Ял =80 V (точка 1) можно: или Е (анодное) поднять на 20 V (точка 2), или Ее (на сетке) увеличить только на 1,6 V (точка 3); отсюда получается
&Е 20
_ =1 9 г.
ДБ0 “1,6 5 ’
для различных триодов р колеблется от 3 до 300. Отличительными параметрами Э. л. являются также: 1) внутреннее соиротивле-
A V
ние Э. л.: Ri=_X при Ее=пост.;
для УБ-107, по рисунок 7: АЕк=20 V,
Д/α= 5,9—3,75=2,15.4; поэтому R[ -:
9.300 ом; разные Э. л. имеют R, от 1.000 до 150.000 ом. 2) Крутизна ха-Д7 / тА
рактеристики: 8 / в )при
ДЬС V Р /
Е пост.; для УБ-107 имеем 8 =
соответствует R в тексте; коэффициент усиления схемы К=„ г> )> 2) уси-
xLi —f- .гьление посредством реактивных катуаХ
шек (дросселей): Л - т схе-

1УБ 407

— Fx4V ~ Эн=71mfl

— fi‘12,5

_ Hi-3000SL

— G1T,S<$

— ) —

Rl aoooosl]

ТТГ

i

)

/

Ea-flOv

f

11ll

7

/

/

ГГГ

l

£

-fOOv

при

£ u-3J5 v Уu‘67mA)

}

J

1

L

У

1

/

f

/

7

Ea

-bОу

//

2

LJ

7

3

f

4

t

f

Ea €0 v

: 2-15=1.4 тА встречается S от 1,6 V ’ 1
0,2
тА
V
Д° 20 -у А.
Эти параметры связаны между собою уравнением: 8
Эти параметры связаны между собою уравнением: 8. R — и; иногда вводят еще 3) добротность Э.л. G—pS, исчи-rnW mW
сляемую в y.j; для УБ-107 G=17,5-yf~,
G изменяется для триодов от Здо сотни.
Триоды на практике используются как ламповые усилители, детекторы и генераторы (смотрите радиотехника).—Наибольшее применение Э. л. имеют как усилители не только в радиотехнике, но и в проволочной связи (трансляции), а также в целом ряде других отраслей знания. Р&пее{см.радиотехпика, 415/17) приведены были 3 основные схемы усиления (коэффициент усиления Э. л. р обозначен был через Ко): 1) усиление посредством сопротивления (смотрите радиотехника, рисунок 67—при чем R на рис-
Рисунок 7 Характеристика Э. л. У.Б.-107.
ма его остается такой же, как на рисунке 67, лишь вместо активного сопротивления надо включить реактивную катушку; 3) усиление посредством настроенных контуров (там же, рисунок 69);
здесь К= (для резонансной частоты); здесьйВн—(активное)сопротивление катушки L. Нередко встречается также: 4) усиление посредством трансформаторов, как при высокой (там лее, рисунок 68) частоте, так и при низкой, звуковой, частоте; при низкочастотном усилении (рисунок 8) при трансформаторе с отношен, числа витков вторичной обмотки к первичной (в анодной цепи)—«—коэффициент усиленияодной ступени: и — р -, где
»«i +- °
1 I -17
Re —еопротивл. пространства сетка-нить Э. л.; обычно Rc=/4 — 16/ R; ;
наивыгоднейшее
; тогда
R-
наибольший коэффициент усиления схемы K=v™. Мощность усиленногоп
I
Рисунок 8. Схема усилителя низкой частоты на трансформаторах.
(анодного) тока: предельная возможная Рвых. пред.=0,5 [Р -1к ]; во избежаниеискажений используют лишь 5—10% этой величины: наир., для Э. л. УБ-107 при Ек=80И и 1А=3.75 тЛ (при Ро=0): рвых.пред. =0,5 180 0,00375)=0,15 W; громкоговоритель (смотрите радиотехника, XXXV, 421/24) в среднем требует 0,10— 0,5 TV неискаженной мощности.
Рисунок 9. Схема анодного детектирования триодом.
Триод, как детектор, применяется в двух вариантах: 1) при схеме „анодного детектирования“ (рисунок 9) используют не прямолинейные части характеристики (рисунок 10); в этих местах увеличение в силе анодного тока (точки 1, 3,5, 7), когда сетка делается положительной (точки 1, 3, 5, 7), больше уменьшения анодного тока (2, 4, 6, 8), когда на сетке отрицательный потенциал (2, 4, 6, 8). Разница этих величин дает „выпрямленный“ ток колебаний (пунктирная кривая), уже действующий на мембрану телефона и так далее; 2) из вариантов „сеточного детектирования“ наиболее применяется „схема с гридликом“ (рисунок 11): в цепь сетки включается детекторный конденсатор С (емкостью в 150—500 см) и большое сопротивление R (один-несколько миллионов ом). Принимаемые антенной колебания (а на рисунке 12) заряжают обкладки конденсатора и сетку то положительно, то отрицательно. Но положительный заряд не может удержаться на сетке.он уничтожается вылетающими с нити электронами; по сетке растекается отрицательный заряд соединенной с ней обкладки, остающийся на сетке, т. к. она изолирована от антенны конденсатором. Каждое приходящее колебание оставляет на сетке след в виде некоторого отрицательного заряда; заряд накапливается и затем достигает своего предельного значения. Итак, напряжение на сетке делается в среднем отрицательным (рисунок 12в);уменыдается среднее значение анодного тока /рис. 12с), ток в телефоне падает (рисунок 12с/), и мембрана производит щелчок. Большое сопротивление не мешает накоплению на сетке кратковременных зарядов; однако, оно достаточно для того, чтобы отвести их как только явится более продолжительный промежуток времени; поэтому R и называется „гридликом“ (букв, „утечка сетки“).
Известен ташке способ модуляции гридликом (смотрите радиотехника, XXXV, 398, рисунок 44); внутреннее сопротивление Э- л. М и является утечкой сетки генераторной лампы G, причем это сопротивление, изменяющееся в согласии со звуковыми колебаниями, все изменения точно передаст и сетке генератора; в последние годы конденсатор С большей чаетью не включается.
В области генерации эл. колебаний триодная форма Э. л. является также
наиболее распространенной (смотрите подроб- аноде. Наприм.,генерат. лампаГКВ—4 ное описание радиотехника, 387/98); при Ек=800 V и Тх= 8bтА рассеивает для облегчения самовозбуждения jj. у генераторных ламп делается очень большим; анодное напряжение исчисляется почти всегда тысячами вольт для получения большей колебательной мощности. Каждая из возможных схем работы генератора с самовозбуждением требует выполнения определенных условий для самовозбуждения; для простейшей по рисунок 31 (смотрите радиотехника,XXXV, 388) таковым является:
М> (L + CRR;),
где Ж—коэффициент взаимоиндукции между L и L, a R—активное сопротивление контура LC. Полезная мощность Э. л. зависит от той мощности, которая м. б. „рассеяна на аноде“ (то есть затрачена на нагревание его—не
Рисунок 11. Схема сеточного детектировании утечкой.
выше красного каления); обычно полезная (отдаваемая лампой в колеб. контур) мощность равна рассеиваемой на
Рисунок 10. Графическое представление анодного детектирования.
на аноде РА=0,5 (800 - 0,085)=34Ж, — и примерно столько же мощности отдает в виде колебательной энергии. На рисунке 36 (смотрите XXXV, 391) дан фотоснимок одного из мощных триодов—генераторной лампы на 20KW рассеиваемой мощности.
Из тетродов ныне почти исключительное распространение в приемных и усилительных схемах, а также в генераторных малой и средней мощности получили „экранированные лампы,“ то есть Э. л. с экранирующей сеткой (или Э. л. с экранированным анодом). Они появились в результате стремлений: 1) побороть вредную внутреннюю емкость Э. л., вызывающую самопроизвольную генерацию (рм. радиотехника, XXXV,407), и 2) увеличить коэффициент усиления Э. л.—и- Между обычной контрольной сеткой и анодом располагается (рисунок 13) втораясетка (называется „экранирующей“) так. обр., что вредная внутренняя емкость между анодом и обычной сеткой практически
И puMft.rtbie q time иной сигна sibi
|—ААААДг-AJW /Wа
Изменение £с-Wvwr 1
Ток в телефоне
Рисунок 12. Графическое представление сеточного детектирования.
исчезает. Для этого ей, по схеме (рисунок 14), сообщают положительный потенциал (около половины Ех), остающийся неизменным; при этом линии эл. поля
Эк раникнцая сетка
Н опт ролЬна я сеткао
О
о
О
оооооо
“О
оооооооооооо
Q
оооооооооооо
1 од
НитЬ накала
Рисунок 13. Расположение электродов в тетроде (экранированной Э. л.).
Ю
анода почти все оканчиваются на экра-пирующей сетке, а электроны, пройдя через контрольную сетку, в своем значительном большинстве проскакивают между витками экран, сетки ицопадаютна анод. Коэффициент усиления экран. Э. л.—[ доходит до 1000; Дд — порядка сотен тысяч ом; добротность—G—из-
mW
меряется сотнями, до тысячи у2
Из пентодов ныне распространением пользуется„пентод с противодинатронной сеткой“, в СССР и Европе сокращенно именуемый просто „пентодом“; его электроды; анод, катод и 3 сетки. В триодах и особенно в тетродах нельзя значительно увеличивать >. и S, т. к. если напряжение на (экранир.) сетке
Рисунок 14. Схема включения тетрода (экранированной Э. л.).
делается близким к напряжению на аноде, то ударяющийся об анод электрон сможет выбить из металла анода „вторичный“ электрон, попадающий на (экран.) сетку; это явление называется динатронным эффектом. Поэтому в пентоде между анодом и экран, сеткой вводится третья („противодинатронная“) сетка, накоротко соединенная с нитью Э. л.; тогда вторичные электроны не могут уже направляться с анода на (экран.) сетку. Пентод по своему коэффициенту усиления и крутизне заменяет две обычные Э. л. при чистоте передачилучшей; пентодСБ—146 имеет тА mW
s=2,4 —f— юо и G=240
V1
прималом, сравнительно с экранир. тетро -дом, сопротивлении Iii =20.000 ом; поэтому он мог отдать до 4 ватт неискаженной мощности; т. о. один пентод может питать до сорока громкоговорителей.
Во всех ламповых устройствах, предназначенных для генерации эл. колебаний, в частности в передающих радиостанциях, основными элементами схемы являются триоды, диоды (выпрямители), иногда и тетроды. В свою очередь новейшие ламповые приемники являются яркимдоказательством многогранности применения Э. л. во всех ее видах. На рисунке 15 изображена схема четырехлампового приемника типа ЭКЛ—4 завода им. Казицкого. Справа на схеме—двойной диод для двухпо-лупериодного выпрямления переменного тока от обычной электрич. сети, приключаемый через трансформатор.
большой тепловой инерцией). Конструктивно этот приемник, выпускаемый в 1934 г. в десятках тысяч экземпляров, оформлен в одном ящике вместе с динамическим громкоговорителем (дин. громк. на фигуре 15), см. радиотехника; 2 клеммы с надписью „адаптер“ предназначены для включения звукоснимателя (адаптера) электрорадиограммофона. В журнале „Радиофронт“, 1931. №№7/8, даны стандарты Э. л. для СССР, вошедшие в силу с конца 1931 г.
Современные конструщии Э. л. За последние 3—4 года развитие радиотехники шло в значительной степени под знаком прогресса в конструкциях Э. л.; последние, особенно в радиопри-
Три правых Э. л.—триоды, причем две правых являются усилителями низкой частоты, а третья служит детектором. Левая лампа — тетрод. Вместо двух правых триодов можно установить один и е и т о д, дающий почти эквивалентное усиление. Три левых лампы „с подогревом“: в них катодом служит тонкая фарфоровая трубочка, покрытая снаружи металлическим оксидированным слоем; накаливание ее производится проволочкой внутри трубочки, нагреваемой переменным током; т. о. получается приемник с полным „питанием от сети“—без того жужжания, которое имеет место при накале катода прямо переменным током (в крайней правой лампе жужжания нет потому, что катодом ее служит толстая — относительно — нить, семном деле, сделались ведущим звеном радиотехники; весьма часто теперь схема и конструкция радиоприборов приспособляется к лампе. Мощные лампы (генераторные, модуляторные и усилительные), предназначенные для передающих радиостанций, достигают теперь мощности в 100,200 и даже 500 киловатт; все большее распространение получают в качестве усилительных Э. л. тетроды с экранирующей сеткой. Особенно велик прогресс в области приемных Э. л. Последние можно разделить на 2 группы; Э. л., питаемые от батарей (постоянным током), и Э. л., работающие непосредственно от сети электрического тока. Первая группа ламп применяется для работы приемника в местностях, лишенных сети электрического освещения, и в передвижных радиостанциях (в частности в военных). Все лампы этой группы за редкими исключениями за границей выделываются для накала, требующего напряжения всего лишь 2 V.
Значительно большее распространение имеют Э. л. второй группы, „подогревные“.
Диоды попрежнему встречаются только в качестве выпрямительных ламп; появились кенотроны с высоковольтным катодом, позволяющим включение в осветительную сеть без трансформатора (например-Ек — 220V,IH —=0,032 А).
Триоды используются гл. обр. как детекторы, как усилители и как оконечные лампы. Одним из образцов достижений в этих лампах служат ниже приводимые параметры лампы (английт А
ской) „Mazda“: у-=75; 8=6,5 у ;
mW
Ш=1150011 и G=490 -уз .Оконечныетриоды характеризуются гл. обр. небольшим внутренним сопротивлением Hi (порядка тысячи ом); характеристики их довольно разнообразны; пример — советская Э. л. У О —104 (,и. =
т A m.W
= 4,0; 8=3 у ;Ri= 13001; <7=12 -р-;
7вых. неизм.=2 W ).
Тетроды в форме экранированных Э. л. получены уже с такими параметрат А
ми, как (д.=3000, при 8 =,5 у, что
mW
дает добротность <7=15000 (тип „Mazda“).
Пентоды проникли в область высокой частоты и частично вытеснили экранированную лампу. Они устраиваются и с переменной крутизной и регулируемым напряжением на противодинатронной сетке; больше того, часто они применяются и в качестве детектора. 1933 г. прошел, особенно в Америке, под знаком всеобщего применения в приемниках пентодов, ставших почти универсальной лампой. Естественно, что параметры их сильно разнятся в зависимости от типов.
Питание большинства подогревных ламп следующего порядка: Ек=4 V, 1н== - 1А; Ё.к=200 V; Яэкран.с. =(60-80) V.
Такой прогресс в конструкциях Э. л. позволил поставить вопрос о полном коэффициенте полезного действия приемника, подразумевая под таким коэффициентом выраженное в процентах отношение мощности тока звуковой частоты, отдаваемой в обмотку громкоговорителя, к полной мощности, расходуемой во всех цепях (анодных, накала, сеточных) приемника. Есть усилители, отдающие 10W звуковой частоты при полном расходе энергии от сети только в 50 W; за границей же появились экономические батарейные передвижки, дающие неискаженную выходную мощность ок.300енТЕ, при расходе общей мощности, забираемой от батареи накала и анода, не больше 1W. Подробности о современных Э. л. см. литературу.
Литература. Введенский, Б. А., „Физические явления в катодных лампах“, М.-Л., 1933; Баркгау-зен, Г., „Катодные лампы“, пер. с нем., М.-Л.: 192$ (вып. 1), 1929 (вып. 2), 1931 (вып. 3); „СЭТ“, справочная книга для электротехников, т. 4, Л., 1929; Дюнуайе, Л., „Техника высокого вакуума“; Бунд, Л., .Измерения при высокой частоте“, М.-Л., 1931, пер. с нем.; Merecroft, Р., „Electronics Tubes“, N.-Y., 1933; Gutton, C., „La l..mpe a trois electrodes“, P., 1925; Forstmann, A. und Schramm, E., „Elektro-nenrohren“, B., 1927; Кубаркин, Л. В. „Приемные лампы на 1933 г.“, М. 1933 Кляпкин, И. Г., „Основы радиотехники“,М. 1933. Журналы; „Известии Улектро-промышленностя слабого тока“, с 1932 г.; „Радиофронт“, с 1931 г.; „Техника радио и слабых токов“, с 1932 г.; „Новости заграничной радиотехники“, М.„ 1933: вып. 2 — лампы и усилители; вып. 1—радиовещательные приемники. Далее — вся литература (включая журналы), приведенная к статье радиотехника.
В. Баженов.
Элентронная теория
Элентронная теория. Современная наука считает отрицательное и положительное электричество за два особого рода агента, или вещества, имеющие зернистое, или, как иногда говорят, „атомное“ строение. Это значит, что они состоят из отдельных (дискретных) мельчайших частиц, могущих двигаться независимо друг от друга, если не считать тех сил, с которыми они действуют друг на друга. Элементарное количество отри цательного электричества получило название электрон, положительного—протон. Голландский ученый Г. А. Лоренц (смотрите) должен считаться основателем Э. т. электричества (1895), в которой он впервые ясно и определенно ввел понятие об элементарных электрических зарядах, мельчайших частицах, или атомах электричества. Впрочем, первые работы Г. А. Лоренца в этом направлении относятсяеще к 1880 г.; кроме того, Гельмгольтц, Аррениус (1887,1888),Эльстер и Гейтель (1888) и в особенности Дж. Дж. Томсон (1894) высказывали идеи, более или менее отчетливо выражавшие представление об атомном строении электричества. Стоней (1896) предложил название „электрон“. Термин „протон“ появился сравнительно недавно; впрочем, в английских книгах нередко пользуются термином электрон как для отрицательного, так и,для положительного элементарных количеств электричества. Заслуга Г. А. Лоренца заключается в том, что он первый дал детально разработанную математическую теорию электричества, имеющего атомное строение.Эту теорию развивали затем многие ученые, прелсде всего Лармор (Larmor, 1896) и Вихерт (1896). Под термином Э. т. обычно подразумевают именно эту математическую теорию. В первоначальном виде она представляла видоизменение,-незначительное по внешней форме, но весьма существенное по внутреннему смыслу,—теории Макс-уэла (1865). Мы ее рассматривать не будем (подробное ее изложение можно найти в „Курсе физики“ О. Д. Хволь-сона, т. V, гл. 4). Мы здесь ограничимся рассмотрением того, что известно о свойствах электрона и протона, и затем перейдем к основному вопросу о строении атома, то есть к Э. т.
Характеристикой электрона и протона является прежде всего величина их электрического заряда, то есть то количество электричества, которое в них сосредоточено. Заряды электрона и протона совершенно одинаковы, но, конечно, различного знака. Это значит, что электрон и протон, весьма близкие друг к другу, не вызывают во внешних точках пространства никаких электрических сил, если эти точки не находятся очень близко к электрону или протону. Существует несколько способов определения заряда е электрона. Один из них основан на явлениях электролиза (смотрите электрохимия). Изучение этих явлений показало, что один грамм-эквивалент иона содержит 9.654 электромагнит н. ед.=9654-З-Ю10 электро-статич. ед. количества электричества. Если последнее число разделить на число Авогадро — Милликена N =
= 6,062-10‘-3, то есть на число атомов в одном грамм-атоме вещества, то получится заряд е электрона в эл.-ст. единицах (смотрите электричество, LII, 21 сл.). Этот способ точных результатов дать не может. Другой способ основан на изучении браунова движения (смотрите) весьма малых твердых или жидких частиц. находящихся в жидкой или газообразной среде; но и этот способ не может дать удовлетворительных результатов. Удивительные по своей точности измерения заряда е произвел Р. А. Милликен (R. A. Millican), получивший за них нобелевскую премию. Они были начаты в 1908 г.; окончательные результаты были опубликованы в 1917 году Прибор, которым пользовался Милликен, имел весьма сложное устройство. Основная мысль его метода заключается в следующем. Две круглые металлические пластинки (диам. 22 см) расположены горизонтально на расстоянии 14,9174 лпмдруг от друга. Они составляют конденсатор, так что между ними находится электрическое поле, действующее на электроны по направлению снизу вверх. Воздух между пластинками ионизируется при помощи рентгеновых лучей, так что в нем находятся свободные электроны. При помощи пульверизатора вводятся в промежуток между пластинками весьма малые частицы какого-либо твердого или жидкого вещества; на эти частицы оседают электроны из окруясаю-щего воздуха, вследствие чего на них действует электрическое иоле конденсатора. Всего действуют на частицу две силы: вес по направлению вниз и электрическое поле по направлению вверх. Заряд конденсатора можно так урегулировать, что частица остается неподвижной. Особенно валены те случаи, когда такая частица внезапно начинает двигаться в ту или другую сторону. Это показывает, что к ней присоединился еще один электрон или что от нее отделился электрон. Для наблюдения частица ярко освещается вольтовой дугой, а само наблюдение производится сбоку при помощи микроскопа. Подробная теория движения такой частицы дает возможность вычислить заряд электрона. Постоянно усовершенствуя свой метод, Милликен получил следующий окончательный результат: е=4,774 Ю-10 ял. - ст. ед.== 1.592 -10 20 эл.-магн. ед. Отсюда следует, чтооднаэл.-ст. ед.количества электричества содержит 2.095 миллионов электронов. При силе тока в один ампер протекает в 1 сек. ОД эл.-магн. ед. кол. электричества; в ней содержатся 6,288 триллионов электронов, считая триллион равным 10]8 (млн. в третьей степени).-Как сказано, заряд протона равен заряду электрона, но обратного знака. Вопрос о том, все ли электроны имеют одинаковый заряд, занимал в течение некоторого времени ученых. Дело в том, что выдающийся физик-экспериментатор Ф. Эренгафт (F.Ehren-haft) в Вене напечатал в 1909 году статью с описанием опытов, которые, по его мнению, доказывали, что существуют такие частицыотрицательного электричества, заряд которых во много раз меньше того, который дает Милликен; Эренгафт их назвал суб-электронами. Спор об их существовании продолжался почти 20 лет. Эренгафт и его сотрудники продолжали с поразительной настойчивостью доказывать существование суб-электронов, производя все новые и новые опыты. Только в 1929 г. этот спор прекратился, и в настоящее время никто не сомневается, что все э чектроны обладают одинаковым зарядом. Предполагается, что электрон имеет шаровидную форму. Радиус а электрона определить сколько-нибудь точно невозможно. Однако, окольными путями все-таки удалось определить хотя бы порядок размера электрона. Оказалось, что а=2-10-13 см=2 10“12 миллиметров. Цепочка, содержащая 500.000 миллионов электронов, имеет длину, приблизительно равную одному миллиметру.
Переходим к вопросу о массе электрона, причем следует отличать массу т0покоющегося и массу7»движущегося электрона. Изучая движение электрона в электрическом и магнитном полях,
можно определить величину—, котот0
рая называется удельным зарядом электрона. До 1913 г.было сделано около 45 определений этой величины. А. Ба-стелмейер (A. Beastelmeyer) опубликовал в 1919 году результаты критическогоразбора всех этих работ. Как наиболее вероятное значение он дает числое=1,76.107 эл.-магн. едт0
В настоящее время считается наиболее достоверным число 1,769; впрочем в 1921 году Бебкок (Н. D. Babcock) нашел число 1,761. Зная величины е из опытов Милликена и число е:т0, можно найти массу т0 покоющегося электрона. Оказалось, чтот0=0,8996-Ю-27 гр, или, что масса тп в 1.8Ю раз меньше массы атома водорода. Мы знаем, что один грамм водорода со держит 6,062 10“3 атомов. Отсюда следует, что масса электрона приблизительно равна 10 2 грамма, или что один грамм электронов содержит около 1027 электронов. О чудовищной величине заряда одного грамма отрицательного электричества можно судить по следующим данным. Сила, с которой взаимно отталкиваются два электрона, весьма мала, меняясь обратно пропорционально квадрату расстояния их друг от друга. Даже если расстояние двух электронов равно одной миллионной доле миллиметра, их взаимное отталкивание приблизительно равно одной сорокатысячной доле веса одного миллиграмма. Однако, легко вычислить, что два грамма электронов, находясь на расстоянии одного миллиона километров друг от друга, от талкиваются с силою, равною весу двадцати миллионов килограммов. Если бы один из них находился на Земле, а другой на Солнце (расстояние 150 млн. км), то сила их взаимного отталкивания равнялась бы весу 1.200 килограмм. Если бы один находился на Солнце, а другой на Нептуне (расстояние 4.500 млн. км), то отталкивание превышало бы вес 1 килограмм. Мы видели, как малы размеры электронов. Однако, 1 гр электронов составляет цепь, длина которой равна 4.000 млн. км, то есть в 28 раз больше расстояния Земли от Солнца. Заряды электрона и протона одинаковы, но их массы различны. Масса протона равна массе атома водорода. Отсюда следует, что масса протона в 1.840 раз больше массы электрона. Электроны и протоны отличаются друг от друга степенью их подвижности. Электроны черезвычайно подвижны.
Отдельные свободные электроны встречаются повсюду, наир, в воздухе; огромные их количества составляют потоки электронов. Везде, где мы встречаемся с представлением о движении электричества, мы имеем дело почти только с потоками электронов. Так, напр, сущность электрического тока сводится к течению электронов в проводниках. Катодные лучи, которыми пользуются для получения рентгеновых лучей, суть такие же потоки. Раскаленные тела испускают электроны. В фотоэлектрических явлениях (смотрите энергия) мы имеем дело с электронами. Протоны, наоборот, отличаются высокою степенью неподвижности. Они находятся в определенных местах материи, как будет изложено ниже при разборе вопроса о строении атома. Отдельные свободные протоны могут быть получены лишь в исключительных случаях. В нейтральном теле находится одинаковое число электронов и протонов. Электризация нейтрального тела всегда сводится к передвижению электронов. Положительная электризация нейтрального тела заключается в том, что часть электронов, находящихся в этом теле, переходит от него к телам соседним. Электризация при трении, например стекла о сукно, сводится к переходу электронов от стекла к сукну (смотрите электричество). Наука до этих пор не открыла никаких явлений, которые заставляли бы ввести понятие о каком-либо строении электрона. В 1926 г. возникло новое учение, исходящее из представления, что все электроны весьма быстро вращаются вокруг оси, проходящей через их центр. Это вращение иногда для краткости называется „спин“, от английского термина spin. Скорость вращения всегда одна и та же, но она может происходить в двух противоположных направлениях. Два электрона, оси вращения которых параллельны, могут отличаться направлением вращения.
Строение атома. Наиболее важным из научныхдостижений, основанных на представлении об электронах, является учение о строении атома, возникшее в 1913 году Оно теснейше связано с учением о квантах, о квантовании, о постоянной h Планка и др. (смотрите энергия). В течение XIX в химия занималась исключит, только вопросами о составе материи из молекул и молекул из атомов (смотрите атом). На последние наука смотрела как на однородные мель-чайш. зернышки данного элемента; система (ельXXXI, 586 сл.) Д. И. Менделеева принималась как факт, но не поддавалась более глубокому разъяснению. Целый ряд явлений давно указывал, что атомы должны содержать электричество. Сюда относятся, прежде всего, явления электролиза. Не могло быть сомнения, что внутри электролита движутся по направлению к электродам отдельные атомы или группы атомов (ионы), причем одни являются носителями отрицательных электрических зарядов, то есть электронов, а другие наэлектризованы положительно, то есть, как мы теперь говорим, потеряли электроны. Сюда же относятся многочисленные случаи ионизации газов, при которых возникают свободные электроны, несомненно вырванные из молекул или атомов газов, остающихся в виде положительно наэлектризованных ионов. Далее можно указать на радиоактивные явления (смотрите радиоактивность) и на явления фотоэлектрические (смотрите энергия). С течением времени было предложено не мало гипотез относительно строения атома или, как говорят, моделей атома. Одна из первых принадлежит лорду Кельвину (Kelvin, прежде William Thomson, 1902), который дал такую модель: атом имеет форму сферы, равномерно заполненной положительным электричеством; внутри ее находится такое количество электронов, заряд которых как раз равняется заряду самого шара, так что во внешних точках, не очень близ ких к его поверхности, атом должен представляться электрически нейтральным. Эта модель была затем широко разработана Дж. Дж. Томсоном (J. J. Thomson, 1910); в течение некоторого времени она пользовалась большим успехом. Дж. Дж. Томсон полагал, что лучистая энергия испускается электронамп, колеблющимися внутри положительного шара. Однако, его модель не могла объяснить закономерностей в спектрах, хотя бы простейшую из них, т.- е. формулу Бальмера для водорода (смотрите спектральный анализ, XL1, ч. 4, 57/58). В 1912 г. Рэзерфорд (Е. Rutherford) построил другую модель атома. По его мысли, атом состоит из ядра положительного электричества, вокруг которого вращаются электроны, подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца. Ядро имеет весьма малые размеры (порядка 10—12 см), но в нем сосредоточена почти вся масса атома. Голландский ученый Вен-дер-Брок (Van der Broek) высказал мысль (1913), что число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно порядковому числу Z элемента (смотрите элементы) в таблице Менделеева. Модель Рэзерфорда не могла объяснить возникновения резких (тонких) спектральных линий. В 1913 г. появились три статьи датского ученого Н. Бора, основателя современного учения о строении атома. Бор всецело принимает модель Рэзерфорда с дополнением Ван-дер-Брека:ядро атома имеет положительный заряд, равный Я протонам, где Z—порядковое число элементов. Теория Бора подробно изложена в статье спектральный анализ (смотрите XLI, ч. 4, 70/76). Здесь мы к ней возвращаться не будем.
Теория Рэзерфорда - Бора приводит к следующему основному результату: никакой особой материи, как ее прежде понимали, нет; существует только электричество, то есть протоны и электроны, из которых построены атомы всех элементов. В этом заключается черезвычайное упрощение нашего мировоззрения: вместо 92-х существенно различных элементов и двух электричеств мы имеем теперь толь ко два электричества. Мысль о превращении одного элемента в другой, теоретически говоря, перестает быть нелепой мечтой алхимиков. Возьмем, например, ртуть и золото, стоящие в таблице Менделеева рядом под порядковыми номерами 80 и 79. Атом ртути превратится в атом золота, если: 1) от внешних электронов отнять один, что весьма легко сделать, ионизируя пары ртути; 2) вырвать из ядра атома ртути 5 протонов и 4 электрона; 3) произвести внутри ядра атома ртути ту перестановку оставшихся в нем составных частей, которая, вероятно, окажется необходимой. Второе и третье мы сделать не умеем, но может быть со временем научимся.
В статье спектральный анализ подробно сказано об электронных слоях и подгруппах. Мы разовьем здесь несколько подробнее ученье о подгруппах, введем новые их обозначения и рассмотрим вопрос о постройке слоев и подгрупп. Так как общее число внешних электронов равно порядковому числу Z элемента, то ясно, что переход от одного элемента к следующему в этой таблице сопровождается добавлением одного внешнего электрона. Огромный интерес представляет вопрос о последовательной постройке слоев К, L, М и так далее, если мысленно идти вдоль таблицы Менделеева от водорода (Z~ 1) до урана (Z= 92). Оказывается, что каждый слой предварительно построен, когда в нем находится 8 электронов. Тогда начинается постройка следующего слоя, которая, однако, в целом ряде случаев прерывается достройкой одного из нижележащих слоев. Слои М и О подвергаются одной достройке, причем число электронов в них возрастает от 8 до 18; в слое N происходят две достройки, увеличивающие число внешних электронов от 8 сперва до 18, а затем до 32. В следующей табличке указаны все эти постройки и достройки.

Таблица

1.

Слои

К

L М

N

0

Р

Q

Первая постройка.. .

2

S 8

8

8.

8

не окончен

Первая достройка

— 18

18

18

не окончен

—

Вторая достройка

—

— —

32

—

—

—

Каждый слой делится на подгруппы. Число подгрупп в каждом слое и число электронов в каждой подгруппе принимаются ныне согласно свыводами английских ученых Стонера и Мэн-Смита (Stoner, Main Smith), полученными в 1924 году В следующей табличке указаны число подгрупп в каждом из слоев К, L, М и N (вторая строчка), ныне принятые обозначения этих подгрупп и число электронов вкаждой подгруппе. Остальные слои (О, Г и Q) далее в уране еще не окончены.
Таблица 2.

К L

м

1 3

5

A Lh L2i

Lo,

Ми Щ М._,3 М.,ц

2 2 2

4

2 2 4 1

Индексы

(11, 21, 2

2, 32 и так далее) еле

дует понимать как сочетания двух из чисел 1, 2, 3 и 4. между которыми следовало бы ставить запятые или черточки; мы пишем, например, 32 вместо 3,2 или 3- 2. Предполагается, что слои построены окончательно и потому общее число электронов в них равно 2, 8, 18 и 32. Та достройка внутренних слоев, которая указана в таблице 1, заключается в добавлении новых подгрупп. При первой постройке всегда возникают первые три подгруппы, содержащие 2 + 2 -f- 4=8 электронов. При достройке слоя М добавляются подгруппы М.л2 и Ж!3 с 10 электронами, так что получается 18 электронов. При первой достройке слоя N возникают подгруппы N32 и N3S (10 электронов); при второй — подгруппы Ni3 и Nu (14 электронов), что и дает окончательно 32 электрона. Исключительно важную роль играют в атоме каждого элемента те электроны, которые находятся в наружном слое, предварительная постройка которого еще не окончена, то есть число электронов которого не доходит до восьми. Эти электроны называются „валентными“ их число может доходить до семи. Когда наружный слой содержит 8 электронов, то-есть первая постройка окончена, вовсе нет валентных электронов. От числа валентных электронов зависят, прежде всего, химические свойства элемента, а также лучеиспускание атома в инфракрасной, видимой, и ультрафиолетовой частях спектра. На наружный слой валентных электронов следует смотреть как на нечто, легко меняющееся в данном атоме. К нему относится то, что было сказано о возможных орбитах и о переходах „странствующего“ электрона от одной орбиты к другой, о возбуждении атома и об испускании им лучистой энергии {см. XLI, ч. 4, 71 сл.). Не только распределение валентных электронов
N

Из“

Nu

N2,

N,

N;..

Ni

N4:1

N44

6

2

2

4

4

6

В

8

но возможным орбитам, но и число их в данном атоме может меняться. Это соответствует различным случаям ионизации атома; когда один или несколько валентных электронов выброшены из атома, мы имеем положительную ионизацию; когда к ним присоединяются извне прилетевшие электроны, получается ионизация отрицательная. Внутренние же слои представляют нечто твердо установившееся, готовое, лишь с трудом и при исключительных обстоятельствах подвергающееся изменениям.
В глаза бросается глубокая связь между электронными слоями К, L, 21/, N и периодами таблицы Менделеева. Числом валентных электронов определяется то, что в химии называется валентностью элемента. Все элементы одной вертикальной группы таблицы имеют, вообще говоря (опускаем детали), одинаковую валентность. Каждый раз, когда начинается постройка нового слоя, то есть является один валентный электрон, мы имеем первый элемент нового периода, т. - е. щелочной металл. Каждый раз, когда оканчивается первая постройка слоя и число электронов делается равным 8, а валентных электронов вовсе не оказывается, мы имеем последний элемент периода, то есть инертный газ, в котором отсутствие валентных электронов и является причиной их химической недеятельности (инертности). Достройки усложняют дело и приводят к тому, что периоды содержат не только 8, но и 18 и 32 элемента, в полном согласии с числом электронов в слоях М, N и О. В виду огромной важности таблицы Менделеева мы проследим постройку всех электронных слоев в связи с возникновением периодов этой таблицы. В скобках мы ставим, рядом с химическим знаком элемента, его порядковое число 2е.
Период I и слой К. Имеем только 2 элемента: водород (1,Н) с одним и гелий (2, Не) с двумя электронами. Этим постройка окончена, и мы имеем одновалентный водород и инертный (впрочем, не вполне) гелий. Период II (8 элементов) и слой L (8 электронов); в начале щелочной металл литий (3, 1л), в конце инертный газ неон (10, Ne). Период III (8 элементов) и слой М (8 электронов при первой постройке); в начале щелочной металл натрий (11, На), в конце инертный газ аргон (18, Аг). Период IV (18 элементов), первая постройка слоя N (8 электронов) и достройка четвертой и пятой подгрупп слоя М (10 электронов). Сперва начинается постройка слоя N, и мы имеем щелочной металл калий (19, К) и щелочно-земельный кальций (20, Са). Но начиная со скандия (2t, Sc) и до ник-келя (28, Ш) идет достройка слоя М. От меди (29, Си) продолжается дальнейшая постройка слоя N, которая оканчивается у инертного газа криптона (36, Кг). Период V (18 элементов). Начинается постройка слоя О у щелочного металла рубидия (37, Rb); затем идет первая достройка слоя N (подгруппы iV;B и Nm), которая закончена у палладия (46,Pel), и оканчивается первая постройка слоя О, которая закончена у инертного газа ксенона (54, X). Сложнее идет дело в периоде VI (32 элемента). Происходит постройка слоя Р от цезия (55, Cs) до инертного газа эманации (86, Ет); но она два раза прерывается внутренними достройками. Сперва окончательно достраивается слой N (подгруппы Nis и Nu), в котором 6-|-8=14 электронов, причем получаются редкие земли от Z=b8 до 71. Затем происходит еще достройка слоя О (10 электронов). Период VII не окончен. Теория Бора предсказала, что число редких земель должно равняться 14. Между тем в течение некоторого времени полагали, что их число 15, что элемент Z=72, который был назван тулий M, также принадлежит к редким землям. Однако, в 1922 году датские ученые Костер и Хевеси (Coster и Hevesy) открыли новый элемент, который они назвали гафний (Я/). Для него оказалось Z — 72; он по химическим свойствам очень близок к цирконию и совер
шенно не похож на редкие земли. Это открытие представляло торжество теории Бора, правильно предсказавшей возможное число редких земель. Эта же теория объяснила также, почему в 4 местах таблицы Менделеева мы и меем более одного элемента в одной клетке, причем эти элементы химически черезвычайно похожи друг на друга. Сюда относятся три триады: 1) Ее, Со, Ni, 2) Ru, Rh, Pd, и 3) O.s, Jr, Pt и 14 редких земель, которые также надо себе представить как бы сосредоточенными в одной клетке. Отделение редких земель друг от друга представляет огромные трудности, вследствие почти полной тождественности их химических свойств. Сказанное объясняется тем, что эти элементы возникают при достройках внутренних электронных слоев. Такам образом они отличаются друг от друга числом электронов в одном из внутренних слоев. Число же валентных электронов, от которых зависят химические свойства элемента, одинаково в каждой триаде, а также во всех 14 редких землях.
По теории Рэзерфорда и Бора, атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются £ электронов, где порядковое число атома в периодической системе Менделеева. До этих пор мы рассматривали почти только эти Z внешних, или планетарных электронов. Обращаемся теперь к ядру атома, которое содержит А протонов и A — Z электронов, где А — атомный вес элемента. Возникает вопрос о том, как эти составные части ядра атома в нем распределены. Предварительно нам необходимо ближе познакомиться счасти-цей альфа (а), выбрасываемой ядрами радиоактивных элементов (ш.радиоактивность, XXXV, 333 сл.) и тождественной с ядром атома гелия. Отсюда видно, что частица альфа состоит из 4 протонов и 2 электронов Так как масса протона в 1840 раз больше.массы электрона, то оказывается, что масса частицы альфа в 7360 раз больше массы частицы бета, также испускаемой ядрами радиоактивных элементов и тождественной е электроном. Не только ядра атомов радиоактивных элементов, но ядра атомов всех элементов (кроме водорода) содержатчастицы альфа; это значит, что протоны и электроны соединены в группы по 4 протона и 2 электрона, то есть в частицы альфа, число которых наибольшее возможное для данного ядра. Атомный вес А, равный числу всех протонов в ядре, можно написать в виде А—лп- -р, где и целое число, а р—0, 1, 2 или 3. Очевидно, и равно числу частиц альфа, а р—числу свободных протонов в ядре. Весьма важно, что в ядре атома элемента, атомный вес которого нацело делится на 4, вовсе нет свободных протонов. Скорость, с которой вылетают частицы альфа из ядер атомов радиоактивных веществ, колеблется в довольно широких пределах; в среднем она равна 0,06 скорости света. Вследствие большой, сравнительно, массы вылетевшая частица альфа обладает большим запасом кинетической энергии и потому может совершить гораздо большую работу, например большее разрушение, чем частица бета (электрон), хотя бы скорость последней равнялась 0,9 скорости света. Частица альфа представляет удивительно стойкое сооружение, которое не распадается ни при каких нам доступных условиях. Это тем более странно, что 4 протона должны были бы взаимно отталкиваться, а 2 электрона не могут их сдерживать. В настоящее время общепринято, что при очень малых расстояниях взаимное отталкивание протонов переходит во взаимное притяжение. Тоже самое относится и к самым частицам альфа, которые на очень малых расстояниях взаимно притягиваются. Огромная стойкость частицы альфа объясняется на основании следующих соображений. В статье энергия изложено, что энергия и масса — величины эквивалентные и что масса т может превратиться в энергию J=mc где с—скорость света. Если т выразить в граммах, J в эргах, то с2=9-103°. Грамм-атомгелия имеет массу 4 грамма; он образовался от „соединения“ 4-х гр.-атомов водорода, из которых каждый обладает массой 1,008 (точнее 1,0078) грамма (массами электронов можно пренебречь), так что для гр. - атома гелия должна была бы получиться масса 1,008X4==4,03 гр. Приходится допустить, что при возникновении гр. - атома гелия
0,03 гр. исчезли, превратившись в энергию. На основании равенства J—тс2 мы получаем, что при возникновении гр.-атома гелия выделились 0,27.10-° эргов, которые эквивалентны 300 млн. больших калорий, или 130 миллиардам кг - м работы. Такую огромную работу пришлось бы затратить, чтобы 4 грамма гелия раздробить на отдельные протоны. При образовании гр.-мо-лекулы наиболее стойких химических соединений выделяется количество теплоты порядка 100 б. калорий, а при возникновении гр. - атома гелия это число в 3 миллиона раз больше! Во столько же раз стойкость частицы альфа больше стойкости известных нам химических соединений. Английский астроном Эддингтон (Eddington, 1923) указал, что если бы из ядер (протонов) водородных атомов, находящихся на Солнце, лишь несколько процентов соединились в ядра гелия (частицы альфа), то освободившейся теплоты хватило бы на лучеиспускание Солнца в течение миллионов лет.
Обращаемся к классическим работам Е. Рэзерфорда, которому впервые удалось искусственное раздробление ядер атомов некоторых нерадиоактивных элементов. Главнейшие из этих работ появились в 1919 г., а затем еще в 1921 и 1922 гг. Мы имеем здесь случай несомненного искусственного разложения атома, ибо ионизация атома представляет неглубокое и легко восстановляемое изменение «го состава Мы назовем активной такую частицу которая, двигаясь внутри газа, может вызвать ионизацию его атомов, или попадая на поверхность флуоресцирующего экрана, вызывает на ней появление маленькой, весьма кратковременной искорки (сцинтилляции), которую удобно наблюдать при помощи лупы или микроскопа. Такими активными могут быть отдельные электроны, частицы альфа, а также, как оказалось, отдельные протоны, то есть ионизированные атомы водорода. Длиною пробега активной частицы называется длина пути, который может пройти активная частица в данной среде от места ее. возникновения до того места, где ее активность перестает быть заметной, например прекращается ионизация газаили сцинтилляция. Длина пробега частицы альфа в воздухе, находящемся под давлением одной атмосферы, колеблется, в зависимости от испускающего ее радиоактивного вещества, от 2,5 сантиметров до 8 см-, в водороде она около 25 см. Частицы альфа, благодаря их большой энергии и стойкости, могут играть роль снарядов, раздробляющих атомные ядра некоторых элементов. Е. Марзден (Е. Marsden), сотрудник Рэзерфорда, доказал еще в 1914 г., что частицы альфа, проходя через водород, разбивают его молекулы на составные части, причем могут возникать ионизированные атомы водорода, т. - е-свободные протоны. В 1919 г. появился ряд работ Рэзерфорда. Во второй из них он показал, что частица альфа вырывает свободные протоны из веществ, богатых водородом, напр из парафина. В четвертой он впервые сообщил миру о раздроблении ядра атома азота. Под влиянием удара частицы альфа вылетают из молекулы азота активные частицы, длина пробега которых равна 2S см. Наблюдения над движением этих частиц в магнитном поле показали с достоверностью, что это были протоны, вырванные из ядра атома азота. Так как для азота А — 14=4 3 + 2, то ясно, что в его ядре должны находиться по крайней мере 2 свободных протона, если остальные 12 протонов образуют 4 частицы альфа. Так как протон, выбитый из ядра атома азота,поймав один из везде блуждающих электронов, превращается в нейтральный атом водорода, то и ста.ли тогда писать, что Рэзерфорд извлек водород из азота, что не вполне точно. Сущность великого открытия Рэзерфорда заключается в том, что он доказал наличность протонов в ядре атома азота и тем подтвердил одно из основных положений теории Бора. В 1921 г. Рэзерфорд сообщил, что ему удалось вырвать протоны из ядер бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора. Атомные веса этих элементов суть числа вида 4 и -f 3, и только для азота 4 и 4- 2. Любопытно, что протоны вылетают во всех случаях не только по направлению удара частицы альфа, но, особенно для алюминия, по всевозможным направлениям, даже навстречу частице альфа.
Поразительным представляется еще следующий факт: энергия движения протонов, вылетающих из алюминия по направлению удара,—в 1,4 раза, а по направлению обратному—в 1,13 раза больше энергии ударяющих частиц альфа. Это заставляет думать, что по крайней мере часть энергии нротонаинтраатом-ного происхождения, а именно, что мы имеемдело со взрывом,происходящим в ядре атома, то есть с я влением аналогичны м явлениям радиоактивным, стою, однако, разницей, что из ядра атома выбрасывается протон, а не частица альфа или электрон (частица бета). Удар налетающей частицы альфа является здесь причиной этого взрыва. Шесть элементов В, N, F, Na, А1 и Р, из ядер которых Рэзерфорду удалось выбить протоны, имеют порядковые числа Z, равные последовательным нечетным числам от 5 до 15 (В6, N1, F9, Na11, Al13, Р15).Интересным представляется вопрос о судьбе самой ударяющей частицы а: отскакивает ли она от атомного ядра, из которого она выбила протон, или она застревает в этом ядрее В 1927 г. английским ученым удалось наблюдать два случая несомненного застревания частицы альфа в ядре атома азота. Раздробление ядра атома происходит только в случае особенно удачного удара со стороны частицы альфа. Оказывается, что на, примерно, 10.000 ударяющих частиц альфа приходится только одна, вырывающая протон из ядра атома.
В 1923 г. начали работать над тем же вопросом венские ученые Г. Кирш и Г. Петтерсон (G. Kirsch, Н. Pettersson) с сотрудниками, Р. Голубек (R. Holou-beck) и др. Их результаты существенно отличаются от полученных английскими учеными, что привело к продолжительному спору. В первой своей работе Кирш и Петтерсон нашли, что бериллий (А=9, Z=4), кремний (Л=28, Z—14) и магний (три изотопа, А=24, 25, 26, /е=12) также подвергаются раздроблению. Правила, найденные английскими учеными, здесь не подтверждаются: все Z суть числа четные, и одно из чисел А (кремний) нацело делится на 4. В 1927 г. венским ученым удалось (по их мнению) выбить протоны из ядер атома углерода (графити алмаз), для которого А=12 также нацело делится на 4. Результаты, полученные для кремния и для углерода, представляются особенно сомнительными. Если бы они оказались правильными, то пришлось бы совершенно изменить наш взгляд на распределение протонов и электронов в атомных ядрах (смотрите ниже). В 1927 г. начали производить подобные же опыты Боте и Френц (Bothe, Franz) в Берлине. Они исследовали все элементы от бора (Z=5) до кальция (Я=20), но могли заметить выделение протонов только в боре, азоте, магнии и алюминии. Так как магний представляет смесь изотопов, для которых А=24, 25 и 26. вопрос о делимости на 4 здесь остается открытым. Особенно важно, что названные ученые не нашли явления в углероде (А=12) и в кремнии (А=28). Дальнейшие исследования (1928) по новому методу дали для бериллия, углерода и железа результаты, несогласные с выводами венских ученых, которые, однако (1929), оспаривают правильность нового метода и вновь утверждают, что из атомов углерода могут быть выбиты протоны. Нет сомнения, что все элементы от бора (Z=5) до калия (Z=19) обнаруживают рассматриваемое явление, кроме углерода (Z=6) и кислорода (Z=8). Сюда относятся, кроме вышеприведенных, еще неон, магний, хлор, аргон и калий.
Одной из важнейших задач современной физики является решение вопроса о деталях строения атомного ядра, то есть распределения в нем А протонов и .4—Z электронов. Уже было сказано, что если атомный вес вида А=4 и А р (и—целое число, р=0,1,2,3), то естественно допустить, что в состав ядра входят и частиц альфа и р свободных протонов. Из всех A—Z электронов 2п электронов входят в состав и частиц альфа, так что число х остальных электронов, не „замуравленных“ внутри частиц альфа, равно х=А — Z — 2п=4п + р — Z — 2 п=
, А р
= 2 м — Z -|- р= 2
(если р нечетное, то и А нечетное). Приведем несколько примеров.
Таблица 3.

Элем.

Z

А

Част.

альфа

(гР

Про-го-] нов (р) 1

N

7

и

3

2 ! 1

Net

11

2:1

5

> : 2

Р

15

31

7

3 2

Си

20

40

10

о; о

Ra

88

228

5 »

2 ! 28

и

Ш

23S

00

2 ! 28

Неоднократно высказывалась мысль, что и частиц альфа скучены вместе, образуя как бы центральное ядро ядра, причем их расстояния друг от друга, а также протонов от центрального ядра таково, что они взаимно не отталкиваются, но притягиваются. Американский ученый В. Д. Гаркинс (W. D. Harkins) изучал вопрос о том, какие элементы встречаются чаще всего в земн и коре и в метеоритах, полагая, что эти элементы должны обладать особенно устойчивым строением ядра. Оказалось, что 99°/о всей массы составлены из элементов, атомный вес которых не превышает 26 (железа); все наиболее распространенные элементы имеют четный атомный вес. Особенно жераспространены элементы, атомный вес которых нацело делится на 4, и следовательно в атомном ядре совершенно отсутствуют свободные протоны, а число свободных электронов равно !/а (А—Zкак видно из формулы (7), в которой следует принять р=0. Интересные взгляды высказала выдающаяся немецкая ученая Л. Мейтнер (Lise Meitner). Она полагает, что те х электронов в ядре, которые мы назвали свободными и которые находятся в немалом количестве только в элементах двух последних периодов, в действительности вовсе не свободны, но присоединены по два снаружи к частицам альфа и по одному к свободным протонам, превращая их в нейтральные атомы гелия или водорода. Числа таблицы 3 показывают, что только к части имеющихся в ядре частиц альфа могут присоединиться по 2 электрона. Для ядра урана Л. Мейтнер полагает, что из ж=28 электронов 2 присоединены к двум свободным протонам, а остальные 26 к 13 частицам альфа. Остальные 59—13=46 частиц альфа остаются без изменения. Понятно, что эти последние как раз нейтрализуются (для всего атома) теми 92 электронами, которые окружают ядро атома урана. Эти взгляды Л. Мейтнер встретили, однако, много возражений. Новые взгляды на строение атома стал высказывать Рэзерфорд, начиная с 1927 г. Он полагает, что в центре ядра находится весьма плотная масса, которая заряжена положительно; ее радиус не превышает 10~12 см. Вокруг этого центра, в области до 1,5 Ю-2 см, вращаются главным образом электроны. Далее, примерно до 6 10—12 см, вращаются нейтральные частицы альфа, то есть атомы гелия. Однако, два внешних электрона находятся к ним гораздо ближе, чем в обыкновенном нейтральном атоме гелия, так как в противном случае они были бы сорваны притяжением центральной массы.
Важное значение имеет ныне вопрос о быстром вращательном движении всего ядра атома. Допущение такого движения дало возможность объяснить так называем, сверхтонкую структуру некоторых спектральных линий. — Начиная с 1928 года, стали появляться замечательные теоретические исследования Г. А. Гамова (Ленинград), относящиеся, прежде всего, к вопросу о возможности вылетания частицы альфа из ядра радиоактивного атома. Переход такой частицы из области притяжения ядром в область отталкивания казался до этих работ совершенно непонятным. Исследования Г. А. Гамова дали всему вопросу о строении ядра новое направление; однако, для общедоступного изложения результатов этих очень сложных исследований еще не настало время (/. А. Гамов, .Атомное ядро и радиоактивность“, 1930).
За последнее время физика обогатилась новыми открытиями, о которых скажем несколько слов.
I. Нейтроны. Боте и Беккер (Bothe, Becker) еще в 1930 г. открыли, что бериллий под ударами частиц альфа испускает лучи, обладающие огромной проницательной способностью. Чедвик (Chadwick) первый высказал мысль, что эти лучи состоят из потока нейтронов, то есть соединений одного протона и одного электрона. Их масса равна массе атома водорода, но их заряд равен нулю, вследствие чего они не подвергаются никаким силам со стороны атомного ядра. Частица альфа застревает в атоме бериллия, причем испускается нейтрон и остается атом углерода, согласно формуле Be (9) + + а (4) — нейтрон (1) + С (12). Здесь один элемент (Be) превращается в другой (С).— Бор превращается в азот: В (11)+а (4)—нейтрон (1)- -N (14).
И. Позитрон. Блекет и Оккиалини (Blackett, Occhialini) в Англии и Эндер-сон (С. D. Anderson) в Америке открыли положительные электроны; они отличаются от протонов тем, что их масса в 1.840 раз меньше массы протона. Заряды протона и позитрона одинаковые. Позитроны вырываются из различных атомов под влиянием космических лучей.
III. Быстрые протоны. Коккрофт и Уолтон (Kockroft, Walton) в Англии получили тонкие потоки весьма быстрых протонов. Ударяя в атом лития и застревая в его ядре, они раздробляют ядро, причем получаются два атома гелия по формуле: Li (7)+JT (1)== 2 Не (4). Фтор распадается на гелий и кислород: F (19) + Н (1) Не (4) + -(- О (16). Алюминий дает гелий и магний: Al (24) + Н (1 )=Не (4) + Мд (24). После Коккрофта и Уолтона еще ряд ученых получил потоки быстрых протонов. Вопрос о раздроблении атомного ядра стоит ныне в центре внимания физиков-экспернментаторов.
О. Хвольсон.
Электроны
Электроны, см. электронная теория.
Электропередача
Электропередача, см. электротехника.
Электропроводность
Электропроводность, см. электричество, стр. 53 сл.
Электросварка
Электросварка, ста.резка и сварка металлов, XXXVI, ч. 1, 302/03.
Электроскоп
Электроскоп, см. электричество, стр. 28.
Электросталь
Электросталь, см. XLI, Ч. 4, прил. сталь, 15; ср. электротехника.
Электростатика
Электростатика, см. электричество, стр. 9 сл.
Электротерапии
Электротерапии, в самом обширном смысле—всякое применение электричеетва с лечебной целью. Истоки лечебного применения электричества восходят в глубокое прошлое- Существуют предания, что еще в мифические времена негры Западной Африки прибегали к использованию природных источников электричества, помещая больных в пруды, где водились электрические сомы (malapterus electricus), или привязывая последних к больным частям тела. Затем, уже древним грекам были известны электрические действия янтаря (о чем имеются указания у Скрибония Ларга, Плиния, Диоскорида и др.). Пережитками этого представления о лечебном действии янтаря служит ношение на шее при зобе и базедовой болезни янтарных ожерелий еще и в настоящее время у некоторых восточных народов. Но настоящая Э. началась лишь после великих открытий Гальвани, нашедшего способ получения постоянного тока (1785), названного гальваническим, и Фарадея, открывшего (1831) прерывистый, так называемым фарадический ток. Из физиологических лабораторий электрический ток вскоре же был перенесен в клинику. Знаменитейшим врачам того времени (Гуфеланд, Рейль, Зоммеринг, Аугустин и др.) он казался столь удивительной силой, что от него ожидали исцеления от самых разнообразных заболеваний. Но именно потому, что электрический ток стали применять при таких заболеваниях (например, катарактах), при которых он не мог быть полезным, первоначальное увлечение им сменилось разочарованием. И только со времени исследований Дю-шена во франции (1849—1850), Ремака в Германии (1856), Бреннера в России (1868—1869) Э.вновь проникла вклинику. Ее внедрению в клинику много содействовали также Эрб и Дюбуа-Реймон.
Новый этап в истории Э. начался со времени открытия Тесла токов высокого напряжения, примененных для целей лечения впервые д’Арсонвалем, и опытов Брунса (1870), Рихардсона и др. над использованием электрического тока для введения в ткани через кожу различных лекарственных веществ (антипирина, иода, салицилового натра и тому подобное.), откуда метод получил название ионтофореза.
Э. в значительной мере развивалась эмпирическим путем, и до настоящего-времени различные модификации лечебного применения электрического тока не нашли еще достаточно убедительного физиологического обоснования. Многие врачи поэтому вообще отвергают непосредственное целебное действие электрического тока (за исключением диатермии и применения гальванического и фарадического токов при лечении периферических параличей“) и видят в нем лишь средство, действующее на болезненные явления через психику больных (путем внушения). Хотя наиболее блестящий эффект, при надлежащей подготовке больных, электрический ток, в особенности фарадический, дает при психогенных (грубо говоря—внушенных или само-внушенных) отклонениях, например истерических параличах, истерических: немоте, слепоте и глухоте или истерических расстройствах кожной чувствительности, но крайностью было бы отвергать и непосредственное действие электрического тока, как физического агента, при невралгиях и параличах, зависящих от заболевания периферических нервов.
В настоящее время в Э. применяются следующие виды электрическго тока: 1) токи низкого напряжения (постоянный, иначе гальванический) и переменный (иначе фарадический), 2) токи высокого напряжения (диатермия и токи д’Арсонваля) и 3) статическое электричество.
Гальванизация. Применяемый при ней электрический ток получается или от гальванических элементов (Грене, Лекланше и др., см. XII, 434 ел.), или от аккумуляторов и динамомашин постоянного тока. В последнее время гальванические элементы постепенно вытесняются специальными аппаратами (пантостатами и мультостатами), питающимися токами от осветительной сети. Ток, полученный от одного из вышеупомянутых источников, подводится к телу больного с помощью металлических проводов, заканчивающихся электродами. Характерную особенность гальванического тока составляет по“) Зависящих от повреждения периферических нервоз и двигательных нервных клеток спинного мозга.
стоянство его направления и напряжения. Воздействуя на ткани, он вызывает движение ионов тканевых жидкостей от одного электрода к другому, тем самым влияя на клеточный и тканевой обмен. Действие гальванического тока зависит, гл. обр., от колебаний его интенсивности, и оно тем сильнее, чем больше сила тока. Действуя на двигательный нерв или на мышцу, он вызывает сокращение последней, на чувствительный нерв — ощущение покалывания, переходящее при достаточно большой силе тока в ощущение болезненности. В местах приложения к коже электродов появляется гиперемия (покраснение), которая держится некоторое время и по прекращении тока, и местное повышение температуры. Общим действием,— например, на общий обмен веществ,—местно примененный гальванический ток, по-видимому, не обладает, но при достаточно большой интенсивности он может рефлекторным путем (через раздражение чувствительных нервов кожи) влиять на глубоко лежащие органы, например на сердце. Гальванизация осуществляется на практике в трех формах: стабильная гальванизация, ля-бильная и прерывистая. При стабильной гальванизации электроды во все время прохождения тока остаются на одном и том лее месте. При лябильной гальванизации один электрод сохраняет постоянное положение, вторым же производят непрерывное движение по коже (обычно этому электроду придают форму вращающегося валика); при прерывистой гальванизации устройство специального электрода позволяет, не снимая его с кожи, включать и выключать ток. Стабильная гальванизация является довольно хорошей болеутоляющей процедурой. Она применяется при невралгиях, невритах, мышечных болях, при некоторых расстройствах функции периферических сосудов (спазмах), трофических расстройствах, базедовой болезни, неврастении и тому подобное. Дябильная гальванизация применяется, гл.обр., при параличах мышц периферического происхождения; впрочем, в последнее время она все больше и больше вытесняется прерывистой (ритмированной) гальванизацией, позволяющей упражнять каждую мышцу в отдельности. Длительность гальванизации — 5-8 мин., реже, при некоторых заболеваниях — 15-20 мин. Отдельные сеансы повторяются обычно через день.
Фарадизация. Фарадический ток получается от индукционной катушки, напримерДюбуа-Реймона, или от пантостата или мультостата. Колебания направления тока достигают, примерно, 50 в секунду. В противоположность гальваническому току, при прохождении которого через ткани или растворы солей ионы перемещаются в направлении от одного электрода к другому, при прохождении фарадического тока ионы не перемещаются, но совершают колебательные, маятникообразные движения около некоторой неподвижной точки. На мышцы и двигательные нервы фарадический ток действует подобно гальваническому, то есть вызывает сокращение мышцы. Чувствительные нервы фарадический ток раздражает более сильно, чем гальванический. В противоположность гальваническому току, действующему возбуждающим образом только в моменты включения или выключения тока, а также при быстром колебании его интенсивности, фарадический ток действует в течение всего времени своего прохождения. В мышце, поэтому, он вызывает длительное тетаническое сокращение. Фарадический ток вызывает спазм периферических сосудов, находящихся в сфере его действия. На сосуды и органы, расположенные в глубине тола, он действует рефлекторно. Фарадический ток, подобно гальваническому, может применяться стабильно, лябильно и ритмированно. Лябильная фарадизация в качестве сильного отвлекающего средства применяется при невралгиях, миальгиях и некоторых других болезненных состояниях. При лечении вялых параличей и мышечной слабости она в последнее время вытесняется ритмированной фарадизацией. Применяется она также при неврастении и истерии, но в этих случаях преимущественно в качестве психотерапевтического средства. Стабильной фарадизацией пользуются, гл. обр., для новы шения тонуса внутренних органовнапример: мочевого пузыря, желудка, кишек, матки и тому подобное. Длительность и частота сеансов фарадизации те же, что и при гальванизации.
Гидроэлектрические ванны применяются в двух видах: полные электрические ванны и четырех-камерные электрические ванны. При полных электрических ваннах ток проводится на тело через всю воду, заполняющую ванну. В воду ток поступает через два или больше пластинчатых электрода. Ванны делаются из плохо-проводящих электричество материалов (дерево, фаянс и тому подобное.) и хорошо изолируются от пола. Один электрод помещается обычно в ножном, второй в головном конце тела; применение нескольких электродов допускает и иное расположение их. Поступивший в воду ток распространяется равномерно по всей поверхности тела, погруженного в нее. Чем больше эта поверхность, тем большей силы ток может быть применен. Общие электрические ванны допускают возможность введения в человеческое тело токов значительно большей силы, чем какие бы то ни было иные электротерапевтические процедуры; в частности, сила гальванического тока может быть доведена, без вреда для больного, до 100— 200 шА. Для общих электрических ванн применяются гальваничеекий ток, фарадический, гальвано - фарадический и синусоидальный трехфазный ток. Синусоидальный ток имеет перед фарадическим то преимущество, что он протекает более равномерно и потому легко переносится в значительно больших количествах. Все же не следует переходить дозу в 20 гпА.. Продолжительность гидроэлектрических ванн не должна превышать 5 — 7 мин.; постепенно она может быть доведена до 15 мин. Включение и выключение тока должно совершаться весьма постепенно. При полной гальванической ванне сила тока может быть доведена до 50 — 200 шА; при фарадической—она доводится до той степени, чтобы пациент лишь ощущал ток, и никоим образом не выше 20 шА. Вода для ванн берется индифферентной (комнатной) температуры. Для усиления лечебного действия в воду иногда прибавляют соль, ароматические травы и тому подобное.
Лечебное действие переменного тока основывается, гл. обр., на раздражающем воздействии его на кожу и на благотворном влиянии его на сердечно-сосудистую систему. Кровяное давление во время гидроэлектрической ванны повышается, а наполнение кровью периферических сосудов уменьшается; после курса ванн нередко отмечалось уменьшение в объёме расширенного до этого сердца, почему их и относят к процедурам, упражняющим сердце. Ванны с гальваническим током также уменьшают объём периферических сосудов, но менее значительно, чем с фарадическим; при повышенном кровяном давлении (гипертонии) после гальванич. ванны иногда наблюдается снижение последнего. Высказывавшееся прежде предположение о влиянии гидроэлектрических ванн на обмен веществ в настоящее время большинством электротерапевтов отвергается; напротив, улучшение сна и общего самочувствия признается почти всеми. Гидроэлектрическая ванна назначается также при ревматических и подагрических заболеваниях суставов.
Четырехкамерная ванна состоит из 4-х небольших фарфоровых ванн, наполненных тепловатой водой: двух для верхних конечностей и двух для нижних. Больной помещается на изолированном сидении и опускает в ванночки обнаженные предплечья и голени. Ток поступает в каясдую ванночку через, два плоских угольных электрода и с конечностей распространяется на все тело. Четырехкамерные ванны представляют собою общую электризацию. Преимущество их перед гидроэлектрическими ваннами состоит в том, что больному не приходится полностью раздеваться, а перед обычной общей электризацией—в том, что в них можно применять значительно более сильный ток (до 20 — 30 тА), чем с обыкновенными электродами. Четырехкамерные ванны могут применяться и только для верхних или только для нижних конечностей. Четырехкамерные ванны применяются при лечении различных неврастенических состояний, в особенности сопровождающихся неприятными ощущениями в конечностях (ощущения онемения, бегания мурашек, покалывания в кончики пальцев и тому подобное.), при спазмах сосудов конечностей, писчей судороге и других профессиональных неврозах и невралгиях. Так как четырехкамерная ванна менее резко влияет на сердце, ее “ следует предпочесть общей электрической ванне при вышеупомянутых заболеваниях у лиц, страдающих пороками сердца. Применение четырехкамерных ванн для целей ионтофореза после исследований Франк-гейзера и Ледука в настоящее время оставлено.
Ионтофорез. Для введения лекарств применяется гальванический ток. Доказано, что лекарство, введенное в организм путем ионтофореза, частью удерживается в тканях, расположенных под местом приложения электрода, частью же поступает в лимфатические и кровеносные сосуды, разносясь по всему телу. Так. обр., при ионтофорезе представляется возможным действовать не только местно, непосредственно на пораженный очаг, но и на весь организм в целом. Но и лекарственные вещества, фиксированные в тканях, постепенно поступают в общее кровяное русло. Поступление их совершается сравнительно медленно и потому лекарства, введенные в организм путем ионтофореза, задерживаются в нем значительно дольше, чем введенные через рот или в клизмах. В этом обстоятельстве многие врачи видят преимущество ионтофореза перед внутренним приемом лекарств. Для ионтофореза применяются пластинчатые электроды (угольные, свинцовые, цинковые или станиолевые). Участки кожи, на которые накладываются электроды, должны быть хорошо прогреты и очищены от жира и загрязнений. Под электроды помещаются прокладки из бумазеи, ваты или марли, смоченные в лекарственном растворе. Ионтофорез в настоящее время получил широкое распространение и с успехом применяется при самых разнообразных заболеваниях (воспалениях суставов, бронхиальной астме, сухих плевритах, хронической малярии, недостаточности щитовидной железы, сифилитических поражениях центральной нервной системы, периферических параличах лицевого нерва, невралгиях тройничного нерва, воспалениях периферическихнервов, внутрибргошных сращениях, волчанке и тому подобное.). Длительность сеансов до 10—15 м., сила тока от 2—3 до 10 шА; частота через 1 — 2 дня.
Токи большой частоты применяются в форме диатермии и дарсонвализации. Сущность диатермии заключается в том, что электрический ток очень большой частоты (от 100.000 до 1.000.000 перемен направления в секунду) и значительной интенсивности вызывает повышенное теплообразование в глубоких тканях животного организма, так называемым теплоту сопротивления. Стимулирование теплообразования составляет наиболее характерную особенность диатермии, по сравнению с которым действие самого тока отходит далеко на задний план, и поэтому диатермию надлежит причислить к термотерапевтическим процедурам. Но от обычных термотерапевтических процедур диатермия отличается тем, что в то время как при последних тепло привносится в организм извне, при диатермии оно зарождается в глубоких тканях самого организма. Количество развиваемого тепла может быть весьма значительным. Оно зависит от размеров прогреваемой части тела и длительности применения прогревания. При общей диатермии и при прогревании обширных областей температура тела может подняться до 38-39°; при частичной-на несколько десятых градуса. Вызывая расслабление гладких мышечных волокон сосудов, диатермия приводит к активной гиперемии, то есть расширению сосудов и, как результату его, к усиленному приливу крови к прогреваемой части тела. Но расслабляющее воздействие диатермии на гладкие мышечные волокна не ограничивается только сосудами; в одинаковой степени оно касается и гладких мышц внутренних органов. Вызываемое диатермией тепло оказываетстимулирующее(возбуждаю-ющее) воздействие на самые клетки, повышая их жизнедеятельность. Так, диатермия селезенки сопровождается повышением в крови числа белыхи красных кровяных шариков, количества гемоглобина и антител и тому подобное. Ей присущ также и хороший болеутоляющ, эффект.
Терапевтическое применение диатермии зиждется гл. обр. на ее типеремизирующем, тепловом, противоспазматическом и болеутоляющем действии. Она назначается, поэтому, во всех тех случаях, где желательно оживить тканевые процессы, рассасывание воспалительных процессов(различного рода суставные заболевания хронического и подострого характера: ревматические, травматические, подагрические, гонорройные, мышечный ревматизм, воспалительные выпоты женских половых органов и в плевральной полости; воспалительные и послеоперационные сращения между внутренними органами и т.п.),уменьшить спазм сосудов (сосудодвигательные расстройства спазматического характера на конечностях, перемежающаяся хромота, болезнь Рено, грудная жаба и др.), ослабить спазм гладкой мускулатуры внутренних органов (спастический колит, спазм привратника и тому подобное.) или ослабить болевые ощущения. Про-тивопоказуется диатермия при всех острых инфекционных процессах и острых воспалениях нервов, при туберкулезных поражениях суставов и в тех случаях, где имеется наклонность к кровотечению, как, например, при язвах желудка или двенадцатиперстной кишки.
Ток получается от специальных аппаратов (в последние годы приготовление их освоено советскими заводами) и проводится в тело при помощи специальных электродов. Обыкновенно применяются гибкие металлические пластинки. Электроды должны быть хорошо прилажены и на всем своем пространстве плотно прилегать к поверхности тела. При поперечном прогревании какого-либо участка туловища или конечности электроды располагаются друг против друга, при продольном—один над другим. Для специальных целей (диатермия женских половых органов, прямой кишки и т. и.) один из электродов, вводимый в эти органы, делается плотным и ему при дается яйцевидная или цилиндрическая форма. При дозировке опираются как на показания амперметра, так и на собственные ощущения больного (ощущение тепла). Обычно последнее появляется при силе тока в 0,2—0,8—1,0 А При местных диатермиях не следуетпереходить 0,8 амп., при общих — 2-2,5 амп. Продолжительность сеанса от 15 мин. (в начале) до 25—30 мин. Частота сеансов; при прогревании небольших областей — ежедневно, более обширных—через день. Общее число сеансов зависит от характера заболевания, в среднем 12 -15, и лишь в упорных случаях 20—25. Отсутствие эффекта после такого числа сеансов указывает на то, что данный случай недоступен воздействию диатермии. Среди всех электротерапевтических процедур диатермия является наиболее эффективной и физиологически наиболее обоснованной процедурой. В последнее время она получила широкое и вполне оправданное распространение.
При д арсонвализации используются токи столь же большой частоты, как и при диатермии, но огромного напряжения (в 50.000—200.000 вольт) и незначительной силы. Обычно применяется общая и местная д’арсонвализация. При общей больной помещается (стоя или сидя) в большой соленоид, по которому проходит ток. Так. обр. больной находится собственно в электромагнитном поле. Сила тока, пробегающего по соленоиду, равна 0,5—1,0 амперу, а напряжение его достигает 50.000 — 100.000 вольт. Небольшая лампочка, соединенная с проволокой соленоида, загорается, а при поднесении к нему металлического предмета может быть получена искра. На больных, страдающих истерическими расстройствами, демонстрирование этого явления может произвести большой психотерапевтический эффект. Длительность сеанса, повторяемого не чаще, как через день, —10-15 минут; продолжительность лечения—12-20 сеансов. При местной дареонвализации ток при помощи специальных электродов переносится на ограниченные участки поверхности тела. Перенос производится двумя способами: тихими разрядами с помощью эффлювиевых электродов, состоящих из множества металлических острий, помещенных на шарообразной или плоской основе. Электрод подносится, но не прикасается к поверхности тела, и разряды тока происходят через воздух. В темноте кончики острий светятся синеватым огнем. Разряды воспринимаются больным как легкое щекотание. Или пользуются конденсаторными электродами, состоящими из металлического или графитового стержня, наружная обкладка которых сделана из стекла. Конденсаторные электроды или плотно прикладываются к по. верхности тела, — в этом случае искры проскакивают только по краям электрода, больной не испытывает никакого ощущения и только при длительном воздействии легкую теплоту.— или же электрод помещается на некотором расстоянии от поверхности тела. Длина получаемых при этом искр зависит от напряжения питающего тока и удаленности электрода от тела. Искровые разряды вызывают ощущение покалывания или болезненного жжения; при сильных напряжениях можно вызвать пузыри. Длительность сеанса местной дарсонвализации — 5-10 минут.
Вопрос о том, почему токи столь высокого напряжения, как 100.G00 вольт и больше, переносятся организмом без вреда, в то время как токи напряжением в 1—2.000 вольт действуют смертельно, в настоящее время объясняется тем, что при столь частой перемене направления тока (50.000 — 200.000 в секунду) перемещение ионов, лежащее в основе раздражающего действия электрического тока, не может проявиться: ионы не успевают переместиться, совершая самое большее незначительные колебания. Терапевтическое действие общей дарсонвализации сводят к понижению ненормально повышенного кровяного давления. Однако, это может быть достигнуто лишь в том случае, если сосуды сохранили свою эластичность (идиопатические и токсические гипертонии); при артериосклеротической гипертонии действие общей дарсонвализации ничтожно. В последнее время высказы вались взгляды, что понижающее кровяное давление действие общей дарсонвализации обусловлено не самим током, а газами, образующимися при его прохождении и вдыхаемыми больным. Имеет значение также психотерапевтическое действие общей дарсонвализации, особенно при надлежащей психотерапевтической подготовке больных. Терапевтическое действие дарсонвализации зависит; при легких искрах от успокаивающего влияния их на чувствительные кожные нервы; при более значительных — от отвлекающего воздействия на болезненные состояния нервов, заложенных в более глубоколежащих тканях, рефлекторным путем, через раздражение кожных чувствительных нервных окончаний. В этом последнем случае местная дарсонвализация сопровождается гиперемией кожи и субъективным ощущением теплоты. В соответствии с изложенным физиологическим действием местная (мягкая) дарсонвализация назначается при различного рода невралгиях, табетических стреляющих болях, в особенности же при парэстези-ях; она дает также хороший эффект при зуде, некоторых формах экземы, нарушениях потовыделения (ослаблениях его), озноблениях, соеудодвигательных расстройствах с характером спазма сосудов. Более энергичная дарсонвализация применяется с успехом при более глубоко расположенных источниках болей — артритических болях, а также при болях в области сердца. При ряде функциональных расстройств,— наир., истерических парезах и параличах, истерических расстройствах чувствительности,— сильные искры дают обычно очень хороший терапевтический эффект чисто суггестивно.
Франклинизация (статическое электричество). Статическое электричество получается при трении о полоски фольги, наклеенные на стеклянные вращающиеся в противоположном направлении круги, мягких металлических щеток. При этом возникает положительное и отрицательное электричество, накапливающиеся на специальных шарах, соединенных с вышеуказанными щеточками. Статическое электричество может применяться в форме общей франк-линизации, обычно называется статическим душем, или местной франклинизации. Последняя применяется либо в форме ветерка, либо раздражений искрами, возникающими при поднесении электродов, усаженных остриями, к поверхности тела. Физиологическое влияние статического электричества до настоящего времени не выяснено. Общаяфранклинизация находит широкое применение главным образом при функциональных расстройствах нервной системы (истерии, неврастении, травматических неврозах и тому подобное.), особенно связанных с общей разбитостью, тяжестью в голове, головными болями. Местная франклинизация, специально искрами, с успехом применяется при истерических ослаблениях чувствительности, истерических параличах и контрактурах, миальгиях и тому подобное. Длительность отдельных сеансов как местной, так и общей фраклинизации-10-15 минут, повторение через 1 — 2 дня.
И. Раздольский.
Электротехника
Электротехника. Современная Э., развившаяся на основе чисто физического учения об электричестве (смотрите LII, 9 сл.) и магнетизме (смотрите XXVII, прил., 579 сл.), представляет собою в настоящее время обширную область прикладного знания. Поэтому оказалось необходимым выделить два больших основных раздела: Э. слабых токов и Э. сильных токов. Хотя строгой границы между ними провести невозможно, все лее обычно к первому относят технику проволочной и беспроволочной связи: телеграфию (смотрите XLI, ч. 7,219 сл.), телефонию (смотрите XLI, ч. 7, 262 сл.) и радио (смотрите XXXV, 362 сл.), а также сигнализацию и блокировку. Э. сильных токов также распадается на ряд отделов. Здесь прежде всего нужно выделить общие отделы, подводящие базу под все области применения электричества и магнетизма в технике: теоретические основы Э., изучающие техническую интерпретацию физических законов и являющиеся как бы мостом между физикой и техникой; технику электрических измерений, включающую в себя приборы и способы измерений и учета как электрической энергии, так и факторов, ее создающих (тока, напряжения и так далее); электроматериаловедение, рассматривающее и изучающее свойства материалов, применяемых в Э.,— свойства, иногда резко отличающиеся от свойств обычных материалов; отдел электрических машин, рассматривающий аппараты для получения (генерирования), преобразования электрической энергии и превращения ее в механическую. Наоснове этих четырех отделов развивается и продолжает бурно расти прикладная Э., включающая в себя отделы: электростанции и сети, электромоторный привод, Э. в промышленности (с целым рядом разветвлений), Э. в сельском хозяйстве, Э. в оыту, электрический транспорт, электрическое освещение и так далее
I. Теоретические основы электротехники. Т. о. э. содержат в себе изложение методов количественного и качественного анализа электромагнитных явлений с точки зрения их технического использования. Т. о. э. пользуются трудами основоположников современного физического учения об электричестве (ем. электричество и магнетизм). Однако, здесьимеется ряд собственных основных вопросов, разработанных учеными и инженерами: Т. Г. Блекслей („Papers on alternating currents of electricity“, 1880), Ч. п/тейнметц (1893), А. Кеннелли, Г. Феррарис, Хевисайд, Н. Тесла, М. Доливо- Добровольский, Лакур,Брагштад,Фортескыо и др.Сюда относятся: метод векторных диаграмм, символический метод, метод инверсных диаграмм, метод суперпозиции, теория трехфазного тока, применение рядов Фурье, теория неустановившихся явлений и др.
Основные понятия: электрический ток и электрическое напряжение. Согласно воззрениям современной электронной теории, электрический ток представляет собой движение атомов электричества (электронов) с отрицательным зарядом, равным ~ 0,16.10—20 кулона. Электроны имеют значительно меньшую массу, чем атомное ядро, и от каждого атома могут быть отщеплены один или несколько электронов. Поеле такого отщепления атом (или группа атомов—молекула), оставаясь заряженным положительно, превращается в положительный ион (атом или молекула ионизируется); наоборот, при увеличении числа электронов получается отрицательная ионизация атома.В нейтральном состоянии число электронов равно числу элементарных положительно заряженных элементов ядра атома (протонов).
Указанный процесс ионизации может сопровождаться и такими явлениями
8юкогда целая группировка молекул, образующая молекулу какого-либо сложного вещества, расщепляется (диссоциируется) на части с избытком и недостатком электронов. Такой случай мы имеем гл. обр. в электролитах (проводящих жидкостях). Установлено, что при этом недостаток электронов получается у молекул металлов и водорода, которые и дают положительно заряженные ионы, называемые исторически ошибочно катионами, так как отлагаются на отрицательном полюсе (катоде) в электролитической ванне (рисунок 1). Отрицательно заряженные ионы с избытком электронов называются анионами (направляются к аноду).
Рисунок 1.
Принятое теперь нами направление электрического тока было взято именно из наблюдения над электролитическим выделением металлов. Как известно, применение электричества в промышленности началось с гальваностегии. Оказывается, что движение электронов и отрицательно заряженных ионов идет в направлении, обратном принятому нами направлению электрического тока.
В соответствии с описанным выше электрический ток может получаться лишь тогда, когда его цепь составлена из таких тел, в которых могут образоваться свободные (отщепленные) электроны или молекулярные ионы. При чем эта цепь должна быть замкнута, так как иначе в месте размыкания должны были бы непрерывно накопляться все большие и большие количества электронов или ионов, не соответствующие действующему в цепи источнику электрического напряжения (источнику энергии). В газах (и парах) указанная ионизация происходит под влиянием естественных и искусственных ионизаторов; сюда относятся: высокая температура, ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, радиоактивные излучения,космические лучи. При вы соком напряжении эта начальная стадия ионизации переходит в самоионя-зацию толчком, которая приводит к электрическому разряду в газах по следующим стадиям: тихий разряд искровой и, наконец, дуговой. В жидкостях явление ионизации (ее принято называть электролитической диссоциацией) происходит под влиянием диссоциирующих свойств растворителей. В твердых телах движения ионов не происходит, а могут двигаться лишь отщепленные (свободные) электроны. Поэтому различают ионную проводимость газов, электролитическую проводимость жидкостей (электролитов) и электронную проводимость металлов (проводников, электродов). Существуют тела, в которых не только нет движения ионов, но также и не могут получаться в заметном количестве свободные электроны. Такие тела почти не обладают проводимостью и называются изоляторами. Однако, в них под действием электрического поля происходит электрическая поляризация атомных и молекулярных систем, происходящая гл. обр. за счет смещения орбит движения электронов, и поэтому они все же не остаются электрически инертными и называются диэлектриками. Строго говоря, во всех телах оба эти явления—проводимость и поляризация—происходят одновременно, но только в разной степени.
Для того, чтобы ионы и свободные электроны двигались, недостаточно, однако, одного только их наличия, а необходимо, чтобы они находились под действием электрических сил. К настоящему времени подробно еще не выяснена природа действия этих сил. Можно считать установленным лишь то, что: во-1) это действие связано с электромагнитными свойствами мирового пространства (или особой электромагнитной среды—мирового эфира в этом пространстве); во-2) это действие не распространяется мгновенно, а со скоростью порядка скорости света — 3.1010 см/сек., в зависимости от среды; и, наконец, в-3) что оно происходит от скопления положительных и отрицательных зарядов (недостаток или избыток электронов), причем это действие передается на любое расстояние. По последнему пункту говорят, что между данными областями среды (областями скоплений разноименных зарядов)— электрическими полюсами—действует электрическое напряжение. Причины возникновения таких полюсов разнообразны. В атмосфере, в условиях ионизированного воздуха такие скопления могут получиться на движущихся густых облаках (грозовые явления), на металлических остриях (атмосферные свечения). При прикосновении разных металлов непосредственно или черезтели энергии и соединительные проводники. Все эти элементы могут быть соединены последовательно, параллельно или смешанно (последовательно-параллельно; см. рисунок 2).
Между результирующим напряжением v, действующим в цепи, и силой тока г имеется простая пропорциональная зависимость, установленная германским физиком Омом и носящая название закона Ома:
α= гг.
Коэффициент пропорциональности г Ом назвал электрическим сопротивлением. Действительно, представляя- закон Ома в другой форме:
v
мы видим, что чем больше г, тем меньше сила тока i. Этот простой и в то же время фундаментальный закон является _для Э. в количественном отношении
Л Б в
L -
Рисунок 2.
Электролит получается контактное напряжение из-за явление электронного осмоса
Электролит получается контактное напряжение из-за явления электронного осмоса (гальванические элементы). При нагревании спаев разных металлов получаются электрические полюсы(термо-элементы). Наконец, самые мощные современные электротехнические источники напряжения образуют его под влиянием электромагнитной индукции.
День постоянного (прямого) тока. Под постоянным током разумеется ток неизменного направления и неизменной силы. В тех случаях, когда хотят обобщить это понятие в смысле только одного неизменного направления, говорят о прямом токе. Прямой ток меняющейся силы называют еще иногда пульсирующим током.
При постоянном токе легче установить основные законы электрического тока. Его цепь должна быть замкнута. В состав цепи входят один или несколько источников энергии, потребиочень важным. Оказывается, что электрическое сопротивление каждого проводника зависит в свою очередь от его длины I, сечения q и материала:
г=р---
гг q
Для металлических проводников I принято измерять в метрах, a q—в квадратных миллиметрах. Для жидкостей (электролитов) и то и другое—в сантиметрах и, соответственно, квадратных сантиметрах. Удельное сопротивление р найдено для различных веществ опытом.
Пре»кде всего закон Ома позволяет установить единицы для измерения основных электротехнических величин; напряжения и силы тока. Согласно приказу ВСНХ СССР от 26/11925 г., по представлению Всесоюзного института мер и стандартов (ВИМС), обязательными для всего Союза ССР являются следующие основные единицы;
1. Международный ампер есть величина неизменяющегося электрического тока, который отлагает 0,00118 грамм серебра в секунду, проходя через водный раствор азотнокислого серебра. Ампер подразделяется на 1.000 миллиампер или 1.000.000 микроампер.
2. Международный ом есть сопротивление, оказываемое неизменяющемуся электрическому току при температуре тающего льда ртутным столбом, имеющим повсюду одинаковое поперечное сечение, длину 106,3 сантиметров и мае -су в 14,4521 гр, что соответствует сечению в 1 миллиметров1. Ом подразделяется на 1.000.000 микромов. 1.000.003 ом составляет один мегом.
Международный вольт есть электрическое напряжение, которое в проводнике, имеющем сопротивление в один ом, вызывает ток в один ампер. Вольт подразделяется на 1.000 милливольт. 1.000 вольт составляет один киловольт. Нормальный элемент Вестона имеет напряжение, равное 1,0152 вольт.
Электрическое сопротивление зависит еще от температуры проводника по биноминальному закону:
Электрическое сопротивление зависит еще от температуры проводника по биноминальному закону:
rt (1 +«0,
где а—т. наз. температурный коэффициент.
_ г q
Приводим значения для р=—j—
ом=миллиметров1 „
в - для некоторых проводметрников:
р при 0ct а
Медь 1,51. 10 — 2 0,0045
Серебро 1,47.10 —2 0,004
Алюминий 2,56. 10 — 2 0,0042
Железо 9,07. 10 — 2 0,006
Ртуть 94,3. 10 — 2 0,0003
Никкель 12,30 .10 2 0,006
С помощью закона Ома можно весьма просто изучать явления лишь в чисто последовательных цепях (рисунок 2А). В этом случае сопротивления отдельных проводников, являющихся элементами замкнутой цепи, просто складываются, причем в каждом таком отдельном сопротивлении происходит падение напряжения: e=ir.
В случае параллельного (рисунок 2 В) и смешанного (рисунок 2В) соединения или вообще в случае разветвленной цепи задачу о токораспределении можно ре
шить, лишь пользуясь следующими двумя правилами Кирхгофа.
1- е правило: во всякой точке разветвления (и вообще во всякой точке) электрической цепи сумма токов притекающих равна сумме токов утекающих.
2- е правило: во всяком замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма действующих напряжений источников равна такой же сумме падений напряжений на отдельных участках этого контура.
Отсюда, например, вытекает, что в параллельных ветвях (1) и (2) (фигура 2) токи будут обратно пропорциональны сопротивлениям. Действительно, по 2-му правилу: 0=г{ гх — ц г2. А стало быть
Н=Ч ri или 4-=— Для не-
b е!
скольких параллельных ветвей: in — или in гп=пост. 1 ак как, согла-
Гпсно первого правила, I=ii + то эквивалентное сопротивление двух параллельных ветвей получится следующим образом:
О
+
42
О г 2
На основании указанных правил возможно задачу о токораспределении решить в любом случае. Для этого надо составить ур-ия напряжений по контурам и ур-ия токов по узловым точкам так, чтобы общее количество ур-ий соответствовало числу неизвестных. Совместное решение этой системы ур-ий дает нужные результаты.
Иногда удобно пользоваться методом суперпозиции (наложения) действующих напряжений (электродвижущих сил), вытекающим из принципа независимости действия электрических сил. По этому методу находят в отдельных ветвях те слагающие тока, которые получились бы, если бы по всей цепи действовал лишь один из группы источников напряжения, а остальные были бы представлены лишь своими внутренними сопротивлениями.
При решении задач о параллельных соединениях пользуются понятием о проводимости, как величине обратнойсопротивлению:
Проводимости параллельных ветвей просто складываются:
&=%дп >
в то время как в последовательном соединении складываются сопротивления:
г=2гп.
Единицей для измерения проводимостей служит МО—проводимость одного ома.
Как будет установлено впоследствии, в разделе об электрическом поле, электрическая энергия может выражаться через произведение силы тока на напряжение и на время:
А=V 1 t.
Таким выражением энергии, дающим количество работы, нельзя, однако, полностью охарактеризовать энергетические возможности какого - либо устройства. Поэтому введено понятие о мощности, представляющей собой энергию в 1 сек.
р=4=у./.
Единицей для измерения энергии (работы) мог бы служить джоуль, равный вольтамперсек. и в то же время работе силы в=0,102 килограмма на протяжении одного м. Если принять во внимание, что по стандарту ОСТ 169 рекомендуемой в Союзе единицей силы является один стен (сокращенно — сн), равный силе, сообщающей массе в одну т.у ускорение в один м в сек.3 и равный 102 килограмма силы, то джоуль может быть представлен как 0,001 с им (1 кдж==1 снм). Однако, в практической Э. поступают иначе, а именно: пользуются единицей, установленной для измерения мощности — 1 ваттом. 1 ватт равен мощности какого-либо устройства, в котором преобразуется 1 джоуль энергии в сек. Отсюда энергия может измеряться в ваттсекундах или производных от этой единицы: гектоваттчасах, киловаттчасах, меговаттчасах (гвч, квч, мвч). Гаусс впервые показал, что можно построить систему взаимно-связанных единиц, названную им абсолютной. В этой системе за единицу работы принят эрг—работа 1 дины силы на протяжении 1 см. Оказалось далее, что
107 эрг может быть принято равным вышеупомянутой единице—джоулю.
В одной лошадиных силе содержится 736 джоулейватт или 736 ———, а в одном кгм —
Осд.
9,81 джоулей.
Указанное выше выражение энергии может быть с помощью закона Ома преобразовано следующим образом:
А — Vlt — I~r It — l“rt.
В таком виде получается закон Джоуля-Ленца, найденный ими на опыте с получением тепла от электрического тока. Действительно, тепло выделяется во всех случаях, когда по проводнику течет эл. ток. Это приводит к необходимости рассчитывать провода на нагревание, причем основной величиной, определяющей этот нагрев, является т. наз. плотность тока, то есть число ам-п ер, приходящееся на 1 кв. миллиметров сеч. провода. Выделяющееся тепло можно подсчитать еще и следующим образом:
I I I 2
Prt=2j2p —t=q j plqt=fеv
Здесь j— плотность тока; p—удельное 1
сопр.: для меди, а в нагретом состоянии около-; V—объём в см3.
Отсюда в медном проводе выделяется энергии в сек. в ваттах на 1 килограмм:
1000
48- 8,9=2,5 J
(8,9—уд. вес меди). Это тепло отдается проводом в окружающую среду по ур-ию:
Prt — aiot;
здесь а—коэфф. теплоотдачи; т—превышение температуры проводника; о—поверхность охлаждения (для цил. пров. о=10-тМ см2; d—диам. пров. в миллиметров). Следовательно:
е2рlqt=a 1 lOzdlt
или
--У
а r.d
d
0,8 у -
Как показывает опыт, для того, чтобы превышение температуры проводов не превосходило 15° С, необходимо, чтобы плотность тока не бы ла больше величины амп.
порядка 2 Естественно, что в нагревательных приборах эта плотность тока берется соответственно больше.
Провода должны быть рассчитаны также на падение напряжения е =1г. Обыкновенно это падение напряжения задается в процентах ог полного напряжения сети (е%) и равно 3—5 до
10 «/о.
Тогда:
1г 1-2 1
е °/е> -~у ЮО — Y7~(fTv Ю0
Л гоо-т-г
Отсюда 3=;Д. ео/0. у или иначе
200-V.il 200 р-г Ч —к е°/о F- к- е°1о V2
Электрическое поле. Если цепь электрического тока будет разомкнута, оканчиваясь, например, двумя параллельными металлическими пластинками (рас. 3), то под действием электрического нап ряже ни я, действующего в этой цепи, между указанными пластинками (а также ивообще во веем окружающем эту цепь пространстве) установится электри -ческое поле, то есть в пространстве между ними будут действовать электрические силы. Это обнаруживается при помощи испытательного заряженного тела, которое получает стремление двигаться в этом поле. Электрическое поле получится между пластинками также и тогда, когда они будут совсем отсоединены от источника и на них останутся разноименные заряды. Поле можно возбудить и постепенным накоплением зарядов на его границах путем механического переноса их от полюсов источника или использования явления электростатической индукции. На этом принципе основано действие электростатических машин. Это дает право считать, что электрическое поле вполне обусловливается электрическими зарядами, взятыми даже отдельно. Электрическое поле приобретает большое практическое значение в двух случаях: при высоких напрялсениях и при высоких частотах изменения тока (радиотехника).
Основным законом, на котором построены все количественные соотношения в эл. поле, является опытный закон французского физика Кулона, обобщаемый затем теоремой Гаусса и, наконец, понятием о потенциале поля. Согласно этому закону, два заряженных тела очень малых размеров по сравнению с расстоянием между ними (два точечных заряда), помещенные в однородную среду, испытывают взаимодействие с силой F, пропорциональной самим зарядам qx и q., и обратно пропорциональной квадрату расстояния г:
9i Q
£ Г2
где г—т. наз. диэлектрический коэффициент среды. Этот закон позволяет в нужном случае найти основную величину, характеризующую эл. поле в какой-либо точке, т. наз. силу поля или. иначе, его напряясенность Э.
Действительно, давая определение напряженности поля в данной точке, как силе, которую испытывает положительный единичный испытательный заряд, помещенный в эту точку поля, мы будем в состоянии в любом случае рассмотреть источник этого поля с точки зрения элементарных точечных зарядов и составить сумму всех элементарных действий по какому-либо направлению. Так что:
cos.,
где а — угол между каждой элементарной силой и выбранным направлением. Так, например, можно найти, что напрялсен-ность поля очень длинной равномерно заряженной прямолинейной оси в точках, отстоящих от этой оси на расстояние г в направлении, перпендикулярном к ней, будет равна
d=2q,
гггде q — плотность заряда оси на 1 пог. см. Естественно, что при этом надо условиться о единицах для измерения. Как будет подробнее показано ниже, для Э напряженность удобнее измерять в единицах некоторой удельной работывольт / вол ьт_вольт×кулон
см V сантиметров сантиметров×кулон ).
Тогда напряженность поля одного точечного заряда выразится так:
вольт
= 9 1011
q кул.
СМ г.Г1 СМ
Иногда пользуются более простыми приемами нахождения напряженности поля. К таковым относится условное представление о силовых линиях, вдоль которых действуют силы поля и которые являются таким образом траекториями движения в поле испытательных зарядов без инерции. Если принять, что каждой такой силовой линии соответствует единица силы поля, то густота линий на 1 см3 может характеризовать напряженность поля в направлении перпендикулярном к этой элементарной плоской площадке в 1 см1, проходящей через данную точку. Пользуясь таким представлением, можно во многих случаях изобразить приближенный спектр поля и оценить, например, в каком месте полянапряженность
+ / ““к—
Рисунок 4.
будет наибольшей (рисунок 4). При вычерчивании таких спектров надо только иметь в виду, что силовые линии заканчиваются у металлических поверхностей перпендикулярно к ним, так как иначе получится тангенциальная составляющая силы поля, при которой неизбежно движение зарядов вдоль этих поверхностей.
В соответствии с представлением о силовых линиях установлена теорема Гаусса, по которой общее число единичных силовых линий (единичных силовых трубок), проходящих через любую замкнутую поверхность, или поток вектора напряженности эл. поля, приходящийся на эту поверхность, равен:
где Щ — сумма зарядов, заключенных внутри поверхности. Действительно, для частного случая шаровой поверхности радиуса г с зарядом q в центре
<1
гг1
=/ э m-j
- dS =
g
гг2
4т.Г2 =
4т.
Теорема Гаусса позволяет очень просто находить напряженность поля в ряде случаев. Так, например, для поля заряженной неограниченной металлической плоскости напряженность поля получится, если подсчитать поток через две плоскости,охватывающие данную: N _ 4п (сS) _ 2т.а 2S~ s2-S ~ в ’ здесь о — плотность заряда на 1 см1. Отсюда мы видим, что напряженность поля пластины является одинаковой для всех точек, независимо от расстояния. Такое поле называется равномерным (рисунок 3).
Для цилиндрического поля Грис. 5.) подобным же образом
N 4т. (а.2т.гГ) _ 2Q _ 1 3 ~ 8 ~ е 2т.г1 el ’ г ’
Легко также доказать, что внутри заряженного полого металлического

dr

+

fk

-|г,

i

_ 1

е

L

!

-г -

1

-L-

и

i

~г

Рисунок б.
шара напряженность поля равна нулю (как говорят —поля нет). Действительно, если рассмотреть какую - либо внутреннюю шаровую поверхность, то не трудно видеть, что сколько линий входит через нее внутрь, столько и должно выходить, т. - е. результирующий поток равен нулю. Отсюда жевытекает, что для электрического поля двух разноименно заряженных параллельных пластин напряженностьполя между пластинами равна —, авне их равна нулю (рисунок 6).
Наиболее удобным и в то же время более обобщенным определением напря-
I it е-
+ -
от Л пласт.
от]_
пласт
2 а 6“
с £
-~еЗг
zTig. airs _ ьпеь ь
Рио. 6.
женности является определение через изменение (падение) потенциала поля на 1 пог. сантиметров по выбранному направлению. Действительно, так как напряженность поля есть сила, то выражение
j ddr должно представлять собой работу сил поля при перемещении единичного заряда из одной точки в другую. С другой стороны, в теоретической физике установлено, что поле неподвижных электрических зарядов потенциально, т. - е. оно обладает в каждой точке скалярной величиной (потенциалом), которая вполне определяется лишь положением этой точки и пограничными условиями поля и не зависит ни от времени, ни тем более от какого-либо направления отсчета. Сопоставление этих двух положений позволяет, оказывается, принять, что напряженность поля равна градиенту потенциальной функции, взятому с обратным знаком:
dY, Т7.
3=-F=-grad7.
Это обстоятельство тем более важно
Это обстоятельство тем более важно, что разность потенциалов по границам поля равна электрическому напряжению между этими границами, которое очень легко измерить приборами. Установив, например, что (смотрите выше) напряженность поля между пластинами есть величина одинаковая и равная 4~а для всех точек, мы вправе прямо написать, что
d
где V—напряжение между пластинами, a d — расстояние между ними в см. Отсюда возникает и единица для измевольтрения напряженности, а именно---
см
Чрез заряд на пластинах напряженность выражается:
-> 4-0
Э=9-10“-
Для поля между двумя цилиндрами радиусов г.2 и г, выражение напряженности поля через напряжение между границами получится, если воспользоваться ур-ием:
dr _
г

Г2

Э dr=9- 1011

2 Q Г zlj п

Г

#i 2Q

= 9 10 дг

in

Г,

Как было показано выше: 2Q 1
el Г
Э=9.1011-
Следовательно:
Э=-
V
r-lwj
Г1
Подобным же образом поля:
для шарового

V= Э dr=9

10 Г

J rt

е J гt

= 9.10n — I

£

V П 2 /

или
Э=9- 10й ®
V
Г¥-‘У
Для поля между двумя проводами напряженность в точках на линии, соединяющей оси проводов, равна
Э=9.1011 Щ-[— + -i—)=cl a d — al
У /1
а
21п-
d -
Здесь: d — расстояние между проводами, г — радиус провода и а — расстояние какой-либо точки до оси одного из проводов. Для исследования поля между проводом и землей служит особый прием т. наз. зеркального изображения. рассматриваемого провода в земле (рисунок 7). Поле получается в своей верхней половине совершенно идентичным с действительным, если напряжение между рассматриваемым проводом и фиктивным взять в два раза больше, чем по отношению к земле-
Предыдущее выражение представится в следующем виде:
7 /_1_ 1
а d ~ а
Э 1п2±
При помощи описанных выше соотношений молено найти электрическую емкость конденсаторов, то есть отношение количества электрического заряда на его обкладках к напряжению:
JL v
Если измерять Q в кулонах, а К в вольтах, то емкость выразится в единицах емкости — фарадах. Так как эта единица очень велика для практических
С-
целей, то употребляют от нее производные, а именно >-F — микрофарад (10-s фар.) и >-[>F — микромикрофарад (10-13 фар.). Встречается также 1 сантиметров емкости, 1
равныйфарады (1 )- >F=0,9 см,.
9-1011
Так, емкость шарового конденсатора оказывается равна:
1 S
с =
9.10й
Для уединенного шара (г.2=оо):
г, 1
° 9.1011 ЕГ1
Для цилиндрического конденсатора:
С =
el
9.10й
2 In И
Г1
Емкость между двумя проводами: г 1 «
9.10й 4 Inе;
г
Емкость между проводом и землей:
СГ-1_ - г1 9.1011 2In ал
Г
Конденсаторы могут быть соединены последовательно и параллельно. При этом первое соединение отличается, во
1), тем, что заряд остается неизменным на всех конденсаторах—Q=const и, во
2), тем, что внешнее напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах. Отсюда может быть найдена результирующая емкость всего соединения. Действительно, так как
Q Q,
К- V1 -г 7., + 73 +. .., то f-= +
, Q. О, 1 1,1,1
+ г или 7Г=7Г+7Г + тг
(2 1-3 w v/2 -з
При параллельном соединении емкости просто суммируются: С=Сх + С2 + -)- ОзД-
При решении электротехнических вопросов помимо задачи о емкости приходится иметь дело также и с расчетом диэлектриков. Как уже было указано, диэлектрики под влиянием электрического поля поляризуются. Влияние такой диэлектрической поляризации обнаруживается простейшим образом тем, что емкость какого-либо конденсатора увеличивается при введении в него диэлектрика. Если конденсатор с диэлектриком зарядить и, отсоединивпредварительно от источника, вывести из него диэлектрик, то,как показывает опыт, напряжение на его пластинах увеличится. Последний опыт показывает, что при том же электрическом смещении результирующая напряженность поля при наличии диэлектрика снижается. Исследования показывают, что количественно указанные изменения происходят в отношении диэлектрического коэффициента г, что и было уже нами учтено. Из только что описанного опыта с изменением емкости вытекает, между прочим, способ опытного нахождения диэлектрического коэффициента какого-либо диэлектрика.
Явление почти только одной поляризации диэлектриков (изоляторов) при очень незначительном токе объёмной и поверхностной проводимости происходит, однако, только до определенного предела напряженности поля- После этого предела возникают новые явления, которые приводят к т. н. электрическому пробою изоляторов. Та напряженность поля, при которой происходит пробой диэлектрика в равномерном электрическом поле, носит название электрической крепости диэлектрика.
Приводим таблицу опытных данных относительно диэл. коэфф. и электрической прочности.

£

Электрич.

прочность

Воздух

1,0006

с“

£

<

Параффин

2,0

70—270 см

Стекло

5-16

180-320

Фарфор

6

100—20 »

Слюда.

6-8

600—1000

Трансформ, масло .

2,0

90—110

Вода.

81

—

Бумага

8,5—4,5

150 -200

В связи срасчетами на электрическую прочность необходимо бывает исследовать эл. ноле в каком-либо устройстве с точки зрения определения места с максимальной напряженностью поля. В случае цилиндрического поля этим местом является поверхность внутреннего цилиндра, и максимальная напряженность равна:
V
Г-1
Эт ах —
г, In-
Для поля между двумя проводам место наибольшей напряженности находится у поверхности проводов на линии, соединяющей их оси, причемтах —
2Г In
d
В случае сложного диэлектрика необходимо бывает также учесть и то обстоятельство, что напряженность поля зависит от диэлектрического коэффициента. Действительно, из теоремы Гаусса (смотрите LII, 42 сл. и 237): dN_4r. dq _
Тогда, имея в виду, что свободным зарядам q на металлической поверхности границ ноля будет соответствовать такое же количество поляризованных в силу индукции зарядов в окружающей среде по произвольной замкнутой поверхности (линии индукции
dq
неразрывны), следует принять за
Электрическое смещение на 1 см2, которое обычно обозначается буквой D, и 4 -В
так что Э=—— или, в практических 4 ~D
единицах, Э=9.10“ ——
В соответствии с этим, например, в плоском конденсаторе с двумя диэлектриками произойдет перераспределение (рисунок 8) напряженности: i9x: Э-2=е2: в], то есть в диэлектрике с меньшим s напряженность поля будет больше. Поэтому при изготовлении изоляции стараются удалить воздушные прослойки и пузыри.
В заключение главы об электрическом поле рассмотрим вопрос об его энергии. Для этого проследим процесс образования поля. Очевидно, что при этом должно иметь место накопление зарядов на границах поля и в связи с этим по-
Рисунок 8.
вышение напряжения. Тогда в каждой промежуточной стадии образования поля должна затрачиваться элементар пая энергия:
dA=VdQ= VCdV.
Отсюда полное (конечное) количество энергии
, СИ QV А=~2~=~2~ джоулей.
Если отнести эту энергию к 1 см3, то получим:
QV _QY _ ВЭ джоулей 2 Sd 2 см3
Здесь V — объём, заключенный между границами поля;
А,
1 2г>
+
-И
/dx g _ поверхность пластин - границ поля, a d — расстояние между ними. Это выражение позволяет определить силу взаимодействия, например, между пластинами плоского конденсатора (рисунок 9). Дадим одной из пластин элементарное перемещение dx, для этого достаточно будет совершить механической работы: Kdx. Одновременно с этим энергия электри-
ВЭ ейческогополя изменится на: —g- b-dx.
Но закону сохранения энергии:
ПЭ
к к
Рисунок 9.
К dx=-g- S dx,
или
D3
K= -2-S =
QV 2d
дин-
Магнитное поле. При движении электрических зарядов в форме ли электрического тока в замкнутой цепи из проводников, в форме ли изменения электрического смещения в диэлектриках или, наконец, в форме движущегося заряженного тела, в окружающем пространстве возникает магнитное поле, то есть вокруг обнаруживаются магнитные явления, например в виде взаимодействия между токами, действия тока на магнитную стрелку.
Исследование магнитного поля ведется примерно по той же схеме, как и в случае электрического поля. Основным понятием служит опять напряженность поля, как сила, действующая на единичный элемент тока, помещенный в данную точку.
Основным законом, на котором построены вычисления напряженности магнитного поля, является закон Био-Савара, в более обобщенном виде переходящий в первое ур-ие Максуэла. Согласно этому закону, для того чтобы найти напряженность поля в какой-либо точке, надо разбить цепь тока на элементы длиною dl (рисунок 10) и отыскать выражение вида:
Т-сй-sin р
dH=7с --г.—
г1
где: г — расстояние каждого такого элемента до данной точки, р —угол между направлениями г и dl, а 7с—коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц. Если, как это принято, измерятьЯ в эрстедтах, силу тока I в амперах, a dl и г в см, то 7с=ОД.
Так, для поля тока в прямолинейном проводнике очень большой длины получается напряженность:
7Т=Ш,
11 Гогде г0 — расстояние данной точки от провода. Направление силы поля находится по правилу правого винта. Для кругового тока напряженность поля в центре:
н=П~
где г—радиус круга тока.
Максуэл дал ур-ие (1-е ур-ие Максуэла), согласно которому интеграл напряженности магнитного поля по замкнутому контуру (рисунок 11) равен току, охватываемому этим контуром:
Hdl=I,
где dl—элемент длины контура (не смешивать с dl в законе Био-Савара).
Легко видеть, что отсюда Я =
то есть напряженность магнитного поля
можно было бы рассматривать с точки зрения градиента магнитного потенциала подобно тому, как это имеет
Рио. 11.
место в электрическом поле. При чем сила тока могла бы играть роль непосредственного фактора, устанавливающего потенциал магнитного поля. Однако, такое представление здесь осложняется тем обстоятельством, что магнитные силовые линии в противоположность электрическим являются замкнутыми,и потенциальная функция получается многозначной, то есть неопределенной. Все же в пределах одного обхода магнитной линии напряженность поля можно, как оказывается, измерятьвамп. ампервиткахсмдущего случая водника:
смпрямолинейного
Для преды-про-
Г2-Т Г 2-г
J0 Hdl=H Jo dl — m-r=I;
или
Я=-
Hdl=Я J о dl=112-г=I;
I амп.
2 nr cm
Подобно электрическому полю, напряженность магнитного поля может характеризоваться плотностью силовых магнитных линий. Так, установив, например, спектр магнитного поля достаточно длинного соленоида (рисунок 12), можно сделать заключение,что внутри соленоидаполе почти равномерное (Я, S4 const) и, далее, что вне соленоида густота линий очень мала (Я2=0). Отсюда вытекает важный практически результат, что в ур-ии Макеуэла, представленном в форме
jlt.dl + JH./U=IW,
вторым слагаемым можно пренебречь. Тогда при Щ йё const
ЯД=1W или Я]
IW
I
амп. витк. смгде I—длива соленоида.
Сравнивая выражение Я в эрстедтахи Я вамп.
мы видим, что 1
амп.
см см
= 0,4 эрст.=1,25 эрст. Так, что числоаып.; =0,8 Я эрст. Общее чисм смело магнитных линий может представить собой поток вектора напряженности.
Н&О
Различные тела, помещенные в магнитное поле, испытывают в той или иной степени магнитную поляризацию. Согласно электронной теории, электроны, движущиеся вокруг атомных ядер, представляют собой систему круговых токов, или магнитных диполей, с осями, совпадающими с осями вращения; так как электроны обладают все же некоторой массой, то такие системы ведут себя подобно волчкам.
Благодаря своему хаотическому расположению, эти круговые токи в нейтральном состоянии не проявляют никакого внешнего магнитного эффекта. Под влиянием же магнитного поля они начинают поворачиваться своими осями по направлению этого поля, принимая, таким образом, определенное ориентированное расположение. При
Этом, естественно, они продолжают находиться в состоянии хаотического теплового молекулярного движения. Как известно, при повороте оси волчка у него возникает еще добавочное прецессионное движение, которое в данном случае соответствует новому прецессионному круговому току, дающему магнитный эффект, противоположный внешнему полю. В зависимости от того, что превалирует — эффект ли основного движения электронов, усиливающий внешнее поле, или эффект прецессионного движения, ослабляющий поле,—различаются тела парамагнитные и диамагнитные. Первые втягиваются внешним полем, вторые, наоборот, выталкиваются им. Особо сильными парамагнитными свойствами обладают железо, никкель, кобальт, а также марганец и сплавы. Явления, в них происходящие, носят название ферромагнетизма. В железе мы встречаемся, например, с явлением остаточной самоориентации молекулярных магнитных диполей, называемым остаточным магнетизмом. Весьма наглядной иллюстрацией этого эффекта служит “пыт Юнга с магнитными стрелками. Железо играет очень видную роль в Э., поэтому в дальнейшем мы рассмотрим магнитную цепь с железом.
Явления, возникающие при введении железа в соленоид с током, можно количественно рассмотреть двояким образом. Можно было бы считать, что магнитное поле усиливается под влиянием добавления к внешним ампервиткам соленоида ампервитков внутренних молекулярных токов, так что:
АТИрез —AWсол -f- ЯЖвнутр.
Однако, исторически сложилось иное количественное представление. Подобно электрическому полю, где напряженности поля соответствует определенное электрическое смещение, устанавливают зависимость между напряженностью магнитного поля Н и плотностью магнитного потока индукции в железе В:
В=ill,
где |а—т. наз. коэфф. магнитной проницаемости. Для воздуха и пустоты г-=1; для диамагнитных тел > < 1; для парамагнитных [j. > 1; для железа н- от 200
до 2000 и выше. Величина В называется просто магнитной индукцией и измеряется в гауссах, если Н выражено в эрстедтах. Ниже, в связи с эл.-магн. индукцией, мы встретимся еще с другой единицей для измерения В.
В соответствии с таким представлением опытным путем находят для различных сортов железа кривые В== т. наз. кривые намагничивания (рисунок 13). Как мы видим, кривые намагничивания, начиная с некоторого значения индукции (порядка 13.000 гаусс), загибаются по направлению к оси абсцисс: наступает, как говорят, магнитное насыщение железа.
Пользуясь приведенными соотношениями, можно вывести ур-ие Гопкин-сона для магнитной цепи, более известное под названием закона Ома для магнитной цепи. Действительно, если вначале представить себе такую цепь, составленную из замкнутого железного сердечника всюду одинакового сечения S см2, причем для возбуждения магнитного потока пусть служит соленоид из W намотанных на этот сердечник витков с силой тока I ампер, то ф =BQ=y-HQ.
Но Я=0,4
IW
I
ампервитковсмгде I —
длина магнитной цепи. Тогдал п. IW и, IW
Ф=0,4—!j.. Q, или Ф=—-— =
и 1 I
0,4л [i.Q
IW „ 11
= -1—. Выражение г-г- —ег носит By. г 0,4л |i.Q
название магнитного сопротивления, a IW— магнитного напряжения. Если теперь допустить в более общем случае, что магнитная цепь не однородна, а состоит из отдельных частей неодинакового сечения и изготовлена из неодинакового материала (включая и воздушный промежуток), то можно взять сумму магнитных сопротивлений этих последовательно соединенных частей.
Для параллельного разветвления магнитной цепи справедливы правила Кирхгофа. В соответствии с описанным может быть произведен расчет магнитной цепи, при котором ставится или задача о нахождении магнитного потока Ф по заданным размерам цепи и величине IW, или, наоборот, необходимое значение ампервитков (1W)! себе истории этого открытия, приведем для возбуждения заданного магнитного формулировку этого закона, данную потока. Первая задача,однако, не может Максуэлом, как теоретически более
Ряс. 13.
быть решена непосредственно, так как коэфф. проницаемости есть величина, зависящая от неизвестного в данном случае потока Ф. Поэтому решают всегда вторую задачу по схеме:
-4 W()и Щ 2(ИС/К /ж~р 0,8-Во.
Здесь: В—магнитная индукция в воздушном зазоре; 5—величина воздушного промежутка в е.м; тиж—напряампвитк.
женность поля в железе в ------------—>
смнаходится из кривых намагничения по плотности магнитного потока(В ж —
= #); 1,ч— длина железных участковужмагнитной цепи в см. Решив такую задачу для различных Ф, строят кривую Ф=f{IW) и после этого графически находят решение первой задачи.
Можно без преувеличения сказать, что все современное состояние Э., в особенности сильных токов, обязано открытому в 1831 г. Фарадеем явлению электромагнитной индукции. Не касаясь очень поучительной самой поудобную: в пространстве с изменяющимся магнитным полем во всяком замкнутом контуре действует электрическое напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного потока, охватываемого этим контуром (фигура 14):
аФ
е— м ’
или в более общей форме: в пространстве, где действует переменное магнитное поле, одновременно возникает и вихревое электрическое поле, причем всякое изменение магнитного поля может быть представлено как поперечное перемещение уплотняющихся или разрежающихся
силовых линий. Такое представление и было использовано фарадеем, который наведенное в замкнутом образуемом каким-либо проводником контуре напряжение мыслил себе получающимся за счет скорости перерезывания этим проводником движущихся относительно него силовых линий: dN
е dt’
где iV—число перерезанных линий.
В связи с этими двумя формулировками происходил ряд недоразумений (встречающихся еще и в настоящее время), возникающих из-за предъявляемого иногда требования формальной универсальности их в применении к вихревому полю и к замкнутому вполне и не вполне контуру из проводников. Таково, например, положениенаправлениедвиженияпровода
вопроса об униполярной индукции, об опытах стакназ. изменяемымконтуром, проблемы бесколлекторной машины постоя иного тока. В ряде подобных случаев полезно иметь в виду, что электроны, содержащиеся в веществе проводника или какой-либо другой среды, при всяком относительном поперечном движении их в магнитном поле испытывают силу Лоренца, увлекающую их в направлении, перпендикулярном к движению и к силе ;поля (рисунок 15). Направление наведенного при электромагнитной индукции напряжения определяется проще всего по принципу Ленца, вытекающему из закона сохранения энергии: наведенное напряжение направлено всегда таким образом, что оно стремится вызвать электрический ток, препятствующий изменению потока (или индуктирующей причиневообще). Так, например, если на рисунке 14 замкнутый виток находится под действием убывающего (спадающего) магнитного потока, то наведенное напряжение будет стремиться вызвать ток, поддерживающий прежнюю величину потока.
Выражение
позволяетустановить единицу для измерения магнитного потока, а именно—одна вольтсекунда.
В соответствии с этим и магнитная индукция, т. - е. плотность магнитного фпотока В=-Q-, может измеряться ввольтсекундах на 1 см2. Историческиприняты, однако, единицы в 10s размельче, а именно для В — гаусс=1СГ~8
вольтсек, л
—— (смотрите выше) и для Ф — максуэл=10“8 вольтсек. Если принять во внимание, что под действием электромагнитной индукции могут находиться несколько последовательно соединенных витков, то тогда закон электромагнитной индукции примет следующую форму:
Wd<£> _8
е — — 10 вольт,
где W — число витков. Это выр - ие является основным для электромашиностроения, так как позволяет вычислять напряжение в машинах и трансформаторах.
Наблюдения за явлением электромагнитной индукции показывают, что оно возникает также и тогда, когда по самому витку будет протекать от постороннего источника ток меняющейся силы. Действительно, тогда вокруг витка возникает собственное изменяющееся магнитное поле и поэтому в витке будет наводиться электрическое напряжение, как говорят, от самоиндукции. Это обстоятельство играет основную роль в цепях переменного тока. Для количественного учета явления самоиндукции вводится понятие об индуктивности (раньше наз. коэфф. самоиндукции) какого - либо устройства:
_ ЖЙФ 8
J ‘ di
или для воздуха L= 10 8
гтак что закон электромагнитной индукции принимает форму: di
е=-х Ж
Как мы видим, индуктивность представляет собой число потокосцеплений (ТИФ), возникающее под влиянием прохождения тока силою в 1 ампер.
Индуктивность измеряется в единицах генри, причем 1 генри представляет собою индуктивность такой катушки, в которой при изменении тока на один ампер в сек. наводится 1 вольт напряжения.
Определим индуктивность катушки течь о- iW
с Wвитками: L =—10 8% но ф =
г JJfj, ’
следовательно L= -10-8, где/еу,—
магнитное сопротивление.
Индуктивность двухпроводной линии получается путем интегрирования магнитного потока между проводами при силе тока в 1 ампер:
h=2 jd Вх I dx 10~8 =
= 2 jdHx -l- dx - 10~8=
0,211-dx-10~8=
X
d 10 9; r
более точно с учетом потокосцеплений внутри сечения провода:
h=t(l 4l In jl0—9
Одновременно с самоиндукцией необходимо бывает также рассмотреть и
9
/:

=41 In

генри.

явление взаимоиндукции между катушками (рисунок 16). При изменении тока 4

в первой катушке, во второй будет наводиться напряжение:

е«=

—8

или, аналогично предыдущему:

Ж2с/Ф dii _,q — 8__di1

dt dt

dix

M — naa. взаимоиндуктивностью (раньше коэфф. взаимоиндукции). Наоборот, когда проходит ток г2 во второй катушке, то в первой наводится напряжение

dl о

b=-Ж

В общем техническом случае необходимо бывает учесть потоки рассеяния Ф51 и Фх8, которые сцепляются только с первой или со второй катушками. В этом случае ур - ия балансов напряжений будут:

„ ., ТТ7 d (Фл + Ф) о

Ух=41 + Wi

dt

d (Ф2 + Ф)

10“

КГ

dt

Во втором ур-ии 0 вошел потому, что вторая катушка внешнего напряжения не имеет. Это ур-ие физически правильней было бы написать в следующем виде:

ЙФ

Ж2~.10-8=Лг2+Ж2 dt

Поток взаимоиндукции, передающий энергию из первичного контура во вторичный, наводится под действием двух токов 4 и %, так что

dOS2

10

г-8

Ф:

4 Wi -)- 4 W2
R,

Потоки же рассеяния: iWj

Ф.Я= Ф$2 =

Вследствие этого

w/ Bd4

Vi + R-Ю-

(смотрите стр. 250).

Rsz

+

w:-

dt R |J.

10 8 — i

dt

R j-

Ж,2 a di

o=+jrfri°

W, Wv s di2

-ю-8ж;

или, иначе,

Vi-hri+Bt

Rp-dix R >-

d4 dt di2 dt

_о d%,

10 V+-

dt

di.

di„

vdi+Mж

dio

d

4-

dt

Коэфф. Si и S2 суть индуктивности рассеяния; S1 -|- Jjy=Li И 2 “Ь Во “ -2 наз. полными индуктивностями катушек. Очевидно, что:
М=
WjW2_
Ли.
10- 8=[/“ JJr 10~ 8 10-=
У Ли. Ли
L -L£ j/“(X] — 50 (Х2— г).
Магнитное поле содержит в себе определенное количество энергии, которое можно подсчитать, исходя из следующих соображений. На основании понятия об индуктивности очевидно, что всякое изменение тока в катушке и, следовательно, связанное с этим изменение магнитного потока,соответствует импульсу напряжения:
edt=— Ldi.
Если помножить обе части этого ур-ия на силу тока г и, не обращая внимания на знак, взять интеграл:
eidt=Lidi,
то мы получим энергию магнитного поля, сцепленного с данной катушкой: LP
А — -х - джоулей;
Ф опри одном витке×= ю, так что А—
Фг _< Фг
= у 10 джоулей или А=2 абс. ед.
Энергия
Энергия, отнесенная к 1 см3 объёма, будет равна:
„ Фг ВН ВН Al~2Q-l~ 2 или 8тг ’ если все выразить в абс. единицах. Это выражение энергии позволяет ре
шать задачи о силах, действующих в магнитном поле. Например, подъемная сила магнита, изображенного на рисунке 17, будет найдена, если подсчитать энергию в пространстве Q-dx, где Q — поверхность соприкосновения якоря с магнитами:
ВЯ и,
K-dx=-g- Q - ах
BH-Q
Отсюда К=- дин. Для воздуха
В=Я. Так что в килограммах
К =
вщ
9,81.8-
10~ кг.
Силу, действующую на провод с током г, помещенный в магнитное поле с напряженностью Я, легче всего найти
из следующих энергетических рассуждений (рисунок 18). Дадим проводу перемещение dx. Тогда будет совершена механическая работа:
Kdx.
С другой стороны, при движении в проводе возникнет напряжение:
йФ йФ dx _ ,
е=~ W=~dxdt=~Bxlv’ где v—скорость движения. Это выражение само по себе является важнымв теории эл. машин. Отвлекаясь от знака, мы получим:
е=В l-v абе. ед. е=В-1-v 10~8 вольт.
По закону сохранения энергии:
К- dx=e-i-dt. Отсюда: К=В-1-гдин. Для воздуха В— Я, так что К=0,1-Н-г-1 дин (здесь i в амперах). Впервые это выражение было выведено Био и Саваром. Переводя в практ.един., получим:
НИ
К~ 9,8130 Усилие между параллельными проводами можно найти, принимая, что один провод находится в магнитном поле другого:
_0,2 и г, I 1Q—6 _ 2 Ь hl 10-7
d 9,81 iu — 9,8Ы ’
подобное же выражение можно было бы вывести и исходя из изменения энергии магнитного поля между проводами при элементарном перемещении их:
Г-dx—d
В случае непараллельных проводов в выражение для К надо ввести в качестве множителя cos а, где «-угол между проводами.
Указанное выше выражение энергии магнитного поля на 1 см3 позволяет найти энергию, потерянную при намагничении железа. Действительно:
К-
dA — d ( 2 )—(2) :
+впав.
Н
-В
Рисунок 19.
Как уясе было указано, согласно опытам намагничение яселеза идет по т. наз. петлям гистерезиса (рисунок 19). Причем за каясдый цикл перемагниченйя в яселезе остается энергии:
-f- В max
J ШВ _ заштрих. на рисунке площади.
— В шах
Исследования Щтейнметца и Рихтера показывают, что потери на гистерезис равны:
А=h-f-B1- V джоулей.
Здесь: h — коэфф., завис, от сорта железа; f — число периодов перемагниче-ния; у — по Штейнметцу=1,6, по Рихтеру =2; У—объём яселеза в см3 или дм3.
Синусоидальный однофазный переменный ток. В основу рассмотрения про-
-h
и/
I
Рисунок 20.
цесса получения такого тока кладется теоретический генератор пер. тока. Этот генератор представляет собой рамку из нескольких витков, вращающуюся в равномерном магнитном поле с постоянной угловой скоростью <«. Как видно из рисунка 20, поток, охватываемый этой рамкой, меняется по закону косинуса:
Ф=ф СОЗ α= Ф COS U>t.
t max max
В силу этого в рамке возникает напря-ясение электромагнитной индукции:
<1Ф _8,
е — — W 10 =ш W Фтах Sin о) t,
то есть тоже синусоидальной формы, причем максимальное значение #тах==ш W Фтах получается в тот момент, когда Ф=О, и наоборот. Как говорят, между изменением магнитного потока и наведенным напряжением имеется сдвиг фаз (рисунок 21).
Так как синусоидальный закон изменения напряжения и силы тока является, как будет показано в дальнейшем, наиболее благоприятным в цепях переменного тока, то в Э. предъявляют к генераторам переменного тока требование, чтобы они давали практически синусоидальное напряжение. При чем в электротехн. нормах под практической синусоидой разумеется такая кривая, ординаты коей не отличаются более, чем на ± 5°,о от ординат эквивалентной теоретической синусоиды.
Основными понятиями, связанными с переменным током, служат: 1) период
Рисунок 22.
(рисунок 22), измеряющийся в сек.; обозначается через Г; 2) частота перем. тока, или число периодов (число циклов) в 1 сек.; обозначается буквой f. Нормальной частотой в технике сильных токов является в СССР и в Европе 50 пер, „„ пер персек ’ в Америке-бО —; один —
в Германии называют гертцем. В технике высокой частоты (радиотехнике) частота измеряется сотнями и тысячами килоциклов в 1 сек. (килогертц). Постоянный ток есть ток, частота которого f=0, а период Т — со. Очевидно, по самому взаимно обратному смыслу f и Т (число периодов в 1 сек.
и число сек. в 1 периоде) f= T;
3) иногда встречается еще термин—число перемен: f=if (в 50 - периодном токе —100 перемен в 1 сек.); 4) различают также углов“ ю частоту о>=2~f, то есть частоту, выраженную в радианах в 1 сек.
Рассмотрение вопроса об измерении синусоидальных напряжений и сил тока приводит к тому заключению, что приборы, дающие всегда некоторое среднее значение измеряемой быстро меняющейся величины, в состоянии дать показание отличное от нуля только в том случае, если они работают по принципу квадратичных измерений (тепловые, электродинамич., электромагнитные, но никак не с постоянными магнитами). Поэтому вводится понятие о среднем квадратичном значении перем. тока и напряжения:
Для синусоиды это значение в V 2 раз меньше максимального:
/max _ йпах
I ср. КВ.=2 СР- КВ’ -
В дальнейшем будет показано, что от этих значений зависит также мощность перем. тока, что дало повод называть их эффективными значениями.
В теории машин и трансформаторов, как оказывается, все же играет роль также и среднее арифметическое значение напряжения за полпериода: т
2 Г—
Е ср.=-у / 2 edt,
Т.
которое для синусоиды в у раз меньше максимального:
2 ТР
Е op.=_ Е max.
J/2
Отношение эффективного (ср. квадр.) значения к среднему называется коэфф. формы кривой к. Для синусоидык =
V2
-=1,11.
2 у 2/ 2
_ М/т ах
Теория переменного тока получается проще и нагляднее лишь при использовании метода символических векторов. Любое количество синусоидальных токов и напряжений, очень сложно взаимно распределенных по величине и фазе в цепи переменного тока, получает относительно простое изображение при помощи т. наз. векторных диаграмм. В са-момделе, пусть длина ОА некоего вращающегося вектора (рисунок 23) представляет собой амплитуду переменного тока и пусть угловая скорость его вращения равно угловой частоте ® этого тока. Тогда проекции ОВ вращающегося вектора на вертикальное направление Оу будут равны мгновенным значениям тока:
OB=Д=Iml sin a>t.
Для другого вектора ОС, опережающего первый на угол как ф, будем иметь: OD=г3=1т з sin (соt -j- ф).
Таким образом, оба вектора О А и ОС могут быть рассматриваемы как символы двух переменных токов одинаковой частоты с амплитудами 1И!1и 1т2 и со сдвигом фаз ф. Вращение этих векторов в Э. принято против часовой стрелки (в сторону положительного отсчета углов, принятого в аналитической геометрии). Вместо того, чтобы рассматривать вращение векторов, молено вообразить, что они неподвижны, а вращается в обратную сторону ось проекций, которая тогда называется линией времени. Однако, более удобным и распространенным является первое представление. Практически целесообразно при этом брать длины векторов равными в некотором масштабе не амплитуде, а эффективному значению. Тогда для получения мгновенных значений проекции нужно умножать
H&V 2.
Для сложения или вычитания двух или нескольких синусоид достаточно геометрически сложить или вычесть по правилу параллелограмма соответствующие символические векторы. Действительно, вектор 01 результирующей синусоиды равен геометрической сумме векторов ОД и ОД, составляющих синусоид, так как его
проекция на любую ось всегда равна сумме проекций Д и Д (рисунок 24):
=Д + Д.
Разность векторов ОД и OJ2 равна сумме ОД и взятого с обратным знаком 01.2 (рисунок 25).
J V
Начертим векторную диаграмму теоретического гене- ~ офратора, в котором
(стр. 260):
Фг=фшах c°s “f =
= Фюах Яп(<Н у).
е=Етах Sin <ofc Легко видеть, что вектор магнитного потока опережает вектор наведенного им напряжения на
‘I или 90° (рисунок 26).
Ряс. 26.
Установим, далее, законы прохождения переменного тока через безиндук-тивное сопротивление, через индуктивностьи через емкость в отдельности.
В безиндуктивном сопротивлении мгновенное значение силы переменного тока устанавливается но закону Ома: ег=-, но е=Emax sin u>t; тогда и
Ею ах.
==- -- sin иЛ=Imax Sin mt, Т. - е. В
Этом случае полностью справедлив закон Ома для всех значений тока и в
Е
частности для эффективного I=—, причем между током и напряжением нет никакого сдвига фаз. Вект. диагр. см.
рис. 27.
с Иначе обстоит дело в случае индуктивности. Под влиянием внешнего переменного напряжения по катушке потечет переменный ток г, который возбудит в ней магнитный поток, а этот последний вызовет напряжение самоиндук
ции:
е“ =-в каждый момент противоположное жению. Уже отсюда вытекает векторная диаграмма для данного случая (рисунок 28), т.к.,согласно предыдущего, ток должен совпадать по фазе с возбужденным потоком, a es отстает от потока на 90°.
di
LHt
времени равное и внешнему напря-
Л т di =Ldt’
Математически имеем: но г=I sin м£,так чтое=ш L Im cos mi!=(оХ lm sin ( ] ==
— Ешах Sin .у
Отсюда: Ет&х =wL Im, а переходя к эффективным значениям:
Е
J=o;//
Мы видим, что формально здесь также имеет место закон Ома; в качестве сопротивления здесь появляется выражение шЬ, которое и называется индуктивным сопротивлением и обозначается буквой Xl. При этом сила тока отстает по фазе от внешнего напряжения на 90°. Xz измеряется также в омах.
При прохождении переменного тока через емкость мы должны вначале найти напряжение на конденсаторе в зависимости от тока. Очевидно, что:
_ Ч _ jidt
-с - с ’
где q — электрический заряд, а С — емкость в фарадах. Тогда, полагая е=ес и i=Im sin находим:
е _ [ш=jjm Sin=Im =
C C <oC
— ~ sin ( — )=EmSin ( wt
ev,
>C
отсюда Em=~q или, переходя на эффективные значения:
F
I=E-<aC= -J-
со С
Выражение формально играет роль шС
сопротивления и называется емкостным сопротивлением (обозначается Хс). Мы видим, что здесь сила тока опережает внешнее напряжение на 90°.
После разбора отдельных случаев молено перейти к более общему по-
J г
следовательному соединению г, L и О (рисунок 29). Очевидно, что в каждом из этих элементов будет падение напряжения, так что баланс напряжений можно написать в следующем виде: di 1 Г
=+L at+jj j idt.
Решение этого дифференциального уравнения относительно г обычными приемами является громоздким. Гораздо проще его решить для установившегося состояния символически, пользуясь векторной диаграммой. Действительно, каждый член ур-ия может быть представлен в виде вектора падения напряжения, причем по отношению к току они должны быть ориентированы следующим образом:
Ег =2, г совпадает по фазе с I;
El=/,×L — L„ L опережает I на 90°
Ec=IXc — ljc отстает от I на 90°.
о
Рисунок 30.
Тогда можно построить вектоюную диаграмму (рисунок 30) и из нее
Е E~j. -j- (El — Ec),
или иначе:
Е=У (I-r)· + I(XL — Xcy =
= I Vr + ( Xl — Xcy, то есть получаем опять закон Ома:
Е
/ г“ + (Хь
VW-
-хсуназы-
Выражение V г- - -(Xl — X)2 вается полным (или иногда кажущимся) сопротивлением и обозначается буквой Z, так что
Е
Z измеряется в омах.
Из векторной диаграммы следует далее, что между током I и напряжением Е получается сдвиг фаз причем:
Xl -×tgf=- Д -
COS (р =
г
Z
В соответствии с этим одним из решений вышенаписанного дифф. ур-ия, которое справедливо для установившегося режима в цепи переменного тока, является:
Ет&х
i=—sm (u>t — <р).
Представляет особый интерес случай, когда Xl=Хс. Тогда сила тока, как оказывается, зависит лишь от г, а напряжения El и Ес взаимно компенсируются, хотя могут достигать очень больших по сравнению с Е значений. Действительно, возьмем сильно утрированный теоретический пример: Е= =100 вольт; г=0,1 2; Хт=100; Хс=1С0 Q. Здесь:
т 100
I=_ -----==1000 амп.
100 у -- Ес=ЮОО 100 =
у (0,1)з + (юо-El=IXl=I Хс=105 вольт.
Этот случай называется резонансом напряжений и является опасным вэкс-плоатации с точки зрение перенапряжений
Этот случай называется резонансом напряжений и является опасным вэкс-плоатации с точки зрения перенапряжений
При параллельном соединении приходится уже складывать силы токо
(рисунок 31), причем очевидно, что вектор результирующего тока будет равен
1= У Р +12 + Г, I, cos Е Е
а I] =~2 > — -д- > ф=rfi — f2:
Xli — Хс,;, Xl, — Хс-,
tg<h =--- tgf2= -r—
Вместо такого приема можно разложить силы токов на составляющие,
совпадающие по фазе с напряжением и сдвинутые относительно него на 90° — т. наз. активА С- ные и реактивныесоставляющие тока (рисунок 32):
la=Jj COS Ф и 1ь — I sin ф. Тогда, очевидно, при параллельном соединении:
T=V (2 la У2 -f- (S Ib) J-
Ja
В связи с этим вводится также понятие об активных д и реактивных Ь проводимостях. Дей-r Е
ствительно: i=- ;
но пусть у=у —
полной (или кажу-Рисунок 82. щейся) проводимости. Тогда: 1=ЕУ. Пусть, далее, аналогично: активная слагающая тока la — Е-д и реактивная 1ь — Е b; отсюда
7=£.y=|/p7=£|/ + F,
или у=У <yJ -)- причем
1α= Eg=1 cos ч — Е-у- cos у 1ь — Е b=I sin ср — Е Ь sin ф, или д=у cos f и b=у sin ф; через сопротивления г и×— Xl — Хс проводимости выраясаются следующим образом:
1 г гд “ у cos ф — у=
1 × X
Ь — у sin ф= -у-=Z1
На рисунке 33 представлены треугольники сопротивлений и проводимостей. При параллельном соединении индуктивности и емкости особый интерес представляет схема, когда bL—bc, то есть
Xl Хс
r{- + Xl2 г.,2 -j- Хс2
В этом случае результирующий ток I не имеет реактивной составляющей и, следов., совпадает по фазе с внешним напряжением (рисунок 34). Это явление называется резонансом токов и широко используется практически для компенсации сдвига фаз.
Мощность переменного тока получится, если перемножить мгновенные значения ей i:
ei=Em sin Imsin («>£—<р),
Рисунок 33.
что после преобразования приводит к выражению
Em Im Emlm, ,
Р=ег= —g—cos © — 2 cos (2<»£—),
т. - e. мощность является также переменной синусоидальной величиной, но
Рисунок 34.
двойной (2м) частоты. Приборы, измеряющие мощность ( ваттметры), показывают среднее значение:
Ет 1т
-Гср= 2 COS f,
или, переходя к эфф. значениям:
Ет 1т
Рср= у—. -- COS ©=Е I COS f.
Это выражение и принимают обыкновенно за мощность переменного тока: Р = EI ■ cos <р
Это выражение и принимают обыкновенно за мощность переменного тока: Р=EI cos <р
Мы видим, что мощность перем. тока зависит от сдвига фаз. При ©=2 мощность равна нулю, так как cos ©=0.
Это дает повод называть cos? коэффициентом мощности
Это дает повод называть cosе коэффициентом мощности. Заметим, что такое выражение получается только для синусоидальных тока и напряжения. В другом случае войдетещекоэфф. искажения. Итак, мощность переменного тока равна нулю, когда с»=90° и cos ср=о, то есть когда в цепи есть только индуктивность илиемкость. Однако, это справедливо только для среднего значения Р; так как в любой момент происходит заряд или разряд L или С, которые содержат энергии: LP Се2 „
и g ~ В соответствии с этим принято различать активную мощность и реактивную:
Рα= Е1 COS е=Е1а Рь=ЕI sin е=Е lb
и, наконец, полную или кажущуюся мощность Е1 вольтампер (но уже не ватт). В технике сильных токов коэффициент мощности стремятся держать близким к единице, так как от этого зависит рациональное использование активных материалов устройств, рассчитанных на напряжение Е и на силу тока 1.
Активная мощность перем. тока может быть выражена еще и иначе:
Р=Е I cos <р=Е Ру=1-г =
= S =-Е2=РРу.
Отсюда и возникло понятие о среднем квадратичном значении е и г как об эффективном.
Символический метод. В векторных диаграммах, употребляемых для изображения синусоидально меняющихся величин, каждый вектор вполне определяется двумя координатами, длиной и фазой, то есть углом, который составляет этот вектор с осью ОХ (рисунок 35). Пользуясь комплексными числами, можно определять вектор при помощи проекций на две взаимно перпендикулярные оси координат, причем проекции на вертикальную ось снабжаются символическим коэфф. j. Тогда каждый вектор может быть изображен комплексным числом. Напр. I
Умножению какого-нибудь вектора на коэфф. jn, где « — действительное число, соответствует поворот этоговектора на угол, равный и > противчасовой стрелки. Если, например, и — 2, то jJ=— 1, и поворот совершается на угол
2у=тг, то есть на 180°. Такой же результат получается при умножении вектора на eh, где е выражено в радианах.
Символический метод имеет то преимущество, что, пользуясь им, можно все необходимые при решении задач в цепях перем. токов действия с векторами сил токов и напряжения, например сложения и вычитания, нахожд. отношения и ур., производить аналитически; при этом удобно выражаются не только отношения между амплитудами векторов, но и сдвиг фаз между ними. Особенно это удобно в случаях разветвленных цепей, где приходится составлять системы ур-ий.
Все вычисления производятся в соответствии с теорией комплексов, основные положения которой следующие:
1 )а± jb — r (cos <f ±j sin <f)=r e —Jr, здесь r=V a1 -(- b2 — модуль комплекса, или амплитуда изображаемого им вектора, е — основание натур, лога-Ь
рифмов; tgе=—фаза вектора.
2) Если
П=«1 + А
Г2 — а2 4“ А.
то: г, ± и=(«1 ± а-2) -f j (b. ± b2) —
и Г] г2= г2 ei(<е 1 + 4>j)
п п
/ Т= у г eJ п
Кроме того, если
7= I еЛ>‘,
то
fud:
(II -Э
7_
j(Ji
я
Применяя символический метод к цепям переменных токов, мы получим следующие выражения:
1) Закон Ома
7= 7 Т— Tze1=Ize {wt + 1 =
= Е f где
— V г3 4 ж3 и s=г -4- У № — ) =
= Z £7»
или иначе
i7e7v7e 7j-e~K=Ey-eiu>l=I-eiu>t, где 2/—полная проводимость—выражается через активную проводимость р и реактивную Ь следующим образом: y=g—j b=у-е~Х-
2) Законы Кирхгофа
2у=0; г.
Эквивалентное полное сопротивление
Эквивалентное полное сопротивление
двух параллельных ветвей равно —» —>
- —> —> ’
Zj + Z,
— —>
где Zj и Z, — полные сопротивления этих ветвей.
В то время, как при умножении или делении векторов Е или I на комплексы у или Z, фазы которых не зависят от времени, мы получаем вектор, вращающийся с той лее угловой скоростью, произведение Ев. I представляет собой, согласно теории комплексов, вектор, вращающийся с двойной угловой скоростью:
Е I=£-/[cos(2«i+е)4ysin(2<oi-f-cp)). Это выражение не имеет физического смысла. Однако, если заменить одинкомплексный вектор ему сопряженным, то есть таким, который отличается лишь знаком перед мнимой частью, то получим:
Е Г=Е I {соз <р + j sin <р };
Е-I -- E-I!cos е —j sin <р }. Действительная часть этого выражения дает активную мощность, мнимая же — реактивную, которая в зависимости от того, к какому вектору берется —> —>
сопряженный вектор (к Е или к /), получает разные знаки. Так как среднее значение реактивной мощности равно нулю, то знак не имеет значения Однако, еели-бы условиться считать положительное направление реактивной мощности от источника тока в цепь, то тогда, в случае наличия самоиндукции в цепи, это направление реактивной мощности будет положительным, а в случае емкости — наоборот, отрицательным.
Для обобщения следует заметить, что если при решении какой-либо задачи получается отрицательная активная мощность, идущая от источника, то это следует истолковать так, что в цепи имеется отрицательное сопротивление г, являющееся в таком случае не сопротивлением, как таковым, а, наоборот, источником электрической энергии-
Применение символического метода является неизбежным, когда приходится решать задачу о токораспределении в разветвленной цепи. В этом случае применяются законы Кирхгофа совершенно подобно тому, как для цепей постоянного тока.
В комплексной форме могут быть представлены не только векторы не меняющихся по величине силы тока и напряжения, но и простейшие геометрические места концов меняющихся по величине векторов. Так, например, комплексное ур-ие прямой:
И=Т+к-в.
Ур-ие окружности, проходящей через нач. координат 0:
М
С
и не проходящей через нач.
А
В Д- к
коорд. 0:
Л4-7с В
M-zTr--
С + к D
—► —
В этих ур-иях А, В, С и I) — постоянные комплексные величины, а /с— переменная величина.
Метод наложения. Расчет распределения токов и напряжения в цепи сузло-выми точками значительно облегчается применением принципа наложения (суперпозиции), который вытекает из линейности ур-ий Кирхгофа и согласно которому ток в любой ветви слагается из тех токов, которые получились бы в этой ветви, если бы каждый из источников напряжения действовал во всей цепи в отдельности.
В соответствии с изложенным иногда бывает удобно поступить несколько иначе, а именно: на действительное токораспределение наложить токораспределение, которое получится, если в какой-либо ветви ввести такое напряжение, чтобы в результате в этой ветви ток стал бы равен нулю и ее можно было бы рассматривать, как разомкнутую.
Бывает проще решить задачу относительно измененной схемы (с разомкнутой ветвью) с фактически действующими в полной схеме напряжениями источников и относительно искусственно наложенного напряжения в отдельности. Действительное первоначальное токораспределение получится в результате вычитания найденных токораспределений.
Поясним это на примере с мостиком (рисунок 36). Найдем вначале токораспределение, когда диагональ CD разом—>
кнута, то есть: 1=0.
Тогда:
Z, -f- Z2
еав Z, + Zt
Искусственно накладываемое напряжение -Е“ должно быть равно и противоположно
ТГ р ( Z-2 Z4
& CD — 11 АВ _> _> —
Ц-lfе2 Z.Z,
Отсюда, переходя ко второму токорае-пределению, находим:
—>- —>
1,“=- I,
где Zk =
IS“ CD _ _ ECD _ Zk + Z-t Zk -)- Zb
Z Zj<> | Zz4
есть
Z -f- Z% Z.3A~Z4 сопротивление коротко замкнутого диагональю АВ (внутренним сопротивлением источника Еав пренебрежем) че-тыреугольника по отношению к токам CD.
Мы видим, что действительное токораспределение таково:
7,-7,-г,-
Zk + Z-,
—> -> —>
1 ——I“i
= Г .--Г 2=
Еав
+ h
Z«
Z, A- Z3 Z, -f Z, Eab. -f Zx
Z A Zy
T-JT AT, _ eAb -l
JS — 7 з — 7 3— —> - -
h=I,
z3+z4
Eab
Z +Z2
X
—> —>
Z3 + Zt
X
z3-az4 Z%A-Z4 Общий ток 1 получается равным:
/=г — г=г — (г1 - г „) =
X _×1 _
= V a- h
Z + z2 z3a- z4
E CD
= IA 7 5
E AB
—> —>
то есть Iявляется суммой токаI, возникающего при разомкнутой диагонали —>
CD, и тока I-, умноженного на отношение еср
Еав
Если последнее выр-ние помножить на Е АВ, то мы получим уравнение, говорящее о наложении мощностей:
Еав1=Еав Ij-f Ecd I-0.
В схеме фигура 37, называемой еще всеобщей эквивалентной схемой цепей перем. тока, весьма распространено применение метода наложения двух режимов: холостого хода и короткого замыкания. При этом нагрузка внешней цепи, характеризуемая в схемеполным сопротивлением Z., бывает за-> ->
дана двумя векторами V2 и Х>, сдвинутыми по фазе на угол Опыт холостого хода (72—б) осуществляется при напряжении у вторичных клемм, равном напряжению при нагрузке, то есть е2. Опыт короткого замыкания (F2=0) делается при силе тока во внешней цепи равной 12.
Тогда Fx и 1х при нагрузке, а также и все остальные величины можно, оказывается, выразить через V2 и /2:
тельно облегчается тем обстоятельством, что если концы какого-нибудьвектора, например Z, имеют простейш. гео
h + B —>
h + D
U2 —> U-/
U1=А
iT=o
Эти выр-ия были выведены впервые Брейзигом и поэтому наз. ур-иями Брейзига.
Метод инверсии. В том случае, когда в цепи не все сопротивления и реакции (постоянные цепи) остаются неизмен ными, а одно из них меняется, обычно употребляют для исследования графический метод инверсии.
Этот метод состоит в том
Этот метод состоит в том, что находят геометрия, место конца вектора тока,
метрическое место (прямую или окружность ), то геометрическим местом обраг-
в
Рисунок 37.
или напряжения, при изменении постоянных цепи. Полученные таким образом диаграммы наз. соотв. инверсными (или круговыми) диаграммами тока напряжения. Построение обычно значиных векторовг;=у является также про-А
стейшее геом. место. Действитвитель-но, пусть, например, Z=г +j к-х (рисунок 38а),
где к — числовой коэффициент, могущий меняться от 0 до со. Тогда:
- > __1 _ г —jkx_ _
У — д Э ~r- -jkx r2- -h2x‘-Нетрудно показать (рисунок 38), что конецвектора I перемещается по окружности, проходящей через начало векторов и
О
V
имеющей диаметр, направленный пооси г и равный -; действительно при —
к — 0, у=д и к — 0 вектор у имеетмаксимальную величину=—;что гео-
есть величина постоянная, равная
Так как сила тока I=U у, то эта окружность является в другом масштабе круговой диаграммой тока.
Подобным же образом можно показать, что для схемы, изобр. на (рисунок 39а)
где Z — kr- -jx, круговая диаграмма тока имеет вид окружности (рисунок 38) с диаметром, расположенным перпенди-
U
кулярно оси U и равным —.
Пользуясь графическим методом инверсии, можно проследить за изменением любой величины, характеризующей цепь переменного тока. Так, например,
X
метрическим местом, концом векто
ров у является окружность, следует из того соображения, что величина
/(-£)’+Ь =
Т ~ г~ ~~Гу ~ к2 X2
г3- -к2х ~ 2г) (г2Дй2ж2)2
(г- — к1 ж2 )2 + 4г2 7с2ж2 2г (г2 + 7с2 аз2)
О----,
Рисунок 39а.
активная мощность, поступающая из сети и равная P=V I созер, определяется в некотором масштабе отрезком ординаты соответствующей точки на окружности. Мощность Рг, израсходованная в каком-либо добавочном сопротивлении (потеря мощности), выражается через первые степени активной 1а и реактивной/» слагающих силы тока. Действительно, ур-ие круговой диаграммы в общем случае может быть выражено следующим образом: [1а-ау + {1в — З)2=R2,
где а и J координаты центра окружности, a R радиус окружности. Отсюда: Рг=1 + Г =В‘-( + ) + 2а1а+2е1в. Из аналитической геометрии известно, что:
а- 1о + Р-1в+Д-(о“ + р»)=0
есть ур-ие поляры окружности относительно начала координат. Лакур показал, что:
еще имеется некоторое полное сопротивление Sj, круговую диаграмму общего тока получают следующим образом (фигура 40): 1) проводят прямую сопротивлений г3, задавшись масштабом для X; 2) выбрав новый масштаб, строятокружность проводимости у2; 3) прибавляют проводимость у0 в масштабе
4+г
R3 - (« + Р) 2
у2; 4) инверсируют окружность у2 относительно полюса (У и получают окруж.
есть ур-ие полуполяры, то есть линии, параллельной поляре и делящей пополам расстояние последней от начала координат. Таким образом, потери мощности в добавочном сопротивлении пропорциональны расстоянию соответствующей точки окружности до полуполяры.
Для параллельной цепи (рисунок 37) круговая диаграмма суммарного тока уже не проходит через начало координат, так как здесь суммарная проводимость слагается из постоянной проводимостиу0 и переменной у2:
У +-
В случае, когда перед разветвлением
—> £«> Zr
ноет<ь сопротивления s=_v . При
% +
чем новый масштаб устанавливается с таким расчетом, чтобы окружность
У о -f У-2 и окружность z совпали; 5) прибавляют сопротивление % в том же масштабе; 6) инверсируют сноваюкруж-ность z относительно нового полюса-являющегося в то же время началомкоординат, и получают окружность для —>
проводимости у общего тока/ь масштаб опять устанавливается таким, чтобы
OKpvHvHOCTb для z и окружность для у совпали; 7) устанавливают масштаб для силы тока, который равен п=Е-тесли те — предыдущий масштаб для у. Это значит, что если 1 миллиметров на чертеже соответствует тей проводимости, то тот же 1 миллиметров будет соответствовать п=Е -те ампер силы тока. По окончании построения нужно найти рабочую часть диаграммы, то есть часть, соответствующую изменению R от О до (от холостого хода до короткого замыкания). Мощность, поступившая в цепь, за вычетом потери в сопро-тивл. г, отсчитывается тоже от прямой, определяемой двумя точками на окружности, при которых эта мощность равна нулю. Лакур показал, что эту мощность надо отсчитывать по направлению линии касательной к окружности в точке холостого ходα= Многофазные системы. Если в якоре генератора переменного тока разделить
обмотку на несколько частей, смещенных в магнитном поле, то каждая часть может быть источником однофазного переменного тока. (рисунок 41). Напряжения, которые получаются в отдельных частях, будут иметь одно и то же число периодов и будут различаться лишь по фазе. Такую систему называют вообще многофазной системой. Для от дельных частей этой системы, состоящих каждая из источника тока, проводов и нагрузки, часто употребляют не вполне правильное название — „фаза“.
Различаются следующие виды многофазной системы: 1) симметричные и несимметричные системы; 2) связанные и несвязанные; 3) уравновешенные и неуравновешенные.
Многофазная система является симметричной, когда во всех ее отдельных фазах действуют эдс одной и тойже амплитуды, но сдвинутые в двух соседних фазах на один и тот же угол, 2~, равный зд-, где т — число фаз. Числопроводов в несвязанной системе равно 2 те. Можно уменьшить вдвое это число проводов, если осуществить соединение фаз многофазной системы многоугольником или звездой (рисунок 42). Соеди-
Рисунок 42.
нение звездой получается, если соединить все обратные провода, в один, называемый нейтральным. При этом в случае симметричной 3-х и более фазной системы в генераторе и в приемнике ток в нейтральном проводе равен нулю:
п—т
V j2L У In е т _ о
П--1
Напряжение между фазами при соединении звездой равно геометрической разности фазовых напряжений:
Е=Еп -Еп- =Еф (ei~-
—>. О— ! ~ А
= Еф eJ
2тс (п-1)
2тс (п -0,‘)
)-
/. и _ 2к 2п
(е,. о,5 т — в-/-од-)=
„. 12-
= 2 Еф sm 2 —
2г„(я — 0,5)
В трехфазной системе (те=3) междуфазовое напряжение равно по величине Е=2E.p sin 60°=Уа~Еф. и по фазе смещено на угол 30° по отношению к Еп:
2 (п — 0,5)
,2тс и — / .тс
J-- . т J
е т=]е — е й.
Соединение многоугольником получается, когда прямой провод одной фазы соединяется вместе с обратным проводом смежной фазы (рисунок 42). В соединении замкнутым многоугольником суммафазных напряжений равна нулю:
п—т
2 г.п т
=О.
п—1
Сила тока в подходящем проводе равна разности токов в фазах:
I — In — In—1 —
= 21·sin-у-
Для трехфазного тока, при соединении треугольником (рисунок 43):
1 2г. _,
I=21ф sm у -g— к 31ф.
Мощность симметричной многофазной системы, в противоположность однофазной, не зависит от времени и является величиной постоянной, равной:
Р=тЕф Тф cosе,
где Еф и /ф — фазовые величины, а е— сдвиг фаз между ними.
В случае трехфазной системы:
Р=bЕф /ф cos е,
или
Р=|/з Е I cos е,
где £ и / межфазовые величины, ае — попрежнему сдвиг фаз между фазовыми Еф и /ф.
При измерении мощности трехфазной системы большей частью пользу
ются схемой Арона (фигура 44). Векторная диаграмма этой схемы приведена на фигуре 45.
Измеряемые токи /, и U сдвинуты на углые от соответствующих фазовых напряжений £, и £., (рисунок 45). Измеряемыелинейные напряжения будут EL—E3= —► —> —> —>
—Еп и Ао-£3=£,3. Вектор-Я3] отстает от 1Х на угол (е, —30°), вектор Еп опережает /2 на (е3 + 30°). Поэтому ваттметры будут показывать следующие мощности: Р=— Е3, Л cos (е, — 30°)
Р2=£., A cos (е2 + 30°), где £31=Е,3= |/з £ф. Если е=60°, то
Р2=0, если е > 60°, то показание второго ваттметра также будет отрица
тельным. Для возможности отсчета у односторонних ваттметров делают переключение зажимов. При одинаковой нагрузке всех фаз сумма показаний ваттметров даст общую мощность:
|Pi + P2=£-/[cos(е—30°)+
-j- cos (е-(- 30°)]=E I 2 cos 30° cosе =
= l/3 E I cos е;
при е > 60° надо взять разность |Pj —Р2: так как, далее, при е<60°
|Pi I — Рг=Е I [cos (е—30°) —
— cos (е -f 30°)]=Е I-2 sin 30° sin е=== E 1 sin е,
TO
lpjl— p2 tg е=j/3 /> yp2’
то есть по показаниям двух ваттметров можно определить угол сдвига фаз.
Интересно, что по построению формулы не требуется знать цену делений этих двух ваттметров, если только они одинаковы (она сокращается). Для установления знака у Р2 лучше всего предварительно испробовать схему на заведомо омической или чисто индуктивной нагрузке. относится к ваттметру с большим показанием, если <р лежит
при этом соединение звездой (рисунок 47а) может быть приведено к треугольнику (рисунок 47) и наоборот на основании нижеследующих ур-ий:
Д приводится к и —>- —> —>
I _ (Ра -г Pjb )Рс
Лд — — —— —
Pa -j- Zb -J“ Pjc
t.
между 0 и + 90°. Когда — 90° < < 0 или ®> 90° (например, при параллельной работе синхр. машин), ваттметры в этом смысле меняются ролями.
В случае неравномерной нагрузки трехфазной системы (рисунок 46) задача о распределении токов и напряженийл приводится к Л
(е/, 4-у.,) у-,
у а + уь 2,
Ух +2/3+2/3
которые могут быть продолжены циклической перестановкой индексов. Когда нагрузкой являютсявращаю-
Рисунок 47.
в отдельных фазах при соединении звездой в общем сводится к составлению следующих ур-ий:
%=&+iеZl+Xz0
А — + I& + h Тар,
Рисунок 47а.
щиеся электрические машины, то в последних под влиянием симметричной системы многофазного (в частном случае трехфазного) тока возникает вра-щающеесям агнитное поле с индукцией:
Вх
Вт COS
С-е—)-
Однако, такое поле получается только при симметричной системе напряжений. При несимметричной системе появляется т. наз. обратное паразитное поле. Для определения значения последнего разлагают не-еимметрич-н у ю многофазную систему на две симметричные системы с противоположным чередованием фаз, причем большая из них сохраняет первоначальное чередование. На рисунке 48 показано сперва сложение двух симметричных систем: - -> —> —>
V — V -4- W
dJa а а
~> - > —>
Eb=Е„ ф Eh
Ес=Ес ф Е“с
На рисунке Е“а - - ВВ опережает Е<а на угол В. Так что:

=== Е. а >

Е“α= Е е>

2-

-> .Л, 2п

II

йа

1

Е“„ =Е“а е 1 V+ 8 )

= Еае+“;

Е=Е Ф (-«) —> —> —> —>

Этом суммы:

Еа ф Еь ф Ес; Е’а ф

-гЕь ф Ес и Е + Е Ф Е“с в отдельности равны нулю. Если лее помно-2-

—> j

жить Еь на е

’ -’ -> _ j ~ -

3, а Ес на е 3 и ело-

—>

жить их с Еа .

, то мы получим:

о—> J —

Еа + ЕЬ е 3

+ Есе 7 3 =3Е’а,

т. е. утроенный вектор Еа первой этим метричной системы. Аналогично этому;
- _-, -_ф _
Еа + Еь в 3 ф Ес е 1 3=3 Е“а
В последнее время этот метод исследования приобрел очень важное значение для расчета токов короткого замыкания в электрических установках и выделился в самостоятельный под названием метод симметричных составляющих. При этом он обобщен также и на случай, когда система векторов Е или I не замкнута, то есть ХЕфо или £1фО. В этом случае выделяется вначале система т. наз. нулевой последовательности. Отношение между симметричными системами Е и I соответствующих последовательностей приобретает смысл полных сопротивлений таких же последовательностей.
Несинусоидальные токи. На практике часто приходится иметь дело с кривыми тока и напряжения,более или менее отличающимися от синусоиды, но, однако, сохраняющими свой периодический вид. По фурье, такие кривые надо представлять себе составленными из основной синусоидальной волны и синусоид более высокого числа периодов, называемых высшими гармоническими составляющими.
Ур-ие высшей гармонической м-го порядка имеет вид:
sin (я®+Ф„);
здесь и — произвольное целое число, «> — угловая частота основной волны, п<о — угловая частота рассматриваемой высшей гармонической; inm — ее амплитуда и ее фазовый угол. Следовательно, ур ие периодической кривой будет:
г — / (u>t) — io + ij т sin (<ot ф ф) ф ц
Отсюда вытекают разные способы разложения несимметричной системы напряжения, например показанный на рисунке 49.
т sin (2ш 1; фф) ф hm. sin (3<о£фф)+
В технике сильных токов обычно г0=0, и имеются только высшие гармонические нечетного порядка п— 1; 3; 5; 7; 9; 11 Вместо того, чтобы вводитьфазовый угол 6Я, можно каждую гармоническую разложить на две волны, сдвинутых друг относительно друга на четверть соответствующего периода и имеющих амплитуды ап и Ьп, удовлетворяющих следующим ур-иям:
так что ур-ие периодической кривой получится в следующим виде: и пг=£ а„ sin и o>t 4- 2 b„ cos и о>t.
1 1 п
Для разложения периодической кривой тока или напряжения существует много разнообразных способов, использующих отдельные свойства такой кривой. Имеются также остроумные приборы-анализаторы, при помощи которых можно по форме кривой выделить высшие гармоники.
Здесь представляют интерес лишь два способа:
1. Основной аналитический способ, основанный на том, что среднее значение произведений ординат двух синусоид:
2-
/
2к
sin (пхф<|/л) sin кх dx о
= 0 при «ФА
при п=к,
т.-e. равно нулю, если эти синусоиды разных чисел периодов, и равно полупроизведеншо амплитуд (равных в данном частном случае единице) на косинус угла сдвига фаз между синусоидами, если синусоиды одинакового числа периодов (смотрите выр. мощности переменного тока). Аналогично этому:
sin (пх + i>n) cos кх dx
= 0 при и ф к
= — sin 0„ 2
при п=к.
Находя интегралы
f0~ f (х) sin kxdx --:: - Ак cos bk
и Jg“ f (x) cos kxdx=- Ak sin
для A=l; 3; 5; 7; 9; 11; и так далее, получают возможность отыскать амплитуды Ак и сдвиг фаз для каждой отдельной гармоники.
Способ удобен, когда кривая тока или напряжения может быть выражена в простейшем аналитическом виде.
2. Во всех других случаях можно пользоваться способом Фишер-Гиннена, основанным на том, что если взять алгебраическую сумму к — ординат, распо-1
ложенных через часть целого периода кривой,то в этой сумме останутся только ординаты, относящиеся к синусоидам порядка кратного к, а ординаты всех остальных синусоид взаимно уничтожатся. Действительно, сложение ординат несинусоидальной кривой, которые также представляют собой суммы ординат составляющих синусоид, можно заменить геометрическим сложением векторов, изображающих эти синусоиды. Эти векторы вращаются е разной угловой скоростью. Так, например, вектор 3-й гармоники вращается вЗраза быстрее, чем вектор основной синусоиды; вектор 7-ой гармоники —в 7 раз и так далее
Если мы складываем ординаты через 7 основного периода, то в этом случае векторы основной синусоиды будут расположены под углами 120° друг относительно друга; вектора 5-й гар-
5 2~ пмоники под углами, то есть 240°;
7 27-й гарм. — - то есть 120°. Так как
мы берем сумму трех ординат, то ясно, что при таком расположении дадут всумме пуль три вектора основной синусоиды, три вектора 5-ой, 7-ой, 11-ой и так далее гармоник. Лишь векторы 3-ей, 9-ой и так далее гармоник будут сдвинуты на целый собственный период, то есть дадут тройную сумму значений своих ординат (рисунок 50).
Так. обр., деля графически основной период несинусоидальной кривой на 3; о; 7; 9 и так далее равных частей (рисунок 51а), можно на&ти:
ji3 =у +у31 +2/зИ=3(Л3 sin 63 +
+ Ag sin Фк)
2/1П+2/Г “
усиливаются. На фигуре 52 показаны две кривые тока: iL — при прохождении через катушку самоиндукции, и %с — при прохождении через емкость при одной и той же кривой внешнего напряжения е.
При измерении несинусоидальных токов надо считаться с тем, что эффективное значение периодической силы тока, изменяющейся по произвольной кривой, равно корню квадратному из суммы квадратов эффективных значений отдельных гармоник:
ь=г/ь+2/5!-
мп
7 А7 sin К
Мд=9 Ад sin i9 И Т. Д., причем ординаты у берутся, исходя из общей произвольной начальной точки t — 0 на оси абсцисс.
Так как этих ур-ий недостаточно для того, чтобы определить амплитуды Ак и фазы к отдельных гармоник, то смещают начальную точку (рисунок 51а) на какой-либо известный фазовый угол—лучше всего на четверть основного перио-Т
да (fj=) и производятопять такое же сложение ординат. Надо только учесть изменение знаков у ординат отдельных гармоник в соответствии с тем, что:
/к2-,

5.1- siring

I— |/ г + 1а + -г5+

+-С

~

,

а

/

’’W ..111

У f 1 Ул I_„ / !_

V

/=о

- | с

V

1 /

Рисунок 51.
sin
== sm
+h =
k—l
= (—1) cos 6 при к— нечетном. Так что
N3=S( — А3 COS <Ь8-Мэ cos ia) iV5=5 A6 cos; N7 =— 7A7 cos i-A;r-=-j-9.-l,j cos jVu=—11 Лj| cos v11
и T. Д.
Высшие гармонические составляющие тока заглушаются при наличии в цени индуктивности—кривая тока приближается к синусоиде. Наоборот, емкость резко искажает форму кривой тока— высшие гармонические (относительно)
В трехфазных системах особым свойством обладают гармонические составляющие, кратные 3-м. Так, при соединении звездой генератора в его линейном напряжении всегда отсутствуют гармонические составляющие, кратные 3-м, так как они взаимно вычитаются (фигура 50): Наоборот, при соединении треугольником они складываются и дают в замкнутой обмотке тройную результирующую величину, вызывая уравнительный ток.
Явления в цепях с шеелезом. Как было показано ранее (на стр. 254), при прохождении переменного тока,
по катушке самоиндукции в последней возникает реактивная эдс:
<1Ф -8
е=— w уу 10 вольт.
Решение этого дифф. ур-ия легко приводит к ф-ле:
E — ik fw Фтах 10-8 вольт, где — коэффициент формы кривой,
равный для синусоиды
2J/2
= 1Д1;
Рос. 52.
мы видим, что при данном числе витков w и числе периодов / эта эдс, которая должна быть почти равна по величине внешнему напряжению,тесно связана с величиной Фта1. Но для образования последнего необходимо определенное значение намагничивающих ам-нервитков по ур-ию;
iw ф= >
лигде R— магнитное
I деленное значение силы тока. Этот ток I называется намагничивающим.
В Э. для уменьшения значения намагничивающего тока используют железные магнитопроводы, в которых магнитное сопротивление значительноменыпе, чем в воздухе (α= 250 1000).
При употреблении железа, однако, нужно считаться со следующими явлениями: а) кривая намагничивающего тока при синусоидальном напряжении резко отступает от синусоиды (и тем резче, чем больше насыщение железа);
б) в железе возникают потери на гистерезис и токи Фуко; в) коэффициент самоиндукции будет переменной величиной, так как >—f (тс), причем среднее его значение будет падать по мере возрастания насыщения железа; г) возникающие в железе токи Фуко создают свои ампервитки, которые уменьшают магнитную индукцию в средине сечения железа.
На рисунке 53 показано построение кривой силы тока при данной кривой намагничивания железа. Построение сделано исходя из того соображения, что при синусоидальном
Рисунок 58.
1 I
сопротивление, равное q (), то есть при данном числе витков необходимо опренапряжении Е поток Ф должен иметь также синусоидальное изменение по времени. В силу этого намагничивающий ток должен быть несинусоидальным, так как между ним и маги, потоком нет прямой пропорциональности. Мы видим, что в кривой тока присутствует ясно выраясенная третья гармоническая составляющая. Чтобы нанести такой намагничивающий ток на векторную диаграмму, заменяют его кривую эквивалентной синусоидой с тем же эффективным значением. Указанное построение, однако, не учитывало явления гистерезиса, состоящего в том, что перемагничение железа происходит с некоторым запаздыванием по отношению к фазе намагничивающих ампервитков.
Если бы между индукцией В и напряженностью ноля Н — 0,4~.агс не было сдвига фаз. то затрачиваемая на намагничивание объёма v энергия, равнаяв
> 10000) о=и, а г,=0,2; 1. Для удобства вычислений ф—ле придают вид:

Гf)

( я

2 ватт

(юо/

V юооо

/ кг

Потери на токи Фуко в круглом проводе складываются из потерь по каждому элементарному контуру диаметром ж (рисунок 54),
Е
равных,л; так как Ег —
I
/ HdB
J 4 =№
возвращалась бы за каждый период обратно. В действительности же часть этой энергии остается в железе в виде потерь на гистерезис, которые выражаются ф-лой:
14 - ватт
Рл ~ 11 fBmax,0~ дцмепри чем по Штейнметцу (для В < Ю000) 5= 1,6, а опытный коэффициент т, в зависимости от copra железа колеблется от 1 до 5. По Рихтеру (дня 13 >
Мх
= 4 - к f 4>.v 10~s.
a <i>.v=т.х->в и r,=еi,
где р — удельное сопротивление в 1 см“ объёма провода, то:
d о
2 16 IB Р -3 Ж+ Втах 10~Uldx
о
Рисунок 54.
/
-г
J о
= > к-РФВтах
2рр 2~х
io_J6 U ~dl
=е4-d-B:max 10-
is ватт см
Такая же формула получается и для железных листов прямоугольного сечения.
Для удобства вычисления ф - ле придают вид:
i f V- I В у ватт — 100/ (10000/ кг
Здесь Д— толщина листов железа в миллиметров. Обычно оба выражения потерь на гистерезис и на токи Фуко объединяются в одну ф-лу:
Р=РА + Р,=
г, (-LY
юо + 3/ V юо /
__в 1 То 000.1
кг
При этом коэффициенты ~н и принимаются равными: для обыкновенного железа-зл =4,4; 4,8; af=22; 25; для легированного железа—=2,4—3 Of — 4,8; 5. Разделив вычисленные т. обр. потери на приложенное напряжение, находят активную слагающую намагничивающего тока и суммируют ео геометрически с вектором указанной эквивалентной синусоиды реактивной слагающей.
То обстоятельство, что коэффициент самоиндукции катушки с железом меняется в зависимости от степени насыщения, приводит к следующемуявлению в цепи последовательного со-;единения самоиндукции и емкости. Если в схеме (рисунок 55) начать поетепен-но повышать внешнее напряжение от 0. то сила тока также будет возрастать. Однако, в то время, как напряжение на обкладках конденсатора Е будет увеличиваться по прямой OD (рисунок 55), напряжение у катушки будет зависеть от насыщения и расти по кривой ОВ. Результирующее напряжение (Vl — Vc), равное внешнему, будетитги по кривой 0.4.
Когда внешнее напряжение достигнет значения, соответствующего ординате IA,то мы попадаемв неустойчивую зону кривой 0.4, сила ч ока внезапно возрастает до значения 01; при этом напряжение на конденсаторе станет
С=AJ0 (х ]/ а ]/ - У) е}ы
0.4|лш
где а: р - IQ’ “<1 11 — постоянные,
больше, чем у катушки, и сила тока изменит на 180° свою фазу по отношению к внешнему напряжению.
Распределение индукции в железном цилиндре, вдоль оси которого проходит переменный магнитный поток (рисунок 56),
зависящие от пограничных условий;
In (х]7 я V —] ) — 1 -f-,1
X2 а х> а-24-
£С° а3 i ,r:sa
~ j 2°(I 2 3)- +2в(1-2-3-4р - ‘ Последнее выражение есть Бесселева функция первого рода нулевого порядка, которая в данном случае может быть представлена в виде:
1п {х Y я| - Ьег [х Y а) +
+J< xYa)
где
Ьег(х Y Ьег ч ху а

«)=!-

X4 ос- i

Xs ос1

- 24- +2-

4--6--8-

Л Х-а

_1 - ..

х10аг’

2J

2-4-6 - 2--

4- 6- 8--

Таблица функций Ьег х и Ьег х
X
Ьег х
bei х
V
Рисунок 5(5. Рисунок 57.
а также плотности тока в проводе (рисунок 57), подчиняются ур-ипм:

сРВ 1

clB

0,4™

clB

dx% ““l” х

’ dx

“P 10s

dt

(Pi, 1

dis

u

-еr

d

dis

(lx- X

dx ’

pio8

dt

Решения этих ур-ий будут:
7=.4, Тп(х ]/ а |/- j)eJmt

0,0

1,0000

0,0000

0,5

0,999

0,0625

2,0

0,9844

0,2496

1,5

0,9211

0,5576

2,0

0,7517

0,9723

2,5

0,3999

1.4571

3,0

— 0,2214

1,9376

3,5

— 1,1936

2,2833

4,0

—2,5631

2.2927

4,5

—4,2991

1,6859

5,0

— 6,2301

0,1160

5.5

—7,9735

— 2,7902

b,0

-8,8584

—7,3848

8,0

20,9739

-35,0167

10,0

138,8405

56,3704

15,0

- 2969,79

—2952,33

20,0

47583,7

11500,8

CO

CO

CO

Длинные линии. В сетях высокого напряжения приходится учитывать емкостные явления, так как влияние емкости становится тем больше, чем выше или частота, или напряжение.
Между проводами и между проводами и землей образуется ток смещения, который в проводнике продолжается в виде тока проводимости, называемого зарядным (иногда емкостным) током. Так как емкость в сети | является распределенной по длине так
же, как и самоиндукция, то сила тока в сети вблизи генераторов имеет иную величину, чем вдали от них. Падение напряжения от реакции самоиндукции и омического сопротивления обусловливает изменение напряжения в сети, что в свою очередь вызывает изменение величины зарядного тока. Образование электрического и магнитного полей связано с определенными потерями энергии, а именно: тепловыми потерями в проводе, потерями на вихревые токи в окружающих проводниках, потерями в различных диэлектриках, примененных в линии, потерями от несовершенства изоляции и потерями на корону.
Основными дифференциальными уравнениями распределения силы тока и напряжения вдоль линии передачи являются следующие ур-ия в символической форме:
«ГУ=е -~г-с11
сГТ=Г у ell.
—
Здесь z=г - -j х=г - -j <о L—полное сопротивление одной единицы длиныкакого-либо участка сети; у—полная проводимость единицы длины этого участка.
Для облегчения решения задачи рассматривают обыкновенно неразветвленную линию передачи, приводя ее к одной фазе системы; при этомг и у, а также г и L, д и С ечш ают по длине линии не меняющимися и относят их к одному километру линии.
Полным решением основных дифференциальных ур-ий будет;

V

У., COS ft V l + I..

-> —> w sin h v l,

I —

l, COS ft V l + -

—>

sin ft v l.

Здесь:

- > —>

У, и /2 —напряжение и сила

тока в

—>-

конце линии; v

у--

= v г у, а

1 — так называемым „характе-

У

ристика линии“, или „волновое сопротивление“. Так. обр., зная параметры линии г, х. д и ft, а также нагрузку на конце линии У3 и молено найти поприведенным ф-лам распределение напряжения У и силы тока / вдоль линии.
При вычислениях пользуются таблицей гиперболических функций, причем следует иметь в виду, что:
—
sin ft v l=sin h(a l ±j (31) =
= sin ft a l COS |3 l ± cos ft a l sin 31;
—
cos ft v 1=sin ft a l cos ft l ±
±) cos ft a l sin ft l,
то есть задача сводится к отысканию гиперболических функций sin ft а г И COS ll 2 I и круговых — С03 р I и sin р /. При этом: _
α=
у
V
2 (zy — bx + rg);
т “Г 7
у(гу -+ bх — гд).
Если линия на конце разомкнута (холостой ход) и /,.=0, то на расстоянии I от конца линии:
-> —>
Г0=Г.. COS ft v l;
W
Если, наоборот, линия на конце коротко замкнута (У2=0), то для того, чтобы в конце была сила тока U, напряжение У и сила тока Ik на расстоянии v от конца линии должны быть равны:
> > > >
Ук=1-2 w sin ft v г,
lk=L cos ft v l.
Таким образом, мы видим, что V и I на расстоянии I от конца линии при нагрузке будут равны:
V=У0 -f-T“,
—> —> —>
1=10 + 1
Обстоятельство очень важное при опытных исследованиях линий.
При помощи опыта холостого хода и короткого замыкания можно не только предопределить Г и I в том месте, где произведены измерения, но и узнать все параметры линии г, х, д и ft. а следовательно и распределение V и I вдоль нагруженной линии. Если вести счет от начала линии, то ур-ия для V и I получат вид:
—> —>- —> —>- —> —>
V == Fj cos h v lt — Ц w sin h v Z,.
-> —► > Vj. —>
Z — Ij cos h v L — t.i> sin h v / w
Здесь Fj и Jj—напряжение и сила тока в начале линии, а — расстояние от начала линии. — Пользуясь выражениями:
-» е sin h v I —
cos h v l =
—e 2
—» >
e1 +e—1
2 ’
! денный отраженной волной, равный 2lo—ly При этом волна напряжения отражается с тем же знаком, а волна силы тока—с обратным. Следовательно,
напряжение У0 (при холостом ходе) на расстоянии I,
Уо= Fj е “‘-фТ, z,)-
Для li=lo, то есть для конца линии, имеемможно предшествующие ур-ия написать следующим образом:
П= I [(V: -% «’
+ (Vi+Iiw)e‘l
Т I- (%-Щ ’
2 V w e V 1 I
Пели взять бесконечно длинную линию,
—)► —>
то V и I при I=cvj будут вследствиепотерь исчезающе малы (V 0 и I — 0).
—
Тогда I7!=I, го и ур-ия получат вид:
F,
-л.
F - FIe~vI и I=1ге~— _1е
w
Получаются т. наз. прямые волны напряжения и силы тока, то есть идущие от начала к концу. Действительно:
up
—>
/ пр =
Vve’m
W we
al. J (u>t— fill)
,= El
-JO W
НЫ-(,и 0)
при чем мгновенные значения
I np — Time asin (o>t — 3Zj)
inp — MJ“1 e sin (“—№ + ®)
являются в каждый момент синусоидальными функциями расстояния
А. Начала синусоид, где Vnp=0 и гпр== 0, перемещаются вдоль линии со скоростыо v=~f =-у В линии без по-
w w ЗЛО10 терь v= = — /
f/zе/ )/ jrb |/ е;л
Если линия имеет ограниченную длину 10 и открыта на конце (холостой ход), то на этом конце происходит отражение волн. Отраженная волна накладывается на прямую, причем первая движется обратно так же, как проходила бы она на продолжении линии за конец ее. Таким образом, расстоянию 1Х от начала линии соответствует путь, прой-
F„=V;
Отсюда
- v/„
2 К, е 0
Так что напряжение на расстоянии /, от начала линии
Но
—>Г
F,
= g+v(«- -j-e—v j 7,coshd,
где l — расстояние от конца. Сила тока /0 на расстоянии lt равна:
У -Г (21,-1,)
] е
w
Таким образом, на конце линии 1 /,>,
Так как при холостом ходе F,=[‘2е“
2/
ТО
ее
—> —> >
-_е10е~ п-L ii)
I2 sin /г-v/,. tv
Аналогичным образом при коротком замыкании конца линии, когда волна напряжения отражается с обратным знаком, а волна тока с тем лее. имеют место следующие соотношения:

-V/, 1« -

F

- г

—►

F

— и

I =

в

К

~ W

ЭТОМ

на

конце

7,е“
V
Ч21„-Л)
+ е-(2/о-М;
F=о
- v о 1 - - >
,7,=
W 0
Для того, чтобы сила тока у коротко замкнутого конца равнялась после отражения 12, необходимо, чтобы
Aw
it0
Отсюда для V,. и 1% получаются выр-ия:
Yк= I., w sin и ! I —> —> —>
I к =I-J COS h v 1.
Исследование распределения силы тока и напряжения в длинных линиях может быть произведено опытами на т. наз. схемах замещения, то есть таких искусственных схемах со сконцентрированным омическим сопротивлением, самоиндукцией и емкостью, в которых соотношения между напряжением и силой
тока в начале и конце (по величине и фазе) соответствуют действительным соотношениям в линиях. Различают Т- образныо и П - образные схемы замещения.
Описанная теория относится также ко всем другим случаям цепей с распределенными в той или иной степени равномерными постоянными—к так называемым цепным схемам, например: витки трансфоротшсами w
Рисунок 58а.
маторов и электр. машин высокого напряжения с учетом емкости между витками и по отношению к корпусу, гирлянда изоляторов и т. н. Применяя описанные уравнения, можно произвести расчет электр. фильтров (рисунок 58 и 58а), не пропускающих через себя токи заданной частоты.
Соотношение г= - позволяет решитьзадачу о переходе волны с одной линии на другую с различными характера-
-YZ - »»=У1-
Пусть,например, w2>w1. Ток в другой линии не может быть равен току
v
ц= -, а станет меньше. Избыток за-
w
ряда пойдет на повышение напряже ния 72 в точке перехода, которое становится общим для первой и второй линии. При этом:

7ч =

У+ih-i

») Щ

72 .

2 7

W-2 ’

пли

+ Щ

Повышение напряжения и уменьшение тока в месте перехода, являющемся концом первой линии, распространяется к началу последней с такой же скоростью. Происходит, таким образом, отражение волн напряжения и силы тока. Отсюда получается решение для следующих частных случаев: at Однородная линия открыта на конце, то есть tv2— сс; на основании предыдущего ц=0, a VL — 2v.
б) Линия коротко замкнута на конце: го.2=0; естественно, ч i о 72=0; так что 27
г2
—=2-г,-
I11
W
Когда линия замкнута на омическое сопротивление г.., 2 7
г, =-
конце на то
wt + г.
а
= г.,г.,=2 ’
Щ + г.2
Если »«>№„ то 7_ > 7; наоборот, когда г2< Wj,тогда72 < V; при r2=w1 и 72= 7, то есть отражения у конца линии не происходит и режим устанавливается сразу.
Если линия замкнута на самоиндукцию, то в первый момент после подхода волны напряжения и тока к концу %=0 и 72=2 7; затем наступает постепенное нарастание тока г2 по экспоненциальному закону:
27/
е 1
Wi
|>

при чем 7,=2 7-е

I

В случае

2V[ 1

wc V

включения на конце емкости в первый 2V

момент г«=~; и Г,=О, а затем г, по- w1

степенно убывает по экспоненциальному закону:

2V ~ -L. г., =— е а

- ю1

Когда на конце линии последовательно включены омическое сопротивление г. индуктивность L и емкость С, возможны случаи колебательного или апериодического изменения и в завил />2+

симости от того, будет либольше или меньше бателыюм изменении:

2 у _V,+W,

Приколег„

--W..L.,

п То=2 V — i;W,

-/-j sin м21 где ш2=2- /2:

Коли период колебания в цепи г., L., и С., равен времени прохождения четырехкратной длины линии, то есть q=41

=-у-, то получается резонанс, приводящий к очень высоким перенапряжениям.

Неустановившиеся явления в цепях с сосредоточенными постоянными. Новое состояние, когда в цепи устанавливается ток, принужденно получающий то же число периодов гармонического изменения, как и внешнее приложенное напряжение, устанавливается не сразу. На переход от одного состояния к другому требуется некоторый промежуток времени (время перехода), пока энергии магнитного и электрического полей в цепи не получат значений, соответствующих новому состоянию. В течение времени перехода на последующий установившийся ток накладывается т. наз свободный ток ’) При этом следует различать гл. обр. два случая. Первый—когда цепь имеет незначительную в сравнении со скоростью распространения электрического тока

) Ранее называвшийся иногда экстра-током.

напряженность (цепи с сосредоточенными постоянными); при этом можно считать, что сила тока в каждый данный момент времени имеет во всех точках одно и то же значение. Поэтому здесь явления рассматриваются главным образом с точки зрения изменения состояния во времени. Во втором случае—протяженность цепи достаточно велика, как, например, уже рассмотренные выше длинные линии передачи энергии. Здесь уже изучение ведется с точки зрения движения по линии электромагнитной волны.

Для неразветвленной цепи, состоящей из последовательно соединенных омического сопротивления, самоиндукции и емкости, в любой момент времени, независимо от того, успел ли установиться режим или нет, внешнее напряжение распадается на три слагающих:

Лг

Ldt

+

В переходный период сила тока слагается из установившейся и свободной слагающих: г=гс-г +- гы, точно так же напряжение на обкладках конденсатора: Vo=Wot + «СВ. Поэтому7 в=7сл Г -f-, dicT. 1 dim

~rL dtcJdt- -ior+L fit -f-

+—J i-i-ndt. Так как установившийся токдолжен удовлетворять ур-ию:

, _ diст 1 Г

е — /ст т—j- Jj -f—J /ст dt,

то, следовательно,

(lie в 1 /

ionr -f L ~r CJ кв dt=0.

c

Если, например, в схеме, изображенной на рисунке 59, разомкнуть рубильник, то в правой части цепи не будет действовать никакого внешнего напряжения. Однако, под влиянием самоиндукции и емкости в этой части возникнет еьободный ток, причем он может быть апериодического или колебательного характера и, вообще говоря, другого числа периодов, нежели принуждающее внешнее напряжение.

Продифференцировав один раз предыдущее ур-ие, мы получим после некоторого преобразования:

(Vie в Т (Пев 1

,1Р + L Ht LC iuB=0

Полным решением этого ур-ия является

ice =A-elt-f Be 72<, где у, и у3 — корни г 1

квадратного ур-ия т2+/_+/(-1=0, такчто у =

2L

1 w 7-3 Тс-Е#4-

—то у будет действительнойвеличиной, и мы получим ап’риоди-ческое изменение свободного тока. Сюда относятся также и частные случаи, когда 1=0 или С=ос.

г2 1

Если, наоборот, [—ц< <0, то у—комплекс вида a -f- Зу и изменение свободного тока будет затухающим колебательным. Число периодов собственного колебания равно

/СВ

41.

а множитель затухания ;.

а ~ 2/.

Кривая ± Jlm е - и представляет собой огибающую, которая касается кривой тока.

В случае, когда (7=00, то есть когда конденсатор коротко замкнут, или, проще говоря, его нет, мы имеем апериодическое изменение свободного тока по закону: г

ice=Axelt=i0e ~ l

при чем множитель затухания в два раза больше, чем при колебательном изменении. Если при этом и г=О, то /ев == г0=пост. Точно так же, когда1=01).

/ев=А..е=А.,е ~ rcL

При рассмотрении затухания свободного тока удобнее пользоваться вели-

J) При L 0 для у получается неопределенное выр-не вида со У со — м, которое, после раскрытия неопределенности, ласт для у дна корпя: у, ----- — с э и

v — _ 1

Ь : “ г С ’

чиной обратной множителю затухания а, называемой постоянной времени Т.-

Таким образом, Т=—. Постояннаявремени представляет собой подкасательную в начальной точке экспонен

циальной кривой (рисунок 60), каковой является кривая апериодического свободного тока при L=0 или С=ос, а также огибающая колебательного свободного тока. Действительно:

_ t

i _ А е т__

<4 ~ 1 It=T’ dt Т А’е 1

иными словами, постоянная времени является временем, в течение которого сила свободного тока уменьшается в е раз, то есть в 2,718 раза. В то время как на характер изменения свободного тока или на число периодов его внешнее принуждающее напряжение почти не влияет, максимальная величина первого находится в полной зависимости от величины этого напряжения в момент включения, выключения или вообще какого-либо изменения. Так, при включении цепи, содержащей г, L и О, на постоянное напряжение,последующий установившийся ток /отбудет равен нулю, после того как зарядится конденсатор. Поэтому неустановившийся ток г=/ст -f- /св=/ев. Далее, при t =0, Z=/0 =о, так что Z=/св=A -f В=0.

„ Р 1

1-И случаи: 4/2<и< здесь

-Л г

Р1 е/Ч ~е~ 2i

Л с 2Z ( е/<“ов/ — е ~JU>eBt =

21 /а>св’ ) =

-- 2Ле j sin «свУ За все время переходного процесса напряясение меясду обкладками конденсатора подчиняется ур-ию:

dfc

ф =гсв.

Поставим это выр-ие в ур-ие:

d’icB Г (Мсв 1

йР +/, dt +LCicB==0;

Мы получим:

td®Fc г,й-Уе 1 dW -С - LC dp -,п С

dt3 У- t/C УС1 dt ~~ 0’

или. после сокращения на —(7 и однократного интегрирования: rfM/0 г dVc, 1

dp L dt

то есть то же выр-ие, что и для У-в.

Для нахождения постоянной А в выражении ice возьмем интеграл:

- Lc Ус — О,

1 Г

Vо, Нет -f- VVr — — qi f ‘

:J 1

4ск dt -

M -

4/-U

о

Y1 Y->

При t=.-о, т.-е„ когда наступит установившийся режим, напряжение между обкладками конденсатора станет равным и противоположным внешнему напряжению —У. Поэтому

Ус -1 Уст Д i cn=ЛУ Д О — — Наоборот, в первый момент включения Ус — Лет -1- Уев — — У -I-(Е) =е О, то естьоили

-4 т. - Т,

С ->. -»

О

-2;j <»!> 1

У, С

=-- >1 - It 2

Отсюда Л= так что оконча-

2уо>сн L

тельно

к - ‘,

1св=—f е sm «ев/;

при чем

]/°В= шспУХС V В случае, когда включение происходит на переменное внешнее напряжение Em sin oit, свободный ток получается равным:

уп sin ( «св# Д arctg а).

Уев — Тик(’ C0S( ~ е)Sin “cBsintsineBt-arctg

(смотрите Круг, „Теор. осп. эл.“ или Френкель, „Теория перем. токов“), а напряясение на конденсаторе:

/»; <

- а/

1 / О)е, 1

/~ c°s(4»-<p)sino.Harctg а J Д metC sinOi—е) sin «ев t j_

С

ri 1

2-й случай: 1(, Здесь оба корня h и (., действительны; так чтов=2Ле 4 sin h где А определяется из ур-ия:

Е=-

А

С

Га—Ь 7i 7s

Л. -2 V 4/д ~

(] / Т 2 /»

1

4 L-

УС

LC

, 1

= 2 Л 7,|

AL-
г-
4 ГА
УС ’
т--е.:
Л. =
У
Таким образом:
2 У
У
|/ .Г ..
г 4 У— .Г,/
’ LC
/ г- 1
V 4/Л УС
2i sm
(/
LC
t.
Напряясение на конденсаторе изменяется по ур-ию: Е
I СВ=~
V 4У- УС
В частном случае, когда С —. свободный ток при включении получается

равным:

при

постоянном токе

св-

Е

-Гги

Я/

/Л

= - г е

L

при чем г=г[ 1 — е

L 1

h

T7I

а при г

= 0;

iCB=oo и 1 — 00— v :

- t; ~ L ’

при переменном токе:
Jim. —Г— t
% св sin (i — ) е L
а
i
Em
sin (w£+’i
sin(i—»)
то есть на установившийся переменный ток накладывается свободный ток, являющийся постоянным током, уменьшающийся по экспоненциальному закону (е I-
Точно также при L=0 свободный ток включения равен при постоянном токе:
Е__I _ t
1св — г— г е гС} причем Гсв=Ее гС-
при переменном токе
Jim., - / -
I св ——— sm о COS(i—“f)« Г(-,
Jim
a i= z sm(,W + <1 + ) —
Jim -
— sin v cos (} + т)е,c> причем
_ t
Тсв=— Em sin c COS (i -(- f) <2 rC- При выключении цепи, содержащей r,L и С, надо считаться с тем, что магнитная
LP
Энергия 9, запасенная в катушке самоиндукции к моменту выключения, должна частью израсходоваться в образующейся между контактами выключателя вольтовой дуге, а частью сосредоточиться в конденсаторе, причем должен иметь место следующий энергетический баланс:
., ЕР Cv3c
ei=Р (г -j- rg) -f- -g- 4- 2
Нели выключение будет при i Ц= 0. то оно не может быть мгновенным, так di
как es——L.f было бы бесконечно большой величиной. Сопротивление возникающей поэтому дуги может быть приближенно принято в сумме с сопротивлением цепи, равным г/ —
г
1-
t«
тгде Т—
время выключения; так что ур-ие для тока при выключении последовательной цени г, L и С имеет следующий общий вид:
r, di 1 [‘. e=i t -f- -f -j, idt.
1 -T
Если бы при переменном токе можш> было достигнуть того, чтобы с момента выключения ток дошел до своего ближайшего нулевого значения, изменяясь по той же синусоиде, как и до выключения, то напряжение выключения не было бы выше установившегося. При выключении цепи, содержащей, кроме самоиндукции, еще и емкость, надо считаться с повторным зажиганием дуги, приводящим к тройному напряжению выключения.
Когда цепь содержит несколько электрически связанных контуров, то для рассмотрения неустановившегося процесса в такой цепи надо составить ряд ур-ий типа:
I. di,
2е=- i,rx 4- V» + ~г----+ Li ~dt +
di, 1 / 1 /’ ,
di -----f l J + C’3 j ’l-dt
для отдельных контуров, а также ур-ий типа Ш=0 для узловых точек.
Решение ур-ий для неуетановившегося тока можно провести и в символической форме. Действительно, частным решением ур-ия
e — ir- -Ly 4- j, j idt является i — Aeili но тогда
di i‘. Aef i
di
— уАел1=yi и j idt —
так что можно написать: е=ir + riL
t
при чем y попрежнему должно удов.те-г 1
творять ур-ию Y34- / 7 + / (=<4 откуда:=~~2L ~ 2 J ) 3 _ Тс
Реше-
1С
произвони е ур ия е — ir 4- fLi
дится по ф-лам Хевисайда для постоянного внешнего напряжения:
Ее“
Е
Щ о
dN 7/-/
7i> Т.2
и для переменного е - - Ет sin (<»t -f- >i), е мнимой части выр-ия:
Е-еj(wt+V. (-V)/«
Е-е1‘+л -
(Т—»
сш;
rf-Г
7 j > 72-
В этих ф-лах iV=г + -Д-f i (VJ()=-- > + cl + ос; (= r +и/ +>с
Колебания в связанных цепях. Связь между двумя цепями может быть осуществлена разным образом: через общую самоиндукцию, через общую емкость, общее омическое сопротивление, через взаимную индукцию или одновременно несколькими этими способами. Все случаи решаются также как случай связи через взаимную индукцию. Благодаря магнитной связи коэффициенты затухания а, а“ и угловые частоты о/ и о/ колебаний в обеих цепях становятся уже неравными тем, какие получаются при несвязанных свободных колебаниях:
= 1L И f
Дифф. ур-ия для обеих цепей будут:
di, du 1 Г,
‘>г> +Ldt +М ~dt + cj i,dt=0
di, di 1 /‘
+ + M di + cJ Ut=0.
Пользуясь выражениями:
dvt. dv2
h=— Ci (U, и ~ — C2 -jt,
где и v2 — напряжения на конденсаторах С, и Cs, получают общие решения приведенных ур-ий в следующем виде: Fj=D,.e <+ рае< ~~Уш>‘ +
где
+Ge(~ +u)“>4-Hi е (
коэффициенты 7>, Р, G и Н определяются по начальным данным колебаний, а а, а“ и «/, <о“ определяются из следующих четырех ур-ий:
, „ «1 + «2 “ + α=Гг
7 -
пМ-ог + Тг3
+ 4а а + 1 - =-jTF-
ау2 + а-у3== «T.l + Mе!
1-fc2
т V3 =
Т1Н2
1 — к1
Здесь к — коэфф, магнитной связи, рав-М
1Ы“ уЖ-
Для решения задачи о колебаниях в двух магнитно-связанных цепях удобно бывает воспользоваться также методом векторных диаграмм, если положить, что мы имеем дело с затухающими гармоническими колебаниями. В таком случае отдельные члены ур-ий
din
— <й ~ г1 “Ь -1
dij
lit
— И
di. d in
могут быть изображены в виде векторов, складываемых между собой геометрически. Действительно, величина х== Х-е—“1 sin (uit -|- <{>) может быть пред>
ставлена вектором ох, вращающимся с угловой скоростью о), конец которого перемещается по логарифмической спирали. Ее первая производная, взятая с обратным знаком, может быть представлена вектором, равным по величине
V + 0,2×и отстающим от вектора X
О)
на угол х — arc-tg —.
Литература: Круг, К. Л.. „Основы электротехники“. т.т. I и И (1931 — 1932); Черданцев, И. Л.. „Теория переменных токов“ (1933); миткевич.В.Ф. „Физические основы электротехники“ (1933); Френкель, Л.. „Теория переменных токов“ (перев. о ним.. 1933);Видмар, Л!.. „Научные основы электротехники“ (перев. с нем.. 1932); „Справочник для электротехников“ (СЭТ). т. 1 (1928); С/г. Steinmetz, „Theoretical elements of Electrical Engineers“ (1924).
E. Humycoe.
II. Электрические измерения. Измерение электрической величины есть сравнение ее значения с величиной того же рода, условно принятой за единицу (смотрите XIX, прил. единицы измерений, 6/8; электричество, теоретические основы электротехники, LII, 226). Электрические измерения могут выполняться при помощи электроизмерительных приборов или электроизмерительных устройств. Электроизмерительные приборы (подобно пружинным весам) непосредственно показывают значение измеряемой величины, а в электроизмерительных устройствах для той же цели предварительно необходимо посредством регулирования устройства создать электрическое равновесие (подобно весам е гирями).
Работа электроизмерительных приборов основана на использовании различных действий электрического тока. Магнитная стрелка вблизи проводника с током отклоняется, стремясь стать перпендикулярно направлению проводника, то есть так, чтобы ее магнитное поле совпало по направлению с магнитным полем проводника, и обратно: проводник с током, а тем более катушка, обтекаемая током, будет стремиться повернуться в магнитном поле так, чтобы направление ее собственного магнитного поля совпало с направлением основного магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом.
Отклоняющая сила в этом случае зависит от силы тока в проводнике, а направление ее — от направления тока (правило левой руки). Указанное явление использовано в приборах магнитоэлектрической системы (рисунок 1), в основном состоящих из постоянного стального магнита подковообразной формы
(т) и катушки (s), вращающейся между его полюсами; ток в катушку подводится через две спиральные пружины, закручивание которых создает силу, противодействующую вращению катушки. Приборы этой системы отличаются большой точностью показаний и высокой чувствительностью, благодаря чему они широко используются в качестве лабораторных приборов и чувствительных гальванометров (смотрите гальванометр), а также в качестве щитовых приборов постоянного тока. Так как отклоняющая сила в этих приборах зависит от направления тока, то они пригодны только для постоянного тока, что является их существенным недостатком.
Если поместить рядом с катушкой, обтекаемой током, кусок железа (А), то последний будет втягиваться катушкой (В) тем сильнее, чем больше сила тока.
На этом принципе основано устройство электромагнитного прибора с плоской катушкой (рисунок 2). Электромагнитное действие тока может быть использовано в электроизмерительном приборе и несколько иначе: если внутрь катушки
поместить два листа мягкого железа, из которых один закреплен на месте {А), а другой приспособлен для вращения (В) и связан со стрелкой, то, когда ток будет проходить по катушке, оба
листа железа намагнитятся, и их одноименные полюса будут отталкиваться, вследствие чего подвижная система будет отклоняться. Этот принцип использован в электромагнитном приборе с круглой катушкой (рисунок 3). В том и другом типе электромагнитного прибора направление отклоняющей силы не зависит от направления тока, следовательно электромагнитные приборы пригодны для постоянного и для переменного тока. Благодаря отсутствию подвода тока в подвижную систему и простоте устройства, электромагнитные приборы исключительно выносливы к перегрузкам током; согласно Союзного стандарта (ОСТ 5236) электромагнитные амперметры должны выдерживать в течение 5 секунд 10-кратную перегрузку током без каких бы то ни было повреждений. По этой причине большинство технических амперметров на распределительных щитах электрических станций и промышленных предприятий принадлежит к электромагнитной системе. Однако, большой точностью и чувствительностью эти приборы не обладают и для точных измерений не применяются.
Два проводника, по которым проходит ток, притягиваются при одинаковом направлении тока и отталкиваются при различном направлении тока;
е
Рисунок 4.
на этом принципе основано устройство электродинамических приборов; в них имеются две катушки (рисунок 4), одна неподвижная (Л), а другая подвижная (В). Когда по катушкам проходит ток, то подвижная катушка стремится стать так, чтобы направление ее магнитного поля совпало с направлением поля неподвижной катушки. Ток в подвижную катушку подводится через две спиральные пружинки, они же создают противодействующий вращению момент.
Направление действия крутящей силы не изменяется, если ток изменяет направление одновременно в обеих катушках, следовательно — приборпригоден для постоянного и переменного токов. Магнитное поле в электродинамическом приборе создается в воздухе, вследствие чего оно относительно очень слабо, а благодаря этому прибор очень чувствителен к внешним магнитным влияниям; кроме того, прибор плохо переносит перегрузки и относительно дорог. По всем этим причинам электродинамические приборы используются главным образом в качестве контрольных и лабораторных приборов переменного тока; в этом случае они поверяются при постоянном токе путем сличения с магнитоэлектрическими приборами или по способу компенсации (смотрите ниже).
Металлическая (в частности в приборах — платиноиридиевая) проволока удлиняется при прохождении тока вследствие нагревания, это удлинение с помощью системы передач и блока может быть использовано для измерения тока (смотрите XII, 463). Основанный на этом принципе тепловой прибор пригоден для измерения постоянного и переменного тока, включая сюда и переменный ток высокой частоты. Тепловой прибор очень плохо переносит перегрузки и : не особенно точен, благодаря чему применение этих приборов в настоящее время ограничивается радиотехническими установками и специальными лабораторными измерениями.
Переменный ток, проходя через катушку, создает переменное магнитное поле с постоянным направлением оси поля в пространстве (пульсирующее магнитное поле). Если две катушки расположены в пространстве под некоторым углом, то два несовпадающих по фазе переменных тока, проходя по этим катушкам, создадут в пространстве между последними результирующее магнитное поле, направление которого будет непрерывно меняться; это будет вращающееся магнитное поле. Алюминиевый цилиндр (Т) или диск, снабженный осью, во вращающемся магнитном поле будет стремиться вращаться вслед за полем благодаря токам Фуко, наводимым в алюминии при пересечении его магнитными линиями вращающегося поля. На этом принципе основаны индукционные приборы переменного тока
(рисунок 5). Эти приборы хорошо выносят перегрузки, но неточны, — на их показания сильно влияют изменения температуры и колебания частоты переменного тока; поэтому индукционные при
боры употребляются главным образом в качестве ваттметров и счетчиков переменного тока для промышленных измерений.
Металлические пластинки, соединенные с разноименными полюсами источника тока, заряжаются разноименными
зарядами, благодаря чему начинают взаимно притягиваться. Это явление испом зовано в электростатических вольтметрах (рисунок 6), в которых неподвижные пластинки соединяются с одним полюсом источника тока, а подвижные пластинки, соединенные со стрелкой, с другим полюсом. Противодействующий момент создается пружиной. При одновременном изменении знака заряда обеих пластин направление действия силы не изменяется, следовательно электростатический вольтметр пригоден для измерения постоянного и переменного напряжений. Крутящий момент в этом приборе пропорционален квадрату напряжения; поэтому электростатический вольтметр для низких напряжений, в целях усиления крутящего момента, вместо одной пары пластин снабжается рядом подвижных пластин, входящих между рядом неподвижных пластин (многокамерный вольтметр). Тем не менее, крутящий момент (в приборах на напряжения ниже 1.000 вольт) относительно слаб, а подвижная система относительно очень тяжела, что в общем делает прибор хрупким и мало пригодным для практических условий.
Основное преимущество этого прибора заключается в том, что он относительно просто может быть построен для приключения непосредственно к высокому напряжению; второе достоинство электростатического вольтметра— это то, что он практически совершенно не потребляет энергии, благодаря чему он применяется для таких измерений, при которых вольтметр не должен потреблять энергию, чтобы не нарушать ход явления.
В электроизмерительном приборе, кроме крутящего момента, необходим противодействующий момент, без чего стрелка прибора не могла бы принять определенное положение на скале, а под действием даже небольшого крутящего момента отклонялась бы за конец скалы прибора. В большинстве электроизмерительных приборов противодействующий момент создается пружиной из фосфористой бронзы, реже для противодействующего момента используется сила тяжести и в очень немногих приборах (в некоторых типах фазометров и омметров)—электромагнитная сила.
Чтобы стрелка приняла достаточно быстро определенное положение на“ скале, а не колебалась длительно около положения равновесия, подвижная часть прибора снабжается успокоителем — приспособлением, тормозящим колебания подвижной части прибора. В настоящее время применяются воздушные и магнитные успокоители. Воздушный успокоитель состоит из поршня К (рисунок 2 и 4) или крыла К (рисунок 3), связанного механически с подвижной системой и движущегося в закрытом цилиндре или камере; трение о воздух этого поршня поглощает силу инерции подвижной части электроизмерительного прибора и тем успокаивает ее колебания. Магнитный успокоитель состоит из связанного с осью подвижной части алюми-миниевого сектора, вращающегося между полюсами постоянного магнита (рисунок б); при движении между полюсами постоянного магнита в алюминии наводятся токи Фуко; последние, взаимодействуя с полем постоянного магнита, тормозят колебания подвижной части прибора.
Подвижная часть прибора опирается двумя стальными концами осей на два подпятника; в последних опорой конца оси служит маленький, выточенный в виде миниатюрной чаши, драгоценный камень — в большинстве случаев агат. При неисправном состоянии концов осей или камней может получиться заедание в подпятниках, что можно обнаружить путем легкого постукивания по крышке прибора. Для устранения влияния силы тяжести на показания прибора подвижная система последнего должна быть уравновешана по отношению к своим точкам опоры; это осуществляется при помощи специальных грузиков, укрепляемых на подвижной части. Стрелка правильно уравновешанного прибора без тока не должна значительно смещаться с нуля при любых положениях скалы.
В зависимости от назначения электроизмерительные приборы разделяются на технические и точные (так называемые „прецизионные“), последние в свою очередь разделяются на контрольные и лабораторные. От технических приборов требуются прочность, дешевизна и простота применения, их точность имеет второстепенное значение. Характерным внешним признакомточных приборов является зеркальная скала,—зеркало, помещенное под стрелкой рядом со скалой и служащее для устранения зависимости отсчета показания прибора от положения глаза наблюдателя (погрешности параллакса).
Выбор системы электроизмерительного прибора зависит от специальных условий данного измерения; некоторое сравнение систем приборов в отношении точности и стоимости дает составленная по Кейвату таблица;

№№

Род прибора и система

Точность В °/о

Цена в германских марках

1

Электромагнитные А, V

1

ок. 40

2

Магнитоэлектрические А, У

1

50

3

Резонансные f

0,5

„ 100

4

Тепловые А, Y

1,5

» 100

5

Индукционные А,У

2,5

„ 125

6

Элек(родйпамические А

1

п 160

7

Индукционные W

2

юо

8

Магнитоэлектрические точ-

0,25

180

9

ные А, V

Электростатические V

2,5

„ 200

10

Электродинамические W

1

„ 225

11

Электромагнитный вольтметр с измерительным трансформатором на 6 kv

1.5

„250

12

Стрелочные частотомеры

1

- 275

13

Электродинамические точные W

0,25

» 275

14

Электродинамические соз <е

1

„325

в

зависимости от целей измерения

Электроизмерительной системе

при-

дается та или иная конструктивная форма, отображающая требования данного измерения и особенность включе-чения данного измерительного прибора. Простейшую конструктивную форму имеют амперметры и вольтметры.
Амперметр (смотрите XII, 460 ел.) служит для измерения силы тока, он включается в цепь измерения последовательно, и через него проходит вест, измеряемый ток (рисунок 8) или определенная часть этого тока. Изготовляются амперметры всех выше перечисленных систем, кроме, конечно, электростатической. В ряде случаев технически затруднительно изготовить амперметр, рассчитанный на вей силу тока измерения, в таких случаях применяется шунтирование амперметра. Параллельно амперметру в цепьвключается известное малое сопротивление—шунт (рисунок 7; ср. XII, 456); по закону разветвления токов В : 1ш== Вш : йи измеряемый ток 1=1 к +/ш; в таких условиях сила тока в амперметре ii составляет только небольшую
Ряс. 7.
определенную долю измеряемого тока, на основании измерения которой определяется вся сила тока 1. У технических амперметров, предназначенных для работы с определенным шунтом, деления скалы размечаются для всей силы тока 1 вместо фактически измеряемой В —силы тока в амперметре; таким образом устраняется необходимость для определения 1 умножать показания прибора на какие-либо коэффициенты. Для точной работы шунтированного амперметра необходимо постоянство отношения сопротивления амперметра к сопротивлению шунта Вш; для того, чтобы достичь постоянства сопротивления шунта, последний изготовляется из специальных сплавов, сопротивление которых почти не изменяется с изменением температуры. Лучшим и наиболее распространенным из этих сплавов является манганин (сплав из 84% меди, 12°/0 марганца, 4% никкеля). Шунтами снабжаются только амперметры магнитоэлектрической и тепловой систем.
Вольтметр елужит для измерения напряжения, он приключается между теми точками электрической цепи, напряжение между которыми должно быть измерено, то есть параллельно объекту измерения (рисунок 8). Измерительная система вольтметра всегда соединяется последовательно с добавочным сопротивлением, помещаемым как внутри кожуха прибора, так и снаружи. Добавочное сопротивление не должно изменяться с изменением температуры, поэтому оно изготовляется из манганина или константана (сплав 57% меди, 43% никкеля).
Ваттметр служит для измерения мощности; он имеет две измерительные цепи, из которых „токовая“ цепь включается последовательно, как амперметр, а цепь напряжения, содержащая добавочное сопротивление, приключается параллельно, как вольтметр (рисунок 8). Так как в ваттметре крутящий
Рисунок 8.
момент, действующий на подвижную часть прибора, должен быть пропорционален произведению напряжения и силы тока (их мгновенных значений при переменном токе), то для ваттметра могут быть применены только те системы электроизмерительных приборов, в которых крутящий момент создается в результате совместного действия двух токов и в которых он пропорционален произведению этих токов; следовательно, для целей измерения мощности могут быть использованы только электродинамическая и индукционная системы приборов. В электродинамических ваттметрах неподвижная катушка служит токовой цепью прибора, то есть включается последовательно как амперметр, а подвижная катушка, соединенная последовательно с добавочным сопротивлением, служит цепью напряжения прибора и приключается параллельно, как вольтметр. В индукционном ваттметре одна пара катушек служит токовой цепью прибора, а другая пара—цепью напряжения, причем во второй паре катушек с помощью специальной схемы осуществлен 90°-ный сдвиг по фазе тока в катушках по отношению к напряжению на зажимах прибора; это нужно для того, чтобы крутящий момент в ваттметре, создаваемый вращающимся полем, был пропорционален коэффициенту мощности (cos Д.
Для измерения мощности трехфазного тока при равномерной нагрузке фаз можно пользоваться одним ваттметром, цепь напряжения которого приключается через искусственную нулевую точку а токовая цепь вклю-
Рисунок 9.
чается в один из линейных проводов (рисунок 9). Для измерения мощности трехфазного тока при неравномерной нагрузке фаз в установках без нулевого провода применяется способ двух ваттметров (способ- Арона), схема соединений при пользовании которым показана на рисунке 10, а в установках с нуле-
Рисунок 10.
вым проводом применяется способ трех ваттметров (рисунок 11). В обоих этих слу-
Глс. 11.
чаях для технических измерений ваттметры объединяются в один прибор, в котором две или три измерительныесистемы действуют на общую ось и стрелку; такой ваттметр трехфазного тока показывает сразу всю мощность трехфазной установки. Он имеет число зажимов соответственно числу составляющих его ваттметров.
Электрические счетчики служат для измерение электрической работы
Электрические счетчики служат для измерения электрической работы, которая равна произведению мощности на время. Счетчики включаются в цепь так же, как ваттметры.
Электродинамический счетчик служит для измерение энергии
Электродинамический счетчик служит для измерения энергии (работы)по-стоянноготока,он представляетсобой по существу миниатюрный двигатель постоянного тока. Рабочий ток проходит в счетчике через две неподвижные катушки (рисунок 12) и создает основное магнитное поле счетчика. Между неподвижными катушками вращается
Рисунок 12.
якорь счетчика, состоящий не менее чем из трех катушек тонкой проволоки, соединенных в обмотку якоря. Ток в якорь подводится через серебряные щетки и коллектор. Якорь соединен последовательно с большим добавочным сопротивлением и вспомогательной катушкой (компенсатором трения). Для поглощения механической работы якоря—для торможения—на якоре счетчика помещен алюминиевый диск, вращающийся между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие тока в якоре, пропорционального напряжению сети, и рабочего тока в неподвижных катушках создает крутящий момент якоря, пропорциональный мощности, потребляемой в сети; вращение диска междуполюсами постоянного магнита вызывает токи Фуко в диске, последние лее, взаимодействуя с полем постоянного магнита, создают тормозящий момент, пропорциональный оьружной скорости диска, а.следовательно,—и числу оборотов якоря в единицу времени. Приуста-новившиейся скорости вращения якоря крутящий и тормозящий моменты равны, следовательно—число оборотов якоря в единицу времени пропорционально мощности, потребляемой в цепи, а все число оборотов за данный промежуток времени пропорционально электрической работе, потребленной в контролируемой нагрузке за этот промежуток времени. Обороты якоря, через посредство червячной передачи и системы шестерен, приводят в действие счетный механизм, который показывает произведенную работу непосредственно в киловаттчасах (иногда в гектоваттчасах). Вспомогательная катушка, взаимодействуя с якорем, создает дополнительный крутящий момент, который уравновешивает момент сил трения якоря в подпятниках и в счетном механизме. При неточности работы счетчика его можно регулировать посредством перемещения постоянного магнита.
Индукционный счетчик служит для измерения энергии переменного тока. Основными частями счетчика являются два электромагнита: один из них имеет П—образную форму, он снабжен обмоткой из толстой проволоки, по которой проходит рабочий ток; второй электромагнит имеет е—образную форму, на нем помещена обмотка напряжения из тонкой проволоки. Вращающееся магнитное поле, создаваемое совместным действием магнитных полей обоих электромагнитов счетчика, вызывает в алюминиевом диске токи Фуко и создает действующий на диск крутящий момент, пропорциональный мощности переменного тока. Тормозящий момент создается, так же как в электродинамическом счетчике, действием на тот же диск постоянного магнита. Вращение якоря через червячную передачу приводит в действие счетный механизм. Индукционный счетчик регулируется путем смешения постоянного магнита.
Счетчики трехфазного тока представляют собой соединение в общем кожухе, с общей осью и общим счетным механизмом двух или трех счетчиков; включаются они так же, как ваттметры трехфазного тока.
Частотомеры служат для измерения частоты переменного тока, то есть числа периодов переменного тока в секунду. Наиболее употребителен резонансный частотомер (рисунок 13). Этот прибор
Рисунок 13.
заключает в себе электромагнит, через катушку которого проходит измеряемый переменный ток; создаваемое последним переменное магнитное поле то сильнее, то слабее притягивает к себе укрепленную на упругих стальных полосках железную пластину, в результате чего последняя начинает дрожать соответственно частоте переменного тока. На этойполосе помещен ряд стальных язычков; благодаря дрожанию своего железного основани я они также начинают дрожать, но большой размах получают колебания только того язычка, собственная частота которого равна частоте переменного тока. Чтобы сделать эти колебания более заметными, концы язычков отогнуты и окрашены белой краской. Частотомер приключается параллельно, то есть так же, как вольтметр.
Омметры употребляются, гл. обр., для измерения сопротивления изоляции. Так как значения этого сопротивления обычно очень велики, то омметры градуируются в миллионах ом (мегомах). Внешний вид одного из омметров и его внутренняя схема соединений показаны на рисунке 14 а и b. Основными частями омметра являются: магнитоэлектрическая
Рисунок 14а.
машина — индуктор (М), приводимая во вращение от руки, затем соединенный последовательно с ней измерительный прибор, проградуированный в мегомах (мй), добавочные сопротивления и измеряемое сопротивление В.г. При измерении сопротивления изоляции один за-
жим омметра соединяется с испытуемым проводом (зажим К на рисунке Ш, а другой с землей (зажим Е ). Сопротивление изоляции—величина непостоянная, достаточно знать ее приближенное значение, поэтому от омметров большой точности не требуется.
В установках высокого напряжения измерения производятся при посредстве измерительных трансформаторов. Последние необходимы, гл. обр., для того, чтобы отделить электрический измерительный прибор от сети высокого напряжения. Амперметр, например, можно было бы включить последовательно в провод линии высокого напряжения. но не только прикосновение, адаже приближение к включенному таким способом амперметру было бы опасно для. жизни обслуживающего персонала. В измерительных трансформаторах между первичной обмоткой, находящейся под высоким напряжением, и вторичной, соединенной с измерительным прибором, существует только магнитная связь, так же как в силовом трансформаторе. Так. обр., измерительный прибор оказывается совершенно отделенным от высокого напряжения; кроме того, для устранения возможности появления на вторичной обмотке трансформатора высокого напряжения по отношению к земле, вторичная цепь измерительного трансформатора в одной точке соединяется с землей — „заземляется“. В зависимости от назначения измерительные трансформаторы разделяются на трансформаторы напряжения, служащие для измерения напряжения, и трансформаторы тока, служащие для измерениясилы тока. Трансформатор напряжения (рисунок 15) приключается параллельно к Точкам, напряжение между которыми нужно измерять; ко вторичной обмотке его параллельно между собой приключаются измерительные приборы,— например вольтметр и цепь напряжения счетчика. Первичная обмотка имеет большое, а вторичная малое число витков.
Напряжения в трансформаторе относятся как числа витков соответствующих обмоток. Трансформатор напряжения рассчитывается так, чтобы при номинальном первичном напряжении он давал вторичное напряжение 100 вольт. Так. обр., благодаря трансформатору напряжения, измерение высокого напряжения сводится к измерению низкого напряжения и умножению результатов на коэффициент трансформации. Условия работы трансформатора напряжения соответствуют холостому ходу силового трансформатора.
Трансформатор тока (рисунок 16) включается в цепь последовательно, обычно он имеет малое число витков в первичной обмотке (иногда только один виток)
и значительно большее во вторичной; токи в трансформаторе относятся обратно пропорционально числу витков; так. обр., в цепи вторичной обмотки трансформатора тока, отделенной от высокого напряжения, измерение ведется при относительно малых силах тока
Рисунок 16.
(нормально 5 ампер при полной нагрузке трансформатора с первичной стороны). Помимо точности коэффициента трансформации от трансформатора тока требуется прочность — устойчивость в отношении коротких замыканий. Измерительные приборы включаются во вторичную цепь трансформатора тока последовательно. Цепь напряжения счетчика или ваттметра приключается к вторичной обмотке трансформатора напряжения, а токовая цепь счетчика или ваттметра замыкается на вторичную обмотку трансформатора тока (рисунок 17); в этом случае показа-
Рисунок 17.
ния счетчика или ваттметра нужно умножать на коэффициенты трансформации обоих измерительных трансформаторов.
Точность измерения, даваемая электроизмерительными приборами, в рядеслучаев оказывается недостаточной; далее — сами электроизмерительные приборы должны быть проверены в условиях, гарантирующих высокую точность измерения; наконец, ряд электрических величин не может быть измерен непосредственно по показаниям электроизмерительных приборов. В подобных случаях приходится обращаться к сравнению измеряемой величины или показаний поверяемого прибора с эталоном измеряемой величины, то есть с вещественным образцом единицы измерения. Это сравнение производится при помощи тех или иных измерительных устройств.
В настоящее время основными эталонами для электрических измерений являются эталоны сопротивления и эталоны электродвижущей силы. .Первичным” эталоном сопротивления является ртутный эталон электрического сопротивления. Он представляет собой наполненную чистой ртутью, строго калиброванную (то есть имеющую строго равномерное сечение) стеклянную трубку, концы которой вставлены в два шарообразных стеклянных сосуда, также наполненных ртутью; в эти сосуды впаяны платиновые проволочки, служащие для включений эталона в измерительную цепь. Ртутный эталон применяется только для сравнения с ним вторичных эталонов. Такие сравнения производит в СССР Всесоюзный институт метрологии и стандартизации в Ленинграде (бывшая Главная палата мер и весов). Вторичные эталоны, служащие для точных лабораторных измерений, изготовляются в виде катушек из манганина; такие катушки известны под названием нормальных сопротивлений (рисунок 18). Эталон сопротивления должен иметь четыре зажима для устранения влияния переходных сопротивлений контактов по отношению к цепи измерения; из них два зажима служат для включения эталона
Рисунок 18.
в цепь тока, а два другие для измерения падения напряжения на эталоне. Особенно важно наличие четырех зажимов для эталонов малого сопротивления.
Для измерений, допускающих меньшую точность, вторичными эталонами служат магазины сопротивлений штепсельного (рисунок 19) и рычажного типа
Рисунок 19.
(рисунок 20). Эти магазины представляют собой ряд катуше с сопротивления в общем ящике; кату лки вводятся в цепь при помощи систзмы штепселей или рычажных контактов. Для устранения мешающего влияния самоиндукции, катушки сопротивлений наматываются бифилярно, однако катушка, намотан
ная бифилярно, обладает значительной емкостью; поэтому сопротивления, служащие для точных измерений переменного тока, наматываются более сложным образом в целях устранения как самоиндукции, так и емкости (обмотка по Шапейрону или обмотка по Вагнеру и Вертгеймеру).
В качестве эталонов электродвижущей силы применяются нормальные
Элементы Вестона. При тщательном изготовлении электродвижущие силы отдельных нормальных элементов Вестона отличаются друг от друга не больше чем на 0,01 милливольта. 0 изменением температуры электродвижущая сила нормального элемента несколько изменяется, но эти изменения с большой степенью точности могут бы1 учтены при помощи формулы;
Ei=1,0183 — 4,06 10“6 (t — 20°) —
— 0,95 10~h (t — 20°)3 + 1 10“8 (t — 20°)s.
При 20° электродвижущая сила нормального элемента Вестонα= 1,0183 | вольта.
Электроизмерительные устройства служат
Электроизмерительные устройства служат, гл. обр., для точных измерений электрических величин путем сравнения последних с соответствующими эталонами. Особенно точными являются электроизмерительные устройства, работающие но так называемому нулевому методу. Сущность последнего заключается в том, что измеряемая вели-чинаопределяетоя на основании отсчета значений известных регулируемых величин при равновесии измерительного устройства, что соответствует отсутствию тока в определенной ветви устройства.
Характерным измерительным устройством является мостик Уитстона, употребляемый для сравнения сопротивлений. Его принципиальная схема дана на рисунке 21; как видим, мостик соста-
вляется из четырех сопротивлений: /»’, Ае2, Их и Rv, называемых часто плечами мостика, из чувствительного гальванометра G и источника тока. Равновесие мостика Уитстона наступает при
R, Rx
отношении сопротивлении:
Для целей измерения мостик составляется из трех известных регулируемых сопротивлений и одного неизвестного, измеряемого сопротивления. Техническая форма мостика, составленного согласно рисунок 21, это декадный мостик Уитстона (рисунок 22), в котором
Рисунок 22.
регулируемые сопротивления /е, и R-z могут принимать значения: 10,100,1.000, 10,000 —то есть значения целых степеней 10. На место Rs включается измеряемое сопротивление Rx, а на место Ri — известное сопротивление R, которое можно регулировать в относительно широких пределах (обычно это штепсельный или рычажный магазин сопротивлений). При уравновешенном мо-R j
стике Mr=j, R, и для определения Ихдостаточно умножить или разделить R на единицу с нулями. Для ряда измерений, требующих меньшую точность, применяется более простой и дешевый проволочный мостик Уитстона; в нем сопротивления jK, и заменены одной тонкой калиброванной проволокой из манганина, называемой реохордом.
Для измерения сопротивления проводников второго рода, то есть проводников, разлагаемых действием постоянного тока, применяется мостик Коль-рауша,—это мостик Уитстона,питаемый переменным током звуковой частоты с телефоном на месте гальванометра. Мостик Уитстона, питаемый переменным током, употребляется также для измерения самоиндукции, взаимоиндукции и емкости. Мостик Уитстона для технической частоты (50 пер/сек) работаетс вибрационным гальванометром вместо телефона. Для измерения сопротивлений меньше 0,5 ома применяется двойной мостик Томсона.
Точные электроизмерительные приборы поверяются посредством сравнения их показаний со значением электродвижущей силы нормального элемента. Это сравнение производится при помощи измерительного устройства, носящего название компенсатора, или потенциометра. Компенсационный метод основан на сравнении электродвижущей силы, или напряжения, с падением напряжения в известномсопротив-лении. по которому проходит ток. Две электрические цепи при этом измерении соединяются так, чтобы падение напряжения на сопротивлении, входящем в одну цепь тока, уравновешивало электродвижущую силу, действующую во второй цепи, благодаря чему в последней ток становится равным нулю. Одна из принципиальных схем метода компенсации показана на рисунке 23. При
-оагигп В К
►ЧЛЛТЦГЦгЛАЛЛЛЛ I
-Л
%
G
Рио. 23.
правом положении переключателя (/, при отсутствии тока в гальванометре, электродвижущая сила нормального элемента уравновешивается падением напряжения в сопротивлении гп, еп== г гп, а при левом положении переключателя, при отсутствии тока в гальванометре, неизвестная электродвижущая сила ех=г Гх; на основании этого
Гхопределяется ех=еп Для измерения силы тока на место с.х включается нормальное сопротивление Нп, через которое пропускается получаемый от отдельного источника измеряемыйток lx; при отсутствии тока в гальвавп Тх. нометре lx= ~~
Для точных измерений переменного тока применяются электродинамические приборы, так как они пригодны для постоянного и для переменного тока. Они поверяются при постоянном токе с помощью компенсатора, а затем данные этой поверки используются для измерения переменного тока. Для специальных измерений векторных величин переменного тока применяются компенсаторы переменного тока.
Литература: Линкер, „Электротехнические измерения14 (1927); Базилевич, „Электротехнические измерения и приборы44 (1927); Шателен и Пономарев, „Лабораторные измерения по электротехнике44 (1932); Черданцев, „Электротехнические измерения44 (1931); Грун, „Электротехнические измерительные приборы“ (1932); его же, „Лабораторные измерения по электротехнике44 (1933). ,
А. Касаткин.
III. Электротехнические материалы. Разнообразие применяемых в современной Э. материалов черезвычайно велико. В основном их можно классифицировать следующим образом: 1) проводники электрического тока, 2) проводники магнитного потока, 3) изолирующие материалы, 4) строительные и крепежные материалы, не служащие специально ни для одной из указанных выше целей. Все Э. м. должны обладать высоким качеством и стандартностью, т. к. главным образом этими свойствами обеспечиваются огромные технические возможности современной Э. Так, например, развитие высоковольтной техники стало возможным лишь благодаря высоким качествам и однородности изолирующих материалов.
Проводники электрического тока. Основными материалами являются медь и алюминий.Физические и электротехнические свойства их показаны в следущей таблице:

Си

Электролитическая

Твердотянутая

Мягко-тянутая

AI

Удельн. ьес . .

8,88—$,75

8,93—8,949

8,93—8,94

2,58

гр см3

Удельн. соирот.. . .

0,01724

0,01734,

0,0175

0,03

а миллиметров3/м

Гем пер. коэфф

0,0428

— I

—

0,039

Темпер, плав л.,.. .

1057

1057

1057

057

с

Со трот. разрыву.. .

—

43—45

22—23

2—25

кг/см2

Удлин, при разрыве .

—

1

ДО 40

3

“/о

Теплопроводы

3,48—3,92

8.48—3,Й2

3,48-3,92

1,43

BaTT/°C CMS

Достоинства меди—большая проводимость, возможность применения пайки. Достоинства алюминия—легкость и дешевизна. В качестве проводников применяются еще: латунь (сплав меди с цинком) и различные бронзы (сплавы с оловом и другими металлами). Чаще всего встречаются: алюминиевая бронза (5,5—11,5% А1), применяемая для изготовления физических инструментов;
фосфористая бронза (0,5 — 1°, оР)—для изготовления телефонной проволоки кремнистая бронза (1,15% Sn и 0,05 Si)— для трамвайных контактных проводов.
I Для изготовления реостатов, сопротивлений и нагревательных приборов применяют сплавы большого сопротивления, из которых главнейшими, являются:

Н аз ванне

С о с т а в

Уд. вес гр/см3

Уд. с о и р.

(2 миллиметрове!м

Темпер, коэф ф.

Нейзильбер

Си, Ni, Zn

8,77

0,3

0,0 02—0,0007

Никелин .

Си, Ni, Zn

—

0,5

0,00028

Константин

Си, Ni, Mn

—

0,5

0,00003

Круппин .

Ni, Fe, C

8,1

0,85

0,0007

Манганин

Cu, Mn, Ni

8,4

0,4

0,000008

Ферро манганин. .

Си, Mn, Fe, Si

—

0,502

0,0 0015

Монель ..

Ni, Cu, Fe, Mn, Si

—

0,568

0,0008

Реотан

Cu, Fe, Zn, Mn

: 8,5

1,0

0,(0028

Нихром.

Ni, Cr

—

1,4

0,00022

В последнее время широко распространяется для изготовления телефонных проводов железо, в виде биметаллического провода. Эти провода состоят из железной жилы, покрытой снаружи медыо, латунью или другим металлом. Покрытие раньше производилось электролитическим путем, теперь оба металла сваривают. Преимуществополовинная стоимость по сравнению с бронзой.
Для изготовления нитей накала в электролампах применяют тугоплавкие металлы: вольфрам, осмий, рений (температура плавления 3200—3400°С). Для крючков, поддерживающих нить накала, а также для внутренних частей электронных ламп обычно применяют молибден (т-ра плавления 2450иС), не теряющий эластичности при нагреве.
Предохранители (плавкие) изготовляются из серебра (уд. сопротивление 0,0156 £ миллиметров31м, температурный коэфф. 0,0034) и свинца (уд. сопро г. 0,22 2мМ2/м, температурный коэфф. 0,0041). Из свинца же, как металла, не подверженного действию кислот, изготовляют части и соединения для аккумуляторов. Платина, благодаря своей твердости и неокисляемости (особенно в сплаве с иридием) идет для изготовления контактов в электрических приборах. Кроме того, из нее, благодаря ее пластичности, изготовляют нити для некоторых измерительных приборов (толщиной до 0,0Л миллиметров).
Кроме металлов, в качестве проводников электрического тока применяют уголь как материал для щеток к машинам, для микрофонов, для дуговых фонарей. В зависимости от назначения изделия состав угольной массы варьи-

Марка

Название

X

Хромистая сталь

Б

Вольфрамовая сталь

К/Н

К. о б а и ь т о в а я ( до 10°/0 Со)

К/С

„ (10-20% Со)

к/в

, (выше 2о% Со)

Применение железа в Э. особенно широко в области конструирования магнитопроводов. Кремнистая сталь поруется в широких пределах. Исходными материалами являются: ретортный уголь (остающийся при получении светильного газа), измельченный каменный уголь, кокс, сажа, графит. В качестве цементирующих веществ применяются каменноугольная смола, патока, фурфурол, фунузол, жидкое стекло. Щетки для машин изготовляются различной твердости (от 77 до-20 по склероскопу Шора), причем более твердые сорта допускают большую разность потенциалов, но скорее изнашивают коллектор (подробности см. Общесоюзный стандарт, ОСТ 1594). Части для микрофонов изготовляются из очень плотного угля. Угли для дуговых ламп, с целью большей устойчивости дуги, снабжаются .фитилями“, то есть внутри угля устраивается канал (1—3 миллиметров), заполняемый смесью иэ угольной пыли, жидкого стекла, фосфористокислого калия или магния. При изготовлении .пламенных углей, для окраски пламени в состав вводятся различные вещества (например фтористый кальций, стронций или барий).
Проводники магнитного потока. Основным материалом является железо и его модификации и сплавы. При изготовлении постоянных магнитов весьма валено значение остаточного магнетизма, остаточной интенсивности намагничивания и коэрцитивной силы. Обычно мерою служит произведение двух последних величин, которое не должно быть меньше 64.000, при коэрцитивной силе в 80 и интенсивности 800. Чем меньше углерода, тем меньше коэрцитивная сила. По стандарту ССОР различаются три марки магнитной стали:

Сила поля II

Остаточнаяиндукция

Вг

Коэрцитивная сила

»с

Максимальная магнитная энергиив г -Нся. эрг

в

гауссах

500

8.000

60

10.000

600

10.500

55

11.000

3.000

9.000

100

15.000

1.000

9.000

360

25.000

1.500

9.000

200

30,000.

своим магнитным свойствам занимает промежуточное положение между мягким железом и закаленной магнитнойсталью. Уд. вес 6.94-7,88. Сопротивление разрыву 100 кз/мм- Применяются следующие сорта:
Трансформаторное железо0— О.Ю°/0С; 1 - 2%Si;0.1°/0Mn Динамное железо Г 0—О,10°/оС; 0,7—l%Si; 0,3°/оМп
Дкнамное железо И 0—0,10°/оС;2—4°/0 Si; 0— 0Д°/оМп
Кремнистую сталь называют еще легированным железом. Марганцовая сталь тем более магнитна, чем меньше -содержание Мп (обычно 1—2%). Уд. вес 7,81 — 7,83. Сопротивление разрыву 65 75 килограмм(ммJ. Хромовая сталь (ок. 2°/0 Ci и 0,2°/0 Мп) имеет уд. вес 7,59—7,77-Сопротивление разрыву 72—73 килограмма/мм2-вольфрамовая сталь (2 —3% W и 0,1— 0,6% С) имеет сопротивление разрыву 53—90 килограмм/мм2. С увеличением содержания W магнитные свойства ухудшаются. Алюминиевая сталь (0,6—2,3°;» А1 и около 0.2°/о С), уд. вес 7,55—7,78. На магнитные свойства алюминий в пределах 3 -4% оказывает такое же влияние, как и кремний. Никкелевая сталь (5—30°/о Ni) имеет уд. вес 7,7—7,8. Сопротивление разрыву 67—90 килограмм/мм- Существует ряд более сложных сплавов (до 10 компонентов) под названиями: перминвар, пермелой, гиперник, сталь Круппа -сталь СССР, ниросталь и др.
Для тех частей магнитопроводов. в которых имеет место переменное пере-магничивание, применяют для уменьшения потерь листовую сталь (толщиной 0,35—0,5 миллиметров). По стандарту СССР различаются 3 сорта листовой электротехнической стали: сталь динамная (ст. Д), сталь динамная специальная (ст. С) и сталь трансформаторная {ст. Т). Подробности см. ОСТ 377.
Изолирующие материалы. В изолирующих материалах или диэлектриках помимо объёмного сопротивления (как в проводниках), различают еще поверхностное. Кроме сопротивления, свойствами, характеризующими данный диэлектрик, являются: электрическая крепость, диэлектрическая постоянная, диэлектрические потери, механическая прочность, гигроскопичность, стойкость при высоких температурах, кислотоупорность и др. Наиболее часто встречающейся изолирующей средой является воздух. Электрическая крепость воздуха определяется формулой
h (273-1-20) киловольт 21 760 (273-И) сантиметров ’
где h— давление ртутного столба в миллиметров, a t — т-ра в °С. При расстоянии между электродами в d сантиметров пробивное наггпряжение vnp — Vo
d3.
Удельноесопротивление воздуха над поверхностью земли составляет 5.10® MQ см.
Минеральные материалы-Наибольшее распространение получили фарфор, стекло, слюда и ее препараты. Для изоляторов применяется фарфор, содержащий 50°/о каолина, 250,о кварца и 25°/о полевого шпата. Прессование производится при давлении до 40кг см“. Поверхность изоляторов покрывается глазурью (смесь песка, мрамора, полевого шпата, мелкого каолина и магнезита). Пробивное напряжение составляет 85 кв /см. Диэлектрическая постоянная 4,4 5,4. Поверхностное сопротивление 10ш—10й Q/смК Сопротивление на разрыв ~ 300 килограмм/см3.
Стеклянные изоляторы изготовляются гл. обр. из бутылочн- стекла. Пробивное напряжение, в зависимости от сорта, 5,5—11,5 кв/мм. Диэлектрическая постоянная 6,96—9,9. Объемное сопротивление колеблется в зависимости от т-ры (наир., при 0°С 990.000 10 S/ел3, а при 60СС 784.10 2/ел3).
Слюда встречается во многих модификациях, различающихся по своему химическому составу. В Э. применяются гл. обр. мусковит и флогопит. Эл. прочность слюды колеблется в пределе от 14 до 42 кв 1мм. Диэлектрическая постоянная 2,5—6,7. В виду дороговизны слюды в больших кусках, обычно применяются ее препараты: миканит (кусочки слюды, склеенные лаком), мика-фолио (бумажная основа, на которую наклеен один слой слюды и покрыт лаком), микалекс (сплав слюдяного порошка со стеклом), амберит (подобный миканиту), меготальк (кусочки слюды, склеенные лаком и спрессованные в изделия), миканитовое полотно, мика-нитовая бумага и так далее область применения: изолирующие прокладки для коллекторов, трубки для изоляции впадин электромашин, прокладки между проводниками, втулки и так далее
Мрамор (СаС03), шифер, серпентин применяются для изготовления распределительных щитов, крышек для реостатов и так далее Отличаются (особенно мрамор) большой гигроскопичностью и хрупкостью. Эл. прочность 1,5—3 КВ 1мм. Для несгораемой изоляции применяют асбест(3 Mg-0-2Si 03 2Н..0) и его препараты. Объемное сопротивление 0,16 MQ см. Пробивное напряжение 0,8—2,8 кв /мм. Весьма гигроскопичен. Количество известных препаратов асбеста весьма велико (свыше 100 названий).
Каучук и его препараты. Уд. вес 0.914. Пробивное напряжение 24 кв 1мм. Уд. сопротивление колеблется от 3- 10s до 50- 10s ЛШ см. К чистому каучуку для его удешевления добавляют ся различные вещества, как то: различные краски, воск, нараффин, глет, магнезия и ряд сложных органических препаратов. Резиновая масса не отличается прочностью, и поэтому ее вулканизируют путем обработки серой. Твердый вулканизированный каучук носит нагшвксэбонита и применяется для изготовления изолирующих стержней, труб, листов, плит и фасонных изделий. Эл. прочность эбонита 24 -34 кв/мм, поверхностное сопротивление 5-107—9-107Ж2. Мягкий вулканизированный каучук применяется для изолирования проводов и изготовления изолирующих перчаток и ковров. Имеется большое количество препаратов, представляющих смеси каучука с различными веществами (озокеритом, окисью цинка, параффином, асбестом и так далее). В настоящее время каучук изготовляется также синтетическим путем из нефти. К материалам, подобным каучуку и служащим в Э. для тех же целей изоляции проводов, относится и гуттаперча.
Смолы и в о с к и. Естественные смолы (копалы, элеми, мастика, сандарак, канифоль, шеллак, даммара, терпентин) применяются для изготовления изолирующих лаков. Битуминозные смолы служат для изготовления компаундных масс для заливки кабельных муфт и так далее Воски бывают: животные (пчелиный, жиропотовый, спермацет), растительные (карнаубский) и нефтяные (озокерит). Применяются для изоляции (боксовые массы для заливки телефонных коробок, конденсаторные заливки и так далее), для пропитки дерева, бумаги, пряжи. Искусственные смолы получаются в результате конденсации и полимеризации некоторых органическихвеществ. Главнейшими являются: глип-таль, фенольноальдегид и кумарон.
Путем обработки фенольноальдегида иолучается 2 весьма важных вещества—бакелит и карболит, встречающихся под самыми разнообразными названиями. Для бакелита: эл. крепость 21 — 59 кв/им, объёмное сопротивление 10—106 MQ/см3, поверхностное — 9 103MQjcM3, диэлектрическая постоянная 4,5—7,0. Для карболита: эл. крепость 4,5—14,6 кв [мм, объёмное сопро. тивление 13 10s -5.45 107 Ж2/с.«з, поверхностное -3,4-105—4,6- 10771/Q/f.c«- Оба эти, вещества хорошо обрабатываются и служат для изготовления труб, штанг изоляторов и др. фасонных частей.
Продукты целлулозы. В лаковом! производстве применяют нитро-целлулозу, бензил-целлулозу и этил-целлулозу. Продуктом ацетил-целлулозы является целлон, применяемый для рукояток, пластин, трубок и так далее Эл. крепость его 28 кв.«.«. Дерево в сухом состоянии обладает эл. крепостью-12 кв/мм, которая сильно падает при наличии влаги. Применяется в пропараф-финенном или промасленном состоянии (для трансформаторов). Электрические и механические свойства весьма различны для разных пород.
В о и о к и и с т ы е материалы. Сюда относятся: пряжа,ткани, бумага,картон. Для изготовления пряжи служат волокна ряда растений, а также шелк и синтетическое волокно. Обычно для изоляции проводов применяется нспропи-танная или пропитанная (маслом, лаками, смолами) хлопчатобумажная.; нряжа, располагаемая в один или несколько слоев. Применяемые №№: 60,100-и 160. Шелк применяется для изоляции очень тонких проводов. Ткани, (хлопчатобумажные и льняные) применяются непропитанными и пропитанными. Число сортов и названий, весьма велико. Наиболее известными являются: кембрик, миканитовое полотно, тесьма, прорезиненная лента. Бумага лучшего сорта изготовляется из льняного и хлопкового тряпья. Применяется для изоляции кабелей, обмоточных проводников, конденсаторов. Пропитывается параффином, воском и различными лаками. Прессованные волокнистые материалы (картон) ветречаются под названием пресшпана, толщиной от 0Д0 до 5,0 миллиметров. Эл. крепость 9—13 кв (мм, диэлектрическая постоянная—0,4. Пресшпан встречается под самыми разнообразными названиями (пилит, элефантид, электроза и тому подобное.).
Путем перевода хлопка в коллоидальное состояние изготовляется фибра, имеющая меньшую гикроскопичность, чем картон, и допускающая механическую обработку.
Ж и д к о с т и. Трансформаторное масло-продукт перегонки нефти, применяется для заливки трансформаторов, реостатов, выключателей и так далее Уд. вес не более 0.92 при 15°С. Пробивное напряжение 12 кв/лиг. Не должно содержать влаги (максимум 0,01%). Перед заливкой должно быть просушено длительным нагреванием. Диэлектрическая постоянная — 2,2-2.5. Из других жидкостей, применяемых гл. обр. для изготовления лаков и для пропитки тканей, можно назвать: алкоголь, бензол, бензин, ацетон, льняное масло, олифу, смоляное масло, параффиновое масло, вазелиновое масло, древесное масло. Широкое применение в Э. имеют лаки, то есть материалы, представляющие растворы каких-либо веществ в соответствующих растворителях и образующие при высыхании слой, непроницаемый для воды, воздуха и др. реагентов. Растворимыми материалами являются: копалы, канифоль, масла, жирные вещества, синтетические смолы, асфальт, битумы. целлулоза, каучук, гуттаперча. Растворителями: эфир, спирт, бензин, масло, скипидар, вода, бензол, хлороформ, четыреххлористый углерод, ацетон, сероуглерод. Лаки спиртовые и эфирные наносятся кистью, а масляные и синтетические погружением. Эл. крепость лаков колеблется для масляных в пределах 6,7—36,7 кв/мм, для спиртовых 2,5—23 кв миллиметров.
Строительные и крепежные материалы. Здесь применяются гл. обр. различные стали (магнитные или немагнитные, в зависимости от назначения детали), бронзы и дерево (пропитанное и непропитанное) В прежнее время широко применялись чугунные отливки. Сейчас наблюдается большое стремление заменять их повсюду сваренными деталями, обладающими мень
шим весом, большей легкостью и надежностью изготовления и меньшей стоимостью. Что касается вспомогательных деталей (заклепки, болты, винты, гайки и так далее), то они ничем не отличаются от применяемых в общем машиностроении.
10. Чечет.
IV. Электрические машины. История развития Э. м. В 1831 г. Фарадеем был открыт принцип электромагнитной индукции, на котором основано устройство всех Э.м. Первые источники тока обладали подковообразными стальными магнитами, относительно которых с помощью постороннего двигателя вращался железный „якорь“, снабженный обмоткой из медной проволоки. Первое техническое применение таких так называемым „магнито электрических машин имело место в 1857 г. в Брюсселе, где Ноллет и ван-Малдерен оборудовали установку для освещения сигнальных башен. Ток, даваемый этими машинами, был переменный. Существенное улучшение в конструкцию магнитоэлектрических машин внес Вернер Сименс в 1856 г. благодаря изобретенному им якорю, имеющему форму двойного Т и состоящему из продолговатого железного цилиндра с двумя глубокими продольными впадинами для укладки проводников. Якорь вращался между полюсами нескольких плоских подковообразных магнитов. Такие машины и до настоящего времени сохранили свое значение в качестве источников слабого переменного тока (индукторы втелегра-фии, магнето для двигателей внутреннего сгорания). Дальнейшим усовершенствованием явилось у.тройство пластинчатого коллектора для выпрямления индуктируемого в якоре пеое-менного тока в постоянный. Первая обмотка с коллектором, так называемым кольцевая, была предложена Пачинотти в 1860 г., но вскоре это изобретение было забыто. Сименс показал, что Э. м. обладает свойством обратимости, то есть при питании ее током от постороннего источника она становится способной совершать механическую работу в качестве двигателя. В 1867 г. тот же Сименс построил динамо-электрическую машину, которая в отличие от магнито-электрической имела не постоянные магниты.
а электромагниты, возбуждаемые током самой же машины (принцип самовозбуждения). В 1870 г. Грамм вторично изобрел кольцевую обмотку е коллектором. В 1872 г. конструктор фирмы Сименс и Гальске, Гефнер-Альтенек, предложил вместо кольцевого барабанный якорь, у которого проводники располагались лишь на наружной поверхности и который применяется и в настоящее время. Дальнейшим крупным шагом было изобретение в 1«85 г. Ципер-новским, Дери и Блати трансформатора, служащего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный же ток другого напряжения. В 1891 г. Доливо-Доброволь-ским был создан трехфазный асинхронный двигатель, основанный на принципе вращающегося магнитного поля, открытом Феррарисом и Тесла в 1888 г. С начала нынешнего столетия широко развивается применение для привода Э. м. паровой турбины, и возникает особый тип быстроходной Э. м.. так называемым турбогенератор. Дальнейший прогресс в области электромашиностроения сводился к установлению точной теории, методов расчета, повышению мощности отдельных единиц, повышению мощности, приходящейся, на единицу веса, повышению рабочего напряжения и наиболее рациональным конструкциям
Классификации Э. м. По назначению все Э. м. можно разделить на: генераторы электрической энергии (преобразующие механическую энергию в электрическую), электродвигатели (преобразующие электрическую энергию в механическую) и преобразователи (преобразующие электрическую энергию одного вида в электрическую же энергию другого вида). Такая классификация, однако, не всегда удобна, т. к. к одному и тому же типу здесь относятся машины совершенно различного устройства. Поэтому более удобным является разделение Э. м. по принципу устройства на машины постоянного тока и машины переменного тока, причем последние, в свою очередь, разделяются на: синхронные машины, трансформаторы, асинхронные машины, коллекторные машины и вращающиеся преобразователи. К Э.м. обычно относяти ртутные выпрямители, хотя они не основаны, на принципе .электромагнитной индукции.
Основные принципы устройства Э. м Машины постоянного тока.Схематическое устройство простейшей машины постоянного тока показано на рисунке 1.
Между полюсами NS магнита (или электромагнита) вращается проволочная рамка abed, концы которой присоединены к двум полукольцам (коллектору). К. полукольцам прижимаются две .щетки“ А, В, служащие для отвода тока во внешнюю цепь R. При вращении рамки, в ее сторонах аЬ и cd, по закону электромагнитной индукции, наводятся электродвижущие силы (эдс), которые в данный момент времени при данном расположении полюсов и данном направлении вращения (по часовой стрелке) направлены, как показано стрелками, то есть от d к с и от b к а. Так как эти эдс действуют в одну и ту же сторону (в направлении от d к а), то, сложившись, они установят во внешней цепи ток, идущий от щетки А в сопротивление И и возвращающийся через щетку В обратно в рамку. Через полоборота, когда сторона cd станет под южным полюсом (8), а сторона аb под северным (N), эдс изменят свое направление на обратное. Так как, однако, теперь верхнее полукольцо перешло вниз, а нижнее —вверх, то ток во внешней цепи не изменит своего направления и будет продолжать идти от щетки А к щетке В. При дальнейшем полуобороте мы снова получим ту же картину, что на рисунке .1. Так. обр. данное устройство обладает способностью устанавливать во внешней цепи ток постоянного направления, то есть постоянный ток. Отметим, что в моменты времени, когда стороны аЬ и cd находится между полюсами (например, через 11, оборота после положения, показан, на рисунке 1), эдс, наводимые в рамке, равны 0, т. к. при этом стороны рамки не перерезывают силовых линий. В этот момент и происходит переход щеток с одного полукольца на другое (т. н. коммутация тока). Очевидно, что ток во внешней цепи не будет сохранять свою величину неизменной за весь поворот рамки, а будет иметь пульсирующий характер, изменяясь от 0 до некоторого максимума. Величина эдс, индуктируемой в рамке, определяется формулой Е=Blv 10“ 8 вольт, где В — магнитная индукция, / — длина подвергающегося индукции проводника (в данном случае аЬ cd) и ж—линейная скорость движения рамки. Сила тока в сопротивлении R определяется формулой Ома:
_ Е Вк 10 “ 8 1 — R -4- г ~ R -t г ’
где R сопротивление внешней цепи, а г — сопротивление внутренней цепи, то есть самой рамки и контакта коллектор - щетки. Из последней формулы следует: 1R + 1г =Е илиздесь Jr называется падением напряжения в машине, a V=E—L- —напряжением на внешних зажимах, или, про- : сто, напряжением на зажимах машины. Устройство, показанное на рисунке 1, не позволяет получить сколько-нибудь значительной эдс, и поэтому на практике прибегают к следующим мерам: подвергаемые индуктированию проводники располагают на железном цилиндре (якоре), вращающемся между полюсами, то есть уменьшают магнитное сопротивление между полюсами; увеличивают длину провода, для чего берут не одну рамку, а несколько. На рисунке 2 показан якорь с 4 рамками, из которых каждая для еще большего увеличениядлины провода состоит не из одного, а из нескольких витков проволоки. Коллектор здесь также состоит не из двух полуколец, а из 4 сегментов (по числу рамок). Помимо увеличения эдс, такая
Рисунок 2.
конструкция дает возможность получить значительно меньшие колебания тока. На практике число рамок берут еще большим (часто несколько сотен), и при этом колебания тока практически становятся равными нулю. Современные Э. м. постоянного тока устраиваются обычно не двухполюсными, как показано на рисунке 1, а четырех- и так далее полюсными, причем электромагниты их питаются током, вырабатываемым
самой машиной. Совокупность проволочных рамок называется обмоткой ягсоря. Для более надежного укрепле-
Рисунок 4.
ния оомотки, а также для возможного уменьшения магнитного сопротивления между полюсами и якорем обмотка укладывается во впадины, имеющиеся на поверхности якоря. Совокупность всех железных частей машины, через которые проходит магнитный поток, называется магнитной цепью, или магнитойроводом. Типичный магнитопровод многополюсной (четырехполюсной) машины показан на рисунке 3.
Неподвижную часть машины (полюса и ярмо) называют еще, индуктором. ! Пунктиром показаны пути прохождения магнитных силовых линий. Разрез якоря с впадинами показан на рисунке 4. Коллектор состоит из отдельных медных сегментов, изолированных друг от друга слюдяными прослойками и собранных в виде цилиндра. Токособирательные щетки в современных машинах изготовляются из угля и располагаются в особых щеткодержателях, укрепленных на общей траверзе.
Синхронные машины. Если в конструкции, показанной на рисунке 1, заменить оба полукольца (коллектор) двумя отдельными кольцами, к которым присоединены концы рамки (рисунок 5) и на которые попрежнему наложены две неподвижные щетки, отводящие ток во внешнюю цепь, то мы получим простейшую машину переменного тока. В момент времени, показанный на черт., ток из рамки поступает в щетку В и, пройдя внешнюю цепь R, через щетку А возвращается в рамку. Через пол-оборота сторона cd переместится в положение аЬ. и теперь ток будет иттиво внешнюю цепь уже через щетку А, а возвращаться через В, то есть направление тока в цепи изменится на обратное. В моменты времени, когда стороны аЬ и cd будут расположены между полюсами, в них не будут наводиться эдс, а следовательно и сила тока во внешней цепи (если она представляет собой чисто омическое сопротивление) будет равна 0. Таким образом, за время одного оборота рамки эдс будет от 0 увеличиваться до положительного максимума, снова падать до 0, опять увеличиваться до максимума, но уже отрицательного, и, наконец, снова принимать нулевое значение. Другими словами, за один оборот рамки будет иметь место один период изме нения эдс (и тока). Если бы число полюсов нашей машины было равно 4, 62р, то число периодов за один оборот было равно 2,3р. Если рамкасовершает в одну секунду оборотов, где «—число оборотов в минуту, то частота вырабатываемого машиной
Рисунок 5.
переменного тока, то есть число периодов в секунду,
рп
60’
где р—число пар полюсов машины. Отсюда очевидно, что, желая получить переменный ток постоянной частоты (в Европе стандартизована частота
f — 50 пер/оек, а в Америке f=60 пер/сек), мы должны вращать машину со строго постоянной скоростью, опре деляемой приведенной выше формулой (отсюда и наименование „синхронная машина“). При наименьшем возможном числе пар полюсов р=1 и частоте f — 50 пер/сек, скорость вращения составляет 3 000 об/мин. Подобно машине постоянного тока, синхронные машины в техническом выполнении также снабжаются якорем и обмоткой, состоящей из многих проводников, уложенных во впадины этого якоря. Очертания полюсов и расположение проводов подбираются так, чтобы создаваемая машиной эдс имела синусоидальный характер изменения (си.теор. основы Э.). Если на якоре устроить не одну обмотку, а три
Рисунок 6.
самостоятельных обмотки, занимающих каждая 2/8 полюсного деления (то есть расстояния между серединами двух смежных полюсов), то мы получим трехфазную машину, создающую трехфазный ток. Если концы всех трех обмоток (фаз) соединить вместе, а начала подвести к трем кольцам, то получится соединение звездой (рисунок 6). Если конец каждой фазы присоединить к началу следующей и точки соединения отвести к трем кольцам, то получится соединение треугольником (рис- 7).
Подобным же образом можно осуществить четырех-, шести- и так далее фазную машину. На практике преимущественое распространение получил трехфазный ток, и поэтому синхронные машины почти исключительно выполняются трехфазными. В настоящее время, по целому ряду соображений,
Рисунок 7.
в синхронных машинах неподвижным устраивают якорь, представляющий в этом случае железное кольцо, на внутренней поверхности которого расположены во впадинах проводники. Индуктор, то есть совокупность полюсов и соединяющего их ярма, вращается при этом внутри якоря. Никакого принципиального различия между такими машинами нет, так как по существу дела для получения индуктированной эдс необходимо лишь относительное перемещение проводников и силовых линий. Подобная синхронная
Рисунок 8.
машина трехфазного тока показана на рисунке 8 Здесь на валу машины имеется два кольца для подведения постоянного тока (от постороннего источника) к обмоткам электромагнитов. Зажимы (концы) обмотки якоря являются здесь неподвижными. На рисунке 8 выведены все 6 концов обмотки (по два на каждую фазу) для возможности соединения их либо в звезду, либо в треугольник. Питание обмоток электромагнитов (возбуждение) происходит обычно от небольшой машины
постоянного тока, сидящей на одном валу с индуктором главной машины. В очень быстроходных машинах большой мощности (турбогенераторах) с целью увеличения механической прочности индуктор устраивают в виде цилиндра с впадинами, в которые закладывается обмотка возбуждения. Разрез такой машины показан на рисунке 9. Неподвижный якорь синхронных машин часто называют статором, а вращающийся индуктор—ротором. Машины по типу рисунок 8 имеют ротор с ясновыраженными или выступающими полюсами, а машины по типу рисунок 9 имеют ротор с неясно-выраженными полюсами или с распределенной обмоткой возбуждения.
Асинхронные машины. Поместим во внутрь обычного трехфазного статора синхронной машины ротор, показанный на рисунке 10 и состоящий из ряда медных стержней, соединенных по бокам медными кольцами. Вся эта конструкция расположена на железном цилиндре, так что стержни утоплены во впадинах, а кольца расположены по торцам цилиндра. Такой ротор называют часто ротором в виде беличьего колеса. Если теперь к обмотке статора подвести трехфазный переменный ток, то, как известно, внутри маши ны возникнет вращающееся магнитное поле (смотрите теор. основы Э.). Это поле, пересекая обмотку ротора, создаст в ней ток, который, взаимодействуя с полем, вызовет, по закону Био-Савара, вращение ротора, в результате чего получится электродвигатель, способный совершать механическую работу. Очевидно, что скорость вращения ротора никогда не сможет стать равной скорости вращения ноля, т. к. в противном случае ротор и поле находились бы во взаимном покое, никакого пересечения проводниками силовых линий не было бы, а, следовательно, исчезла бы причина, заставляющая ротор вращаться. Таким образом скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения поля, определяемой уже знакомой нам формулой
60Г
то есть ротор вращается асинхронно (не синхронно) с полем, откуда произошло и названиемашины.Разницамежду скоростями поля и ротора называется скольжением последнего. Величина скольжения увеличивается е нагрузкой машины, то есть скорость вращения при нагрузке уменьшается. Впрочем,разница между скольжением при нагрузке и скольжением при холостом ходе невелика и у современных машин составляет лишь несколько процентов. Как мы увидим впоследствии, в некоторых случаях необходимо бывает на некоторый промежуток времени увеличивать сопротивление ротора. Для этой цели роторные обмотки асинхронных машин часто устраивают так же, как и статор
ные, то есть в виде трехфазной обмотки, концы фаз которой подведены к трем сидящим навалу и изолированным друг от друга кольцам. Тогда при посредсгве трех неподвижных щеток можно присоединять к ротору добавочное сопротивление любой величины (реостат). При ненадобности в добавочном сопротивлении, щетки замыкают между собой накоротко, при помощи особого рычага. Подобные роторы называются фазовыми,или роторами с контактными кольцами. Разрез через статор и ротор асинхронной машины показан на рисунке 11.
Коллекторные машины переменного тока. Эти машины отличаются большим многообразием, и принципы устройства и работы их основных типов будут изложены при рассмотрении их теории.
Вращающиеся преобразователи. Простейшими вращающимися преобразователями являются мотор-генераторы, состоящие из двух связанных между собою непосредственно или с помощью зубчатой или иной передачи машин: электродвигателя (например, асинхронного) и генератора (например, постоянного тока). В этом случае, подводя к двигателю переменный ток, мы заставляем его вращать генератор, вырабатывающий постоянный ток (или наоборот). Можно, однако, объединить обе машины в одну, и тогда мы получим одноякорный преобразователь, схематическое устройство которого показано на рисунке 12. Из чертежа видно, что здесь между двумя электромагнитами вращается якорь, обмотка которого, с одной стороны (елева), присоединена к трем кольцам, а с другой стороны (справа)—к коллектору. Если подвести постоянный ток к коллектору, то якорь придет во вращение и на кольцах появится напряжение переменного тока,
то есть мы получим совмещение в одной машине двигателя постоянного тока и синхронного генератора. Подводя к кольцам переменный ток и снимая е коллектора постоянный, мы получаем совокупность синхронного двигателя и генератора постоянного тока.
Трансформаторы. Преобразование переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но иного напряжения может происходить с помощью трансформатора. На железном сердечнике (рисунок 13) находятся, в случае однофазного трансформатора, две обмотки: первичная (1), с числом витков wb и вторичная (2), е числом витков да2. Если присоединить первичную обмотку к сети переменного тока с напряжением Vh то, по закону электромагнитной индукции, в любой момент времени
<М>
v=~w4tt’ -
где i —мгновенное значение напряжения сети, Ф—магнитный поток в сердечнике, устанавливаемый током, протекающим по обмотке. Это уравнение строго справедливо при холостом ходе,
Рисунок 12. Рисунок 1
когда потерей напряжения в обмотках можно пренебречь. Т. к. вторичная обмотка пронизывается почти тем же потоком, что и первичная, то при холостом ходе на зажимах вторичной обмотки появится напряжение аФ
v2 — —w2dt-
Разделив первое у-ние на второе, найдем, чтощ Fj _ Wj
v2 F2 ~ w2 ~~u’
то есть напряжения на зажимах обмоток относятся как числа витков этих обмоток. Отношение w.w — u называется коэффициентом трансформации, или
передаточным числом трансформатора. При нагрузке вторичной цепи в обмотках возникают падения напряжения, благодаря чему отношение напряжений несколько (хотя и очень мало) изменяется. Для преобразования многофазных токов молено взять несколько (по числу фаз) однофазн. трансформаторов и соединить их обмотки в звезду или многоугольник. Однако, в большинстве случаев, многофазны е трансформаторы устраивают так, как показано на рисунке 14, то есть обмотки всех фаз (в данном случае трех) располагают на общем сердечнике.
Ртутные выпрямители. Устройство ртутных выпрямителей основано на принципе выпрямляющего свойства вольтовой дуги (смотрите теор. основы Э.). Эти аппараты служат для преобразования переменного тока в постоянный и в последнее время являются серьез-, ными конкурентами вращающихся преобразователей.
Обмотки Э. м. Обмотки машин по-
Рисунок 14.
стоянного тока состоят из ряда витков, соединенных друг с другом и с сегментами (пластинами) коллектора. На практике витки укладываются во впадины, но мы первоначально, для более наглядного изображения, будем представлять их расположенными на поверхности якоря. Для того, чтобы визитке индуктироваласьнаибольшая эдс, его. ширину берут, по возможности, равной полюсному делению (то есть расстоянию между серединами смежных полюсов, измеренному на поверхности якоря.). Существует два типа обмоток: петлевая и волновая. На рисунке 15 показана часть петлевой обмотки (поверхность якоря развернута в плоскость). Здесь имеется два витка, соединенных последовательно,
Рисунок 16.
при чем, как видно из чертежа, второй виток лежит под теми же двумя полюсами, что и первый. На рисунке 16 показана часть волновой обмотки. Здесь последовательно соединенные витки
лежат под разными полюсами. Часть обмотки, лежащая между двумя коллекторными пластинами, следующими друг за другом при обходе обмотки, называется элементом, или секцией. На рисунке 15 и 16 каждая секция состоит из одного витка, но она может состоять и из нескольких, как показано на рисунке 17 для волновой обмотки (здесь секция состоит из трех витков). Каждая сторона секции называется активной стороной. Расстояние между начальными
сторонами двух секций, следующих друг за другом при обходе обмотки, называется результирующим шагом у (смотрите рисунок 15 и 16). Кроме того, в обмотке различают еще: первый частичный шаг уи равный расстоянию между начальной и конечной сторонами одной и той же секции, и второй частичный шаг Уч, равный расстоянию между конечной стороной одной секции и начальной стороной другой. Из рисунок 15 и 16 следует, что в петлевой обмотке частичные шаги делают в разные стороны и у=ух — у2, а в волновой обмотке их делают в одну сторону И у=уу -f- y.j. Шаги измеряются не единицами длины, а числом пропущенных промежутков между активными сторонами, так как важно знать не абсолютное расстояние (см, миллиметров), а с каким проводником следует соединить тот или иной проводник обмотки. Кроме обмоточных шагов, для выполнения обмотки необходимо знать шаг по коллектору Ук, указывающий расстояние между коллекторными пластинами, к которым присоединены концы одной секции. Шаг по коллектору измеряется числом пропущенных изоляционных прослоек между пластинами. Число секций обмотки равно числу коллекторных пластин, т. к. конец одной секции и начало следующей присоединены к одной и той же пластине. Если N— число проводников обмотки, 8—число активных сторон и если активная сторона секции состоит из одного проводника, то 8=N, если же она состоит из
N
W проводников, то S— -у. Так каксекция состоит из двух активных сторон, а число секций равно числу коллекторных пластин К, то 8=2К. Число активных сторон очевидно должно быть четным, а число коллекторных пластин может быть четным и нечетным. Отметим, что для всех барабанных обмоток результирующий шаг у всегда вдвое больше шага по коллектору ук, то есть у=2ук. Петлевые, иначе параллельные, обмотки делятся на простые и многократные. В простой петлевой обмотке результирующий шаг всегда равен 2, то есть е/=± 2 и, следовательно, шаг по коллектору ук — ± 1. Шаги у и у к получаются отрицательными в том случае, если «/3>y1. Обмотки с отрицательными у и ук называются перекрещенными. На рисунке 18 показана секция перехсрещенной обмотки. Четырехполюсная петлевая обмотка показана на рисунке 19, а на рисунке 20 дана ее развернутая схема. Данные этой обмотки: S — N =22;
К — 11; У=5; у«— 3; у=-f- 2; у к =4-1.
В простых петлевых обмотках число параллельных ветвей всегда равно числу полюсов, то есть 2р — 2а, где 2р— число полюсов, а 2а—число параллельных ветвей. При данном положении щеток мы имеем следующие параллельные ветви: 1) левая отриц. щетка; пластина 11, проводники 2, 19, 22, 17,
пластина 4, левая полож. щетка; 2) левая отриц. щетка, пластина 1, проводники 1,6, 3, 8, пластина 3, левая полож. щетка; 3) правая отриц. щетка, пластина 6, проводники 11, 16, 13, 18, пластина 8, правая полож. щетка; 4) правая отриц. щетка, пластина 6, провод
ники 14, 9, 12, 7, пластина 9, правая полож. щетка. Проводники 15—20, 5—10 и 4—21 замкнуты щетками накоротко и в образовании эдс не участвуют (в данный момент времени). Частичные шаги обмотки должны всегда выражаться нечетными числами. Так как у— 2, 3. Ух — у2 — у, то для того чтобы разность уг — у“ была равна четному числу, уг и у.2 должны быть или оба
четными, или оба нечетными. При четных частичных шагах мы обошли бы, однако, только четные активные стороны, если бы начали с нечетной, или, наоборот, только нечетные, если бы начали с четной стороны. Поэтому ух и у2 должныбыть обязательно нечетными. Первый частичный шаг, равный ширине секции, должен быть близок к полюсному делению или равняться ему, для того чтобы эдс, индуктируемая в секции, имела наибольшуювозможную величину. Если выразить полюсное деление числом промежутков между активными сторонами, то оно S
равно ~2р, следовательно S
У=2р-
Обычно пишут
£=Р b
Ух — ~2р >
где b—произвольное число (обычно наименьшее), делающее ух целым и нечетным. Если 8 при делении на 2р дает целое нечетное число и если мы берем ух=~2~, то обмотка в этом случаеназывается диаметральной. Тогда, очевидно, & =0. Если же b не равно нулю, то обмотка называется хордовой. Эти названия были даны обмоткам применительно к двухполюсным машинам, у которых в первом случае стороны секции располагаются по концам диаметра якоря, а во втором случае—по концам хорды. Если обозначить общий ток, проходящий через якорь, через 1а, то ток в одной параллельной ветви обмотки будет %α= Ya=2р ‘т- к- Для простой петлевой обмотки 2α= 2р). Величиной этого тока определяется сечение проводника, из которого должна быть изготовлена обмотка. Проводник будет тем толще, чем больше ток ia. На практике редко берут га больше, чем 200 ампер. В машинах, имеющих петлевую обмотку, га можно уменьшить путем увеличения числа полюсов (т. к. при этом одновременно увеличивается и число параллельных ветвей). Но в машинах малой и средней мощности невыгодно брать большое число полюсов и поэтому, если га при данном числе полюсов выходит больше 200 ампер, приходится брать многократную петлевую обмотку, которая позволяет увеличить чпсло параллельных ветвей в г раз, то есть здесь 2«=г2р. Идея этойобмотки понятна изрис.21. Здесь имеется две простых петлевых обмотки, из которых одна как бы вдвинута вдругую. Достигается это тем, что шаг но коллектору берут здесь равным не ±1, а ± г (где г — число отдельных обмоток, которое желательно получить). Начав обход с какой-либо пластины,
мы обойдем только часть всех прог-1
водников, а останутся свободными. Начав с другой свободной пластины, мы снова обойдем | часть проводников, и так далее При этом получится г самостоятельных обмоток, из которых каждая имеет 2а — 2р. а, следовательно, всего получится г-2р параллельных ветвей. При этом необходимо, чтобы ширина щетки была бы по крайней мере в i раз больше ширины одной пластины. На рисунке 21 г —2. Такие обмотки называются петлевыми многократно замкнутыми. Формулы для них:
S~r b
2а —г-2р; yK=±i;y=±2г; ух=~; 2/з=У — У-
Как уже указывалось, гладкие якоря в настоящее время не применяются. Однако, формулы обмоток остаются теми же и для зубчатых якорей, если определенным образом нумеровать активные -стороны во впадинах. Практически обмотки машин постоянного тока всегда выполняются двухслойными. Стороны верхнего слоя (смотрите рисунок 22)
Рио. 22.
всегда нумеруются нечетными, а нижнего слоя—четными цифрами. Катушка, которая может состоять и из нескольких элементов, изготовленная предварительно на шаблоне, закладывается во впадины таким образом, чтобы одна ее сторона лежала в верхнем, а другая—в нижнем слое (смотрите рисунок 23). Стороны катушки тщательно изолируются как от стенок впадины, так и между собой. Для предохранения обмотки от выбрасывания из впадины, в верхнюю часть последней заколачивается деревянный или фибровый клин, имеющий в разрезе форму ласточкина хвоста. Разрез через впадину с обмоткой и
клином показан на рисунке 24. Результирующий шаг волновой обмотки у== 2/1+ У2=2у,с, как и в петлевой обмотке должен быть четным числом, а частич-
что между началом и концом первого обхода остается одна изоляционная прослойка на коллекторе; следовательно, если р—число пар полюсов, то у к - р ± 1 — К. Продолжая обмотку, мы после каждого обхода будем сдвигаться на одну коллекторную пластину и, наконец, обойдя все проводники и Есе пластины, вернемся в исходное положение и замкнем обмотку. Из найден-
ной формулы следует, что у к =
Р
Рисунок 23.
ные шаги уг и у.2 — числами нечетными. Волновая обмотка может быть выполнена так, что при любом числе полюили, так как у -
8 гр 2
2 у к, то у —
2К+2
Р
Р
Первый частичный шаг 1/1=+
Рисунок 24.
сов число параллельных ветвей будет равно 2 (2α= 2). Такая обмотка называется простой волновой или последовательной. На рисунке 25 показана часть последовательной обмотки зубчатого
N
Рас. 26.
а второй частичный шаг у., — у—ул. Четырехполюсная волновая обмотка показана на рисунке 26, а ее развертка на рисунке27.
Рисунок 25.
якоря. Если начать обходить коллектор, например, с пластины 1, то, сделав один круговой обход, мы должны попасть в пластину 2 или 11, а не в 1, т. к. иначе обмотка замкнулась бы уже после первого обхода. Из рисунок 25 видно,
Рисунок 27.
Ее данные: 8=N=22; К=И; 2р — 4; 8 2 22-2 2а — 2 у= =—s—=10; ук =
Р
У
= 2=5! 2/1 — 5; 2/2=У - У! =5. Если на коллектор наложены только 2 щеткич
(А, В), то получаются следующие 2 параллельные ветви: 1) щетка Av пластина 2, проводники 3, 8, 13, 18, 1, 6, пластина 6, щетка В{, 2) щетка Аь пластина 3, проводники 22, 17, 12, 7, 2, 19, 14, 9, пластина 5, щетка Ви Проводники 20—15, 5—10, 16—11 и 12-4 замкнуты накоротко. Кроме двух необходимых, можно установить еще дополнительные щетки А2, В„ (так, чтобы полное число щеток было равно числу полюсов). При этом снова получается только 2 параллельные ветви: 1) щетка Ах, пластина 2, проводники 3, 8, 13, 19, 1, 6, пластина 6, щетка В,; 2) щетка Аи пластина 3, проводники 22, 17, 12, 7, 2, 19, пластина 10, щетка, В.,. Секции 20-15, 5—10, 16-11, 21 -4, 14 9—замкнуты накоротко. Для волновой обмотки, следовательно, можно, независимо от числа полюсов, взять только 2 щетки, но на практике почти всегда устанавливают число щеток равное числу полюсов, исходя из следующих соображений: при большем числе щеток на каждую из них приходится меньший ток, следовательно, при данной ширине (щетка не должна перекрывать больше 2—3 пластин) осевая длина щетки выходит меньше и коллектор короче. Кроме того, при наличии полного (=2р) числа щеток, машина работает более надежно в отношении искрения на коллекторе. При желании получить в волновой обмотке число параллельных ветвей >2, можно разместить на якоре несколько простых самостоятельных обмоток, то есть устроить многократкую волновую обмотку (принцип устройства тот же, что и для многократной петлевой обмотки).- Отдельные обмотки включаются щетками параллельно, откуда еще другое название этой обмотки: последовательно-параллельная. Здесь также можно обойтись всего двумя щетками (соответственно увеличив их ширину), но и здесь, обычно, берут число щеток равным числу полюсов. При выполнении многократной волновой обмотки, между началом и концом каждого обхода должно оставаться а изоляционных прослоек, если мы хотим иметь а самостоятельных обмоток, то есть всего 2а параллельных ветвей. Тогда здесь можно напи-
К± асать: рук =К±а, откуда у к=—~— и
2К±2а 8±2а гту =--------- =-- Частичные
J р р
шаги находятся, как и для простой волновой обмотки, по формулам: У
Vi=у; у2 — у - у,. Нетрудно видеть, S±2a
что формула у=- - является общей для всех волновых обмоток, т. к. при 2α= 2 она переходит в известную
S±2
уже нам формулу у= — - для простой волновой обмотки.
В случае, если в параллельных ветвях обмотки будут индуктироваться неодинаковые эдс, то в самой обмотке будут протекать уравнительные токи. Эти уравнительные токи будут замыкаться через щетки и создавать для них дополнительную нагрузку, что может вызвать искрение на коллекторе. Чтобы избежать этого, устраивают уравнительные или эквипотенциальные соединения, связывающие те точки обмотки, которые при одинаковых эдс в параллельных ветвях имели бы одинаковые потенциалы. Такие точки могут быть только в обмотках с числом параллельных ветвей большим 2. Шаг для уравнительных соединений по К
коллектору равен а изоляционных прослоек, то есть m-ую пластину нужносоединять е и так далее Уравнительные соединения чаще всего встречаются в петлевых обмотках больших машин. Соединять можно было бы каждую пластину, но это вызвало бы большие расходы на медь. Поэтому обычно уравнительные соединения делают, пропуская 3—4 пластины. За один оборот якоря проводник перережет 2рФ
псиловых линий, а в секунду 2рФ >
где и—число оборотов якоря в минуту. Так как величина эдс между щетками определяется числом проводников в одной параллельной ветви обмотки, то эдс на щетках будет больше, чем в N _
одном проводнике в 9й раз. таким образом эдс машины постоянного токаопределяется формулой
Р и я
Е= - ФN-10 8 вольт.
Со ои
Обмотки машин переменного тока. Если на рисунке 5, изображающем простейшую машину переменного тока, окружная скорость перемещения рамки относительно магнита будет v см/сек, то число силовых линий, перерезанных каждой стороной витка (то есть аЬ или ed) в течение одной секунды, будет равно Blv, где В —магнитная индукция, а I—длина проводника в направлении оси вращения. Число силовых линий, перерезанных в 1 сек. обеими сторонами рамки, будет вдвое больше, то есть 2Blv. Этому же значению численно равна и величина эде, индуктированной в рамке. Обозначая эту эдс через е и вводя множитель 10~8, чтобы получить результат в вольтах, найдем, чтое —2 Blv 10-8.
Если рамка будет состоять не из од ного витка, как на рисунке 5, а из «у витков, причем толщина проволоки будет столь незначительной, что можно будет считать,что все витки одновременно проходят мимо какого-либо места на поверхности полюса (например, мимо его края) то эдс будет в w1 раз больше и станет равной е=2Bw1lv-lO~8. Если взять не двухполюсную конструкцию, а, например, четырехполюсную, то вместо одной рамки можно взять две соединенных последовательно, причем составляющие их стороны в любой момент времени будут занимать одинаковое положение относительно полюсов, то есть в любой момент времени во всех проводниках будут индуктироваться одинаковые эдс. Для всей обмотки эдс будет вдвое больше, чем в предыдущем случае. Если вообще взять не 2, а 2р полюсов, то эдс будет в р раз больше, чем при двухполюсной конструкции, то естье=2 Blv-Wjp 10—8 вольт.
Как уже указывалось, обмотка всегда укладывается во впадинах железного якоря. Если его диаметр равен В и число оборотов в минуту и. то окружная скорость % В п
V— -у-- -Т. к. -В — 2р-, где т— по-
2 р-плюсное деление, то v= Ооозначив полное число витков обмотки через w=wxp, мы найдем, что
РЧ —я ™ Рпе=4 Blw- 10 8 вольт. Т. к.
равно частоте f, то е=4 Blw-f 10~8. Эта формула дает мгновенные значения эдс. Среднее значение найдем, подставив среднюю индукцию Вт. Тогда ет=4Bmlunf 10-8- Т. к. Вт1~ равно потоку одного полюса Ф, то ет= 4к>/Ф10-8. Т. к. эффективное значение эдс Е — kf ет, где ку—коэффициент формы кривой (смотрите теор. основы
Э.), то Е — 47/ум’/Ф 10~8. Для синусоидальной кривой 7= 1,11 и Е —
— 4,44гг/Ф-1СГ8 вольт. До этих пор мы рассматривали случай, когда число витков было равно числу полюсов или когда при большем числе витков толщина проволоки была весьма малой. На практике, однако, с целью лучшего использования поверхности якоря и с целью получения синусоидальной кривой эдс, витки обмотки располагают не в 2р впадинах, а в 2p-q, где q представляет собой число впадин на полюе. Если по-прежнему в каждую впадину поместить витков, то окажется, что эдс всей обмотки будет теперь не в w=u pq раз больше, чем в формуле e=2Blv 10~s, а в kww=kww,pq, где kw представляет собой обмоточный коэффициент, всегда меньший единицы. Происходит это потому, что если на полюс приходится несколько впадин, то эдс, индуктированные в проводниках, расположенных в этих впадинах, не будут одновременно достигать одинаковых значений, так как индукции для каждой впадины будут различными. Если машина будет не однофазной, а m-фазной, то при желании получить в каждой фазе эдс, определяемую приведенными выше формулами, необходимо взять для каждой фазы число витков w, то есть взять число впадин в т раз больше. Тогда число впадин будет не 2pq, а 2pmq, где q—будет теперь числом впадин на полюс и фазу. Величинаобмоточного коэффициента определяется формулой
sn 2да
li-W V
1 sin 2mq
Таким образом, в общем случае, когда число впадин на полюс и фазу не равно единице, величина эдс, наводимой в каждой фазе обмотки, составляет Е =4.k/]lwfw<b 10~8 или, при синусоидальной форме, Е=4,447;и/<гФ10~8. В нормальных трехфазных машинах обычно q=38nkw — 0,96 0,956. Если каждая впадина содержит лишь один проводник, тотакая обмотка называется стержневой и применяется обычно для машин, рассчитанных на большую силу тока. В машинах, рассчитанных на небольшую силу тока, применяют обычно катушечную обмотку, у которой в каждую впадину заложено несколько тонких проводников. Кроме этих двух типов обмоюк, для синхронных и асинхронных машин применяются еще так называемые американские обмотки, описание которых будет дано ниже и которые представляют собой модификацию обмоток постоянного тока (но без коллектора). Для роторов асинхронных двигателей применяют гл. обр. два типа обмоток—двухслойные обмотки и короткозамкнутые обмотки (смотрите ниже). Наконец, для роторов коллекторных двигателей применяют обычные обмотки постоянного тока или сложные обмотки, состоящие из нескольких обмоток различных типов. Трехфазные обмотки соединяются или в звезду, или в треугольник. В первом случае напряжение на зажимах машины (линейное напряжение) V== ЕЗ, где 7е—напряжение одной фазы (фазовое напряжение), а линейный ток 1=г, где —фазовый ток. Во втором случае V=E и/=г]/з. Чаще всего применяется соединение звездой, т. к. при этом достигается большее приближение к синусоиде и, кроме того, фазовое напряжение значительно (в У 3 1,73 раз) меньше линейного, благодаря чему изоляция машины упрощается и удешевляется. Часто, особенно у асинхронных двигателей, выводят все шесть обмоточных концов для того, чтобы иметь возможность соединить обмотку звездой или треугольником, в зависимости от напряжения сети (например, при V=120 в,—треугольник, при V=210 в—звезда). Та часть обмотки, которая расположена во впадине (находится между линиями 1 и 2 на рисунке 23, 30, 32), является активной частью, так как участвует в получении эдс. Та же часть, которая находится вне железа, непосредственного участия в образовании эдс не принимает и служит для соединения между собой активных проводников. Эти части обмотки называюся торцевыми, или лобовыми, соединениями-Так как в трехфазных обмотках катушки отдельных фаз частью находят друг на друга, то для возможности устройства обмотки лобовые соединения не могут располагаться в одной плоскости, а должны быть отогнуты друг от друга. Если лобовые части лежат в двух плоскостях (как показано на рисунке28), то такая обмотка называется двухэтажной. Если рисунок 28 разрезать
Рисунок 29.
Рисунок 81.
по линии А В, то можно представить себе три способа отгибания лобовых частей, показанные на рисунке 29. Если лобовые части расположены в трех плоскостях, то обмотка называется трехэтажной (рисунок 30 и 31). Иногда все
катушки получают одинаковую форму, как показано на рие. 32. Тогда лобовые соединения изгибаются по одному из способов рисунок 33. Схема двухэтажной катушечной обмотки представлена на рисунке34. Отдель-ныефазы показаны различной штриховкой. Число впадин на полюс и фазу здесь q — 2, и число полюсов 2р=4. Первая фаза
Рисунок 32.
сдвинута от второй на 2/з полюсного деления (что в двухполюсной машине соответствует 120 градусам), вторая от третьей—также на 2/з полюсного деления. Тонкими линиями показаны соединения отдельных катушек (из которых каждая может состоять из нескольких витков). Вся обмотка соединена в звезду. На рисунке 35 показана
обмотка с теми же данными, но имеющая одинаковые катушки, чем достигается выравнивание сопротивлений и индуктивностей отдельных фаз. На рисунке 36 изображена двухслойная обмотка, снова с теми же данными. Этот тип обмотки, выполняемый технически точно так же, как и обмотки постоянного тока (но без коллектора), был прежде широко распространен лишь
в Америке (отсюда и название этой обмотки „американская“), а в настоящее время завоевал себе прочное положение и в Европе благодаря целому ряду положительных качеств. При больших силах тока сечения проводников полу
чаются столь значительными, что изготовление катушечной обмотки затрудняется. В этих случаях приходится или прибегать к параллельному соединению отдельных катушек между собой, или устраивать обмотку в виде стержневой. Обмотка с параллельным соединением катушек показана на рисунке 37. Здесь 2р=4, q — 2 и в каждой фазе по 4 катушки соединены между собой параллельно. Так. обр. сечение проводника рассчитывается здесь на силу тока в 4 раза меньшую, чем весь токмашины. Стержневые обмотки, как показывает уже их название, выполняются не из тонкого провода, а из отдельных изолированных стержней, закладываемых во впадины и соединяемых по торцам припаянными или приваренными перемычками. Типичная стержневая обмотка для 2р=4, q=4 показана на рисунке 38 (для ясности здесь вычерчена лишь одна фаза). При очень больших силах тока и стержневые обмотки составляются иногда из 2 или нескольких параллельных ветвей.
Рио. 3S.
В качестве обмоток для синхронных и асинхронных машин могут применяться и обычные обмотки постоянного тока (без коллектора). Так, вапр., если взять многополюсную волновую (последовательную) обмотку и подвести трехфазный ток к трем точкам, отстоящим друг от друга на одинаковое число проводов в порядке их последовательного соединения, то мы получим трехфазную обмотку, соединенную в треугольник. Если ток подведен к двум точкам, то получается однофазная обмотка и, наконец, если подвести шестифазный ток к 6 точкам, то получится обмотка шестифазная. Обмотка постоянного тока может быть представлена в виде многоугольника (потенциальный многоугольник), стороны которого по величине и направлению изображают эдс, наводимые в смежных проводах. При встречающемся на практике большом числе проводов
Рио. 39.
многоугольник практически превратится в окружность. На рисунке 39 изображены многоугольники для обмоток однофазной, трех фазной и шестнфаз-ной. Диаметр аЬ (для однофазной обмотки), хорды ab, Ьс, са (для трех фазной обмотки) и аb, Ьс, cd, de, ef, fa (для шестифазной обмотки)—представляют собой суммарные эдс, действующие между зажимами обмотки. Как видно из чертежей, эти эдс представляют собою геометрические суммы эдс отдельных проводников. Отсюда ясно, что обмотка использована тем лучше, чем больше число фаз. Мерой этого использования, как уже указывалось выше, является обмоточный коэффициент, равный отношению суммарной эдс к алгебраической сумме эдс отдельных проводников (или равный отношению хорды к охватываемой, ей дуге), то есть величина
2sin~i от. г.
kv> — 2- к sn от
от
Так. обр. для однофазной обмотки (от- — 2) кш=0,637, для трехфазной (от=3) icw=0,836, для шестифазной (от=6) кт=0,955. Обмотки постоянного тока могут быть также разрезаны в точках присоединения. Такие разрезные обмотки гл. обр. и применяются. В этом случае отдельные фазы соединяются в звезду. Если обмотку постоянного тока разрезать в шести местах, то мы получим по два отрезка, имеющих одну и ту же фазу, и можем соединить эти отрезки так, чтобы получить трехфазную обмотку. На рисунке 40 показана диаграмма такой обмотки, соединен- е ной в звезду. Бук- Рис-40-
вы, обозначающие отдельные отрезки, оставлены, те же, что и на рисунке 39 (справа). Делается это с целью получения лучшего использования меди, т. к. обмоточный коэффициент имеет здесь такую же величину, как и для шестифазной обмотки. Практически получается экономия в меди почти на 25% Для роторов асинхронных двигателей могут применяться уже рассмоа
тренные нами обмотки: катушечные, стержневые и постоянного тока без коллектора. Однако, чаще всего здесь встречаются двухслойные стержневые обмотки с удлинением или укорочением перехода. В этом случае в каждой впадине находятся два стержня, уложенных один на д другим, подобно тому, как в обмотках постоянного тока. Число впадин ротора u=bpmq, где 2р — число полюсов, т — число фаз и q — число впадин на полюс и фазу. Отметим, что в подавляющем большинстве случаев число фаз ротора т=3. Очень редко встречаются двухфазные роторы, однофазные же не применяются совершенно, так как не позволяют получить устойчивое число оборотов. Так же, как и в обмотках постоянного тока, в данном случае два соседних соединенных между собою проводника (находящихся на расстоянии одного шага) расположены, как правило, в различных слоях, то есть, если один лежит в верхней части впадины, то другой находится в нижнем слое. Если исходить из какого-либо лежащего в верхнем слое проводника, который мы (совершенно произвольно) обозначим через 1 в, то, чтобы перейти к следующему проводнику, нужно сдвинуться вдоль окружности ротора на некоторое число впадин. Это число называется шагом обмотки. Для рассматриваемых обмоток первый частичный шаг берут равнымиполюсному делению, то есть е/1 =
что для трех фазных обмоток дает «/i=3g. Так. обр., проводник 1В должен быть соединен с проводником (3q + 1)„, где значек „н“ обозначает, что этот проводник лежит в нижнем слое. Второй частичный шаг берут равным первому, то есть У2 — У1=3q (заметим, что эти обмотки выполняются в виде волновых). Тогда проводник (3q + 1)н соединяют с [(3(е-f l) + 3q]B=(6<е + 1)в. Если обойти шагами такой величины вдоль всей окружности ротора, то мы увидим, что мы вернулись снова к проводнику 1в, то есть обмотка замкнется, несмотря на то, что еще не все проводники использованы. Поэтому при обходе ротора последний шаг делают на единицу больше или меньше, то есть берут его равным 3<2±1. В первом случае (4-) получается обмотка с удлинением, а во втором случае (-) с укорочением перехода. Рассмотрим на примере первый случай. Предположим, что 2=4; q=4; т=3; u=2pqm=4-4-3 — 48; «/1=2/2==3q=12. От проводника 1в идем к 1 + 12=13я, затем к 13 -f-12=25в и к 25 + 12=37н. Если бы следующий шаг был опять взят равным 12, то мы пришли бы к проводнику 37 + 12=49в, то есть к 1В и замкнули бы обмотку. Поэтому последний шаг берем равным 12+1=13 и переходим к проводнику 37 + 13== 50в=2в. Продолжая дальше, получим следующую таблицу:
1В 13а 25в 37н 2в
2В-14Я-26В-38Н-3В Зв-15н-27в-39н-4„ 4В-16Н-28В-40Н.
Если бы теперь мы захотели продолжить обмотку таким же образом, то мы пришли бы к проводнику 40 + 13== 53=5В, но этот проводник принадлежит уже к другой фазе, а вместе с тем мы обошли только половину проводников данной фазы. Для того, чтобы включить в обмотку и остальные провода, после q обходов (в данном случае
4) делают так называемым поворотное соединение, которое в виде исключения соединяет два нижних проводника, расстояние между которыми берется равным нормальному шагу, то есть 3q. После этого шагание идет в обратном направлении. Тогда обмотка нашего примера продолжится следующим образом:
40я - 4Н
4а — 40в — 28а — 16в — Зя Зя 39в 27я 15в 2Н
2Я-38В-26Я-14В-1Н 1Н — 37в 25н 13,
Схема этой обмотки (неполная) показана на рисунке 41, при

чем для нагляд-

ности. верхние >„

i i

:89

1 1

провода показа-

16 j 28

40о

1 1

ны сплошной ли- А

X у

-----1-

нией, а нижние г т г — пунктиром. Так. Рнс. 41,
образ., наиболееважными пунктами обмотки являются: начало 1в, конец 13в и поворотное соединение 40н — 4П. Точно так лее выполняются и другие фазы обмотки. Из других обмоток для роторов асинхронных двигателей укажем еще на короткозамкнутые обмотки, в виде „беличьего колеса”. Здесь во впадины ротора закладывается ряд медных (иногда алюминиевых) стержней, соединяемых по торцам массивными кольцами, как показано на рисунке 42.
Для некоторых машин применяются комбинированные обмотки, представляющие собой либо совокупность двух отдельных обмоток различного типа (некоторые коллекторные двигатели), либо одну единственную обмотку, снабженную одновременно и коллектором и кольцами (Одноякорные преобразователи, некоторые коллекторные машины переменного тока).
Как уже неоднократно упоминалось, в современных машинах обмоточные проводники укладываются во впадины, выштампованные в листах, составляющих статор или ротор. Провода или стержни, из которых изготовляется обмотка, изолируются обычно путем обматывания хлопчатобумажной пряжей (в 2 — 3 слоя). Впадины бывают трех типов: открытые, закрытые и полузакрытые. Открытые впадины применяются чаще всего для машин постоянного тока (рисунок 43) и удобны тем, что допускают предварительное изготовление обмотки на шаблоне, благодаря чему изоляция становится надежнее и уменьшается стоимость изготовления. Недостатком этих впадин (особенно важным для машин переменного тока) является неравномерное распределение силовых линий в воздушном промежутке. Совершенно закрытые впадины хотя и дают вполне равномерное распределение силовых линий, зато весьма увеличивают рассеяние и затрудняют изго товление обмоток. Применяются почти исключительно для роторов в видебеличьего колеса в асинхронных двигателях. Для машин переменного тока наиболее часто применяются впадины полузакрытого типа (рисунок 44). Здесь, благодаря наличию зазора между зубцами, рассеяние будет практически таким же, как и у открытых впадин, а с другой стороны, в виду того что ширина зазора не превышает обычно 5 миллиметров, распределение силовых линий в воздушном промежутке будет почти равномерным. Что касается изолирования проводников от стенок впадины, то при небольших напряжениях впадина обычно выкладывается лишь тонким слоем особого картона (пресшпана), так как качество изоляции здесь определяется скорее механическими, чем электрическими условиями. После за-
Рисунок 43.
Рисунок 44.
кладывания обмотки она зажимается загоняемым сбоку деревянным илн фибровым клином. При более высоких напря.жениях секции обматывают дополнительно пресшпаном или льняной лентой. На дно впадины и под клин кладут преешпановые полоски. На рисунке 43 и 44 буквами Р„ Р2, Р3 обозначен пресшпан, а буквой В — льняная лента. Иначе обстоит дело с обмотками машин переменного тока высокого напряжения. Здесь изоляция впадины является наиболее ответственным местом всей конструкции и ей уделяется самое серьезное внимание. В таких машинах изоляция впадины состоит обычно из сплошной трубки, изготовленной из миканита или слюды. Проводники закладываются сбоку в трубку и затем трубка под давлением заполняется особой изолирующей массой, чтобы удалить воздух и создать более прочную, монолитную изоляцию. Так же тщательно изолируются в машинахвысокого напряжения и лобовые соединения обмоток.
Магнитная цепь Э. м. Совокупность всех частей машины, через которые проходит магнитный ноток, называется
магнитной цепью, или магнитопроводом. Для вращающихся машин различают три вида магнитопроводов: с неподвижными выступающими полюсами, рисунок 45 (машины постоянного
тока и некоторые коллекторные машины), с вращающимися выступающими полюсами рисунок 46 (обычные синхронные машины) и с неясно выраженными
полюсами, рисунок 47 (турбогенераторы, асинхронные машины и некоторыеколлекторные машины). Магяитопро-воды, показанные на рисунке 45 и 46, имеют неравномерный воздушный промежуток, который, как и магнитное сопротивление, будет здесь наименьшим под полюсами. Принципиального различия между магнитопроводами по рисунок 45 и 46 нет, лишь в первом случае полюса помещаются на статоре, а во втором—на роторе. Магнитную цепь по рисунок 45 часто называют цепью с внутренним якорем, а по рисунок 46 — с внешним якорем. На рисунке 47 магнитопровод имеет повсюду одинаковый воздушный промежуток (если не учитывать влияния впадин и зубцов), а, следовательно, и одинаковое по всей окружности магнитное сопротивление. Для того, чтобы провести магнитный поток через какую-либо часть магнитопровода машины, необходимо затратить определенную энергию, величина которой может иметь черезвычайно разнообразные значения в зависимости от материала, из которого состоит данная часть магнитной цепи, и длины пути прохождения потока. Величина потока, приходящаяся на 1 см3 поперечного сечения (то есть сечения, перпендикулярного к направлению силовых линий), носит название магнитной индукции (смотрите теоретические основы электротехники) и выражается фор-Ф
мулой В=q гаусс, где Ф — поток вмаксуеллах, a Q — поперечное сечение в сЖК Так. обр., при одной и той асе энергии мы получаем в зависимости от сорта материала различные индукции, в то время как напряженность поля от материала не зависит. Между напряженностью поля Н и магнитной индукцией В существует зависимость В— >.Н, где — магнитная проницаемость. След., В тем больше, чем выше магнитная проницаемость материала. Для воздухα= 1, и поэтому здесь В=Н. Очевидно, с точки зрения экономичности выгодно при затрате определенного количества энергии иметь возможно бол) шую индукцию, то есть возможно больший магнитный поток. Так как наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо и его модификации (чугун и сталь), то магнитопроводы Э. м. изготовляют всегда из.
Этих матерьялов
Этих матерьялов. При этом во вращающихся Э. м. в качестве прослойки между неподвижной (статор) и вращающейся (ротор) частями приходится оставлять тонкий слой воздуха 1воз-душный промежуток, или междужелезное пространство) и затрачивать большую часть энергии возбуждения на проведение через него магнитного потока. С этим обстоятельством приходится мириться в силу невозможности без него обойтись. Так как даже для определенного сорта железа магнитная проницаемость не является величиной постоянной и изменяется в широких пределах в зависимости от величины напряженности поля Н, то и величина индукции В не остается пропорциональной Н. При малых Н, вследствие быстрого увеличения ц. индукция В так же увеличивается очень быстро. Затем в некоторых пределах значений Я магнитная проницаемость остается постоянной, и индукция В растет пропорционально Н. Наконец, наступает т. наз. насыщение железа, проницаемость начинает уменьшаться, увеличение В замедляется, и вскоре дальнейшее увеличение Я уже не в состоянии сколько - нибудь значительно повысить В. Так как напряженность поля Я обусловливает собой намагничивание магнитопровода, то ее часто называют еще намагничивающей силой. В практических расчетах пользоваться величиной Я неудобно и поэтому здесь берут пропорциональную ей величину aw=0,8 Я, где aw — число ампер-витков на 1 сантиметров пути. физическое значение величины aw выясняется из следующих соображений. Если имеется соленоид, состоящий из го вит -ков, по которым проходит ток г ампер, то возбуждаемый этим соленоидом поток будет определяться произведением -даампер-витков, то есть поток будет увеличиваться как при возрастании тока, так и при увеличении числа витков. Для того, чтобы в данном участке магнитопровода установить некоторый поток, потребуется известное число ампер-витков. Так как магнитное сопротивление пропорционально длине, то чем больше протяжение магнитопровода, тем большее потребуется число ампер-витков. То количество ампервитков, которое требуется для установления данного потока в данном магнитопроводе при его длине в 1 сантиметров и будет величиной aw. Если длина пути
iw _
составляет I см, то a/w=~j. Из формулы Б=щЛследует, что для. установления данной индукции В потребуется тем меньшая намагничивающая сила или тем меньшее число ампер-витков на сантиметров aw, чем больше магнитная проницаемость матерьяла. Соотношения между В и aw даются обычно в виде кривых, показанных на рисунке 48 для различных сортов железа (смотрите также электротехнические матерьялы). Т. к. во вращающихся частях машины все время происходит перемагничивание железа и возникают сопутствующие ему потери, то для уменьшения потерь те части магнитопровода, которые подвергаются перемагничиванию, изготовляются из тонких (обычно 0,5 миллиметров) листов, изолированных друг от друга проклейкой бумаги толщиной около 0,05 миллиметров. Листы собираются в пакеты так, чтобы плоскости раздела были параллельны направлению магнитного потока. Литая сталь и чугун применяются (чугун в последнее время очень редко) лишь для тех частей магнитопровода, где перемагничивание не имеет места (индукторы машин постоянного тока и синхронных). Для трансформаторов применяют листовое железо обычно толщиной 0,35 миллиметров, чтобы еще больше понизить потери на перемагничивание. В малых машинах и трансформаторах оклейку листов бумагой часто заменяют покрытием тонким слоем особого изолирующего лака.
Как уже установлено выше, для получения в данном магнитопроводе данного магнитного потока необходимо определенное число ампер-витков. Если магнитопровод имеет длину I см, состоит из однородного матерьяла и имеет всюду одинаковое поперечное сечение, то это число ампер-витков будет выражаться формулой A W=aw где aw—число ампер-витков на 1 сл длины. Если, как это всегда бывает на практике, магнитопровод состоит из нескольких частей, изготовленных из различного матерьяла и имеющихразличное сечение, то величина aw для всех этих частей не будет одинаковой, к в этом случае приходится разбивать цепь на отдельные участки, подсчитывать ампер-витки для каждого участка отдельно и затем их суммировать. Тогда
A W — awy lL + aw.21,2 -f- aw3 lg-j- =— Saw l. Величина AW является как бы источником магнитного потока и носит название магнитодвижущей силы (сокращенно мдс). Так как величина мдс зависит только от числажутка, либо вследствие того, что сам воздушный промежуток будет не вполне равномерным, то есть его магнитное сопротивление не будет во всех точках одинаково.
Рассмотрим сперва возбуждение мдс однофазным переменным током, причем первоначально—для случая магнитопровода, показанного на рисунке 47, то есть для магнитопровода с равномерным воздушным промежутком. Далее предположим, что наша обмотка имеет число впадин на полюс и фазу q=1,
Рисунок 48.
витков и силы тока, то при постоянном числе витков мдс будет зависеть всецело от тока. Если ток постоянный, то и мдс будет иметь постоянную величину; если ток переменный, то и мдс будет изменяться с тем же числом периодов, то есть будет колебаться от некоторого положительного максимума до такого же по абсолютной величине отрицательного максимума. Мдс создает магнитный поток, проходящий из статора в ротор или из ротора в статор через воздушный промежуток машины. При этом в большинстве случаев магнитная индукция не будет во всех точках этого воздушного промежутка одинаковой либо вследствие того, что мдс не будет распределена равномерно вдоль воздушного промекак показано на рисунке 49. Здесь имеется ряд катушек, ширина которых равна полюсному делению т. Если по этим катушкам проходит электрический тОк, то возникает мдс, возбуждающая магнитный поток, пронизывающий катушку и замыкающийся через два воздушных промежутка. рпо. ы/
как показано нарис.49 тонкими линиями со стрелками. Такая катушка представляет собой не что иное, как соленоид, и обладает, еле-
довательно, двумя магнитными полюсами: северным (п) и южным (s). Так как величина мдс определяется произведением из силы тока на число витков и так как внутри катушки никаких источников магнетизма не имеется, то во всех точках внутри катушки, то есть на всем протяжении полюсного деления, мдс будет одинаковой и графически изобразится в виде четырехугольника abed. На протяжении соседнего полюсного деления (на участке ВС) мдс также будет во всех точках иметь одинаковую величину, равную предыдущей, но направлена она будет в противоположную сторону. Поэтому четырехугольник defg, характеризующий закон изменения мдс на участке ВС, построен ниже линии ад. Высота прямоугольника ab или de равна половине мдс всей катушки, т. к на участках ad или dg поток проходит только через один воздушный промежуток. Так как в рассматриваемом случае воздушный промежуток равномерный, то и поток также будет распределен равномерно, то есть индукция будет везде иметь одинаковую величину, а направление ее будет соответствовать направлению мдс. Другими словами, закон изменения индукции будет характеризоваться той же ломаной линией abedefg, но в другом. масштабе. Т. к. мдс вызывается здесь переменным током, то и сама она будет изменяться во времени с тем же числом периодов f. Если мгновенное значение циркулирующего в катушке переменного тока будет г=«=}/21 sin w t, где /— эффективное значение тока (смотрите теоретические основы электротехники), то мгновенное значение мдс будет
AW=]y2 lw sin о> t,
где w—число витков катушки. В технике переменных токов все расчеты значительно упрощаются, если изменение тех или иных величин происходит по синусоиде. Раскладывая нашу прямоугольную кривую на ряд синусоид (смотрите теоретические основы электротехники), мы берем только основную гармонику и пренебрегаем влиянием других. Эта основная гармоника показана на рисунке 49, причем ее амплитуда, то есть высота ккяля 1т будет в _
(~ 1,27) раза больше высоты прямоугольника ab или fg. Тогда мгновенное значение основной синусоиды мдсвыразится равенством 4 1 —
(A W)t=_ 2 у 2 sin u>£=0,9lM’sin<»£,
а ее амплитуда
4 1,
(AW)}m=— 2 V 2/г» =0,9Iw.
Рассмотрим теперь случай, изображенный на рисунке 50, когда на полюс приходится несколько впадин (q > 1). Здесь, внутри катушки мдс также будет постоянной (на участке bс она будет равна bh). Когда же мы начнем двигаться от точки b влево или от точки с вправо, то мы увидим, что мдс начнет посте-пенноуменыпаться вследствие уменьшения числа витков и в точке а мдс станет равной нулю. Другими словами, изменение мдс в этом случае будет уже происходить не по закону прямоугольника, а по закону ломаной линии, причем между отдельными впадинами мдс будет оставаться постоянной (ступеньки на рисунке 501. И в этом случае можно заменить ломаную abedefg основной синусоидой, причем, как видно из чертежа, здесь такая замена приводит к меньшим ошибкам, чем в предыдущем случае, так как здесь закон изменения мдс гораздо ближе к синусоидальному.
Если магнитопровод устроен по схеме рисунок 45 или 46, то на закон изменения мдс это не влияет, т. к. из предыдущего ясно, что характер кривой мдс зависит исключительно от расположения обмотки. Что же касается закона распределения магнитной индукции, то здесь он уже будет отличаться от закона распределения мдс, т. к. магнитное сопротивление здесь изменяется вдоль воздушного промежутка.
При возбуждении многофазным переменным током мдс создается в ре
зультате совместного действия отдельных, сдвинутых в пространстве, фазных обмоток, обтекаемых сдвинутыми во времени фазными токами. При этом, как известно (смотрите теоретические основы электротехники), получается вращающееся магнитное поле, имеющее постоянную величину и перемещающееся в пространстве с синхронной скоростью,
60/
то есть совершающее в минуту те=— оборотов, где /—частота тока, а р —число пар полюсов машины. При обычно встречающемся числе впадин на полюс и фазу q=3----4, распределение результирующей мдс в пространстве можно практически считать синусоидальным, причем амплитуда мдс для трехфазного тока в 3/2 раза больше амплитуды мдс каждой фазы, т.-е равна
AW=— AW=1,35 Iw.
Возбужденный этой мдс поток также будет вращаться в пространстве в отличие от пульсирующего во времени и неподвижного в пространстве потока однофазной обмотки. Можно, однако, всякую пульсирующую во времени и неподвижную в пространстве величину привести к двум вращающимся в про -тивоположные стороны величинам, неизменным во времени. На рисунке 51
а Ь с б е f
вверху представлена (а) мдс однофазной обмотки в тот момент, в который она достигает наибольшей величины. Эту мдс можно представить состоящей из двух одинаковых по величине мдс, равных каждая половине действительной и направленных в одну и ту же сторону. Если обе эти составляющие вращаются в разные стороны с одинаковой (синхронной) скоростью, то через некоторый промежуток времени они займут положение b и, суммируя их геометрически, мы получим мдс, показанную на чертеже над ними, величина которой уже будет меньше, чем в случае а. При дальнейшем вращении составляющих результирующая мдс (с и d) будет уменьшаться еще больше, пока не наступит момент е, когда результирующая мдс станет равной нулю, т. к. в этот момент составляющие направлены друг против друга и взаимно уничтожаются. В положении / результирующая мдс будет направлена уже в другую сторону; далее она снова начнет увеличиваться в этом направлении, дойдет до максимума, снова станет уменьшаться, перейдет через нуль и так далее В машинах переменного тока одну из этих составляющих обычно удается уничтожить или, по крайней мере, настолько ослабить, что ее влиянием можно пренебречь. Тогда и здесь получается вращающееся поле, но имеющее амплитуду в 2 раза меньшую, то есть
1F= -yO,9-Zw=0,45 lw.
Если через обмотку пропускается постоянный ток, то мдс и магнитный поток также будут постоянными и во времени и в пространстве. Рассмотрим сперва магнитопровод типа рисунок 47. Одна из форм такой обмотки показана на рисунке 52. Здесь все впадины на протяжении всего полюсного деления заполнены обмоткой. Мдс будет иметь наибольшую величину в середине полюсного деления, т. к. здесь число ампер-витков будет наибольшим. В точках а и Ь мдс будет равна нулю.
Следовательно, мдс распределена здесь по закону треугольника, сильн“ отличающемуся от закона синусоиды, что совершенно недопустимо. Исходя из этого, в современных машинах обычно заполняются не все впадины на протяжении полюсного деления, а.
лишь часть их (обычно 8/3) и притом так, что в середине полюсного деления обмотки нет (рисунок 53). При таком расположении мдс в средней части полюсного деления будет постоянной, и распределение мдс будет иметь форму
трапеции. Если обмоткой заполнено 2/3 всех впадин, то закон распределения практически мало отличается от синусоиды. В некоторых случаях обмоткой заполняются все впадины, но число проводников в них берется неодинаковым, а именно: по серрдине меньше, а по краям больше. Такая конструкция, хотя и сильно удорожает изготовление машины, но зато форма поля получается при ней чисто синусоидальной. В случае магнитопроводов типа рисунок 45 или 46 обмотка укладывается вокруг выступающих полюсов, как показано на рисунке 54. Здесь уже
Рио. 54.
величина воздушного промеясутка не будет одинаковой на всем протяжении полюсного деления. Если поверхность полюса, обращенная к воздушному промежутку, обточена так, что воздушный промежуток под полюсом везде одинаков (машины постоянного тока), то кривая распределения магнитного потока (и магнитной индукции) представляет собой прямоугольник abed <рис. 54 слева). Для того, чтобы получить форму кривой поля, более приближающуюся к синусоиде (необходимо для машин переменного тока), поверхность полюса обтачивают эксцентрично так, чтобы воздушный промежуток под краями полюса был больше, чем подего серединой. Тогда распределение поля и индукции будет происходить по некоторой кривой efg (рис.54 справа), которую путем придания полюсу определенного эксцентриситета молено значительно приблизить к синусоиде.
Для подсчета мдс машины, то есть полного числа ампер-витков, необходимого для получения заданной эдс молено воспользоваться найденным вы-, ше уравнениемЕ=4 kf -kw-fw-Ф-1СТ“8-
Величина A— kf kw fw 10~8 для данной машины является постоянной, и тогда Е — А Ф, то есть для данной машины эдс зависит исключительно от величины магнитного потока, и ее форма будет тождественна с формой этого потока. Зная величину потока, геометрические размеры магнитопровода (длину и поперечное сечение), можно подсчитать индукции в различных частях магнитной цепи, а зная матерьял, из которого они сделаны, можно подсчитать по кривой рисунок 48 ампер-витки на сантиметров длины {aw). После этого подсчитываются ампер-витки для каяедого участка магнитопровода и суммируются. Обычно из всего числа ампер-витков, необходимых для создания данного магнитного потока, большая часть тратится на преодоление магнитного сопротивления воздушного промежутка. Если каким-либо образом начать уменьшать или увеличивать мдс (проще всего уменьшать или увеличивать для.этого проходящий через обмотку ток), то магнитный поток Ф и пропорциональная ему эдс также начнут уменьшаться или увеличиваться. Если задаться несколькими значениями потока и просчитать для них по указанному выше способу мдс, то можно построить очень важную кривую зависимости меяеду ними, т. наз. характеристику намагничивания машины. Для этого откладываем в некотором масштабе (рисунок 55) по вертикальной линии от некоторой точки О
Эдс оа, оb, ос., а по горизонтальнойлинии, также от точки О, соответствующие им мдс от, on, oq, Еслитеперь через точки а,Ь, с,____провестигоризонтали до встречи с вертикалями, проведенными из соответствующих точек т, и, q —, и полученные точкипересечения ж, у, г соединитьплавной кривой, то мы и получим характеристику намагничивания машиныожуг При малых эдс, то есть прималых потоках, индукция настолько
мала и магнитная проницаемость железа настолько велика, что магнитное сопротивление обусловлено исключительно воздушным промежутком, а т. к. для воздуха мдс пропорциональна потоку, то их характеристика намагничивания будет здесь прямой линией. Однако, при дальнейшем увеличении Фи Е магнитная проницаемость падает, магнитное сопротивление железа возрастает, и поток начинает увеличиваться медленнее, чем мдс: кривая загибается книзу. При еще большем увеличении Фи Е насыщение железа увеличивается еще больше и, наконец, наступает такое состояние, когда даже значительное увеличение мдс не вызывает заметного роста Фи Е. Зная, на какой точке кривой лежит нормальная эдс машины, можно судить о степени ее насыщения. Насыщение не должно быть слишком малым, т. к. тогда малейшее изменение мдс (например, вследствие изменения сопротивления обмотки отнагревания)вызывало бы значительные колебания эдс, что совершенно недопустимо. С другой стороны, слишком большое насыщение хотя и дает устойчивую эдс, но увеличивает мдс и удорожает изготовление машины. Обычно нормальная эдс лежит на перегибе кривой (примерно, между точками у я z рисунок 55). Характеристика намагничивания машины является весьма ценной и при испытании машин, т. к. с ее помощью можно найти ряд зависимостей между различными величинами, определяющими работу машин.
Коэффициент полезного действия (кпд). Идеальным случаем работы Э. м. (как и всякой машины вообще) был бы такой, при котором вся подводимая энергия целиком могла бы быть получена от машины в другой форме. Однако, как бы ни усовершенствовалась конструкция машин, какие бы материалы для них не применялись, этот случай на практике осуществлен быть не может. Прохождение тока по проводнику, согласно закону Джоуля, связано с выделением тепла за счет части пропускаемой через проводник энергии. Перемагничивание железа также связано с выделением теплоты. Наконец, трение в подшипниках и сопротивление вращению со стороны окружающего воздуха также требуют для своего преодоления некоторого расхода энергии. Все эти потери, превращаясь в теплоту и рассеиваясь в окружающем пространстве, требуют затраты известного количества работы, доставляемого первичным источником энергии (для генератора—первичным двигателем, для двигателя—питающей его сетью) иявляющегося безвозвратно потерянным; другими словами,энергия, получаемая машиной, всегда больше, чем отдаваемая. Если обозначить мощность, подводимую к машине, через Ра, а мощность, отдаваемую ею—через Р, то отношение
Р
всегда меньше единицы и называется коэффициентом полезного действия. Так как полная мощность Ра состоит из полезной мощности Р и потерь W, то кпд может быть также выражен в форме Р Pa-W
r‘.Pi- W или= Ра Для удобства изучения все потери в машине можно разбить на три группы: потери в меди, потери в железе и потери на трение (или механические). Очевидно, что в трансформаторах последняя группа потерь не имеет места. Потери в меди, то есть в проводниках обмоток, прежде всего обусловлены прохождением тока. По закону Джоуля, эта, т. наз. омическая, потеря составляет Wm =Г-Л, где Р—сила тока, идущего через проводник, имеющий омическое сопротивление R ом. Эти потери имеют место как в рабочих обмотках (например, якорь машины постоянного тока, статор синхронной машины и так далее), так и в обмотках, создающих магнитное поле машин (обмотках возбуждения). К этим же потерям могут быть отнесены потери, обусловленные прохождением тока через контакт между щетками и контактными кольцами или коллектором. Кроме этой потери, в проводниках обмоток благодаря потокам, охватывающм их и пересекающим их своими силовыми линиями, индуктируются т. н. вихревые токи, или токи Фуко (смотрите теоретические основы электротехники), замыкающиеся в виде вихрей внутри проводника и обусловливающие, особенно в массивных проводниках, значительные потери, называющиеся добавочными потерями в меди. Величина этих добавочных потерь точному учету не поддается, в виду влияния целого ряда обстоятельств, предусмотреть которые очень трудно. К потерям в меди можно также отнести потери в реостатах, регулирующих силу тока возбуждения в машинах. Потери в железе обусловлены переменным перемагничиванием магнитопровода в целом или его отдельных частей. Прежде всего здесь следует отметить потерю, затрачиваемую на рабо-туперемагничивания.или потерю на гистерезис. При тех больших индукциях, которые встречаются в магнитопроводах современных машин, эта потеря оказывается пропорциональной: частоте перемагничивания f (числу полных перемагничиваний в секунду), квадрату индукции В, объёму пере-магничиваемого железа V, толщине железных листов, из которых составлен магнитопровод а, и может быть выражена формулой Wh=Ah fB:V-a, где Ah — коэффициент, зависящий отсорта железа. Кроме потерь на гистерезис, в железе имеют еще место потери на токи Фуко (от индуктируемых в нем переменным потоком вихревых токов, или токов Фуко), зависящие от квадрата частоты перемагничивания, квадрата индукции, объёма железа, квадрата толщины железа и сортажелеза. Эта потеря может быть выражена формулой Wf=Af f2B3Va где Af —снова коэффициент, зависящийот сорта железа. Далее, в железе появляется еще потеря на вихревые токи, вызываемые колебаниями магнитной индукции в слоях, лежащих у воздушного промежутка, вследствие наличия на статоре или роторе (или и на том и на другом) зубцов и впадин. Т. к. индуктируемые здесь токи не проникают в толщу железа, а располагаются на поверхности, то и самая потеря называется поверхностной. К потерям в железе относятся также пульсационные потери, вызываемые колебаниями индукции в зубцах статора и ротора, а также добавочные потери, обусловленные местными короткими замыканиями между отдельными листами, появляющимися в результате их механической обработки (штамповки, резки, сверления и так далее). Несмотря на тщательное изготовление и обильную смазку, потери, обусловленные трением цапф в подшипниках, достигают довольно больших величин. Эти потери зависят, с одной стороны, от величины трущейся поверхности, а с другой стороны—от скорости вращения и температуры подшипников. С целью понизить эти потери, небольшие машины часто изготовляют с шариковыми или роликовыми подшипниками. Потеря на сопротивление от воздуха точному учету не поддается. В малых машинах она имеет обычно очень небольшую вели -чину, но зато в больших быстроходных машинах (турбомашины) она может дойти до 2°/о от общей мощности машины. К потерям на трение можно также отнести мощность, затрачиваемую на вращение вентиляторов, способствующих лучшему охлаждению машины.
Потери в машине не являются во всех случаях постоянными при любой нагрузке машины. Таким постоянством (и то приблизительным) обладают только потери механические. Практически постоянными можно также считать потери в железе, т. к. эдс, создаваемая магнитным потоком, обусловливающим эти потери, при всех нагрузках машины остается приблизительно постоянной. Потери в меди рабочих обмоток пропорциональны квадрату силы тока и с увеличением нагрузки растут очень быстро. Отсюда следует, что кпд машины также не является величиной постоянной и сильно зависит от нагрузки. На рисунке 56 представлена в виде кривой типич-
2
ная зависимость между кпд и нагрузкой машины, выраженной в долях от нормальной. Из этой кривой видно, что вначале, когда нагрузка мала, кпд растет очень быстро, т. к. в этой области потери в меди сравнительно невелики. При дальнейшем увеличении нагрузки увеличение кпд замедляется (потери в меди быстро возрастают) и, наконец, при еще большей нагрузке кпд начинает падать, т. к. потери в меди достигают очень большой величины. При отсутствии нагрузки (при холостом ходе) кпд равен нулю, т. к. машина не совершает никакой полезной работы. Обычно машины проектируются так, чтобы наибольшего значения кпд достигал около нормальной нагрузки. Что касается абсолютной величины кпд, то она зависит от типа машины и от ее мощности. Вообще говоря, в Э. м. кпд весьма высок, достигая в наиболее мощных типах ма шин до 97—98%, а в наиболее мощных трансформаторах до 99—99,5%.
Нагревание Э. м. Т. к. потери машины переходят в теплоту, то при работе машина постепенно нагревается, причем повышение температуры происходит до тех пор, пока не установится тепловое равновесие, то есть машина будет отдавать в окружающую среду столько же тепла, сколько она получает его от происходящих в ней потерь. Для того, чтобы не произошло обугливания и разрушения изоляции обмоток, предельная температура не должнапревосходить определенных значений, установленных электротехническими нормами. В машинах небольшой мощности. где потери невелики, а поверхность, через которую теплота переходит в окружающую среду, относительно велика, эго условие выполнить легко, и здесь вполне достаточным является естественное охлаждение машины. Напротив, в машинах большой мощности, где потери по сравнению с величиной машины достигают огромных значений, такого естественного отвода теплоты уже недостаточно и приходится прибегать к искусственному охлаждению с помощью крыльчатого вентилятора сидящего на валу машины, а в особенно трудных случаях (турбомашины) к продуванию холодного воздуха через корпус машины. К таким асе мерам приходится прибегать иве лучае когда по условиям эксплуатации машина должна быть изготовлена, герметически закрытой. Для небольших закрытых двигателей иногда применяют водяное охлаждение, когда вода проходит через обобую охладительную рубашку, соприкасающуюся с нагретыми частями машины. Для лучшего охлаждения трансформаторов их погружают в баки, наполненные минеральным маслом, а при очень больших мощностях это масло охлаждают, кроме того с помощью погруженного в него змеевика, сквозь который пропускается холодная вода. Вопросы нагревания и охлаждения машин являются в электромашиностроении весьма важными, т. к. нагреванием машины в конечном счете определяется ее мощноегь. Понятным, поэтому, является стремление возможно больше повысить охлаждао-мость машины. В последнее время для этой цели начинают применять водород из-за его легкости (а, след., и меньших потерь на продувание) и лучших, чем у воздуха, способностей отнимать тепло у нагретых частей машины.
Машины постоянного тока (м. п. т.). Реакция якоря. До тех пор, пока в проводниках, составляющих обмотку якоря м. п. т., ток не проходит (т. е. машина вращается вхолостую), магнитный поток создается исключительно индуктором (полюсами) машины. Этот случай показан на ряс. 57 слева. Магнитный поток полюсов, т. наз. основной поток машины, направлен здесь снизу вверх. При вращении якоря, в его обмотке индуктируется эдо, достигающая наибольшей величины в проводниках, расположенных в данный момент времени под полюсами, и равная нулю в проводниках, лежащих на нейтральной линии тп (т. к. здесь при вращении проводники не пересекают магнитных силовых линий). Из чертежа видно, что нейтральная линия расположена перпендикулярно к оси полюсов. Если теперь прекратить возбуждение полюсов (выключив ток в обмотзано на рисунке 57 справа. Т. к. силовые линии результирующего потока проходят теперь в якоре под некоторым углом к вертикали и т. к. нейтральная линия должна быть всегда перпендикулярна к направлению силовых линий, то, очевидно, мы будем иметь здесь смещение нейтрали на угол а. На такой же угол должны быть передвинуты и щетки машины для достижения правильной работы. Новая нейтраль тхщ называется физической в отличие от геометрической нейтрали тп. Смещение физической нейтрали происходит для генераторов в направ
ке возбуждения) и питать якорь от постороннего источникаг,остоянного тока, то якорь сам станет электромагнитом, как видно из рисунка 57 (средний чертеж), и образует два полюса (северный и южный). Магнитная ось якоря, то есть линия, проходящая через его полюса, будет направлена по нейтрали машины, то есть будет совпадать с осью щеток. Очевидно, что при нормальной работе машины, когда возбуждена обмотка полюсов и сам якорь пронизывается током, будут существовать оба потока: основной и поток якоря, иначе называемый потоком реакции якоря. Так как существование двух самостоятельных потоков в одном магнитопроводе невозможно, то оба поля, сложившись, дадут некоторый результирующий поток машины при нагрузке, который, по сравнению с потоком холостого хода, оказывается перекошенным, как покалении вращенияякоря, а в двигателях— в сторону, противоположную вращению. Следствием реакции якоря является уменьшение потока машины, а, следовательно, и уменьшение эдс. Уменьшение потока появляется в результате того, что в одной части машины силовые линии сгущаются, а в другой разрежаются, причем вследствие насыщения железа сгущение не компенсируется разрежением и магнитное сопротивление увеличивается. Для того, чтобы вернуть эдс к ее прежнему значению, приходится увеличивать ток возбуждения. Помимо этого, реакция якоря, вызываемая током самого якоря, увеличивается с возрастанием нагрузки машины. Отсюда ясно, что величина смещения физической нейтрали также зависит от нагрузки, т. е., другими словами, каждой нагрузке машины соответствует одноопределейное правильное положение щеток и при всяком изменении нагрузки щетки должны быть переставляемы. Это создает очень большие неудобства при эксплуатации, и поэтому в современных м. п. т. поле реакции якоря уничтожают с помощью дополнительных полюсов, расположенных в геометрической нейтрали и создающих поток, равный, но противоположный по направлению, потоку реакции якоря. Обмотку возбуждения дополнительных полюсов соединяют последовательно с якорем, и тогда компенсация происходит автоматически при всех нагрузках, т. к. при слабо насыщенных дополнительных полюсах изменение потока будет пропорциональным изменению тока в якоре. Ниже мы увидим, что у дополнительных полюсов есть еще и другая задача—улучшение коммутации машины.
Коммутация тока. При вращении якоря все коллекторные пластинки последовательно проходят под щеткой. Т. к. щетки неподвижны, то картина распределения параллельных ветвей в обмотке остается постоянной, то есть иод некоторым полюсом, например северным, направления эдс и тока в проводниках остаются всегда одними и теми же. Так. обр., роль щеток сводится к последовательному переключению проводников обмотки из одной ветви якоря в другую. Это переключение, происходящее в момент перехода переключаемого проводника через нейтраль, называется коммутацией тока. Процессы, происходящие во время коммутации, черезвычайно сложны и до этих пор их нельзя еще считать окончательно изученными, несмотря на огромный фактический материал, накопленный многолетними исследованиями. Последовательный ход коммутационного процесса показан на рисунке 58, где принято, что обмотка и коллектор перемещаются вправо, щетка неподвижна и ширина щетки равна ширине одной коллекторной пластины. На чертёж 1 изображен момент, когда щетка соприкасается еще только с правой пластиной, то есть момент, предшествующий началу коммутации Весь ток 2гя, поступающий из внешней сети, проходит через правую пластину и затем, пройдя черезсоединительный проводник и войдя в обмотку, равномерно распределяется в обе стороны (в обе параллельные ветви). Как видно из чертежа, через среднюю секцию (присоединенную к обеим коллекторным пластинам) проходит ток in, равный половине всего тока, идущего через щетку. Направление этого тока-справа налево. В следующий момент (чертёж 2), когда коллектор несколько передвинется, в соприкосновение со щеткой войдет и левая пластина. Т. к., однако, поверхность контакта между щеткой и левой пластиной меньше, чем между щеткой и правой пластиной, то весь ток 2ix распределится между пластинами неравномерно: большая часть тока пойдет через правую пластину, а меньшая — через левую. Дойдя до точки а, ток правой пластины отчасти пойдет в правую параллельную ветвь (ток ix), а остаток — в среднюю секцию, обойдя которую и соединившись в точке b с током левой пластины в ток ix, он направится в левую параллельную ветвь. Очевидно, что ток, проходящий в этом случае через среднюю секцию, будет меньше, чем ix, то есть чем в первом случае. На чертёж 3 показан следующий момент, когда щетка перекрывает обе
12U ix— —сА
пластины равномерно, т.-е площади контакта между щеткой и каждой из пластин одинаковы. В этом случае через каждую из пластин проходят одинаковые токи %я, которые и переходят затем в правую и левую ветви якоря, минуя среднюю секцию (ток в средней секции равен нулю). При дальнейшем перемещении коллектора (чертеж 4), когда площадь контакта между щеткой и левой пластиной становится больше, чем между щеткой и правой пластиной, большая часть тока идет через левую пластину, и, как видно из чертежа, часть этого тока проходит через среднюю секцию в правую параллельную ветвь. Наконец, в момент окончания коммутации (чертёж 5) правая пластина выходит из соприкосновения со щеткой, весь ток 2 гя идет через левую пластину, и половина этого тока, то есть гя, поступает через среднюю секцию в правую ветвь якоря. Таким образом, за время (или, как говорят, за период) коммутации ток в средней секции, начиная от нормальной величины 1я, постепенно уменьшается, переходит через нулевое значение и снова увеличивается, но уже в обратном направлении, до величины гя. Если бы процесс коммутации не осложнялся никакими другими явлениями, то описанное изменение тока в коммутируемой секции было бы вполне равномерным, ток изменялся бы по закону прямой линии. Поэтому такую „идеальную“ коммутацию называют прямолинейной. В действительности, однако, явление осложняется тем, что, благодаря изменению тока, в секции возникает эдс самоиндуктивности и взаимоиндуктивности (смотрите теоретические основы электротехники), —т. наз. реактивное напряжение коммутации ег, —и, кроме того, в общем случае, секция вращается в постороннем магнитном поле (например, если щетки сдвинуты от нейтрали), которое также создает в ней эдс, т. наз. эдс внешнего поля ек. Эдс ег и е,с создают в секции дополнительный ток, накладывающийся на ток прямолинейной коммутации и вызывающий уже неравномерное изменение тока за период коммутации, т. - е. прямолинейност ь коммутации нарушается. Это нарушение усугубляется еще наличием сопротивления самой секции и соединительных проводников, хотя, впрочем, практическое влияние этого обстоятельства в современных машинах ничтожно. Все указанные причины приводят к тому, что переход тока через нуль совершается в коммутируемой секции или раньше середины периода коммутации (ускоренная коммутация), или позже (замедленная коммутация). Искажение коммутации практически приводит к искрению под щетками. Избежать вызванного коммутацией искрения можно двумя путями: увеличивая сопротивление контакта между щетками и тем затрудняя прохождение тока (это достигается применением в современных м. п. т. угольных щеток; или уничтожая самую причину искажения коммутации, то есть появление эдс ег и ек. Последнего можно добиться, сдвигая щетки машины в область поля главных полюсов, причем в такую сторону и на такую величину, чтобы индуктированная в секции этим полем эдс ек была равна, а по знаку противоположна, реактивному напряжению ег, то есть, чтобы соблюдалось условие ек= — ег. Для этой цели необходимо в генераторах сдвигать щетки за физическую нейтраль в сторону вращения якоря, а в двигателях—против вращения якоря. Так как, однако, величина реактивного напряжения ег зависит от силы коммутируемого тока, т. е., иными словами, от нагрузки машины, то величина сдвига щеток при различных нагрузках должна изменяться, что создает большие затруднения в эксплуатации машины. Более радикальным средством для улучшения коммутации являются дополнительные полюса, которые при этом должны быть рассчитаны так, чтобы, помимо потока, уничтожающего поле реакции якоря, они создавали бы поток, вызывающий в коммутируемой секции эдс ек=— ег. Тогда нет никакой необходимости сдвигать щетки из геометрической нейтрали, и как реакция якоря, так и реактивное напряжение коммутации будут автоматически компенсироваться при любой нагрузке машины. Распределение полярностей дополнительных полюсов по -казано на рисунке 59. Из чертежа виши“
что в генераторах дополнительный полюс должен иметь ту же полярность, что и главный полюс, идущий за ним в направлении вращения якоря, а в двигателе—наоборот. В настоящее время дополнительные полюса являются обязательным элементом каждой м. п. т. за исключением самых малых мощностей,
т. к. их применение, кроме устранения реакции якоря и улучшения коммутации, дает возможность построить машину с меньшим расходованием мате-рьяла, то есть экономически более выгодную,—Искрение на коллекторе может вызываться еще и другими причинами помимо указанной выше. Так, например, благодаря чисто механическим неисправностям (дрожание щеток, плохая притирка щеток и коллектора, истирание коллектора, слабое укрепление токоснимающих частей, неправильная форма коллектора) получается неплотный контакт между щеткой и коллектором, что вызывает появление маленьких вольтовых дуг, в результате чего наступает искрение. Кроме того, искрение может иметь место в том случае, если напряжение между соседними коллекторными пластинами превосходит допускаемые пределы (25—30 вольт).
Способы возбуждения м. п. т. Для возможности работы м. п. т., как уже указывалось выше, необходимо наличие магнитного потока, пересекающего при вращении якоря проводники его обмотки. Создание этого потока называется возбуждением машины. По способу возбуждения различают м. п. т. с независимым возбуждением и с самовозбуждением, причем в последнем случае возбуждение может быть последовательным (сериес), параллельным (шунт) и смешанным (компаунд). В машинах с независимым возбуждением ток, питающий обмотку полюсов, доставляется посторонним источником энергии, например другой машиной или батареей аккумуляторов. Генераторы с независимым возбуждением встречаются очень редко и лишь для специальных целей, нормальные же м. п. т. выполняются всегда с самовозбуждением. На рисунке 60, 61 и 62 показаны
схемы генераторов шунт, сериес и компаунд. Ккк видно из рисунка 60, в шун-товом генераторе обмотка возбуждения присоединена непосредственно к щеткам машины, то есть ток в ней устанавливается по лным напряжением якоря. Для того, что бы ограничить величину этого тока, обмотку выполняют с большим сопротивлением, а для создания нормального потока, при небольшом значении тока, число витков обмотки возбужден ия берут большим. (Как известно, в личина потока, создаваемого какой-либо обмоткой,пропорциональна произведению из силы тока на число витков, то есть числу ампер-витков). Для того, чтобы иметь возможность регулировать величину потока, а, след., и величину напряжения машины, в цепьобмотки возбуждения включают регулируемое сопротивление (ШРнарис. 60), т. наз шунтовый реоетат. В сериесном генераторе (рисунок 61) обмотка возбуждения присоединена последовательно
J
Рисунок 61.
с обмоткой якоря и питается полным током машины. Для того, чтобы не создавать току якоря излишнего сопротивления при прохождении через обмотку возбуждения, последняя выполняется из толстого проводника, обладающего малым сопротивлением. Число витков сериесной обмотки также берут небольшим, т. к. необходимые ампер-витки создаются здесь, гл. обр., за счет большого тока возбуждения. В компаундном генераторе (рисунок 62) имеются обе обмотки: шунтовал и се-риесная, и магнитный поток создается здесь одновременным действием и того и другого возбуждения. Схемы возбуждения двигателей будут даны ниже. Отметим, что генераторы п. т. выполняются почти исключительно шун-товыми и компаундными, а двигатели— шунтовыми и сериесными.
Характеристики генераторов п. т. Каждый тип машины характиризуется определенными рабочими свойствами,
выражаемыми определенными зависимостями одних величин (например, эдс, напряжения, силы тока, числа оборотов и так далее) от других (например, тока возбуждения, нагрузочного тока и так далее). Эти зависимости в силу особых свойств магнитной цепи не могут быть, в большинстве случаев, выражены математическими уравнениями,и их приходится выражать графически в виде кривых,
Рие. 62.
называемых характеристиками машины. Генераторы работают нормально с постоянной скоростью, поэтому характеристики, выражающие зависимости от числа оборотов, для генераторов не являются определяющими. Главнейшими кривыми следует здесь считать те, которые дают зависимость напряжения на зажимах машины от тока возбуждения и от нагрузочного тока. С одной из важнейших характеристик мы познакомились уже выше (рисунок 55),— это характеристика намагничивания, в случае генератора называемая также характеристикой холостого хода. Последнее название возникло от того, что, если во вращающемся с нормальной скоростью ненагруженном генераторе изменять ток возбуждения и одновременно измерять с помощью вольтметра напряжение на зажимах машины, то, построив кривую зависимости между этими двумя величинами, мы и получим намагничивающую кривую. Действительно, напряжение при холостом ходе, вследстие отсутствия тока в якоре (в действительности якорь пропускает ток, необходимый для намагничивания машины, но величина его ничтожна по сравнению с током нагрузки), то есть вследствие отсутствия падения напряжения и реакции якоря, численно равна (вернее, почти равна) эдс> которая в свою очередь пропорциональна магнитному потоку, а ток возбуждения пропорционален ампер-виткам возбуждения или напряженности магнитного поля. Описанным путем характеристика холостого хода может быть снята у генераторов с независимым возбуждением и у генераторов шунтовых или компаундных. У сериесных генераторов ток возбуждения одновременно является и током нагрузки, и поэтому здесь характеристику холостого хода можно снять, лишь отключив обмотку возбуждения от якоря и питая ее от независимого источника тока, то есть превратив сериесное возбуждение в независимое. Если нагрузить машину, то при том же токе возбуждения напряжение на ее зажимах сделается меньше, чем при холостом ходе, т. к. часть эдс должна быть затрачена на преодоление падения напряжения в обмотке якоря и контактах коллекторщетки в шунтовых машинах, а в сериесных и компаундных еще и на преодоление падения напряжения в обмотке возбуждения. Кроме того, сама эдс также уменьшится благодаря реакции якоря, возникающей при нагрузке. Если снять попрежнему зависимость напряжения от тока возбуждения при некоторой постоянной нагрузке, то получится кривая, подобная характеристике холостого хода, но расположенная ниже ее, причем тем ниже, чем больше нагрузка. Кривые, дающие указанную зависимость при различных нагрузках, называются нагрузочными характеристиками. Очевидно, характеристика холостого хода есть частный случай нагрузочной характеристики при токенагрузки, равном нулю. Наиболее важной и имеющей наибольшую практическую ценность является внешняяхарак-теристика, представляющая зависимость между напряжением на зажимах и током внешней нагрузки при некотором постоянном сопротивлении цепи возбуждения и при постоянной скорости вращения, то есть характеризующая как раз нормальный режим работы машины в установках- Внешняя характеристика для шунтовой машины показана на рисунке 63 (кривая Ея). Если бы при нагрузке машины не было бы ни
падения напряжения в цепи якоря, ни реакпии якоря, то не было бы никаких причин для изменения напряжения, и внешняя характеристика представляла бы собой прямую ливню,параллельную оси абсцисс. Т. к., однако, указанные явления в действительности существуют, то с увеличением нагрузки напряжение будет уменьшаться. Это уменьшение будет несколько расти еше и за счет того, что при постоянном сопротивлении цепи возбуждения ток возбуждения при увеличении нагрузки будет падать, так как он устанавливается напряжением на зажимах. Если бы изменение напряжения обусловливалось только изменением тока возбуждения, то мы получили бы кривую -Е] (рисунок 63), благодаря падению напряжения в цепи якоря получается дальнейшее снижение до кривой Е2 и, наконец, вследствие реакции якоря,- действительное изменение будет происходить по кривой Ея. По мере возрастания нагрузки кривая Ея загибается все сильнее и, наконец, по достижениинекоторой, т. наз. критической силы тока напряжение падает настолько, что его уже недостаточно для самовозбуждения машины, кривая круто загибается, напряжение становится равным нулю, и ток будет поддерживаться только остаточным магнитизмом индуктора. Этот т. наз. ток короткого замыкания обычно меньше тока нормальной нагрузки, хотя в некоторых случаях, например в больших машинах, он может быть и несколько больше I норм. В противоположность шунтовым машинам у генераторов сериес внешняя характеристика при увеличении нагрузки поднимается вверх, т. к. в этих машинах увеличение нагрузки связано е увеличением тока возбуждения. На рисунке 64 кривая Е1 представляет
собой характеристику холостого хода, кривая Е2 учитывает падение напрялсе-ния, а кривая Ея, учитывая еще и реакцию якоря, и является внешней характеристикой. Подъем кривой Ея совершается только до известного предела, т. к. в дальнейшем увеличение потока затрудняется насыщением магнитопровода, а падение напрялсения и реакция якоря продоллсают расти в той же степени. При некотором значении тока внешней нагрузки (ток короткого замыкания) напряжение падает до нуля Ток короткого замыкания в сериесном’ генераторе может в несколько раз превосходить ток нормальной нагрузки и является поэтому опасным для целости обмоток машины. В генераторах компаунд напряжение создается как шун-товой обмоткой (обусловливающей падающую кривую), так и сериесной обмоткой (обусловливающей подъем кривой), поэтому внешняя характеристика
Этой машины молсет иметь различный характер в зависимости от того, действие какой обмотки преобладает. На рисунке 65 показаны две типичных внеш
них характеристики компаундного генератора: с небольшим сериесным действием (кривая Ek), когда напряжение остается почти постоянным независимо от нагрузки, и с сильным сериесным действием (перекомпаундирова-ние), когда напряжение несколько растет с увеличением нагрузки.
М. п. да. как двигатель. Если зажимы м. п. т. присоединить к сети, то якорь ее придет во вращение и смолсет тем самым совершать некоторую механическую работу за счет потребления электрической мощности из сети. Вращающий момент двигателя создается по закону Био-Савара (смотрите теоретические основы электротехники), вследствие взаимодействия между силовыми линиями магнитного поля машины и оживленными током проводниками обмотки якоря. Эта сила взаимодействия, будучи умножена на плечо (радиус якоря), и определяет собой вращающий момент двигателя. Следовательно, М — C1 Ф /я, где Ф — магнитный поток, 1я — сила тока в якоре и (—постоянная величина, зависящая от конструкции машины. При равномерной скорости вращения момент, развиваемый двигателем, доллсен вполне уравновешиваться моментом сопротивления нагрузки; если же момент вращения больше или меньше момента сопротивления, то якорь будет ускорять или замедлять свое вращение, пока не наступит равновесие. Схема включения шунтового двигателя показана на рисунке 66. Здесь Ш— шунтовая обмотка возбуждения, ШР— реостат для регулирования тока возбуждения, Пус. Р— пусковой реостат,
Лол. конт,—холостой контакт пускового реостата. Назначение пускового реостата будет выяснено ниже. На рисунке 67 показана схема включения сериесного двигателя. Если находящийся в покое двигатель сразу присоединить к пол
ному напряжению сети, то в него пойдет ток, определяемый равенством V
/я=-g, где V — напряжение сети, а
R — сопротивление якоря, контакта коллектор-щетки, а в еериесных двигателях еще и обмотки возбуждения. Т. к. сопротивление R весьма мало, то ток /я может оказаться в несколько раз больше тока нормальной нагрузки, что могло бы привести к выгоранию обмоток. При работе двигателя положениеизменяется,т. к., благодаря пересечению проводниками якоря силовых линий поля, в обмотке якоря индуктируется эдс, которая, как легко убедиться, воспользовавшись правилами левой и правой руки, направлена в сторону, противоположную напряжению, вследствие чего ее называют противоэлектродвижущей силой (пэдс). Следовательно, при вращении якоря ток будет равену_Jg
/я= -р—, где Е — пэдс. Т. к. вращающий момент пропорционален силе тока /я, то. очевидно, двигатель будет при нагрузке вращаться с такой скоростью, чтобы пэдс имела величину, ограничивающую ток двигателя до необходимой величины, определяющей нужный момент вращения. Если момент вращения должен увеличиться, то должен увеличиться ток 1Я. а, следовательно (при постоянных V и R), должна уменьшиться пэдс Е, то есть двигатель должен сбавить свою скорость, и наоборот. С целью ограничения тока при пуске двигателя в ход,когда вследствие неподвижности якоря пэдс еще не наводится, необходимо на время пускавклю-чить последовательно с якоремдобавоч-ное сопротивление—пусковой реостат (рисунок 66 и 67), которое по мере разворачивания двигателя постепенно выключается. У пускового реостата устраивают холостой контакт, ставя на который ручку реостата размыкают цепь тока и тем самым останавливают маши -ну. В шунтовых машинах пусковой реостат снабжается еще дополнительной полосой из меди, которая служит для постоянного соединения между сетью и обмоткой возбуждения.Если бы этой полосы не было и обмотка возбуждения присоединялась бы запусковым реостатом, то при включении двигателя ток возбуждения, а, следовательно, и магнитный поток, были бы меньше нормальной величины, и вращающий момент при пуске (пусковой, или начальный момент) был бы сильно снижен. Т. к. пэде определяется, как и у генератора, фор -
V П амулой -Е=— -ц0 N Ф 10 =С2пФ
где С2— постоянная для данной машины 1 Е
величина, то n — -q- -ф-, то есть число оборотов двигателя пропорциональнопэдс и обратно пропорционально магнитному потоку Ф. Выше мы имели V - Е
формулу 1я=—g—, откуда следует,
что Е — V — 1Я В. Тогда для числа оборотов мы можем еще получить выра-1 7-/яйт,
жение п= —ф—. Т. обр., регулирование числа оборотов двигателя можно осуществить уменьшением магнитного потока. Этот способ весьма легко использовать в шунтовом двигателе путем регулирования тока возбуждения с помощью шунтового реостата (рисунок 66). В сериееных двигателях это регулирование можно осуществить по одному из способов, показанных на рисунке 68, то есть включая сопротивление
Рисунок 6S.
или в общую цепь машины (уменьшая силу тока, протекающего через двигатель), или параллельно обмотке возбуждения (уменьшая силу тока возбуждения). Эти способы неэкономичны, т. к. вызывают большие потери энергии в реостате и тем самым уменьшают к. п.д. двигателя. Поэтому, при необходимости регулирования числа оборотов у се-риесных двигателей, их спаривают и включают в сеть либо последовательно (рисунок 69 вверху), либо параллельно (рисунок 69 внизу). Тогда в первом случае к каждому двигателю подводится лишь половина напряжения сети, и число оборотов уменьшается (согласно фор-1 V - 1Я R
мулы п= -ф-) почти вдвое.
Такой способ“ регулирования (иногда не с двумя, а с несколькими двигателями) часто применяется в крановых установках и всегда для трамваев и электрических поездов, где переключение производится е помощью контроллеров.
Характеристики двигателей п. т. Работа двигателей совершается обычно при постоянном напряжении сети, и поэтому нас интересуют здесь гл. обр. зависимости числа оборотов и вращающего момента от нагрузки. У шунтовых двигателей число оборотов с нагрузкой уменьшается мало. Из выражения 1 V — Гя В
п=С, ‘--------ф---следует, что приувеличении 1я числитель уменьшается
сети-
- —о
Рисунок 69.
но знаменатель также уменьшается, т. к реакция якоря ослабляет поток возбуждения. Обычно числитель уменьшается несколько быстрее, и и с нагрузкой несколько падает. В сериееных двигателях с нагрузкой резки возрастает поток Ф. т.-е, знаменатель сильно увеличивается. Уменьшение же числителя относительно невелико, и поэтому здесь число оборотов с нагрузкой падаетвесь-ма резко. Что касается величины вращающего момента М— Сг-1Я Ф, то для шунтовых двигателей, у которых поток весьма мало зависит от нагрузки,можно приблизительно считать Ф=const, и тогда М=C-j Тя, то есть момент про-
14s
норционалев здесь первой степени тока. Для сериесных двигателей, у которых поток приблизительно пропорционален силе тока нагрузки, можно написать М=6У41гя, то есть момент пропорционален здесь квадрату силытока, другими словами—увеличивается с нагрузкой очень резко. Обратим внимание еще на одну особенность сериесного двигателя. Если такой двигатель запустить вхолостую, то через его якорь будет проходить весьма малый ток, т. к. момент сопротивления будет обусловлен только потерями и потребует очень небольшого момента вращения. Т. к. ток якоря одновременно является и током возбуждения, то вызванный им ноток также будет почти равен нулю,
что на основании предыдущей формулы вызовет повышение числа оборотов до недопустимо большого значения, опасного для механической прочности двигателя. Это явление называется разносом. Если по условиям эксплуатации требуется иметь сериееный двигатель, который допускал бы работу вхолостую, то прибегают к устройству небольшой дополнительной шунтовой обмотки (то есть берут компаундный двигатель), которая ограничивала бы число оборотов холостого хода. Здесь обе обмотки создают поток, направленный в одну и ту же сторону. Иногда встречаются двигатели комнаундного типа с встречным соединением обмоток, где потоки шунтовой и сериесной обмоток направлены в разные стороны. Такие двигатели применяются, если желательно сохранить постоянное число оборотов, независимо от нагрузки.
Специальные м. п. т. Мы рассмотрим здесь лишь машины для освещения поездов и для электросварки. Машины для освещения поездов должны давать неизменный ток независимо от скорости движения поезда. Наиболее распространенным типом такой машины является машина Розенберга (рисунок 70). Обмотка полюсов создает поток Ф„ направленный снизу вверх. При вращении якоря этот ноток создает на щетках а —а напряжение, заставляющее протекать по обмотке якоря ток, т. к. щетки а—«замкнуты накоротко. Этот ток создает в свою очередь поперечный поток (поток реак-; ции якоря) Ф3. При пересечении проводниками якоря потока Ф3 создается напряжение на щетках А — А, питающее током внешнюю сеть. Ток внешней нагрузки, проходя через якорь, создает свой поток Ф2,направленный против Ф1. Т. к. махшитное сопротивление поперечному потоку Ф3, благодаря сильно развитым полюсным наконечникам, невелико, то этот поток достигает здесь большой величины. Если так рассчитать машину, чтобы продольный поток Ф1—Ф2 при нормальном режиме составлял бы лишь около 10°/о от потока Ф„ то возрастание рабочего тока будет ограничено, т. к. иначе разность Ф2 сделается настолько малой, что никакой эдс на щетках а—а индуктироваться не будет. Если ток нагрузки по какой-либо причине упадет, то разность Ф1— Ф2 увеличится, что вызовет увеличение напряжениянащетках а—а и возрастание поперечного потока. Последнее обстоятельство, в свою очередь, вызовет увеличение напрялсения на щетках А—А, что снова заставит увеличиться рабочий ток во внешней цепи. Т. обр., несмотря на изменение числа оборотов, сила тока во внешней цепи будет поддерживаться постоянной. При остановке поезда питание сети е помощью особого автомата переходит к батарее аккумуляторов, доказанной на чертеже справа и заряжаемой во время хода поезда.
-121
Эпектричесние машины.
422
В машинах для электросварки необходимо иметь неизменную, в некоторых пределах, силу тока, независимо от величины напряжения на зажимах. Эта задача может быть решена несколькими путями. Ниже описан сварочный аггре-гат американской фирмы Вестингауз. Как видно из рисунка 71, здесь на одном валу сидят три машины: генератор G,
возбудитель В и двигатель А, вращающий весь аггрегат. Генератор G имеет 3 обмотки возбуждения: обмотка питается от возбудителя В, обмотка Щ питается одновременно от возбудителя В и от самого генератора G и, наконец, обмотка 5 питается рабочим током генератора в Последняя обмотка создает поле, направленное противоположно нолю обмотки iVj, то есть обмотка S является противокомпаундной. Обмотка IV] создает полезный поток. Обмотка N2 может обтекаться током в разных направлениях, в зависимости от величины сопротивления вольтовой дуги
О. При разомкнутых электродах дуги (или при нормальной длинедуги)обмот-каN., возбуждается главным образом генератором G и создает поле, направленное в ту же сторону, что и поле N,
V
(стрелка 1). При коротком замыкании дуги В напряжение на щетках генератора в почти падает до нуля, и ток в обмотке iV2 устанавливается возбудителем В в обратном направлении (стрелка 2), и поток генератора G ослабляется. На рисунке 72 показаны внешниехарактеристики при различных возбуждениях, из которых видно, что сила тока, начиная от некоторого напряжения до нуля, остается приблизительно постоянной.
Конструкции э. м. п. т. На рисунке 73 показана м. п. т. фирмы Сименс-Шук-кео-“ 20 квт. п=1.250. Слева и справа
Рисунок 78.
стоят подшипниковые щиты, посередине—корпус, у которого видны главные (широкие) и дополнительные (узкие) полюса. Рядом стоит крышка, прикрывающая зажимы (видны слева на корпусе) На переднем плане слева расположен якорь с обмоткой и коллектором. На якоре слева сидит вентилятор, служащий для продувания воздуха через машину с целью ее охлаждения во время работы. Справа внизу—щеточная траверза с 6 щетками на каждом из 4 пальцев (машина имеет 4 полюса).
На рисунке 74 показан мощный электродвигатель того же завода на 5.000 квт
Рисунок 74.
при 100 об/м„ предназначенный для привода прокатного стана. Диаметрякоря этой машины 1.900 миллиметров, диаметр коллектора 1.450 миллиметров. На рисунке 75 показан щеткодержатель со щеткой размером 32X16 миллиметров. Таких щеткодержателей,
Рио. 75.
как видно из рисунка 73 и 74, на каждый палец насаживается несколько.
Трансформаторы (т-ры). Холостой ход т-ра. На рисунке 76 показан в схематическом виде однофазный т-р, состоящий из замкнутого магнитопровода
(сердечника), изготовляемого во избежание больших потерь на перемагни-чивание из тонких, изолированных друг от друга листов железа, и из двух об.могок, первичной (I) и вторичной (II). Обмотки расположены на боковых частях сердечника, т. наз. стержнях. Верхняя и нижняя части сердечника, не несущие обмотки и служащие лишь для замыкания магнитной цепи, называются ярмами. Предположим, чтовнешние зажимы вторичной обмотки разомкнуты, и подведем к зажимам первичной обмотки напряжение сети. Такой режим работы т-ра называется холостым ходом. Под влиянием приложенного напряжения в первичной обмотке будет проходить ток, который, будучи переменным, создаст в магнитопроводе т-ра переменный магнитный поток. Т. к. магнитное сопротивление т-ра невелико (вследствие отсутствия воздушных промежутков, необходимых во вращающихся машинах), то для создания потока потребуется ток незначительной величины. Пульсирующий поток, будучи сцеплен с витками вызывающей его обмотки, наводит в ней эдс самоиндукции, направленную противоположно приложенному напряжению, т. к. она, как и всякая эдс самоиндукции, стремится препятствовать прохождению тока. Т. к. железо т-ра не обладает все же бесконечно большой магнитной проницаемостью, то часть силовых линий потока (хотя и незначительная) будет замыкаться вокруг обмотки непосредственно (поток Ф8 на рисунке 76), в то время как другая, большая часть (поток Ф) будет проходить исключительно в железе. Магнитная проницаемость воздуха постоянна, и поэтому поток Фа будет пропорционален току первичной обмотки, связь же между потоком Ф и током определяется кривой намагничивания, то есть насыщением железа. Поэтому, целесообразно действие потоков Ф и Фз то есть наведение ими эдс самоиндукции, рассматривать отдельно, то есть предполагать, что в первичной обмотке индуктируются 2 эдс: Et— or „главного потока“ Ф, и эдс рассеяния ElS—от „потока рассеяния“ Ф8. Эдс Еи как известно (смотрите теоретические основы электротехники), определяется формулой Ег=4,44/ю,Ф 10~8. Здесь Et—эффективное значение эдс, f— частота тока, щ—число витков первичной обмотки, Ф—амплитуда потока. По общему правилу, эдс Ег отстает от вызывающего ее потока на угол 90°. Эдс Е1з, вызываемая потоком Ф5, так же как и он пропорционатьна току первичной обмотки. Обозначая этот ток при холостом ходе через /(1, можнонаписать, что Е1а — аз,/, где ж,—коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости изменения потока (то есть частоты тока) и от коэффициента самоиндукции обмотки, определяющего величину потока Фд. Как известно,
хх — ш 8и где ш—круговая частота токα= 2~f, а 8Х — самоиндуктивноотьрассеяния. Т. к. х,= имеет размерность сопротивления, то его часто называют индуктивным сопротивлением первичной обмотки. Подведенное к первичной обмотке напряжение F, должно уравновесить т. обр. яде Ег и эдс Е1Я. Т. к. при прохождении тока I через первичную обмотку в ней благодаря наличию омического сопротивления возникает падение напряжения 1,Вb то напряжение должно покрыть и эту потерю.
Т. обр. мы приходим к следующей диаграмме т-ра при его холостом ходе (рисунок 77). По горизонтали отложен ток
У, uS,
е,
Рисунок 77
и и в фазе с нимпоток Ф. Эдс Еу отстает от потока на __ угол 90° и поэтому b отложена вниз по вертикали. Составляющая напряжения,уравновешивающая Еи направлена поэтому по вертикали вверх (на диаграмме— 7е,). В ту лее сторону направлена составляющая / ц>& —1 хь уравновешивающая эдс рассеяния E1s. В
фазе с током отложена составляющая напряжения / Bv компенсирующая падение напряжения в первичной обмотке Замыкающая этих трех векторов и дает нам по величине и по фазе напряжение у зажимов первичной обмотки Vj. Т. к. величина омического падения напряжения весьма мала по сравнению с векторами Ех и Els, то угол <р почти равен 90°, то есть / является почти чисто реактивным током. Вторичная обмотка т-ра, как видно изрис. 76, пронизывается главным потоком Ф, благодаря чему в ней также наводится эдс взаимоиндукции. Е„=4,44 /и;2Ф 10~8, где Щ—число витков вторичной обмотки. Ни эдс рассеяния, ни омического падения напряжения во вторичной обмотке нет, т. к. ее зажимы разомкнуты и, следовательно, в ней нет тока и собственного потока. Отношения эдс Е, и Е.2
Е1 _ 4.44/4 Ф L08=3.
Е.2 ~ 4,44/3310
равно отношению чисел витков соответственных обмоток. Благодаря небольшой величине тока 1. а, следовательно, и потока рассеяния и омического падения напряжения, можно считать, что при холостом ходе Е ~ F,. Т. к., кроме того, эдс Е2 является напряжением на зажимах вторичной об- мотки при холостомходе, то есть E2=V->, то
Ei wxFi
Е2 ~ w.j ~~ V2 -
Это отношение называется коэффициентом трансформации, или передаточным числом т-ра, и обычно обозначается буквой и. Отметим еще, что до этих пор мы предполагали, что весь ток холостого хода идет исключительно на создание потоков Ф и Фн, тогда как в действительности этот же ток должен покрывать еще и потери в железе (на. гистерезис и токи Фуко). Другими словами, ток холостого хода должен иметь две составляющих—активную, покрывающую потери, и реактивную, создающую поле. Т. к. первая составляющая обычно гораздо меньше второй и, кроме того, они сдвинуты по фазе на 90°, то их результирующая, действительный ток холостого хода 10=—Vh- + hi~ Д В дальнейшем, при построении полной диаграммы при нагрузке это обстоятельство будетучтено.
Нагрузка т-ра. Если вторичные зажимы т-ра замкнуть на какое-либо сопротивление (активное, реактивное или смешанное), то под влиянием эдс Е2 через это сопротивление пойдет ток, и т-р нагрузится, то есть будет отдавать мощность во вторичную цепь. В силу закона сохранения энергии первичная обмотка должна при этом увеличить потребление мощности из первичнойсети, т. к. за вычетом потерь в самом т-ре обе мощности должны быть равны. Если напрязкение V, постоянно, то увеличение потребления мощности может идти лишь за счет увеличения силы тока первичной обмотки. Т. к. разница между F, и Еи обусловленная омическим падением напряжения /, К, и эдс рассеяния Е1α= 7,03! (эту величину мы будем в дальнейшим называть индуктивным падением напряжения) даже при значительной величине /, невелика (всего несколько процентов), то можно приближенно считать эдс Et постоянной, а, следовательно,постоянным и поток Ф, вызывающий эту аде. Другими словами, мде AWm - 1{1 гг, при всех режимах работы долзкна оставаться приблизительно постоянной. Т. к. эта мде доставляется первичной обмоткой, то при увеличении тока /2, то есть мде /2«с2 во вторичной обмотке, в первичной обмотке должен появляться дополнительно такой ток //, чтобы созданная им мде /,гс, была равна и противоположна /2гг2. Таким образом, полную мде первичной обмотки
/,«), можно представить себесостоящей из геометрической суммымдеил /гг, и /,гг,=—/2гг2, то есть /,гг, =
~ /ц гг, — Лиг, или /ц w,=/,го, /2гя2.
Другими словами, мде холостого хода должна быть равна геометрической сумме первичной и вторичной мде. Сказанное иллюстрирует диаграмма мде, показанная на рисунке 78. Т. к. при нормальной работе т-ра и>, невелико по сравнению с l,w1 и 4«’2, то, полагая приближенно /,«>, г. можно написать
/, »;2 1

/2 ~ ll>i ~ и

Если бы первичные и вторичные витки были одинаковы (гг,=гг2), то диаграмма мде являлась бы одновременно диаг

раммой токов. Кроме того, эдс /S, и 77, выражались бы на диаграмме напряжений отрезками одинаковой длины. При этом как начертание диаграммы, так и ее анализ значительно бы упростились. Поэтому в действительных условиях, когда гг, Ц=гг2, прибегают к помощи т. наз. приведенных величин Если разделить все мде на диаграмме рисунок 78 на гг, то мы получим диаграммугг,

трех токов:/, /ц и /, =12. Величина /.,

W]

называется приведенным током вторичной обмотки. Величину приведенной эдс вторичной обмотки 7/ мы найдем из условия равенства вторичных мощностей действительного и приведенного трансформатора Е212=Е2 1/

откуда Ег/=77,77 или, так как,“,

9 9

м;.>

то by=J»2 --- Т. к., кроме того,.#2 — =

IV о wo

= £j, то Т,у=77,. Приведенные вторичные сопротивления получаются, какг-=(Л и ж/=ж2 gg, т. к. сопротивление определяется отношением гг, гг, /гг, V-напряжения к току, а — :

Вводя во вторичную цепь приведенные величины вместо действительных, мы, не нарушая условий работы, значительно упрощаем все исследования. При прохождении тока во вторичной обмотке в ней также возникает омическое падение напряжения I2R2 (или /2Те2) и эдс рассеяния Е2α= h a>S2 =-= I.jx2 (или Е2 s=/2аз2), вызываемая полем рассеяния вторичной обмотки и проявляющаяся в виде индуктивного падения напряжения. Вычитая из Е2 величины /2ж2 и /2/е2, мы получаем вторичное напряжение т-ра V2. В действительности явление рассеяния протекает в т-ре несколько сложнее, и в некоторые моменты времени оба потока рассеяния, вторичный и первичный, создаются лишь одной обмоткой, но при построении диаграмм и исследовании работы т-ра результаты остаются совершенно одинаковыми и при той, и при другой картине рассеяния, т. к. нам важны не самые потоки рассеяния, а те индуктивные падения напряжения, которые ими вызываются.

Электрические машины

Электрические машины

430

Построение диаграммы т-pa при нагрузке показано на рисунке 79, где нагрузка вторичной цепи предположена индуктивной, то есть ток отстает от напряжения на угол <ь2. Сперва чертим вектор вторичного приведенного тока U, затем под / углом <р2 к нему : откладываем приведенное вторичное напряжение F,. От конца вектора V7 откладываем в фазе с током приведенное омическое падение напряжения во вторичной обмотке /о/е, и под углом в 90° к току приведенное вторичное индуктивное падение напряжения //ж/. Замыкающая этих трех векторов дает нам приведенную вторичную эдс Е./. Под углом 90° к Е„ в сторону опережения откладываем магнитный поток Фив фазе с ним—реактив!1ую составляющую тока холостого хода (т. наз. намагничивающий ток). Отложив от конца /(А активную составляющую тока холостого хода /л (под углом 90е), получаем результирующий ток холостого хода /0. Далее, отложив от конца /0 вектор—/у, получаем первичный ток /]. Первичная эдс Еи равная Е, должна быть также отложена вниз. В противоположную сторону откладываем вектор — Еи составляющую первичного напряжения, уравновешивающую эдс Ех. Наконец, откладывая от конца—Et омическое падение напряжения I] Вл (в фазе с током) и индуктивное падение напряжения Цхл (под углом 90е к току), получаем в качестве замыкающей стороны вектор первичного напряжения F,. Сдвиг фаз между током и напряжением первичной цепи определяется углом <р(. Таким же точно образом строятся диаграммы и для безиндукционной или емкостной нагрузки вторичной цепи. Если пренебречь током холостого хода и повернуть нижнюю часть диаграммы рисунок 79 так, чтобы совпали векторы Я/ и—Еи то получится чертеж, пока

L

-л

Ux

“

J,Zf)

А

V

W,

N.

занный на рисунке 80. Т. к. при 7o=0,ii=I2, то сумма омических падений напряжений первичной и вторичной обмоток бу-детсоставлятьДЙ,-|-/2Л2/=Т|№1+-й/)=I,2R и будет равна вектиру АВ. Точно так же сумма индуктивных падений напряжения выразится у-нием Дае! -j-EoXs=1 (ае! -f х2)=Ilx и будет равна вектору ВС. Вектор АС даст нам полное падение напряжения в т-ре Ij Ег. Если теперь из точки О описать дугу радиусом О А, то отрезок CD даст <нам величину па- дения напряжения в т-ре F, — F,.
Короткое замыкание т-ра. Под нормальным коротким замыканием т-ра понимается режим, при котором вторичная обмотка замкнута коротко, а к первичной обмотке подведено такое пониженное напряжение У к, которое ,
г Рисунок 80.
устанавливает вовторичной обмотке ток нормальной величины {Цк=/2норм). Т. к. при этом V.j — 0, то эдс Я3 должна покрывать только омическое и индуктивное падение напряжения. Для создания такой эдс потребуется весьма малый поток, а, следовательно, и незначительный ток холостого хода. Поэтому при коротком замыкании 1г еще менее отличается от Я-, чем при нормальной работе, и практически оба тока будут равны. Т. обр., пренебрегая током 10, можно считать, что при коротком замыкании напряжение F,K уравновешивает лишь падение напряжения в обеих обмотках. На рисунке 89 полное падение напряжения в т-ре изображается отрезком АС. Поэтому, если диаграмма построена для нормального тока, то при нормальном коротком замыкании вектор АС представит собой первичное напряжения F,K. Т. обр. треугольник АВС представляет собой диаграмму короткого замыкания. На этом основании Er=г, -f г2 обозиачают через гк и называют омиче-чким сопротивлением короткого замыкания. Аналогично, индуктивным сопротивлением короткого замыкания называют величину хк — Ух=ху + ж., и кажущимся сопротивлением короткого замыкания гк=% + г2. Весь треугольник АВС называется треугольником короткого замыкания. Из рисунок 80 следует, что
АС — Vjk — Ijk Sk — 1гк |/“ г-!лг -J- аз3к
У современных т-ров напряжение короткого замыкания ViK составляет обычно от 3 до 8°/0 нормального первичного напряжения F,.
Трехфазные т-ры. Для трансформирования трехфазного тока можно взять три однофазных т-ра и соединить их обмотки между собой в звезду или треугольник. Такая система иногда применяется для мощных устройств, с целью повысить эксплуат.е удобства, в частности уменьшить резерв. Однако, нормальным типом трехфазного трансформатора следует в настоящее время считать показанную на рисунке 81 конструкцию, в которой
имеется три стержня, связанных верхним и нижним ярмами в один общий магнитопровод. На каждом стержне расположены обе обмотки (высокого напряжения о и низкого напряжения и) одной фазы. Отметим, кстати, что такая же система расположения на каждом стержне обеих обмоток всегда применяется и в однофазных т-рах с целью уменьшения рассеяния. Первичные и вторичные обмотки отдельных фаз и здесь соединяются в звезду или треугольник. Т. к. три напряжения трехфазной системы в сумме равны нулю, то и сумма возбужденных имитрех магнитных потоков также равна нулю, чем и объясняется возможность выполнения сердечника по рисунок 81 Т. к. пути прохождения потока для всех фаз неодинаковы (расстояние от а до Ь для крайних фаз больше, чем для средней), то и намагничивающие токи всех фаз неодинаковы, что, впрочем, благодаря ничтожной величине It», не имеет никакого практического значения. Все найденные нами выше соотношения для однофазного т-ра в полной мере применимы для каждой фазы трехфазного т-ра и поэтому, например, диаграмма трехфазного т-ра будет представлять собой совокупность трех одинаковых однофазных диаграмм. Однако, если нагрузки всех трех фаз будут не одинаковы, то различными будут и диаграммы для каждой фазы. Первичная и вторичная обмотки трехфазного т-ра могут быть соединены след, образом: обе в звезду, обе в треугольник, первичная в звезду— вторичная в треугольник, или первичная в треугольник—вторичная в звезду. Соединение треугольником имеет то преимущество, что при порче обмотки одной фазы питание всех трех фаз вторичной цепи не нарушается. С другой стороны, при соединении ‘ звездой каждая обмотка находится под напряжением в У 3 раз меньше, чем линейное, благодаря чему облегчается задача конструктора в отношении изоляции, что особенно важно при очень высоких напряжениях. При соединении звездой часто выводят еще и нулевой провод для того, чтобы иметь возможность использовать фазовое напряжение для ламп накаливания, а между-фазовое—для питания двигателей. При этом, однако, легко может быть нарушена симметрия нагрузок отдельных фаз, что вызовет искажение напряжений, то есть повышение напряжения одних фаз за счет понижения его в других фазах. С точки зрения неравномерных нагрузок более выгодными являются соединения треугольник-треугольник, звезда—треугольник и звезда—звезда без нулевого провода. Для того, чтобы питать от одного т-ра две сети с различными напряжениями, в настоящее время применяют трехобмоточные т-ры, имеющие однупервичную и две вторичных обмотки, сидящие на одном стержне. Каждая из трех обмоток может быть соединена или в треугольник, или в звезду. При равномерной нагрузке всех трех фаз, мдс первичной обмотки равна геометрической сумме обеих вторичных мдс (если пренебречь током холостого хода).
Параллельная работа т рое. В тех случаях, когда два или несколько т-ров должны работать параллельно, требуется соблюдение определенных условий, а именно: напряжения вторичных обмоток должны быть равны при холостом ходе и при нагрузке. Последнее условие требует одинаковости, падений напряжений, то есть, другими словами, одинаковости треугольников короткого замыкания. Оба эти условия диктуются требованием, по которому нагрузки параллельно работающих т-ров должны распределяться пропорционально их мощностям. Кроме того, сдвиг фаз между вторичными напряжениями у всех т-ров должен равняться нулю, т.к. иначе даже при равенстве напряжений появится ;некоторая разность потенциалов, вызывающая уравнительные токи между т-рами. В трехфазных т-рах вторичные напряжения можно сделать совпадающими по фазе, когда включения первичных и вторичных обмоток одинаковы, например: первичные везде звездой или треугольником и. вторичные всегда треугольником или звездой. Никоим образом нельзя включать первичные обмотки одинаково, то есть все звездой или все треугольником, а вторичные обмотки смешанно, то есть одни звездой, а другие —треугольником. Наоборот, можно соединить для параллельной работы два т-ра, у одного из которых включение обмоток будет звезда — звезда, а у другого треугольник — треугольник. Для удобства регулирования напряжения в сетях и для достижения правильного распределения нагрузок в параллельно работающих т-рах, на стороне высокого напряжения устраваются дополнительные выводы, которые позволяют включать и выключать определенное число витков и тем регулировать напряжение (обычно в пределах ± 5 °/0).
Автотрансформаторы. В обычных т-рах обмотки высокого и низкого напряжения устраиваются совершенно отдельными и изолированными друг от друга. Можно, однако, обойтись всего одной обмоткой, как показано на рисунке 82. Такая конструкция называется
Рисунок 82.
автотрансформатором. Если напряжение 7] подведено к точкам А и В, то есть к концам обмотки, то между точками А и О будет действовать напряжение У2, которое так относится к 7, как ЧИСЛО ВИТКОВ W.J относится к числу витков «! Если ток „первичной“ обмотки (АВ) составляет !Л ампер и ток вторичной нагрузки составляет 12 ампер, то в части АС протекает разность токов I<2 — I, так как токи 1Х и Л„ как и у всякого т-ра, сдвинуты по-фазе почти на угол 180°. Вследствие этого сумма потерь в автотрансформаторе меньше, чем в обычном т-ре-с двумя отдельными обмотками, по которым проходят токи 1х и 12. Кроме того, у обычного т-ра вся энергия трансформируется электромагнитным путем, то есть через посредство общего для обеих обмоток магнитного потока Ф. У автотрансформатора же часть энергии первичной цепи непосредственно переходит во вторичную, и только другая часть передается электромагнитно. Вследствие этого размеры и вес автотрансформатора меньше, а кпд больше, чем у обычного т-ра той же мощности. Полная вторичная мощность автотрансформатора
М/ 1 I
+ W“. Мощность W.J=W3 —— передается трансформаторным путем, а.
мощность W“« — W.p —непосредственно из первичной сети. Следовательно., при одном и том же весе автотраисформатор может дать мощность в — —
большую, чем т-р с двумя обмотками. Очевидно, это преимущество тем заметнее, чем меньше коэффициент трансформации и. Поэтому главное применение автотрансформаторы находят при небольших коэффициентах трансформации Добычно до и — 3 и меньше). ПоЕсазанную на рисунке 82 схему можно применить и для повышения напряжения, если питать автотрансформатор в точках А я С я брать от него энергию в точках А и В. Само «обой разумеется, что автотрансформаторы могут применяться и для трех-фазного тока.
Конструкции т-ров. Для того, чтобы иметь возможность изготовить обмотку т-ра заранее на шаблоне, необходимо сердечник т-ра сделать разъемным. При этом, однако, стыки должны быть
достаточно плотные, чтобы не увеличивать магнитное сопротивление и тем самглм не получать слишком большой намагничивающий ток. Стыки между -стержнями и ярмом устраивают либо по типу левого чертежа рисунок 83 (тупой
Рисунок 84.
стык), когда листы стержня плотно прилегают к ярму и стягиваются в таком полозкении боковыми болтами, либо по типу правого чертежа того же рисунок 83 (стык в переплет), когда отдельные листы стержня входят между листами ярма. Формы сечения стержней показаны на рисунке 84. В небольшихт-рах можно ограничиться квадратной формой сечения, при больших же мощностях берут ступенчатую форму, чтобы лучше использовать пространство внутри обмотки. Обмотки т-ров устраивают либо по типу цилиндрических, либо но типу дисковых. Цилиндрическая, обмотка показана на рисунке 85. Здесь обмотки высокого и низкого напряжения расположены концентрически одна внутри другой, причем близке к зкелезу помещают обмотку
Рисунок 85.
Рисунок 88.
низкого напряжения, т. к. ее легче изолировать от стержня. Для уменьшения рассеяния можно обмотку низкого напряжения разделить на два цилиндра, между которыми размещается обмотка высокого напряжения, как показано на рисунке 86. В случае дисковой обмотки имеется ряд плоских катушек, принадлежащих но очереди высокому и низкому напряжению (рисунок 87). Для лучшей изоляции обмотку конструируют так, чтобы крайние катушки принадлежали к низкому напрязкению, причем для уменьшения рассеяния крайние катушки устраивают с половинным числом витков.
На рисунке 88 показан полуобмотанный сердечник трехфазного т-ра на 500 ква, 6.000/400 в Здесь на левом стержне имеются уже обе обмотки, на среднем—только обмотка низкого напряжения, а правый стержень еще не обмотан. Тот же т-р в готовом виде показан на рисунке 89. Этот т-р помещается затем в железный бак (на
43/
Электрические машины
438
черт, слева), заполненный маслом и имеющий для лучшего охлаждения ребристые стенки. При еще больших
Рисунок 88-
мощностях и такого способа охлаждения уже недостаточно, и приходится в бак помещать систему труб с проточной водой. Подобная конструкция
Рисунок 89.
трехфазного т-ра мощностью 6.000 ква показана на рисунке 90, где в верхней части ясно видна система ребристых (для лучшей теплопередачи) охлаждающих труб.
Асинхронные двигатели (а. д.). Статор а. д. имеет обычную обмотку переменного тока (смотрите выше). В громадном большинстве случаев а. д.устраивается трехфазным, и тогда его обмотка создает при питании трехфазным током вращающееся магнитное поле. Обмотка ретора выполняется или в виде беличьего колеса, или в виде двухслойной обмотки трехфазного тока. Вращающееся поле статора вызывает в роторной обмотке токи, которые, взаимодействуя с магнитным потоком, и создают вращающий момент двигателя. Направление вращения может быть определено по правилу левой руки. Очевидно, что число оборотов ротора никогда не может при этом сделаться равным числу оборотов поля, т. к. тогда не было бы пересечения силовыми линиями проводников роторной обмотки и вращающий момент
Рисунок 90.
был бы равен нулю. Такое синхронное вращение могло бы иметь место лишь в том случае, когда ротор при своем вращении не должен был бы преодолевать никаких внешних сопротивлений (трения, сопротивления воздуха) и если бы не существовало потерь на прохождение тока по проводникам. В действительности, даже при холостом ходе, когда полезная нагрузка двигателя равна нулю, эти потери существуют и поэтому скорость ротора даже при холостом ходе будет (хотя и незначительно) меньше скорости вращения поля. По тем же причинам скорость ротора не может быть и выше синхронной (то есть скорости поля), если только ротор не вращается каким-либо посторонним двигателем, т.к. в этом случае пересечение силовых линий происходило бы в обратном направлении, что, по правилу левой руки, создавало бы не вращающий, а тормозящий момент. Скорость вращения ротора определяется нагрузкой двигателя. Чем больше последняя, тем больший вращающий момент должен быть приложен к ротору, чтобы эту нагрузку преодолеть. В свою очередь величина вращающего момента пропорциональна произведению ФI», где Ф-магнитный поток, а /2—ток ротора. Т. к. при постоянном напряжении сети магнитный поток остается также почти постоянным, то увеличение момента может происходить лишь за счет увеличения роторного тока, величина которого зависит от скорости пересечения проводниками силовых линий поля. Для того, чтобы эта скорость увеличивалась, необходимо, чтобы ротор вращался медленнее. Регулирование скорости вращения и тока в роторе происходит автоматически. Если, например, двигатель разгрузить, то величина вращающего момента станет слишком большой, и ротор начнет ускорять свой ход. При этом, однако, ток в его обмотке начнет уменьшаться, и увеличение скорости будет происходить лишь до тех пор, пока не установится вращающий момент, как раз необходимый для новой, нагрузки. До этих пор мы предполагали, что вращающееся поле создается только статорной обмоткой. Такое положение отвечает действительности лишь в том случае, когда обмотка ротора разомкнута и двигатель неподвижен. При работе двигателя в обмотке его ротора протекают токи, которые сами создают (при многофазной обмотке) поле, вращающееся в ту же сторону, что и поле статора. По закону Ленца, эти поля направлены в противоложные стороны и, следовательно, ослабляют друг друга. Геометрическая разность этих полей и будет результирующим полем а. д. Это поле остается почти постоянным по величине, т. к. с увеличением нагрузки, то есть тока в роторе, одновременно должна возрасти и мощность, поступающая из сети, т. - е. ток статора. Другими словами, мы имеем здесь то же явление, что и в обычном трансформаторе.
Скольокение. Несмотря на то, что поля статора и ротора создаются обмотками неподвижной и вращающейся, их можно складывать геометрически, т. к. в пространстве эти поля вращаются с одной и той же скоростью, что становится понятным из следующих рассуждений. Если скорость вращения статорного поля составляет и, оборотов в минуту и если число оборотов ротора равно и, то разность ni— Щ, отнесенная к числу оборотов статорного поля, называется скольже-
П — щнием.Т. обр., скольжение s=—
Очень часто скольжение выражают в процентах от синхронной скорости щ, щ — щ, Т1
и тогда s=— ------- 100%. Число не-
ni
риодов в сети, питающей двигатель, и число оборотов щ связаны известным, рп J
нам уравнением Ti — ~qq Аналогично, частота токов в роторе р (п, — п.,) т
f2 — ~—gQ--Т. к. из выражениядля s следует, что щ — щ=snlt то,-подставляя в формулу для А, получим
А=—gQ—=f1s, то есть частота тока в роторе равна частоте в статоре, умноженной на скольжение. Т. обр., созданное ротором вращающееся поле будет перемещаться относительно самого 60А 60 As
ротора со скоростью %=~ р ~ =
60 s рп, „
= - —gQ~= sn 1=п1 — п2 оборотовв минуту. Т. к., кроме того, сам ротор вращается с числом оборотов, равным щ, то скорость вращения роторного поля относительно неподвижного статора будет % — % —Т Щ=Щ, то есть та же, что и статорного поля. Из уравнения для скольжения следует, что при не-
% — О
подвижном двигателе : : 1-
ni
Если бы двигатель мог вращаться с синхронной скоростью (% =%), то-
„ «л — % „
мы имели оы s=—= 0.
п1
Вращающий момент. При вращении ротора в его обмотке наводится магнитным потоком эдс, устанавливающая ток. Если скорость ротора близкак синхронной, то есть двигатель идет вхолостую или нагружен очень слабо, то скольжение будет небольшим, и частота тока в роторе тоже будет невелика. Т. к. индуктивное сопротивление обмотки тем больше, чем больше частота проходящего по ней тока, то при слабых нагрузках индуктивное сопротивление будет весьма мало по сравнению е омическим, и ток будет почти в фазе с вызывающей его эдс. При нагрузке двигателя скольжение увеличивается, частота тока, а с ней и индуктивное сопротивление также растут, и ток начинает отставать от эдс. Вследствие этого не все провода ротора, находящиеся под определенным полюсом, обтекаются током одного направления. При этом часть проводов, взаимодействуя с потоком, по правилу левой руки, создает положительный момент, тогда как другая часть, обтекаемая током противоположного направления, создает отрицательный (тормозящий) момент. В результате общий момент уменьшается. Если при неподвижном двигателе (когда скольжение, а следовательно и частота имеют наибольшее значение) омическое сопротивление будет по сравнению с индуктивным очень невелико, то и вращающий момент (называемый при неподвижном двигателе начальным моментом) может оказаться слишком малым. Чтобы его увеличить, нужно увеличить омическое сопротивление ротора, что, однако, вследствие возрастания потерь уменьшит коэффициент полезного действия машины. Если ротор имеет трехфазную обмотку, то ее концы можно вывести к кольцам, и тогда мы получим возможность включать на время пуска в цепь ротора добавочное сопротивление в виде реостата и тем повысить начальный момент двигателя. Изменение величины момента от скольжения (т. е. от скорости) показано на рисунке 91 (кривая 1). При разворачивании двигателя (уменьшение s) момент вследствие уменьшения индуктивного сопротивлен-я увеличивается, пока не достигнет в точке А максимального значения При дальнейшем увеличении скорости число перерезываемых силовых линий, а, след., и сила тока настол! ко уменьшаются, что момент начинает падатьи при синхронизме, когда з=0 (если бы такая скорость была возможна), он делается равным нулю. При увеличении сопротивления ротора максимум момента перемещается в сторону больших скольжений (смотрите кривые 3 В2, 5,5 В., на рисунке 91). При еще большем увеличении сопротивления (наир., для машины, соответствующей чертежу 91 при увеличении сопротивления в 8,5 раз) максимум момента перемещается
в точку, соответствующую скольжению s=l, то есть начальный и максимальный моменты совпадают. Отметим, что, увеличивая сопротивление ротора, мы лишь перемещаем максимум момента, не изменяя его абсолютной величины. Мощность,- передаваемая ротору вращающимся полем Ид - о>]М, где <»,— угловая скорость вращения поля. Т. к. угловая скорость вращения ротора меньше, чем о>„ то обозначая ее через ш2г мы найдем, что механическая мощность ротора составляет W2=ш.2М. Разность между этими мощностями теряется в роторе и выделяется в виде тепла. Эта разность составляет
W=Wt-W,=M («,-«,)=»», ~ %=
U)j — w0
=W——Т. к. вообще ы — 2~п, то 0)1
п1 — n
W=W1 ——=Wts. Отсюда елетндует, что электрические потери в роторе пропорциональны скольжению, и поэтому на практике так рассчитывают а. д., чтобы скольжение было наименьшим. Обычно скольжение s составляет при полной нагрузке лишь несколько %%.
Диаграмма а. д. Выше мы указывали, что работа а. д. может бытьвполне уподоблена работе т-ра. Разница заключается лишь в том, что перенос энергии в случае т-ра совершается неподвижным в пространстве, но пульсирующим во времени потоком, а в случае а. д. поток перемещается в пространстве, но остается неизменным во времени. Т. к. никакого принципиального различия в том, как наводится эдс, в этих обоих случаях нет, то и диаграмма а. д. аналогична диаграмме т-ра. Здесь мы также будем оперировать с приведенными к первичной цепи величинами, то есть будем все величины, относящиеся к роторной обмотке, приводить к числу витков обмотки статора. Ток в роторе устанавливается эдс Е.,а, индуктированной в обмотке ротора вращающимся полем и равной Е.23=4,44 kwiVnf-Ф 10 - или, так как f2=sf„ то
Е2в=4,44 kwW2sfi ФЮ—8.
Здесь few—обмоточный коэффициент и w2—число витков одной фазы обмотки. Исли двигатель неподвижен, то fs == f и в роторе индуктируется эдс, равная Л’3=4,44 kw г/л,Ф 10~8. Следовательно, я — $Е. Ток в роторе равен Л =
= yfrvT&STr где -индуктивное сопротивление обмотки ротора при скольжении s. Подставляя вместо ДДз величину sE2 и разделив числитель и знаменатель на s, получим /2=Е,
— / V- ч, где ж—индуктивное
V (е )-)
сопротивление неподвижного ротора (при =1). Если привести все величины к числу витков статора, то приведенный ток /, == / ..,3 . Т. обр.
Щт) +
формально вопрос обстоит так, как если бы в роторе индуктировалась независимо от скорости (скольжения) эдс постоянной величины bУ2 и ток проходил через постоянное индуктивное сопротивление ж и переменноет“
омичеегсое сопротивление -- (изменяющееся обратно - пропорционально скольжению). Тогда диаграмма а. д. примет вид, показанный на рисунке 92.
Вращающийся поток Ф индуктирует в роторе эдс -J3 —/:3 (которая, будучи приведена к числу витков статорной обмотки, очевидно равна эдс Ег индуктированной тем же нотоком
в статоре). Ток ротора отстает от Ез на угол ф2. Е3 расходуется на преодоление индуктивного 1 оУг и омиче-гзского - сопротивлений. Статорныйток Д получается, как и для т-ра, путем геометрического сложения векторов 12 и Подводимое к статору напряжение сети “Д расходуется на преодоление эдс статора Е1 и падений напряжения индуктивного Г хх и омического 1хгх. Вектор V, опережает ток J, на угол <fx. Если повернуть нижнюю часть диаграммы так, чтобы векторы iе! и Е2 совпали, то получится чертеж, показанный на рисунке 93. Здесь, кроме того, вектор KF, изображающий омичегЗ
ское падение напряжения в роторе---
разложен на две составляющих GF=1 —,ч
== Г2ги Кв —12 г.. s. Совершенно аналогичную диаграмму будет иметь не только а. д., но и электрическая схема, показанная на рисунке 94
и состоящая из последовательно соединенных пяти сопротивлений (двух индуктивных £C1 и х, двух постоянных омических г, и г2 и одного пере, 1—
менного омического г ) и ответвления х0, гф через которое проходит
бильник1 разомкнут, то. круговая диаграмма получит вид, показанный на рисунке 96. Здесь отрезок ЛВ, равный Г2 (х, + х2), пропорционален току ротора и в некотором масштабе может
быть ему приравнен. При увеличении нагрузки, то есть увеличениие. отрезок GK=l.jr,
умень
шается, и точка В перемещается по окружности вправо. При =1 (двигатель неподвижен) ОЖ=®, и токток 10 (аналогичный току холостого хода а. д.). Т. обр. с помощью этой схемы (т. н. схемы замещения) могут быть изучены все явления, происходящие в а. д., и законы их изменения.
Для такой схемы, а следовательно и для а. д. (смотрите теоретические основы электротехники) существует круговая диаграмма, то есть при изменении нагрузки (сопротивления г 1 - ) конецвектора тока перемещается по окружности. Можно без значительного ущерба для точности упростить схему рисунок 121. если перенести ветвь 0—0 (т. н. ветвь холостого хода) на зажимы сети. При этом мы пренебрегаем падением напряжения в сопротивлениях хг и гх (то есть в обмотке статора), которое, вообще говоря, весьма невелико. Эта упрощенная схема показана на рисунке 95, и для нее круговая диаграмма строится очень просто. Если сперва считать, что ру
приходит в точку Вк (рисунок 97). Это— максимальное значение тока в роторе, называемое током короткого замыкания. На диаграмме рисунок 95 этот режим
характеризуется замыканием накоротко переменного сопротивления
, 1 — 8
г.2 —При холостом ходе (×0) отрезок GK становится бесконечно большим по сравнению с другими падениями напряжения, и ток в роторестановится равным нулю (приходит в точку А, рисунок 97). Этот режим получается при размыкании рубильника II на рисунке 95. Ток статора определяетсяуравнением =Г2 -f- 10 и при холостом ходе равен 70 (рубильник II разомкнут, рубильник I замкнут). Если пристроить на диаграмме вектор 10 (по величине и по фазе) так, чтобы его конец попал в точку А (рисунок 98), то для какого-либо значения роторного
тока АВ статорный ток будет изображаться вектором ОВ. Самое построение диаграммы производится с помощью данных, полученных из опытов холостого хода и короткого замыкания. При опыте холостого хода двигатель заставляют вращаться ненагруженным и определяют ток холостого хода 10 и его фазу, то есть cos е. При опыте короткого замыкания опреде-деляют соответственно 1к и cos <р«. Затемот произвольно выбранной точки О (рисунок 99) откладывают по величине и
по фазе токи 1п и iK, соединяют их концы линией СЕ и из середины этой линии (точка М) проводят перпендикуляр MN до пересечения с линией CD, параллельной ОВ и проходящей через конец С вектора 10. Далее, на линии EF (перпендикулярной к CD) отыскивают точку G, так, чтобы EG г.
GF
= и проводят линию CG. Построив круговую диаграмму, можно для любого тока двигателя определитьвсе величины, характеризующие его работу при этом токе. Напр., для произвольного тока Оа:
полезная мощность определяется отрезком. вращающий моментскольжение ., отношениемкоэффициент полезного действия „ „
ае ab ас Ьс ас ab ае
cos <р
О/
Оа
Если определить эти величины для нескольких значений Тл и построить кривые их изменения в зависимости от полезной мощности двигателя (т. н. рабочие кривые), то получится весьма наглядная картина работы двигателя при различных нагрузках. На рисунке 100
показаны, например, рабочие кривые а. д. на 115 квт, 3.000 вольт, 980 об./мин.
Пуск в ход и регулирование скорости. Если неподвижный еще двигатель присоединить к полному напряжению сети, то в его обмотку бросится большой ток (в 8—10 раз больший нормального), могущий сжечь обмотку и испортить машину. Кроме того, если мощность двигателя велика, толчек тока вызовет колебания напряжения сети. Поэтому пускать непосредственно от полного напряжения сети можно лишь небольшие машины мощностью до 5 л. с. Обмотка роторов этих двигателей выполняется короткозамкнутой в виде беличьего колеса и рассчитывается так, чтобы пусковой ток не превосходил нормальный больше, чем в 4—5 раз. Для пуска двигателей большой мощности приходится применять особые пусковые приспособления, действие которых основано либо на понижении напря-
Рисунок 101.
женил сети, либо на временном увеличении сопротивления ротора. В первом случае пользуются или сопротивлениями, или т-ром. Пуск с помощью сопротивления показан на верхнем чертеже рисунок 101. В начале пуска пол-зушки устанавливаются в крайнее правое положение, и тогда напряжение, уменьшается на величину 1R, где I— ток, поступающий из сети.a R — сопротивление реостата. По мере разворачивания сопротивление постепенно уменьшают и по достижении полного числа оборотов ползушку ставят в крайнее левое положение, то есть выключают все сопротивление. Неэкономичность этого способа (большой расход мощности в сопротивлении) привела к применению регулирующегося т-ра (или автотрансформатора), т. к. собственное потребление т-ра весьма не велико (верхний о— чертеж рисунок 101). о—
Если наружу выведены все 6 концов статор- Рио-102-
ной обмотки и нормально работа двигателя происходит при соединении треугольником, то молено добиться уменьшения пускового тока приблизительно в 3 раза путем пуска при соединении в звезду и последующего переключения на треугольник. Схема такого переключателя показана на рисунке 102. Описанные способы понижения напряжения применяются лишь для тех двигателей, у которых роторная обмотка соединена накоротко внутри машины, то есть гл. обр. для двигателей с ротором в виде беличьего колеса. Для этих Hie двигателей предложен ряд конструкций (двигатели Бушеро, двигатели с глубокими впадинами и др.), в которых пуск в ход совершается без понижения напряжения, путем особого устройства обмоток. Если роторная обмотка имеет выведенные наружу концы, присоединене
I
ные к кольцам, то пуск двигателей осуществляется с помощью включения сопротивлений в цепь ротора (рисунок 103). Здесь в момент включения ползущки устанавливаются в крайнее левое положение и по мере разворачивания постепенно передвигаются вправо, пока, по достижении полной скорости, все сопротивление окажется выключенным, и обмотка ротора замкнутой накоротко. Этот способ имеет еще то преимущество, что при нем повышается начальный момент (ем. выше), тогда как при
Рисунок 103
понижении напряжения он резко уменьшается. А. д. принадлежит к числу машин, число оборотов которых мало зависит от нагрузки. Если все же регулирование скорости необходимо, то его можно осуществить введением сопротивлений в цепь ротора, т. к. при этом потери, а след, и скольжение должны увеличиться. Этот способ, однако, неэкономичен из-за больших потерь энергии в реостате. Можно путем усложнения схемы (введением, лишних машин) использовать > эту „энергию скольжения“, как это делается в каскадных соединениях (смотрите ниже). Наконец, регулировку скорости можно осуществить, применяя особо сконструированную обмотку статора, могущую переключаться на различное число полюсов. Этот способ хотя и экономичен, но не является во многих случаях целесообразным, т. к. не дает плавного изменения скорости.
Однофазный а. д. При питании однофазной обмотки однофазным током возникает пульсирующее поле, взаимодействие которого с проводниками неподвижного ротора не дает определенно направленного вращающего момента Иначе обстоит дело, если ротор однофазного а. д. предварительно развернуть каким-либо образом до скорости, близкой к синхронной. Как указывалось выше, всякое пульсирующее поле можно разложить на два вращающихся в разные стороны поля половинной величины. Поэтому если ротор приведен во вращение, то на него будет действовать постоянный вращающий момент от поля, вращающегося в ту же сторону. Обратное поле будет стремиться затормозить ротор, но т. к. пересечение проводников с этим обратным полем происходит весьма быстро (скольжение по отношению к этому полю при нормальной скорости составляет около 200 °/0), то индуктивное сопротивление здесь сильно возрастает и. индуктированные этим полем токи будут сдвинуты по фазе от эдс почти на 90°, что вызовет сильное уменьшение тормозящего момента (при полной скорости он почти равен нулю). Т. к. мдс статора должна создавать оба поля, то потребление намагничивающего (реактивного) тока здесь значительно больше, чем у трехфазного двигателя той же мощности, что приводит к более низкому коэффициенту мощности (cos <р). Так как однофазный двигатель не развивает начального момента, то для пуска его в ход приходится применять особые приспособления, одно из которых показано на рисунке 104. Здесь на статоре, кроме главной обмотки (Дуложена еще вторая — пусковая (II). При пуске последовательно с главной обмоткой включается индуктивное сопротивление (ае), а последовательно с пусковой—омическое сопротивление (г). При установке переключателя в положение 1 обе обмотки включены параллельно, и токи в них благодаря наличию сопротивлений аз и г сдвигаются по фазе, а т. к., кроме того, самые обмотки сдвинуты в пространстве, то образуется вращающееся поле, приводящее ротор во вращение. При достижении нормальной скорости переключатель ставится в положение 2, причем сопротивление х и пусковая обмотка(вместе с сопротивлением г) оказываются отключенными от сети, и машина начинает работать как нормальный однофазный двигатель.
Асинхронный генератор. Если присоединенный к сети а. д. заставить с помощью какого-либо постороннего
Рисунок 104.
двигателя вращаться со скоростью выше синхронной, то фаза эдс, а след, и тока, изменит свое направление на обратное, и машина начнет отдавать энергию в сеть, то есть превратится в генератор. Несмотря на простоту устройства и эксплуатации,асинхронные генераторы получили пока лишь ограниченное применение, т. к. для возможности работы они должны возбуждаться от сети, к которой они присоединены, то есть сеть должна питаться еще другими синхронными генераторами. Другими словами, асинхронный генератор не обладает свойством самовозбуждения.
Конструкции а. д. На рисунке 105 показан разрез, а на рисунке 106—детали
Рисунок 105.
а. д. с короткозамкнутым ротором мощностью 0,9 квт, 2.925 об./мин. На рисунке 106 внизу слева лежит ротор с обмоткой в виде беличьего колеса и
Рисунок 1С6.
двумя вентиляторами для охлаждения машины. Середину чертежа занимает статор и два боковых (подшипниковых) щита. По бокам лежат детали шарикоподшипников. На рисунке 107 показан разрез, а на рисунке 108—внешний вид двигателя с кольцами мощностью 4,8 квт,
1.440 об./мин. Справа видны три кольца, к которым присоединена обмотка
ротора и которые служат для присоединения реостата. Оба двигателя рас-
РИ- 1 8.
считаны на напряжение 380 вольт. На рисунке 109 показан мощный двигатель для прокатного стана. Его данные: мощность 1.250 квт, мЭ= 600 об /мин.
Рисунок 109.
Синхронные машины (с. м.). Реакция якоря. До тех пор, пока с. м. работает без нагрузки, по обмотке ее якоря (статора) ток либо не проходит совсем (в случае генератора), либо (в случае двигатели) он имеет весьма малую величину по сравнению с током нормальной нагрузки, и его влиянием можно пренебрегать. Такое состояние называется холостым ходом машины.
Т. о., при холостом ходе с. м. магнитный поток, индуктирующий эде статора, создается исключительно мдс ротора. При нагрузке, благодаря прохождению тока через проводники статорной обмотки, последняя в свою очередь создает магнитное поле, которое, в случае трех фазной машины, вращается в пространстве с синхронной скоростью, то есть с той же скоростью, с которой вращается и ротор. В случае однофазной машины пульсирующее поле статора можно разложить на два вращающихся в разные стороны, причем можно учитывать только влияние прямого поля, т. к инверсное почти целиком уничтожается. Поля ротора и статора, складываясь геометрически, дают некоторое результирующее поле при нагрузке, которая и индуктирует действительную эдс машины. При учете действия реакции якоря необходимо рассматривать отдельно машины с выступающими полюсами и машины с неясно выраженными полюсами, т. к. магнитные сопротивления воздушного промежутка будут в этих случаях различны. Рассмотрим сперва машину е выступающими полюсами. Допустим сперва, что эдс. индуктируемая в обмотке статора роторным (основным) полем, и ток статора совпадают по фазе (внутренний сдвиг фаз равен нулю). Тогда максимум тока в какой-либо катушке статора будет иметь место в тот момент, когда поток, сцепленный с этой катушкой, равен нулю (т. к. эдс отстает от потока на 90°), то есть амплитуда
синусоиды мдс статора будет расположена над серединой катушки или междуполюсного пространства 1рис. 110). Из чертежа легко видеть, что при этом поток статора под однойполовиной полюса будет складываться с основным потоком машины, а под другой половиной полюса—вычитаться. Здесь, след., получается то же перекашивание поля, которое имело место и при поперечной реакции якоря в машинах постоянного тока. Т. к. мде статора, действующие на обе половины полюса, равны, то вследствие насыщения железа увеличение потоков в одной половине будет меньше, чем уменьшение в другой половине, и результирующий поток будет несколько меньше, чем поток при холостом ходе. Рассмотрим теперь случай, когда ток в статоре отстает от эде основного поля на 90°. Легко понять, что здесь волна мдс будет по сравнению с предыдущим чертежем сдвинута на 90° в сторону отставания и, как видно из рисунка 111, поле статора будет размагничивать машину, то есть уменьшать поток
холостого хода (силовые линии поля якоря направлены противоположно линиям основного поля). Здесь получается явление, аналогичное продольной реакции якоря машин постоянного тока. При опережении током статора эдс от основного поля на 90° волна мдс статора по сравнению с рисунок 110 сдвигается на 90° в сторону опережения (рисунок 112), и поле статора будет уси
ливать основное поле машины. Найденные соотношения справедливы для генераторов. Для двигателей они будут обратными, то есть при отставании тока будет иметь место усиление основного поля, а при опережении—ослабление. В этом легко убедиться, если на рисунке 111 и 112 изменить направления токов в статоре на обратные. В промежуточных случаях, то есть при сдвигах между током и эдс>0, но <90°, Еолна мдс статора будет занимать промежуточное между рисунок 110 и 111 положение. Однако, ее можно всегда разложить на две составляющих, у одной из которых амплитуда расположена под серединой между полюсного пространства (поперечная мдс), а у другой—под серединой полюса (продольная мдс). Так как у машин с выступающими полюсами магнитные сопротивления для поперечного и продольного полей различны (первое обусловлено почти исключительно междупо-люеным промежутком и не зависит от насыщения, а второе, заключающееся в железе, сильно зависит от насыщения), го учет действия реакции статора в этих машинах производится отдельно, для поперечного и продольного полей (смотрите ниже). В машинах с неясно выраженными полюсами распределение мдс остается, разумеется, тем же. но, т. к. благодаря одинаковости воздушного промежутка магнитное сопротивление для обоих потоков одинаково, то при учете действия реакции якоря, уже нет смысла делить потоки на. продольные и поперечные и можно-оперировать с суммарным полем статора.
Диаграммы. Если бы в работающей с. м. отсутствовала реакция якоря и не имели бы место омическое и индук-товное (от рассеяния) падения напряжения, то напряжение на зажимах было бы равно эдс машины. На практике такой случай имеет место лишь при. холостом ходе. При нагрузке появляются оба падения напряжения, и, кроме того, результирующий поток будет здесь отличаться на величину потока реакции якоря от поля холостого хода. Влияние реакции якоря можно учесть еще и иначе, а именно предположив, что поле реакции якоря как бы самостоятельно наводит в статорной обмотке эдс самоиндукции, которая вычитается геометрически из эдс.
холостого хода, в результате чего остается действительная эдс машины при нагрузке. Весьма наглядной является при этом графическая интерпретация всех описанных явлений с помощью диаграмм.
а) Диаграмма машины с выступающими полюсами. На рисунке ИВ по вертикали отложен вектор статорного тока
В фазе с /2 находятся ампер-витки реакции статора AW2, которые мы раскладываем на поперечные ампервитки AWq=AWS cos i и продольные A W2 sin 1>. Здесь -i—угол между током /2 и эдс Ег, создаваемой потоком холостого хода Ф, в свою очередь вызываемым ампер-витками ротора AWV Продольные ампер-витки создают поток, индуктирующий в статоре .продольную эдс“, отстающую от AW2 sin <Ь на 90° и численно равную отрезку ЕД. Вычитая из Е1 отрезок ЕД, мы получаем эдс Ее=OD. Поперечные ампервитки индуктируют „поперечную эдо“, отстающую на 90° от A W2 и равную Eq=DC. Вычитая из Ее эдс Eq > мы получим отрезок ОС. равный действительной эдс машины Е. Напряжение на зажимах ОА отличается от Е на величину индуктивного падения напряжения СВ (под углом 90° к току) и омического падения напряжения АВ (в фазе с током). Угол & между Е и Z, называется углом внутреннего сдвига фаз, а угол ® между АВ и 12 — углом внешнего сдвига фаз. Как видно из чертежа, диаграмма построена для некоторой индуктивной нагрузки. Описанная диаграмма в литературе носит название диаграммы Влонделя—Арнольда—Лякура или сокращенно ВАС (Blondel—Arnold—la Cour).
b) Диаграмма для машины с неясно выраокенными полюсами (диаграмма Потье) показана на рисунке 114. Здесь снова по вертикали отложен ток 1гнв фазе с ним ампервитки реакции якоря AW2. В этом случае уже нет необходимости рассматривать отдельно продольные и поперечные поля реакции якоря. Результирующие ампер - витки A W2, создающие действительный ПО- Рисунок ш.
ток машины Ф, индуктирующий действительную эдс Е== ОС, получаются путем геометрического вычитания AW2 (или сложения -А И7,) из основных ампер-витков AW,. Вычитая изЕ индуктивное (СВ) и омическое (АВ) падения напряжения, получим напряжение на зажимах V. Е, указывает направление эдс, индуктированной при холостом ходе мдс AWj. В виду того, что для построения диаграммы ВАС требуется знание угла 4> и определение его сопряжено с необходимостью добавочных вычислений и построений, часто диаграммой Потье пользуются и для машин с выступающими полюсами. Получающаяся при этом ошибка заметна при коэффициентах мощности, близких к 1, но, уже начиная с cos ср=0,8 и меньше, результаты получаются достаточно близкими к действительности. Для быстрых подсчетов и для выявления основных процессов, происходящих в синхронных машинах, можно еще больше упростить диаграмму, как было сделано Бен-Эшенбургом. В диаграмме BE машина предположена ненасыщенной, и тогда действие реакции якоря можно заменить некоторым фиктивным индуктивным падением напряжения 1х, вектор которого перпендикулярен к вектору тока. Следовательно, диаграмма BE строится в предположении, что в машине имеется лишь индуктивное падение напряжения Ixs +lx=
I (xs + х)=1ха и омическое падение
напряжения 1га. Сопротивление ха у включающее в себя как xs (от расеея- ния), так и х (от реакции якоря), называется полным синхронным реактивным сопротивлением. Кроме того, в большинстве практических случаев омическим падением напряжения 1га, по сравнению с 1ха (можно пренебречь, и тогда диаграмма приобретает весьма простой вид, показанный на рисунке 115.
Короткое замыкание с. м. Если у вращающейся, но невозбужденной с. м. замкнуть внешние зажимы накоротко (с помощью амперметра) и начать постепенно повышать возбуждение, то можно построить характеристику короткого замыкания, то есть зависимость между током машины и ампер-витками или током возбуждения. Короткое замыкание с. м. соответствует нагрузке чисто индуктивным сопротивлением, т. к. омическое сопротивление обмотки статора мало по сравнению с индуктивным. Величина тока короткого заД
мыкания I и . Внешнее напряжение равно при этом нулю. Т. к. при коротком замыкании основной поток очень мал (чтобы установить в сопротивлении ха эдс Д требуется небольшая мдс.1, то при этом режиме железо машины далеко от насыщения, и поэтому характеристика короткого замы -кания представляет собой прямую линию. На рисунке 116 показаны характери
стики холостого хода и короткого замыкания с. м. Если для какого-либо тока Iiik=1п найти ампер-витки возбуждения On и, кроме того, определить по х-ке холостого хода ампер-витки возбуждения Ода, необходимые для создания падения напряжения от -рассеяния xs =ml, то получается характеристичный треугольник (треугольник Потье) 01п, у которого высота lm=I3k xs, основание Оп=полному числу ампер-витков, необходимых для установления тока короткого замыкания Ik—I2, отрезок Ода — ампер-витки, потребные для покрытия индуктивного падения напряжения /„ xs, и отрезок дан—ампер-витки для компенсации реакции якоря I2k х. Треугольником Потье очень удобно пользоваться на практике для построения внешней характеристики, то есть зависимости напряжения от нагрузки. На том же чертеже показано влияние насыщения машины на форму х-ки холостого хода. Если OQ изображает нормальное напряжение машины, то число ампер-витков возбуждения должно быть равно 0L=Qb. Из них часть Qa расходуется на воздушный промежуток, а часть ab—на железо. Совершенно иной характер будет иметь короткое замыкание машины, если его произвести внезапно при полном возбуждении. При этом возникает значительный толчок тока (по нормам этот тол-чек допускается до 15-кратной амплитуды нормального тока), и появляются значительные механические силы, которые при недостаточно прочной конструкции могут вывести машину из строя.
Параллельная работа с. м. Для возможности параллельной работы с. м. на общую сеть должны быть при включении выполнены следующие условия: равенство напряжений присоединяемой машины и уже работающих, одинаковость фаз напряжений и равенство частот. Последнее условие приводит к требованию, чтобы числа оборотов обеих машин были равны, если числа полюсов одинаковы, или находились бы в обратном отношении к числам полюсов. На рисунке 117 однофазная машина I работает на некоторую внешнюю сеть 1, 2. Пусть напряжение на зажимах этой машины будет Vb Пусть, далее машина И приведена во вращение
с такой скоростью, что частота и фаза напряжения ее те же, что и у машины I, но напряжение ее V2 несколько меньше, чем У,. Кроме того, здесь, как и в машинах постоянного тока, напряжения обоих генераторов должны быть направлены в противоположные стороны, то есть как показано на рисунке 117 стрелками.
Если теперь замкнуть рубильник 3, 4, то между точками 5,6 будет иметь место разность напряжений V- 1ц— У2, которую можно обнаружить, если к точкам 5 и 6 присоединить лампу или вольтметр. При замыкании рубильника 5,6 напряжение v установит в цепи обоих генераторов (если пренебречь их омическими сопро-
Рисунок 117.
тивлениями) ток г =
Бу-
Ряс. IIP.
Ха 1 “1“ Ха здучи чисто реактивным, этот ток отстает от вызывающего его напряжения v на 90° (рисунок 118). Из чертежа видно, что ток i для машины 1 будет отстающим, а для машины И опережающим. благодаря чему вызванная им реакция якоря несколько размагнитит генератор I и подмагнитит генератор II. В результате на зажимах внешней цепи, то есть между точками 1, 2, установится некоторое среднее напряжение У, причем V1 > У>
>У2. При достаточно большой разнице между 1ц и У2 ток г может достигнуть значения, опасного для целости машин и измерительных приборов. Отсюда следует, что включать на параллельную работу машины е разными напряжениями недопустимо. Если напряжения и частоты обоих генераторов одинаковы, но фазы их различны, то есть векторы напряжений сдвинуты на угол 180°—а <180°, то при включении получится диаграмма, показанная на рисунке 119. Замыкая рубильник 3, 4 (рисунок 117), мы получим между токами напряжение v, равное геометрической сумме
Гяс. 119.
И и У2. В этом случае при замыкании рубильника 5, 6 уравнительный ток г, сдвинутый на 90° от v, оказывается почти в фазе с У2 и, ;еледо-вательно, будучи для него током нагрузки, этот ток заставит ротор генератора II несколько затормозиться. По отношению к напряжению У, генератора I этот ток сдвинут почти на 180° и, следовательно, будучи током двигательным, несколько подгонит его ротор. По истечении некоторого промежутка времени ток г выравняет положение обоих роторов, и оба они начнут вращаться синхронно и притом так, что угол между У] и У2 станет равен 180°. Однако, включать генераторы на параллельную работу при неодинаковости фаз напряжений нельзя, так как возникающие при этом механические усилия могут вызвать порчу генераторов и их первичных двигателей. Если напряжения генераторов равны,
Ряс. 120.
но частоты их различны, то при замыкании рубильника 3,4 лампа или вольтметр, помещенные между зажимами 5,6, будут испытывать непрерывные колебания напряжения. На рисунке 120 построены синусоиды напряжений обоих генераторов с отличающейся друг от друга частотой. Очевидно, что в точках 1 и 3 результирующее напряжение v=0. а в точке 2 оно вдвое больше напряжения каждого генератора. Если частоты обоих генераторов отличаются лишь незначительно, то период затухания и вспыхивания лампы будет большим, и легко уловить момент,когда г=0. Если в этот момент включить рубильникб, 6, тоникакого выравнивающего тока не появится, и в дальнейшем генераторы пойдут синхронно. Т. о. лампа или вольтметр могут служить указателями правильного момента включения. После правильного включения присоединенная машина находится в состоянии электрического равновесия, то есть она не отдает и не потребляет тока. Для того, чтобы нагрузить машину, недостаточно повысить ее возбуждение, т. к. повы-
шение напряжения поведет лишь, как было выяснено выше, к появлению реактивного тока, но не создаст активного тока, могущего совершать работу. Единственным средством нагрузить машины является увеличение вращающего момента ее первичного двигателя, т. к. при этом ротор получит стремление забежать вперед, а это, как мы видим (рисунок 119), сейчас же вызовет появление активного тока нагрузки. Все изложенное справедливо и для трехфазных машин, но подготовка машины к включению, т. н. синхронизация, обставлена здесь несколько иначе-На рисунке 121 машина I работает на некоторую сеть. Для синхронизации машины II можно воспользоваться тремя
Рисунок 121.
лампами, включенными между зажимами отдельных фаз. Здесь все лампы загораются и потухают одновременно (если этого нет, то фазы машины присоединены неправильно), и включение происходит, как и для однофазной машины, в тот момент, когда все лампы потухнут. Более распространенным является другой способ присоединения ламп, показанный у генератора III, когда одна лампа присоединена обоими полюсами к одной и той же фазе, а две другие—к различным. Очевидно, что включение должно происходить здесь в тот момент, когда первая лампа потухнет, а две другие будут гореть полным накалом. Этот способ имеет то преимущество, что по порядку потухания ламп можно судить о слишком быстром или слишком медленном вращении синхронизируемой машины. Выше мы указывали, что для нагрузки параллельно работающего генератора необходимо увеличить вращающий момент в его первичном двигателе, т. к. при этом между напряжениями машин, а также между их роторами, возникает расхождение на некоторый угол, вызывающее появление активных токов в статорах машин. В результате появляется сила, стремящаяся выравнять положение роторов, то есть привести векторы напряжений снова к углу в 180°. Эту силу называют синхронизирующей. Действие ее оказывается, однако, в силу механической инерции вращающихся частей, не постепенным, а колебательным. Когда угол между роторами (наир., вследствие разгрузки машины) сделается равным нулю, ротор под влиянием инерции несколько перейдет за это значение, и действие синхронизирующей силы сейчас же станет обратным,то есть ротор снова получит стремление вернуться к нулевому положению, но опять вследствие инерции перейдет за него и так далее Мы получаем здесь полную аналогию с маятником, качания которого постепенно затухают. Указанные колебания, возникающие при всяком изменении мощности и заставляющие ротор не сразу остановиться в положении, соответствующем данной нагрузке, присущи самой машине и зависят исключительно от ее индивидуальных свойств, благодаря чему их называют собственными колебаниями. Однако, существуют еще вынужденные колебания, вызываемые неравномерностью хода поршневых первичных двигателей. Если периоды собственных и вынужденных колебаний одинаковы, то наступает явление резонанса, при котором появляются столь значительные увеличения амплитуды качания, что параллельная работа машин становится невозможной. Выше мы видели, что, изменяя только возбуждение машины, мы не можем воздействовать на степень ее загрузки, то есть не можем вызвать в ев статоре активный ток. В якоре появляется лишь реактивный ток, отстающий (при перевозбуждении генератора) или опережающий (при недовозбуждении). Т. к. мощность, отдаваемая генератором, при этом не изменяется, то общий ток растет лишь за счет реактивной составляющей. Если откладывать по оси абсцисс токи возбуждения или соответствующие им эдс Еи а по оси ординат—токи статора, то связь между ними выразится в виде кривой, имеющей форму буквы У,—т. наз. 7-образной кривой, или кривой Мордея. Чем меньше полное синхронное реактивное
сопротивление ха, тем острее кривая, то естьтем резче происходит изменение тока в статоре при изменении возбуждения. На рисунке 122 показаны 7-образные кривые для трех машин, у которых ха относятся как 1li: Vs: 1. Машины с очень
Рисунок 122.
острыми кривыми меньше подходят для параллельной работы, и поэтому значение ха не должно быть меньше известных пределов. С точки зрения использования машины ее следует возбуждать так. чтобы ток в статоре был наименьшим. Это имеет место в нижней части кривой, когда весь ток является активным и coscp=l.
Синхронный двигатель. Если уменьшать вращающий момент первичного двигателя, приводящего во вращение параллельно работающий генератор, то ротор будет стремиться отстать на некоторый угол. Благодаря этому между напряжениями появится такой сдвиг фаз, что вызванный разностью напряжений ток будет стремиться поддержать вращение машины, то есть будет направлен по отношению к эдс отстающего генератора на угол больший 90°. Этот ток доставляется сетью, и прохождение его не прекращается и после полной остановки первичного двигателя, вращающего данную машину. Т. о. наша машина превращается в электродвигатель. При механической нагрузке его расхождение векторов напряжения сети и эдс машины увеличивается еще больше и вместе с тем увеличивается и поступление тока (и мощности) из сети. Диаграмма синхронного двигателя показана на рисунке 123. Вектор напряжения сети 7У направлен по вертикали. Эдс двигателя Ei является замыкающей стороной векторов напряжения 7, (равного и противоположного 7]) и падения напряжения U—Ixa-Перпендикулярно к вектору U1 расположен вектор тока 1г. Если, не изменяя нагрузки, регулировать возбуждение двигателя, то будет изменяться лишь реактивная составляющая тока. Можно доказать, что при этом конец вектора эдс может перемещаться лишь по прямой, параллельной У,. Напр., при некотором недовозбужде-нии вектор эдс займет положение Е3, вектор 13ха — положение 773 и ток—положение Д, то есть будет отстающим. При перевозбуждении (векторы Ut) ток будет опережающим.
Наконец, можно найти такое положение (Е2, U2), при котором ток 12 будет целиком активным, то есть будет совпадать с напряжением сети. Изменение тока I и здесь происходит по 7-образной кривой, но в отличие от генератора ток будет отстающим при недовозбуждении и опережающим при перевозбуждении. Возможность работать всегда при cos щ=1 составляет большое практическое достоинство синхронных двигателей. Недостатком этих машин является то, что их пуск в ход связан с некоторыми затруднениями. Чтобы пустить синхронный двигатель, его нужно сперва синхронизировать с сетью. Для этой цели можно применить специальный пусковой мотор, например асинхронный, или воспользоваться возбудителем (машиной постоянного тока, сидящей на одном валу с с. м. и служащей для питания ее роторной обмотки постоянным током). Последний способ применим, впрочем, лишь тогда, когда имеется источник постоянного тока, например аккумуляторная батарея. Современные синхронные двигатели пускаются обычно как асинхронные. Для этой цели на роторе устраивают из медных стержней и лобовых колец обмотку в виде беличьего колеса. Если теперь
Рисунок 123.
подвести к статору переменное напряжение (для уменьшения пускового тока пониженное с помощью автотрансформатора), то вращающееся поле статора приведет ротор во вращение. Обмотку постоянного тока при этом замыкают накоротко, чтобы в ней не индуктировались опасные для ее целости высокие напряжения. По достижении скорости, близкой к синхронной, включают постоянный ток в обмотку возбуждения, благодаря чему под влиянием синхронизирующей силы ротор втягивается в синхронизм. После этого напряжение статора увеличивается до нормального, и пуск двигателя закончен.
С. м. как фазокомпенсатор. Выше мы видели, что перевозбужденный синхронный двигатель потребляет опережающий ток. Вследствие этого он ведет себя как конденсатор и может компенсировать действие индуктивности от других потребителей (например, асинхронных двигателей), присоединенных к той же сети. Это свойство проявляется и при холостом ходе синхронного двигателя, когда он не совершает никакой механической работы. Такой двигатель получает обычно облегченную конструкцию и часто называется синхронным конденсатором“. Разумеется, для той же цели может применяться и недовозбужденный генератор.
Характеристики с. м. С двумя основными характеристиками с. м.мы у нее познакомились выше. Это—х-ки холостого хода и холостого замыкания-
Внешние характеристики синхронного генератора, то есть зависимости У=f (J,), показаны на рисунке 124. При cos ® — 1 напряжение с увеличением тока постепенно уменьшается благодаря падению напряжения и размагничивающему действию реакции якоря. При отстающем токе падение напряжения увеличивается с уменьшением cos®, т. к. сильно возрастает продольное (размагничивающее) поле реакции якоря. При некоторой емкостной нагрузке (опережающий ток) напряжение сохраняется приблизительно постоянным, т. к. здесь падение напряжения компенсируется дополнительным намагничиванием от реакции якоря. При еще большем опережении характеристика загибается кверху, т. к. влияние падения напряжения здесь уменьшается по сравнению с влиянием реакции. На рисунке 125 показаны регулировочные характеристики для отстающего
тока при cos sf=l и 0, 8, то есть кривые гь=f (/>) Характер кривых понятен из предыдущего. Для синхронных генераторов весьма важной величиной является процентное изменение напряжения, под которым понимают повышение напряжения при разгрузке от нормального тока до холостого хода при неизменном возбуждении. Эта величина составляет
Е, — V
1000;о иувеличивается с уменьшением cos при отстающем токе. При опережающем токе £ становится отрицательным.
Конструкции с. м. На рисунке 126 показан небольшой синхронный генератор с выступающими полюсами, 40 ква. 230 вольт, 1000 об/мин. Справа виден сидящий на одном валу с генератором возбудитель постоянного тока, питающий обмотку возбуждения. На рисунке 127 показан ротор с выступающими полюсами генератора мощностью 40.000 ква, 300 об/мин. На рисунке 128 виден монтажротора быстроходного генератора с неясно выраженными полюсами (турбогенератора) мощностью 100.000 ква, 1500
Рисунок 126.
об/мин., приводимого во вращение паровой турбиной. На рисунке 129 показан гидрогенератор (приводимый во вращение гидравлической турбиной) верти-
Рис.
127.
кального так называемого зонтичного типа, мощностью 18.350 ква, 600 об/мин. Наверху расположен возбудитель. Вертикальный вал этой машины пропущен вниз и там соединен непосредственно с турбиной.
Вращающиеся преобразователи. Одноякорные преобразователи (о. п.). Если в машине постоянного тока обмотку якоря помимо коллектора присоединить еще к кольцам, то получится устройство, позволяющее преобразовывать переменный ток в постоянный, или наоборот. Обычно о. п. применяется для преобразования переменного тока в постоянный. Для этой цели к кольцам подводится однофазный или многофазный ток, а с коллектора снимается постоянный; т. к.. обмотка возбуждения питается здесь-
Рисунок 12S.
постоянным током, то о. п. молено“ рассматривать как совмещение в одной машине синхронного двигателя и генератора постоянного-тока. Число контактных колец определяется числом фаз: для однофазного-тока два кольца, для трехфазного— три и так далее Наиболее часто встречаются шестифазные преобразователи с-
Рисунок 129.
шестью контактными кольцами. На рисунке 130 показаны однофазный (слева) и трехфазный (справа) о. п. Для того чтобы не затемнять чертежа, коллектор показан снаружи обмотки. Ответвления к кольцам расположены на одинаковом друг от друга расстоянии, определяемом числом фаз. Число оборотов о. п. определяется как и длясинхронной машины формулой п= —
При нагрузке якорь стремится затормозиться, что вызывает уравнительный активный ток, идущий из сети. Этот ток, как и у синхронного двигателя, достигает такой величины, чтобы вызванный им момент вращения как раз уравновешивал момент сопротивления со стороны постоянного тока. Магнитное поле, вызванное переменным током в якоре, вращается относительно последнего с синхронной скоростью, основное же поле (от постоянного тока)
неподвижно в пространстве. Для возможности взаимодействия оба поля должны быть неподвижны друг относительно друга, и поэтому необходимо, чтобы якорь о. и. вращался в сторону, обратную направлению вращения его поля с той же синхронной скоростью. Т. к. в о. и. для восприятия переменного тока и отдачи постоянного служит одна и та же якорная обмотка, то, очевидно, напряжения переменного и постоянного тока находятся в определенном соотношении. Если последовательно откладывать напряжения отдельных витков обмотки, то, обойдя всю обмотку, мы получим замкнутый многоугольник с числом сторон, равным числу витков. При большом числе витков многоугольник практически превращается в окружность, диаметр которой равен напряжению на коллекторе. Хорда, соединяющая какие-либо две точки окружности, определяет амплитуду переменного напряжения, действующего между -соответствующими токами обмотки. Если обмотка симметрично присоединена к те кольцам, то есть точки присоединения колец расположены под углом 2z
(рисунок 131), то амплитуда переменного напряжения, действующего между соседними кольцами Еп, равна хорде, стягивающей
2г.
Дугу т окружности с диаметром Eg, то есть,как видно из чертежа, En=Eg
sin-, а эффек- Рисунок ш. тивное значениепри синусоидальной форме напряже-
Еп Eg 7Г
ния будет Ew==-psm —. От]/ 2 У 2 т
метим, что для однофазного о. п. те=2. Найденная формула справедлива для холостого хода, когда падения напряжения не имеют места, но и при нагрузке отклонения ст нее невелики. Т. к. величины напряжения стандартизованы, то нельзя так подобрать Ew и Eg, чтобы они оба одновременно отвечали стандартным значениям. Поэтому непременной принадлежностью о. и. является трансформатор, включаемый между кольцами и сетью переменного тока. Величина постоянного и переменного токов также находится в определенном соотношении, которое мы даем здесь без вывода. Если обозначить постоянный ток через I g, а линейный-переменный через I®,
TO lw
21/2 Jg Ew
l—.. Отношения
те cos ф -с-g
Iw
и Tg
(для cos ф=1) приведены в следующей таблице:

Число фаз;

1

3 6

Е

W

Е

0.7О7

0,612 0,351

I

W

1

1,41

0,943 0,472

Т. к. эдс якоря индуктируется единственным результирующим магнитным потоком и т. к. переменный ток, являясь двигательным, составляет с эдс угол > 90°, а постоянный ток, будучи генераторным, находится в фазе с эдс, то постоянный и переменный токи протекают в якоре почти в противоположном направлении, и через проводники якоря проходит разность этих токов. Благодаря этому потери в якоре у о. й. меньше, чем, например, у генератора постоянного тока при той же мощности и притом тем меньше, чем больше число фаз. Так, например, шестифазный о. п. при тех же размерах и при cos 9=1 может отдать мощность почти вдвое (точнее, в 1,93 раза) большую, чем генератор постоянного тока. Чем меньше cos ®, тем меньше и мощность о. п. Соответственно и падение напряжения в о. п. меньше, чем в машине постоянного тока. Подводимый к о. п. переменный ток можно разложить на активную и реактивную составляющие. Активная составляющая создает поперечное поле реакции якоря, направленное против поперечного поля реакции постоянного тока (т. к. эти токи сдвинуты на 180°). Благодаря этой взаимной компенсации поперечное поле якоря о. п. не существует (вернее, остается незначительная разность полей, вследствие различной формы мдс постоянного и пе-ременноготока). Реактивная составляющая создает продольную реакцию, размагничивающую или намагничивающую машину, в зависимости от направления сдвига фаз. Коммутация в о. п. происходит точно так же, как и в машинах постоянного тока. Если о. п. снабжен дополнительными полюсами, то число их ампер-витков может быть значительно меньше, чем в машине постоянного тока, т. к. при отсутствии поперечного поля их задача сводится только к улучшению коммутации. Если желательно регулировать напряжение на стороне постоянного тока, то нельзя воспользоваться изменением возбуждения, т. к. таким путем будет, как и у всякого синхронного двигателя, изменяться лишь реактивная составляющая тока, влияние которой нападение напряжения о. п. слишком мало вследствие небольшой величины реактивного сопротивления. Обычно для возможности регулирования увеличивают реактивное сопротивление путем включения дроссельной катушки между кольцами и сетью или путем увеличения рассеяния трансформатора. Тогда реактивный ток, возникающий при изменении возбуждения, будет обусловливать уменьшение (при недовозбу-ждении) или увеличение (при перевозбуждении) напряжения на кольцах, а, следовательно, и на коллекторе. Диаграмма регулирования показана на рисунке 132. Ток Iw направлен по вертикали. При недовозбуждении напряжение трансформатора Vt и напряжение
дроссельной катушки Vd дают напряжение на кольцах Vw< Vt, а при перевозбуждении Т7ю> Vt. Пуск в ход о. п. совершается либо со стороны постоянного тока в качестве шунтового двигателя (если в распоряжении есть источник постоянного тока), или теми же способами, как и для синхронногодвигателя (смотрите выше).
Мотор - генератор (ж.-г-). Для превращения переменного тока в постоянный можно применить аггрегат, состоящий из соединенных между собой двигателя переменного тока и генератора постоянного тока, т. наз. м.-г. Двигатель может быть как синхронным, так и асинхронным. Обычно применяется последний, как дающий большие удобства при пуске в ход. Достоинством м.-г. является полная свобода в выборе напряжений отдельных машин и их независимость друг от друга. Недостаток—меньший по сравнению с о. п. кпд.
Каскадный преобразователь (к. п.). Промежуточное положение мелсду о. и. и м. г. занимает к. п., состоящий из асинхронного двигателя и о. п., механически и электрически связанных друг с другом. Отличительным свойством к. п. является то, что здесь о. п. работает не только как преобразователь, но и частично как генератор постоянного тока. В виду ограниченного-применения в настоящее время к. п. мы подробно его теорию рассматривать не будем.
Конструкции. На рисунке 133 показан шестифазный о. п. мощностью 1000 квт,
Рио. 13.!.
коэффициенту мощности. Поэтому для уменьшения индуктивности обмотки возбуждения ее изготовляют с возможно малым числом витков., а якорный поток, не приносящий никакой пользы, уничтожают с помощью компенсирующей обмотки, обтекаемой тем же током, что и якорь, но в таком направлении, чтобы оба потока были направлены навстречу и друг друга компенсировали. Схема о. с. показана на рисунке 135. Здесь В—обмотка возбуждения, А—якорь, К— компенсирующая обмотка. При таком устройстве индуктивности якоря и компенсирующей обмотки будут обусловлены только полями рассеяния, то есть будут сведены к минимальной величине. Что касается
750 об./мин., 600 вольт на стороне постоянного тока. Слева расположены кольца, справа—коллектор. На рисунке 134 показан м.- г. на 2000 квт, 593 об./мин., состоящий из асинхронного двигателя (справа) и генератора постоянного тока. Небольшая машина, расположенная за асинхронным двигателем, представляет собой фазокомпенсатор (смотрите ниже).
Коллекторные| машины переменного тока. Коллекторные двигатели (к. д.). а) Однофазный двигатель сериесного возбуждения (о. с.). Если взять обычный двигатель постоянного тока сериесного возбуждения и подвести к его зажимам однофазный переменный ток, то двигатель придет во вращение. Здесь магнитный поток в обмотке возбуждения вызывается тем же током, который проходит и через якорь, а следов, направление потока и якорного тока меняются одновременно, что по правилу левой руки приведет к вращающему моменту, направленному всегда в одну и ту же сторону. Т. к. поток .здесь пульсирует, то весь магнитопровод для уменьшения потерь должен быть собран из листового железа. На практике, однако, такой двигатель должен подвергнуться некоторым конструктивным изменениям, т. к. большая индуктивность обмоток возбуждения и якоря привела бы к слишком низкомукоммутации тока, то в о. с. она, совершаясь по тем же законам, что и в машине постоянного тока, несколько осложняется благодаря тому, что короткозамкнутая секция во время
Рисунок 134.
коммутации подвергается действию не только собственного поля самоиндукции, вызванного изменением тока, но и д( йствию пульсирующего потока возбуждения, наводящего в ней т. наз. трансформаторную эдс (т. к. короткозамкнутая секция и обмотка возбуждения представляют собой т-р). Обе эдс, наводимые этими потоками, складываются геометрически и дают результирующее напряжение коммутации е, под влиянием которого появляется добавочный ток г=f
Рисунок 135.
(здесь г - кажущееся сопротивление цепи короткозамкнутой секции], перегружающий щетки и могущий вызвать искрение на коллекторе. Уменьшить ток i можно либо путем увеличения г, либо путем уменьшения е. В первом случае между коллекторными пластинами и обмоткой якоря включают сопротивления из плохого проводника (железо, ник-келин и так далее). Этот метод обладает рядом отрицательных качеств и в настоящее время не применяется. Для уменьшения эдс е прибегают к устройству дополнительных полюсов, создающих в короткозамкнутой секции эдс ек, равную и противоположную е. В о. с. задача устройства дополнительных полюсов осложняется необходимостью компенсировать две эдс, изменяющиеся по совершенно различным законам. Поэтому ни одна из схем полностью не удовлетворяет веем требованиям. Наиболее употребительным и целесообразным является последовательное соединение дополнительных полюсов, показанное на рисунке 136. Здесь В—обмотка возбуждения, К— компенсирующая, А— якорная и D — дополнительных полюсов, причем параллельно с последней включено регулируемое сопротивление R для того, чтобы сдви-Рисунок 188. нуть ток в обмотке
D по сравнению с главным током двигателя. Напряжение сети, приложенное к зажимам двигателя, должно уравновесить: эдс, появляющуюся в роторе под влиянием вращения в магнитном поле статора (про-тиво эдс) Еи находящуюся в фазе с током; эдс самоиндукции обмотки возбуждения Е., отстающую от тока на 90°; омическое падение напряжения во всех обмотках Ел, находящееся в фазе с током, и индуктивное падение напряжения от рассеяния в тех же обмотках Eit отстающее от тока на 90°. Векторная диаграмма для о. с. показана на рисунке 137. Т. к. эдс Е1 зависит от скорости вращения, то из диаграммы ясно, что чем быстрее вращается двигатель, тем меньше будет сдвиг фаз между током и напряжением (тем боль-1
ше cos е). Отсюда же ясно, что в о. с. коэффициент мощности никогда не может стать равным 1 (хотя при больших скоростях вращения он иногда доходит до 0,95). Пуск в ход о. с. совершается с помощью регулируемого трансформатора, понижающего напряжение сети. С помощью того лее т-ра регулируется и скорость этих двигателей. Главнейшая область применения о. с.—железнодорожная тяга.
Ь) Однофазный репульсионный двигатель (о. р ). Схема о. р. показана на рисунке 138. Здесь имеются две статорных обмотки В и К, соединенные последовательно и включенные на напряжение сети и якорь А, обмотка которого замкнута накоротко. Пульсации потока К вызывают в якорной обмотке ток, который, взаимодействуя с потоком обмотки В, и создает вращающий момент двигателя. Большим преимуществом о. р. является полное отделение статора от ротора, что позволяет присо
единять машину непосредственно к сети довольно высокого напряжения. Векторная диаграмма о. р. показана на рисунке 139. Токи статора Ц и ротора L складываясь как в т-ре, дают намаг
ничивающий ток 1т, в фазе с которым находится поток Ф2, создаваемый обмоткой К. Поток 4»! обмотки В находится в фазе с током статора -Zj. Поток Ф2 наводит в роторе эдс трансформации Е сдвинутую от него на 90°, а поток Oj наводит в том же роторе эдс вращения 2ег, находящуюся в фазе с Ф,. Эдс Ег и Е2, складываясь, дают результирующую, идущую на покрытие омического (12з2) и индуктивного (12ж.2) падений напряжения в роторе. Напряжение сети должно уравновесить: эдс Е3, наводимую в статорной обмотке В колебаниями ее собственного потока Ф! (эдс самоиндукции), эдс Д, наводимую в обмотке К потоком Ф2, омическое падение напряжения в статоре 1у и индуктивное падение напряжения Ixxv Рассмотренный о. р. можно упростить (двигатель Томсона), соединив обе статорных обмотки в одну и расположив ее под некоторым углом а к оси щеток (рисунок 140). Получающийся наклонный магнитный поток можно геометрически разложить на два: вертикальный (перпендикулярно к оси щеток) и горизонтальный (по оси щеток). Если устроить приспособление для перемещения щеток по коллектору, то поворотом их оси можно изменять угол а, а, следовательно, и регулировать величины составляющих потоков. При таком сдвиге щеток, когда я=0 или 90°, двигатель вращаться не будет, т. к. в первом случае Фл=0, а во втором Ф2=0. Для пуска двигателя в ход устанавливают щетки под углом я=90°, включают статорную обмотку на сеть и начинают медленно поворачивать щетки. При этом двигатель приходит во вращение, причем величина крутящего момента будет зависеть от соотношения между потоками Ф, и Ф2, т. е. от угла поворота щеток. Максимальный момент обычно достигается при я15°. Следует отметить, что при пусковом положении (α= 90°) короткозамкнутые секции обмотки якоря сцеплены с полным потоком статора, что вызывает значительные внутренние
Рисунок 1-10.
токи. Этим недостатком не обладает показанный на рисунке 141 о. р. системы Дери е двумя парами щеток. Здесь одна пара щеток (A, At) установлена неподвижно, а другая пара (В, В{) может перемещаться с помощью особого приспособления. Щетки соединены между собой попарно (А с В, A i с В{) гибким кабелем.
Из чертежа видно, что, смещая подвижные щетки на угол 2а, мы перемещаем ось статорной обмотки всего на угол я. Т. к. щетки попарно Рисунок 14| замкнуты накоротко, то ток
проходит лишьпо тем учаеткамобмотки которые лежат между соединенными между собой щетками. При пуске в ход (я=90°) щетки поворачиваются на угол 2я=180°, и замыкаемые ими катушки не будут совершенно сцеплены с потоком статора. Другими преимуществами двигателя Дери являются более плавное изменение скорости и более благоприятная коммутация тока. Реверсирование, то есть изменение направления вращения, достигается в о. р. поворотом щеток в обратном, по отношению к пусковому, направлении. Коэффициент мощности этих двигателей довольно высок и приблизительно равен cos <р трехфазных асинхронных двигателей такой же мощности. Главнейшей областью применения о. является текстильная промышленность. особенно в прядильных машинах.
с) Трехфазный двигатель сериес-ного возбуждения (т. с.). Схема т. с-
показана на рисунке 142. Здесь S — соединенный в треугольник статор, выполненный точно так же, как и у нормального асинхронного двигателя.
R — ротор, представляющий собой якорь постоянного тока. На якоре расположены три щетки, сдвинутые на угол 120° и присоединенные ко вторичным обмоткам т. наз. сериес-транс-форматора. Благодаря тому, что первичные обмотки трансформатора обтекаются током статора, ток ротора будет ему пропорционален. Благодаря как бы последовательному соединению обмоток статора и ротора, фазы мдс этих обмоток совпадают. Т. к. статор и ротор имеют трехфазную обмотку, то они совместно создают вращающееся магнитное поле,если обмотки включены так, что поля статора и ротора вращаются в одну сторону. Вращающий момент двигателя будет зависеть не только от величины результирующего поля, но и от относительного положения составляющих полей в пространстве, обусловленного положением щеток на коллекторе. Перемещая щетки, можно изменять пространственное положение роторного поля, а, следов., и величину вращающего момента. Результирующее магнитное поле, пересекая витки обмотки статора и ротора, наводит в них эдс: £|=4,44Ф10-8 и
Ь24,44sftw.JcWjф 10“8, где частота сети, s—скольжение ротора, «1 и w.2— числа витков статорной и роторной обмоток, kwl и kw 2—обмоточные коэффициенты, Ф — результирующий поток. Если предположить, что обе обмотки выполнены одинаково с одинаковым числом витков (если этого нет, то можно оперировать с приведенными величинами), то из этих у-ний Е2
получается, что=Если щеткисдвинуты на коллекторе на угол « (нормально угол а150°), то на такой же угол должны быть сдвинуты и мдс статора и ротора, а следовательно и эдс jEj и Е2. Пренебрегая потерями, можно сказать, что напряжение сети V должно уравновесить эти эдс. Тогда получается диаграмма, показанная на рисунке 143. Точка А и треугольник равновесия ВАС соответствуют случаю, когда ЕХ=Е„_, то есть s=l, или двигатель неподвижен. По мере увеличения скорости, s будет уменьшаться, а вместе с ним и Е.2. Т. к. угол
Рисунок из.
между Ех и Е2 должен оставаться постоянным, то точка А будет перемещаться по окружности, описанной вокруг треугольника ВАС. При дальнейшем возрастание скорости Е2 будет уменьшаться еще больше, пока при синхронизме s=0) оно не сделается равным нулю, то есть точка А переместится в В и напряжение сети будет уравновешивать только эдс статора Е. При увеличении скорости за синхронизм,
Е„ сделается отри цательным. При двойной синхронной скорости (s=— 1) точка А придет в А., т. к. Е1=—Е.,. Из диаграммы видно, что если Ех и Е.2 при неподвижном двигателе равны, то есть равны wx и т то при разворачивании ротора Еп сперва увеличивается, а потом уменьшается. В таком двигателе момент вращения при пуске в ход будет неустойчив. Для того, чтобы jEj все время уменьшалось, необходимо, чтобы Е1 было больше Е2 и притом так, чтобы при пуске в ход Е2 было перпендикулярно к V(точка Hi на рисунке 144). С другой стороны, для получения высокого коэффициента мощности необходимо, чтобы число витков ротора было больше числа витков статора, причем cos ш=1 при синхронизме получается тогда, когда эдс Ех при пуске перпендикулярна к V (точка А3 на рйс. 144). Т. о. условия устойчивости и высокого cos <{ противоречат друг другу и в обычном т. с. выполнены одновременно быть не могут. Поэтому часто на коллекторе т. с. располагают два комплекта щеток (подвижные и неподвижные), присоединенных к 6 концам сериес-трансформа-тора. Тогда, изменяя расстояние между щетками, легко при пуске выполнить условие устойчивости, а при работе—
Рисунок 144.
условие высокого коэффициента мощности.
d) Трехфазный двигатель шунто-вого возбуждения (т. ш.). Схема т. ш. показана на рисунке 145. Статор S
Ряс. 145.
снова имеет такое же выполнение, как и у обычного асинхронного двигателя, ротор R представляет собой якорь машины постоянного тока, связанный через трансформатор е сетью. Трансформатор Т выполняется обычно в виде регулирующегося автотрансформатора. С электрической стороны описываемый двигатель представляет собой асинхронный двигатель, к ротору которого подводится напряжение сети (двигатель двойного питания). Т. к. частота тока в роторе иная, чем в сети, то связать ротор и сеть непосредственно нельзя, и роль коллектора сводится здесь к преобразованию частоты сети в частоту ротора. Это становится понятным. если вспомнить, что здесь, как и у обычного асинхронного двигателя, поле ротора вращается по отношению к неподвижному статору (или неподвижным щеткам) с синхронной скоростью, независимо от скорости вращения самого ротора, то есть между щетками всегда будет индуктироваться эдс частоты сети. Векторная диаграмма т. ш. показана на рисунке 146. Она отличается от диаграммы обычного асинхронного двигателя только наличием в роторе кроме эдс Е2, индуктированной вращающимся полем, напряжения, подведенного к ротору от тр-ра. V2 можно сдвигать по отношению к V1 либо смещая щетки, либо пользуясь тр-ом специальной конструкции ( на диаграмме F, и V, сдвинуты на угол а). Если изменять угол а и одновременно изменять величину Vs ( путем изменения передаточного числа тр-ра), то тем самым можно I влиять на наклон вектора L, г, а, следов., и находящегося с ним в фазе вектора вторичного тока /2. Т. к. направление тока холостого хода /0 остается постоянным, то, поворачивая вектор 1з против часовой стрелки, мы
одновременно поворачиваем и вектор 1Х. Увеличив в достаточной степени а и У2, можно привести векторы I, и Fj к одному направлению, то есть установить cos ф=1. Характерной особенностью т. ш. является возможность широкой и притом экономичной регулировки скорости в области как ниже, так и выше синхронизма. Сила тока в роторе асинхронного двигателя быларавна /2=, где Е» — эдс ротора, аг2—его кажущееся сопротивление. В
7 %-У,
т. ш. /;.=, то есть устанавливается
s2
геометрической разностью Е.> и V Если при том же моменте вращения, то есть при том же токе /2 изменить V2, то сейчас же должно будет измениться и Е2, а это может произойти только за счет изменения скольжения, то есть изменения скорости вращения. Изменивнапряжение V.,. мы заставим измениться и направление Е2, то есть двигатель вынужден будет вращаться с сверхсинхронной скоростью. Недостатком описанного т. ш. системы Виитер-Эйхберга является наличие громоздкого регулировочного тр-ра и контроллера для управления этим т-ром. В виду этого в настоящее время двигатели такой системы встречаются очень редко, будучи вытеснены, более простыми т. ш. системы Шрагс-Рихтера. В этом двигателе регулировочный тр-р как бы заделан в самую машину и составляет с ней органическое целое. Двигатель Шраге-Рихтера является обращенным, то есть он питается со стороны ротора через три контактных кольца. Т. к. для работы машины безразлично, какая часть ее является первичной, а какая вторичной, то на существо дела это не влияет. Помимо этой главной обмотки А (рисунок 147), на роторе в тех же впадинах расположена еще
вспомогательная обмотка К. с коллектором (на чертеже коллектор для ясности не показан) и шестью щетками, составляющими три отдельных комплекта. Статорная обмотка S состоит из трех несоединенных между собою фазных обмоток, причем концы каждой фазы статора присоединены к трем группам щеток. Щетки, принадлежащие к каждой группе, могут одновременно сдвигаться или раздвигаться. Их можно сдвинуть и так, что щетки каждой группы станут на одну и ту же пластину, то есть обмотки статора окажутся короткозамкнутыми. Их можно также передвинуть из этого положения в противоположные стороны. Если щетки стоят на одной и той же пластине, то фаза статора замкнута накоротко, и двигатель ведет себя как обычный асинхронный двигатель, вращаясь со скоростью, близкой к синхронизму. Перемещая щетки в ту или иную сторону, мы добавляем к статорной эдс напряжение ЕКг, индуктируемое вращающимся полем в дополнительной обмотке, или вычитаем его. Благодаря этому скольжение двигателя должно увеличиться или уменьшиться, что повлечет за собой уменьшение или увеличение скорости. Двигатели Шраге-Рихтерарассчитываются обычно так, чтобы число оборотов можно было изменять от % синхронного до /» синхронного, то есть в отношении 1:3.
е) Компенсированный асинхронный двигатель (к. а.). Большим недостатком обычного асинхронного двигателя является сдвиг фаз между током и напряжением, особенно резко проявляющийся при недогрузках. К. а. свободен от этого недостатка и позволяет при значительных изменениях нагрузки поддерживать cos ®=1. На рисунке 148 показана схема к. а. Гейланда. Этот двигатель имеет две ста-, торных и две роторных I I | обмотки.Статорная обмотка Si и роторная R1 пред- ;-ставляют собой нормаль- „ ные обмотки обычного асинхронного двигателя.
Обмотка ротора Щ имеет коллектор с тремя щетками, присоединенными ко второй статорной обмотке >%. При работе к. а. в обмотке Д2 индуктируется эдс, передаваемая в обмотку S2. Т. к. >% и S, связаны индуктивно, то фаза тока, поступающего из сети, определяется совместным действием обмоток Si и S2. Смещая щетки на коллекторе, можно добиться того, что сдвиг фаз между напряжением сети и током статора исчезнет, то есть cosе станет равным 1. На рисунке 149 показан другой к. а. системы Основа. Здесь, как и в двигателе Шраге, питание машины происходит со стороны ротора. На роторе имеются две обмотки, обычная трехфазная Ки соединяемая посредством колец с сетью, и
t fTk
Рисунок 148.
обмотка постоянного тока R., щетки которой присоединены к статорной обмотке 8. Другие концы фаз статорной обмотки присоединены к пусковому
реостату Л.Благодаря наличию коллектора и здесь в обмотку статора добавляется некоторое напряжение, позволяющее довести cosf до 1.
f) Двигатель Шюлера относится к типу т. наз. синхронизированных асинхронных двигателей, которые пускаются как асинхронные, а по достижении полной скорости переключаются на питание обмотки возбуждения постоянным током и тем превращаются в синхронные. Схема этого двигателя показана на рисунке 150. Питание двигателя производится со стороны ротора, который имеет здесь две обмотки: нормальную трехфазную R и обмотку А с коллектором и двумя щетками. Статорная обмотка S присоединена концом одной фазы к левой щетке, а две другие фазы через пусковой реостат г присоединены к правой щетке. При пуске в ход двигатель работает как асинхронный, частота на коллекторе имеет величину, соответствующую аеинхронизму двигателя. После вхождения в синхронизм на щетках появляется напряжение постоянного тока и статорная обмотка S становится обмоткой возбуждения.
, Специальные машины, а) Преобразователь частоты. Из-за коммутационных затруднений коллекторные двигатели не могут быть построены быстроходными при большой мощности. В тех случаях, когда необходимо одновременно получить и быстроходность, и большую мощность, и свойства коллекторного двигателя, приходится прибегать к т. наз. каскадным схемам, включающим в себя обычный асинхронный двигатель и отдельную специальную коллекторную машину (иногда несколько таких добавочных машин). Для целей экономической регулировки скорости больших асинхронных двигателей можно прибегнуть к каскадному соединению их с преобразователем частоты. Последний, как видно из рисунка 151, состоит из якоря машины постоянного тока, снабженного одно
временно и коллектором, и кольцами. Статор преобразователя частоты не имеет обмотки и служит лишь для замыкания силовых линий поля. Кольца 8 через посредство регулирующего т ра Т присоединены к сети, а щетки присоединяются к ротору главного асинхронного двигателя. Если якорь неподвижен, то напряжение сети создает вращающееся поле, которое, вращаясь относительно якоря с синхронной скоростью, вызывает между щетками напряжение той же периодичности, что и в сети. Если теперь якорь привести каким-либо посторонним двигателем в сторону, противоположную вращению поля, то число оборотов поля по отношению к неподвижным щеткам уменьшится и соответственно умень-
шится и частота напряжения на кольцах. Т. о., изменяя скорость вращения, можно получить на щетках любую частоту от 0 (скорость вращения равна синхронной) до частоты сети (якорь неподвижен). Если посадить преобразователь частоты на один вал с асинхронным двигателем или соединить его зубчатой передачей (рисунок 152), то частота напряжения на коллекторе всегда
Рисунок 152.
будет равна частоте тока в роторе двигателя. Регулируя напряжение на коллекторе трансформатором Т, можно воздействовать на скольжение асинхронного двигателя и регулировать его скорость. Т. к. по существу устройства преобразователь частоты представляет собою двигатель Винтер-Эйхберга, но без статорной обмотки, то для регулирования скорости можно воспользоваться и последним и тогда получится каскадное соединение асинхронного двигателя с коллекторным.
Ь) Фазокомпенсаторы. Для улучшения коэффициента мощности больших асинхронных двигателей прибегают к каскадному соединению их с особым фазокомпенсатором. Компенсатор Леблана состоит из якоря с коллектором и тремя щетками и статора, лишенного обмотки. Если к якорю подвести трехфазный ток, то обмотка создаст вращающееся поле, перемещающееся в пространстве с синхронной скоростью, не зависящей от скорости 60 f „
самого якоря, и — ——. Если якорь W
привести во вращение в ту же сторону со скоростью пи то поток будет пересекать ватки обмотки со скоростью и — щ=sn и вызовет в обмотке эдс 13=4,44 ku,wsf<I> 10 ~8. Эдс К отстаетот потока на 90°, но если увеличить скорость за синхронную, то есть сделать S отрицательным, то Е также будет отрицательной и станет уже опережать Ф на 90°. Этим свойством и пользуются для компенсации сдвига фаз асинхронного двигателя включая фазокомпенсатор в цепь его ротора, как показано на рисунке 153, и вращая якорь посторонним двигателем В с сверхсинхронной скоростью. На рисунке 153 S — статор главного двигателя, КГ— фазокомпенсатор. В качестве фазоком-
Риг. 168.
пенсатора можно применить и рассмотренный нами выше преобразователь частоты, т. к., сдвигая щетки на его коллекторе, можно дать напряжению на щетках любую фазу.
с) Сложные каскады. Помимо рассмотренных простых каскадных схем, в больших установках применяют сложные каскады, состоящие из главного асинхронного двигателя и ряда дополнительных машин: двигателей, преобразователей, генераторов, фазокомпенсаторов и так далее В виду узко специального назначения этих аггре-гатов и многообразия систем, мы их рассматривать не будем, отсылая интересующихся к специальной литературе (смотрите в конце статьи).
Конструкции коллекторных машин. На рисунке 154 показан железнодорожный сериесный однофазный двигатель мощностью 1500 л. с., с компенсирующей обмоткой и дополнительными полюсами. На рисунке 155 показан репульсионный однофазный двигатель типа Дери, мощностью 10 квт, 1500 об/мин. Справа, возле шкива, виден маховичек, служащий для перемещения щеток. Нарис. 156 изображен трехфазный сериес-1шй двигатель е двойным комплектом щеток, мощностью 22 кит, и=750 об/мин.
тели. Действие р. в основано на так называемым вентильном действии вольтовой
Рисунок 154.
На рисунке 157 показан двигатель Шраге-Рихтера, мощностью 30 квт с числом оборотов от 375 до 1.000. Нарис. 158 показан компенсированный асинхронный
Рисунок 156.
дуги, горящей в вакууме. Если стеклянный баллон, из которого выка
ние. 157.
чен воздух до высокой степени разряжения, впаять две проволоки, из
Рисунок 155.
двигатель с роторным питанием (по Осносу) мощностью 30 квт, 1.500 об/мин. На рисунке 159 показано каскадное соединение асинхронного двигателя с преобразователем частоты (слева). Посредине видна зубчатая передача. Нарис. 160 изображен фазокомпенсатор, приводимый во вращение асинхронным двигателем (слева).
Ртутные выпрямители (р. в.). За последние годы серьезными конкурентами для одноякорных преобразователей сделались ртутные выпрями-
Рисунок 15S.
которых одна соприкасается с ртутью налитой в баллон, а другая соединена
с графитным или железным электродом, то такой прибор может служить злементарным выпрямителем тока.
РйС. 159.
Подведя к электродам напряжение, замкнув на момент цепь наклонением сосуда и разорвав эту цепь возвращением сосуда в первоначальное положение, мы получим между электродами устойчивую вольтову дугу. Если подвести к электродам переменный ток, то он сможет проходить только в направлении от железа или графита к
Рисунок 160.
ртути, то есть только в том случае, если ртуть будет катодом, а другой электрод-анодом. При перемене полярности ток не будет проходить, даже если приложить к электродам напряжение ! в несколько тысяч вольт. Для того чтобы дуга не потухла после первого же полупериода переменного тока (дуга тухнет, если ее оставить без напряжения на 0,00001 сек., тогда как полупериод тока длится 0,01 сек.), в такой примитивной установке необходимо иметь дополнительное зажигательное приспособление, поддерживающее дугу в непрерывном горении. На рисунке 161 показан наверху такой примитивный выпрямитель, а под ним— !
форма получаемого постоянного тока (чтобы не затемнять чертежа, зажигательное приспособление здесь не показано). Для того чтобы иметь возможность выпрямлять обе полуволны переменного тока, можно применять схему, показанную на рисунке 162. Здесь между сетью и выпрямителем поме
щен трансформатор Т. К вторичной обмотке его присоединены два анода (А). Катод (./присоединен к одному полюсу приемника постоянного тока (К), а к другому полюсу присоединяется нулевая (средняя) точка вторичной обмотки т-ра. Здесь одна полуволна выпрямляется через один анод, а другая—через другой. Зажигательное приспособление (не показанное на чертеже) и здесь должно действовать непрерывно, т. к. через каждые пол периода напряжение падает до нуля. Форма выпрямленного тока показана внизу. Улучшить работу р. в можно путем включения в цепь постоянного тока, дроссельной катушки L (рисунок 163). Под влиянием дроссельной катушки кривая тока делается более пологой (рисунок 163 внизу), и получается некоторое наложение волн друг на друга, так что ни в один момент сила тока не будет равной нулю. Тогда зажигательное приспособление после возникновения дуги может быть выключено, и дальшер. в будет работать самостоятельно. На практике обычно приходится выпрямлять не однофазный, а трехфазный ток. Это достигается устройством трех анодов (рисунок 164, обозначения
Рисунок 163- Рисунок 164.
те же). Как видно из нижнего чертежа, волнистость постоянного тока здесь значительно меньше, чем у однофазного р. в., т. к. отдельные волны перекрывают друг друга. Кроме того, ток, благодаря перекрытию, никогда не падает до нуля, и дуга поддерживается автоматически. Для еще большего сглаживания применяют р. в шестифазного и двенадцатифазного тока. Схема ше-стифазнрго р. в с шестью анодами показана на рисунке 165. Применяя дроссели, можно добиться почти идеального сглаживания. Первоначально р. в строились стеклянными. Такие приборы к настоящему времени строят до 200 А выпрямленного тока при напряжениидо 500 в Баллон современного стеклянного р. в для выпрямления трехфазного тока показан на рисунке 166. Небольшой отросток слева служит для присоединения зажигательного приспособления. Для получения больших мощностей в настоящее время строятр.в. со стальными баллонами.
Главным затруднением при конструировании металлических р.в. является устройство уплотнений в местах ввода электродов и в местах соединения крышек с корпусом. Эти уплотнения в настоящее время изготовляются либо комбинированными из асбеста и ртути, либо из свинца. Разрез современного металлического р. в показан на рисунке 167.
Здесь а—зажигательное приспособление, б—охлаждающая рубашка, d— крышка, е—рабочий цилиндр, /“—главный анод, .g-анодный колпак, предохраняющий анод от забрызгивания ртутью, h- колпак, концентрирующий распространение дуги, г—катод, к— зажигательный анод, /—возбудительный анод. Зажигательное приспособ-
Рисунок 166.
ление показано отдельно на рисунке 168. При замыкании выключателя с/постоянный ток от батареи проходит через сопротивления Ва Вг, соленоид а. Соленоид притягивает штангу зажигательного анода Ь, последний соприкасается с катодом с и происходит зажигание, т. к. ток может теперь проходить от батареи и через цепь анода. Т. к. сопротивление этой цепи значительно меньше, благодаря отсутствию Rz, то через соленоид ток проходить почти не будет, и пружина f вернет зажигательный анод в прежнее положение. Весьма важными вопросами при экс-плоатации больших р. в являются
Рис.
охлаждение анодов и поддержание вакуума. Для первой цели аноды снабжают охлаждающими ребрами, а при очень больших мощностях устраивают их полыми и пропускают холодную воду. Для поддержания вакуума применяют особые вакуумные насосы, начинающие работать автоматически приповышении давления сверх допускаемых пределов. На рисунке 169 показан р. в большой мощности для выпрямления двенадцатифазного тока. Справа установлен вакуум-насос, приводимый в действие электродвигателем. Как и у одноякорных преобразователей, у р. в существует определенное соотношение между величинами напряжений переменного и постоянного тока. Это отношение для различного числа фаз имеет следующие значения:
Число фаз 13 6 12
Vw: Vcr 1,11 0,86 0,74 0,72
Здесь не учтено еще падение напряжения в самой дуге (около 20 вольт) и падение напряжения в дроссельной катушке. Т. к. падение напряжения в дуге приблизительно постоянно и почти не зависит от нагрузки, то коэффициент полезного действия р. в мало изменяется с изменением
нагрузки, но зато сильно зависит от напряжения выпрямленного тока. Чем выше последнее, тем больше и коэффициент полезного действия На рисунке 170 дана зависимость коэффициент полезного действия от напряжения, из которой видно, чточ
при больших напряжениях коэффициент полезного действия достигает весьма большой величины (до 98°/о). На рисунке 171 приведены для сравнения кривые коэффициент полезного действия р. в ( ), одноякорного преобразователя (кр ) и мотор-генератора {;г т) в зависимости от нагрузки. Из чертежа видно, что при недогрузках < g изменяется мало, тогда как и -< т падают очень резко. Современные р. в изготовляются для напря
жений до 16000 вольт и для токов до 3000—4000 ампер.
Литература. Для более подробного ознакомления о теорией электрических машин могут служить следующие книги: акад. К. И. Шенфер, „Машины постоянного тока (1934); инж. П. С Сергеев, „Машины постоянного тока“ (1980); ироф. Ф. И. Холуянов, „Альтернаторы и преобразователи“ (1934); ироф. Ю. С. Чечет., „Генераторы и моторы переменного тока“ (1931); проф. Ф. И.Холу-яяов, „Трансформаторы44 (1934); акад. К. И. Шенфер, „АсинхроиныемашиньГ4 (1934); акад. К.И. Шенфер, „Коллекторные двигатели“ (1934инж. Л. Дрейфус,Коллекторные каскады14 (1934): проф. А. Г. Яелявский, „Ртутные выпрямители44 (1933).
10. Чечет.
V. Электрические станции. 1. Классификация. Э. е. в зависимости от рода используемого энергетического рессурса и рода двигателей подразделяются на: термические (сжигающие топливо), гидроэлектрические, ветровые и проч. Термические в свою очередь подразделяются на: паровые, дизельные и Э. с. с газовыми двигателями. Э. о., снабжающие потребителей не только электроэнергией, но и теплом (в паре или горячей воде), отработанным в первичных двигателях, называются теплоэлектроцентралями (смотрите ниже). В СССР все паровые Э. с. в будущем в большей или меньшей степени будут выполнять задачу централизованного теплоснабжения потребителей ближайшего к ним района. В зависимости от рода топлива паровые станции бывают: угольные (в частности буроугольные), торфяные, сланцевые и т. п-В зависимости от назначения Э. с. обычно делят на: станции общего, или общественного, пользования — продающие электроэнергию всем потребителям, находящимся в пределах досягаемости электрических сетей этих етан-ций, и станции частного пользования, обслуживающие только одного потребителя, или группу потребителей, для которых они построены. В СССР это подразделение потеряло смысл, поскольку при плановом хозяйстве все Э. с. являются станциями общего пользования, но и в капиталистических странах за последние годы станции частного пользования начинают частично втягиваться в общую систему электроснабжения (смотрите электрификация). Крупные Э. с. общего пользования, обслуживающие большой район, называются районными Э. с. В СССР такие станции принадлежат к числуобщесоюзных предприятий. На Западе они принадлежат обычно крупным электроснабжающим обществам, иногда с участием государственного капитала. В СССР Э. с. подразделяются на3 группы: районные, принадлежащие Союзу, местные (городские и сельские), принадлежащие республикам, фабрично-заводские, к каковой группе относятся также железнодорожные (принадлежат к числу союзных или республиканских, в зависимости от принадлежности того предприятия, в состав-которого они входят). В зависимости от роли Э.с. в объединении они подразделяются на: базисные (основные питательные станции), полупиковые, пиковые, резервные.
2. Устройство паровых станций. На всякой паровой Э.с. происходит 6 основных круговых процессов: 1) процесс превращения топлива в углекислоту и в золу; 2) циркуляция воздуха для горения; 3) циркуляция воды и пара в котле и турбине; 4) циркуляция охлаждающей воды; 5) циркуляция охлаждающего воздуха; 6) циркуляция электрического тока.
1) На Э. с., расположенных вблизи мест добычи топлива, последнее часто доставляется в котельную по канатной железной дороге, и около самой станции в этом случае имеется очень небольшой склад. - В случаях доставки топлива по железной дороге склад топлива (открытый или закрытый) устраивается с расчетом на питание станции со склада даже в случае перерыва подвоза угля в течение некоторого времени. Размер склада зависит от местных условий и от свойств топлива. Некоторые виды топлива,как, например, подмосковный уголь, требуют особых мероприятий во избежание самовозгорания. Большие запасы топлива хранятся у торфяных станций, вследствие сезонности добычи; часть этого запаса в открытых штабелях хранится вблизи станции, часть на торфяном болоте. Вопрос о лучшем способе хранения торфа, полученного по методу послойного фрезирования (смотрите XLI, ч. 9, прил. торф, 33/35), еще не разрешен окончательно (1932). На этот предмет-существуют две точки зрения. По одной является необходимым большие штабеля фрезерного торфа вентилировать путем устройства внутренних воздушных ходов-вытяжек с целью быстрого отвода образовавшегося тепла. По другому мнению устройство вентиляции штабелей считается нецелесообразным, так как повышение внутренней температуры штабеля, обычно, не доходит до опасно высоких пределов. Повышение температуры торфа в допустимых границах может быть даже полезным, так как наличие подсушки в небольших границах способствует повышению качества торфа, как топлива. В этом случае, однако, имеется налицо опасность открытого загорания торфа, если во внутренние слои его будет подведен воздух, например если по середине штабеля в период его разогревания будет прокопана канава, так как в данном состоянии торф обладает большой активностью в смысле соединения с кислородом воздуха. В течение суток Шатурская станция им.
В. И. Ленина под Москвой, мощностью в 136 мегаватт (тысяч киловатт), потребляет торфа свыше 3.000 т, а Бобри-ковская на подмосковном угле, мощностью в 300 мегаватт, будет потреблять в сутки до 7.000 т. Эти цифры дают представление о размерах потребной топливоподачи для крупных Э. с. Для подачи топлива в котельную (ср. прил. паровые котлы, XXXI, 25 сл.) либо устраивается ленточный или иной конвейер, подымающий топливо на крышу котельной, где оно сваливается в бункера, либо, на очень крупных станциях, по специальной эстакаде под крышу поднимается паровоз или электровоз с составом вагонов или вага-неток, из которых топливо ссыпается в бункера. Тошгавоподача требует соответствующего развития подъездных путей к станции. В 20-х годах ХХ-го века стало сильно развиваться, сначала в САСШ, а потом и в Европе сжигание угля в пылевидном состоянии, предварительно размолотого в специальных мельницах и подсушенного (смотрите XLI, ч. 8, 407/08). Применение угольного топлива на станциях требует специального пылеприготовнтельного устройства. Вначале устраивалось центральное приготовительное отделение для всей станции в отдельномздании, примыкающем к котельной, позже централизованную систему стала вытеснять индивидуальная, при которой у каждого котла ставятся (одна или две) мельницы для размола угля, причем уголь в самой мельнице подсушивается топочными газами. Оборудование индивидуального пылеприготовления устанавливается в самой котельной и не требует специального-здания. Выбор типа мельницы для пылеприготовительных устройств представляет очень ответственную задачу, в особенности при твердых сортах топлива, как, например, антрацит.
Тихоходные мельницы представляют собою большой железный вращающийся барабан(число оборотов порядка 20 в минуту), частично наполненный шарами из твердого чугуна или телами иной формы. Во время работы в барабан поступает подлежащий перемолу уголь; уже в виде пыли, пройдя через специальные сепараторы, он подается в бункер или непосредственно в топку. Форма чугунных тел, служащих для перемола угля, в процессе перемола не играет большого значения. Характерно, что тихоходные мельницыпотреб-ляют одно и то же количество энергии, работают ли они при полной нагрузке или вращаются в холостую. Тихоходные мельницы более надежны в работе, но зато более громоздки. В болеебыстр» ходных мельницах (число оборотов порядка 100—200) размол обычно производится также шарами, растирающими топливо, но в этом случае шары ходят по определенной орбите. В быстроходных мельницах (обороты порядка 1.500) размельчение топлива производите,; гл. обр. ударным действием, с помощью специальных бил, прикрепленных к вращающемуся ротору. Износ бил в быстроходных мельницах очень большой (от 200 до 400 гр металла на т.у помола), так что необходима их частая замена, что несколько затруднено в том случае, если мельница работает без промежуточного бункера, непосредственно в топку. В виду этого мельницы так устраиваются, что допускают быструю разборку и смену бил в течение около 20 минут. На это время является необходимым перенесение нагрузки котла на другие котлы. Гораздо лучше решается вопрос, если для одного котла установлены 2 мельницы, хотя бы и неполной мощности. В этом случае, при выходе из строя одной мельницы, работа котла не останавли, вается, а только несколько сокращается. Расход электрической энергии на помол угля в зависимости от свойств угля и конструкции мельницы и тонкости помола колеблется в довольно широких пределах, от 12 до 37 квтч на т.у помола. Из известных систем можно указать на конструкции Гардинга и Кеннеди (шаровые тихоходные мельницы), Раймонда и Фуллера (более быстроходные) и Резолютер и Бютнер (быстроходные мельницы). Угольная пыль в виде аэросмесй подается к форсункам с помощью вентилятора по особым рукавам. Угольная пыль горит в топке факелом, дающим такой же эффект, как факел газа или мазута, хотя по существу процесс горения угольной пыли и I аза протекает различно. Применение угольной пыли дает следующие преимущества: 1)коэф-фицент полезного действия котла, как при газовом и жидком топливе, несколько выше, чем при сжигании твердого топлива на решетке; 2) легкая возможность форсировки котла и быстрая растопка; 3) более легкая возможность перехода от одного сорта угля к другому, на мазут и обратно. Применение угольной пыли вызвало появление водяных экранов для защиты стенок топки от действия пламени (смотрите топки, ХЫ, ч. 8. 408/10); в свою очередь водяные экраны значительно увеличивают паропроизводительность котлов. Они стали применяться и при механической решетке, хотя там их применение менее удобно. С появлением водяных экранов техника подошла к задаче увеличения до максимума значения доли тепла, получаемого котлом за счет лучеиспускания.
В связи е трудностями борьбы с уносом пыли из дымовой трубы, что препятствует применению пылевидного топлива на станциях, расположенных внутри города, стали совершенствоваться механические топки. Из них топки „с нижней подачей топлива”, так называемые ундерфидетокеры, по нашей терминологии просто стокеры,
успешно конкурируют с пылоуголь-ными топками. В пылевидном состоянии оказалось возможным хорошо сжигать плохие сорта топлива, а также тощие угли и антрациты. В СССР пылевидное топливо применяется широко на новых районных станциях, работающих на подмосковном угле к других бурых углях, а также на антрацитовом штыбе. Стокеры применены на Челябинской районной станции и на небольшой теплоэлектроцентрали на заводе Клей-тук в Москве. В последние годы выдвинулся вопрос о сжигании древесных опилок, а также фрезерного торфа путем вдувания их в топку, где частицы дерева или торфа должны сгорать „в взве- шенном состоянии”. Был предложен целый ряд конструкций подобных топок (Теплотехнического института, Шершнева и других), но до последнего времени ни одна из этих конструкций, по крайней мере для сжигания фрезерного торфа, не дала еще в эксплуатации вполне надежных результатов, что можно сказать, например, про топки инж. Макарьева для сжигания кусковых сортов торфа. Топочное пространство должно быть, примерно, на один метр выше при пылеугольном и нефтяном отоплении, а также при сжигании топлива во взвешенном состоянии, чем при сжигании его на механических решетках.
В конце 20-х годов ХХ-го века стало появляться стремление применять в котлах Э. с. уголь, предварительно облагороженный преимущественно путем полукоксования при низкой температуре 500-600° С. (смотрите XLV, ч. 2, 265/66). Реторты для полукоксования ставятся в самой котельной, жидкие погоны перерабатываются на маленьком химическом заводе при станции; полукокс из реторты поступает в мельницу и в пылевидном состоянии сжигается под котлом, -аз (швельгаз) либо продается на сторону, если имеется сбыт, либо тоже сжигается под котлами (смотрите описание такой станции, работающей с 1927 г. в Англии, в трудах секционного собрания Мировой энергетической конференции в Токио 1929 г., изд. на английском языке, доклад Е. Н. Smvth ana Е. G. Weeks).
Топливо, сожженное под котлами, превращается частично в золу, собирающуюея в зольном подвале под топкой, частью в дымовые газы, которые, отдав свое тепло собственно котлу, пароперегревателю, водяному, и воздушному экономайзеру, выбрасываются в дымовую трубу при помощи либо естественной тяги, либо специального дымососа (на крупных современных Э.с. применяется исключительно искусственная тяга; ср. XXXI, прил. паровые котлы, 27/29; также трубы, XLI, ч. 9, 35Г53, и центробеоюные вентиляторы, XLV, ч. 3,328“). Для защиты окрестностей от угольной пыли в дымовых трубах устанавливают дымоуловители различных типов, базирующихся либо на действиях фильтров, либо водяного экрана, либо электростатического поля. Наиболее эффективными являются последние. но зато и наиболее дорогими.
Золоудаление представляет собою сложную процедуру, в особенности в случаях многозольного топлива и топлива с низкой температурой плавления золы. На Бибриковской станции придется удалять в сутки около 1.403 т золы; особенно велик % золы на Э. с., сжигающих горючие сланцы, в которых зольность доходит до 60% (ср. топливо, XLI, ч. 8,412/22). В практике есть целый ряд способов удаления золы из топок— ручное, механическое, гидравлическое и удаление шлаков в расплавленном состоянии. При ручном золоудалении в подзольниковое пространство котла подкатываются по рельсам вагонетки, в которые и высыпается шлак, собравшийся в зольниковых воронках топки и котла. После этого вагонетки вывозятся на место свалки шлака, где и опоражниваются. При механическом золоудалении шлак высыпается на движущийся элеватор или конвейер и таким образом удаляется механическим путем из помещения станции. При гидравлическом золоудалении шлак ссыпается из топок в наклонные канавки, по которым смывается наружу водой. Иногда применяется гидравлическое золоудаление в закрытых трубах под давлением (система Зейферта). За последние годы по идее, возникшей во франции, в САСШ стало распространяться удаление золы из топки в расплавленном состоянии. Этот способ золоудаления особенно, пригоден длялегкоплавких шлаков. Вообще при обычном золоудалении работа с топливом, имеющим низкую температуру плавления золы, весьма затруднена — шлак спекается, прилипает к стенкам и залепляет дымовые проходы в первых рядах труб. В САСШ в настоящее время уже имеется значительный опыт по жидкому шлакоудалению; там на такое золоудаление оборудован целый ряд крупных установок, и видимо можно считать, что основные трудности, встретившиеся при осуществлении этой системы, уже пройдены. Особые затруднения при жидком шлакоудалении, особенно при частых остановках котла, встретились со стороны прочности пода топки, на котором скопляется расплавленный шлак до его удаления. Весьма хорошие результаты получились для пода с охлаждаемой нижней поверхностью. У нас в Союзе жидкое шлакоудаление еще не применялось, но имеются данные к его применению, так как целый ряд наших топлив обладает низкоплавкой золой. Шлаки и зола во многих случаях могут быть использованы как строительный материал, в частности для изготовления шлакоцемента.
2) Параллельно с процесом превращения угля в углекислоту и золу с отдачей тепла воде и пару, в котельной установке происходит процесс циркуляции воздуха, необходимого для горения. Этот воздух поступает из атмосферы в воздухоподогреватель (воздушный экономайзер), использующий тепло дымовых газов, и затем идет в топку или естественным путем, или нагнетается туда вентилятором (горячее дутье). В пылеугольных топках нагретый воздух вдувается вместе с пылью. После использования кислорода в процессе горения азот воздуха, вместе с дымовыми газами, возвращается в атмосферу.
3) Пар, полученный из воды в котле, перегревается до заданной температуры в пароперегревателе (смотрите паровые котлы, XXXI, прил., 13/14), поступает затем в турбину, расширяясь в ней отдает заключенную в нем потенциальную энергию и поступает в конденсатор, где вновь превращается в воду. Эта вода питательным насосомперекачивается снова в котел, предварительно подогреваясь до температуры близкой к температуре испарения при нормальном для данного котла давлении пара. С целью уменьшения до минимума пути циркуляции воды и пара, машинный зал и турбины в нем размещают так, чтобы трубопроводы были возможно короткими. Это приводит к параллельному расположению машинного зала и котельной. Но существуют и другие схемы. На рисунке 1 и 2 показаны схемы принятых в .настоящее время расположений: рисунок 1
представляет расположение машинного зала между двумя котельными, и рисунке 2—взаимноперпендикулярное рас положение машинного зала и котельной, применяющееся в тех случаях, когда число котлов велико по сравнению с числом турбин. В настоящее время на крупной станции считается нормальным 1-2 котла на турбину. Кроме рабочих котлов, обычно предусматриваются два резервных: из них один в чистке, а другой в ремонте.
мировой энергетической литературе с 1929 г. обсуждается вопрос о преимуществах построения конденсационных Э. с. по принципу аггрегат-ности: котел-турбогенератор, а часто и повысительный трансформатор и линия по этому принципу составляют!
один комплексный аггрегат. и станция, построенная по этому принципу, состоит из блоков (секций), представляющих каждая комплексную одномашинную станцию. Между котлами устраивают для взаимной страховки горизонтальные паровые связи, но в обычных условиях предполагается, что каждый котел работает на свою турбину. Эта идея аггрегатности в наиболее крайнем выражении была высказана впервые в СССР в брошюре инженера В. Д. Кирпичникова „Турбокотел“ (1929), в которой автор описывал оченьоригинальную конструкцию одномашинной станции с крупным аггре-гатом. Далее этот принцип усиленно дискутировался в американской технической печати, и там уже есть примеры станций, осуществленных к 1933 г. но принципу котел-турбина.
Автор настоящей статьи в своих работах 1932 г. но вопросам стандартизации основного оборудования Э. с. выдвинул идей распространения принципа блочности, или аггрегатности, и на теплоэлектроцентрали, для которых задача сложнее в виду несоответствия энергетической мощности турбины электрической мощности генератора. Автор показал,что для осуществления этого принципа у теплоэлектроцентралей необходимо создать единую систему стандартов для конденсационных и теплофикационных турбин, причем части высокого давления турбин различных типов по этой схеме должны быть рассчитаны на одинаковый пропуск пара. При соблюдении этого условия котлы сопрягаются хорошо с турбинами любого типа, и каждая станция, несмотря на разнообразие комбинаций турбин различных типов, будет состоять из стандартных блоков. Но если вышеназванное условие не соблюдено, то распространение принципа аггрегатности котел-турбина на теплофикационные станции повлекло бы за собою увеличение мощности котельной против необходимой минимальной потребности. В 1933 г. вопрос о преимуществах идеи блочности теплофикационных станций, требующей для своего осуществления коренной перестройки всей системы стандартов турбин, оживленно дискутировался в СССР, а в ино-

О

О

аааааааа

о

о

i t КоюелЬп

ая -16 котлоб

О

О

J f Ktmttbhcf Ц МаглоЗ

О

О

4(Котельной-16 МоглоЗ

О

О

Рисунок 2.
странной технической литературе еще не освещался“Этот вопрос имеет большое значение именно в условиях планового хозяйства. Наличие типовых проектов стандартных блоков позволило бы при планировании и проектировании легко выбирать оптимальное сочетание оборудования в сложной энергетической системе, основным элементом которой стала бы не Э. с., а стандартный одноаггрегатный блок, техноэкономические показатели которого были бы заранее хорошо изучены. Тепловая станция превратилась бы в место концентрации с тандартных блоков разных типов (смотрите по этому вопросу книгу „Принципы проектирования типовых электростанций“ коллектива авторов под ред. нроф. Сушкина, 1933). В технической литературе 1932 года появились проекты котлов, составляющих с турбогенераторами один общий механизм, как, например, котлы ВЕЛОКС.
Питательная вода перед вводом в котлы подготовляется в специальных установках (смотрите XXXI прил., паровые котлы, 24]. Приготовление питательной воды заключается в очистке ее и в подогреве. В котел поступает обычно та же вода, которая вышла из него в виде пара, но, вследствие наличия некоторой утечки, приходится частично добавлять свежую воду. Добавка воды на конденсационных станциях составляет несколько процентов (порядка 5%). На теплоэлектроцентралях эта добавка может доходить иногда до 50% и выше, особенно в том случае, когда отправляемый на производство пар не возвращается обратно на станцию в виде конденсата и если на электроцентрали при этом не установлены паропреобразователи для отпускаемого пара. Во избежание образования накипи в котлах питательная вода подвергается иногда химической очистке или проходит через испаритель. Вся вода, поступающая в котел (включая и конденсатор), освобождается от воздуха в деаэраторе для защиты от ржавления внутренних частей котла (коррозия). Явление коррозии особо наблюдается у котлов высокого давления и является весьма опасным, т. к. в сравнительно короткое время может вывести котел из строя.
Вообще вопрос о качестве воды на современных Э. с. и особенно Э. с. высокого давления является вопросом первостепенным. При плохой воде, при невнимательном надзоре за водоприготовлением никогда нельзя быть спокойным за надежную работу станции.
Подогрев питательной воды про» изводится или в водяном экономий-, зере дымовыми газами котла, изредка острым паром из котла, а в последнее время на крупных установках—паром, отобранным из нескольких ступеней турбины: например, при давлении в 7 атмосфер, 0,8 атмосфер и 0,2 атмосферы, а также отработанным паром из испарителя добавочной воды. Пар, отобранный из турбины для подогрева конденсата (регенеративный цикл), отдав свое тепло, смешивается с питательной водой. Регенеративный цикл повышает коэффициент полезного действия установки и в тем большей степени, чем больше число отборов пара. Это объясняется тем, что работа пара, идущего на подогрев питательной воды, аналогична работе пара в теплофикационном процессе. Поэтому вырабатываемая этим паром соответствующая часть электрической энергии требует на выработку квт-ч примерно только 30 —35°/о тепловой энергии, необходимой для выработки квт-ч конденсационной энергии. В обычных условиях для регенерации ограничиваются 2—3 отъемами пара. Подогретая до температуры, близкой к точке кипения, вода поступает в котел и циркулирует в нем между верхним и нижним барабаном, связанными кипятильными трубками. Пар из верхнего барабана или соединенного с ним паросборника переходит в пароперегреватель, расположенный обычно в верхней части котла над или между пучками кипятильных трубок. Перегретый при постоянном давлении пар поступает в турбину. В установках с давлением пара свыше 40 атмосфер, во избежание черезмерной влажности пара в частях низкого давления турбины, приходится пар, прошедший часть высокого давления в турбине, подвергать вторичному перегреву до перехода его в часть турбины низкого давления. В последнее времяпоявляются конструкции паровых турбин со специальным отводом сконденсировавшегося пара из ступеней низкого давления. Такое устройство турбин позволяет работать сболее сырым паром и применение вторичного перегрева производить уже только приболев высоких (порядка 80 —100 атмосфер) начальных давлениях пара. Вторичный перегрев осуществляется либо в котле дымовыми газами, либо паром. В некоторых установках, применяющих вторичный перегрев пара, турбина высокого давления отделена от турбины низкого давления и имеет отдельный вал и отдельный генератор. В САСШ, на станции Форда в Детройте, применено 2-хэтажное расположение турбин: турбина высокого давления со своим генератором располагается над турбиной низкого давления. В целях увеличения термического коэффициента полезного действия установки современная техника стремится к увеличению давления пара и температуры перегрева.
В целях наиболее дешевой и надежной выработки пара в последние годы разработан целый ряд новых конструкций паровых котлов. Большинство этих конструкций работает с принудительной циркуляцией воды или пара. Можно указать на котел Бенсона, работающий на критическом давлении (225 атмосфер) с принудительной циркуляцией воды, котел Леффлера, работающий с принудительной циркуляцией перегретого пара на высоком давлении (порядка 130 атмосфер), котел Ламонта, в котором применили для поверхности топочного экрана, собственно котла и экономайзера трубки малого диаметра (38 миллиметров) и принудительную циркуляцию воды, а также целый ряд других конструкций. Что касается перегрева пара, то в виду выработки ряда специальных сортов сталей в настоящее время можно применять пар с температурой перегрева до 500°.
В САСШ весьма распространенным и надежным в эксплуат.ом отношении считается давление в 100 атмосфер, хотя и там на крупных конденсационных станциях обычно применяется давление порядка 30—40 атмосфер На европейских силовых установках такжевесьма распространяется такое давление. Наряде отдельных промышленных теплоэлектроцентралей в Германии установлены котлы высокого давления (от 60 до 130 атмосфер) и есть много хороших отзывов о работе этих установок В СССР в последние годы на тепло- электроцентралях начало применяться высокое давление. Имеются 2 установки на 60 атмосфер (Москва и Березники) и кроме того в Москве построена теплоэлектроцентраль, где установлены котлы А. Леффлера в 130 атмосфер и прямоточный котел советской конструкции. Применение высокого давления особенно целесообразно на теплоэлектроцентралях, строящихся на привозном, дорогом топливе. В САСШ в целях повышения коэффициента полезного действия электрических станций за последние годы для работы в тепловом цикле пробуют применять пары ртути. Коэф. полезного действия такой станции, работающей на смешанном цикле водяных и ртутных паров, может достигать до 35—37%. В Харфорде уже несколько лет работает такая устанока на мощность в 10.000 киловатт. Коэф. полезн. действия этой установки около 31°/о. За последние годы должны быть вновь установлены еще в двух пунктах такие ртутнопаровые аггрегаты, мощностью по 20.000 квт. в каждом пункте. Ртутные пары работают при давлении около 8,5 атмосфер и 500° С перегрева, причем в конденсаторе они охлаждаются до температуры 250° С (смотрите материалы Парижского конгресса 1932 г.). Кроме парортутного цикла, изучаются экспериментально и другие „бинарные“ циклы (с двумя рабочими телами).
4. В конденсационных Э. с., то есть не использующих в большом количестве отработанный в турбинах пар для отопительных целей, требуется приблизительно в 60 раз больше воды для охлаждения конденсатора, чем для испарения в котлах. Водоснабжение большой паровой станции представляет большие трудности, и во многих случаях именно условия водоснабжения ограничивают мощность, которую можно установить на станции. Возможны 3 схемы водоснабжения: а) вода берется из реки, прогоняется через конденсаторы и спускается обратно;элементом,
ограничивающим мощность станции является дебет воды в реке; в некоторых случаях этот способ требует сложных сооружений: для забора воды из реки с меняющимся руслом и с большими колебаниями уровня, а также для подъема воды на нагорный берег реки;
б) устраивается искусственный пруд; вода для охлаждения возвращается в тот же пруд и, пройдя некоторое расстояние, искусственно удлиняемое направляющими сооружениями, снова возвращается в конденсатор; ограничивающим мощность станции фактором при прудовом водоснабжении является поверхность пруда, так как от нее зависят условия охлаждения воды; приток свежей воды, обычно, значительно меньше того количества воды, которое проходит через конденсатор; прудовое водоснабжение иногда оказывается более дешевым, чем снабжение станции водой из реки (например, на Горьковской Э. с. в г. Балахне на берегу р. Волги применяется прудовое охлаждение, несмотря на близость мощной реки);
в) нагретая в конденсаторах вода охлаждается в градирнях и вновь возвращается в конденсаторные установки, часть ее испаряется в градирнях и теряется в водопроводах, для ее конденсации подается добавочная вода; последний способ дает худшие условия работы конденсатора, чем первые два, но зато требует значительно меньшего количества воды ).
Во всех случаях количество воды и, потребное для охлаждения одного килограмма пара в конденсаторе, зависит от температуры самой охлаждающей воды и температуры, которую должен иметь конденсат, и определяется по
%2 <к ,
формуле п=, —т -, где и—теплосо-
1.2 - Г]
держание отработанного пара в калориях, U температура конденсата, ty и t-2 — начальная и конечная температура охлаждающей воды в °С. Во избежание загрязнения конденсатора охлаждающая вода в некоторых случаях подвергается грубой очистке. В Германии с успехом применяется нагретая вода,
) В последнее время получает распространение „брызгальиое“ вод-снабжение (например,у нас на Кузнецкой районной централи), которое несколько дешевле и лучше, чем градирни, но зато требует больше воды.
вышедшая из конденсатора, для подогрева почвы на огородах около станции с целью повышения урожайности. Эту идей предполагается использовать и у нас.
5. Для охлаждения генераторов производится искусственная вентиляция последних. Воздух для этой цели засасывается извне, очищается воздушным фильтром, проходит затем в генераторы через охладительные ходы, а также прорези и осевые каналы в железе статора и ротора и далее выгоняется наружу. Нагретый воздух по желанию может быть направлен или в атмосферу, или в машинный зал для отопления в холодные дни.
В последнее время, гл. обр. в целях предохранения обмоток генератора от загрязнения, стало сильно распространяться охлаждение генератора воздухом, работающим в замкнутом цикле. Воздух, пройдя генератор, по закрытым каналам отводится в специальный холодильник, откуда вновь поступает в генератор.
Возможность увеличения нагрузки генератора ограничивается температурой его обмогок, повышение которой обусловливается омическими потерями в обмотках, пропорциональными квадрату силы тока, и магнитными потерями в железе. При данной конструкции генератора его можно нагрузить тем больше, чем больше охлаждающая среда в состоянии отвести от него тепла в единицу времени. Обычный воздушный способ охлаждения генераторов не является идеальным; есть способы, позволяющие отвести значительно большее количество тепла — это применение либо водяного охлаждения, либо охлаждения с помощью водорода. Охлаждение водой не получило распространения в виду трудности подведения воды в закрытых каналах близко к обмоткам.
В САСШ возникла идея охлаждения генераторов водородом. Водород, как известно, имеет гораздо большую весовую теплоемкость и коэффициент теплопередачи, а кроме того плотность водорода составляет только 7°/о от плотности воздуха. Эти обстоятельства ведут к более быстрому поглощению и отводу тепла, выделяющегося из обмоток генератора, а также к уменьшению потерь от трения при вращении ротора в воздухе. В итоге получается, что один и тот же генератор при водородном охлаждении можно перегрузить на 25°/о, не превышая его предельной температуры, что, конечно, имеет большое значение в смысле рациональности использования оборудования. Водород работает в замкнутом цикле и, нагревшись, охлаждается в специальном холодильнике, чтобы затем снова направиться в генератор. Давление водорода поддерживается несколько выше (порядка 0,03 — 0,04 килограмма!смг) атмосферного. Потеря водорода в этом случае составляет совершенно незначительную величину.
Высказывается предположение об опасности применения водорода из-за возможности образования взрывчатой гремучей смеси. Но надо иметь в виду, что водород в смеси с воздухом безопасен до 10% и свыше 70% содержания воздуха. Должны быть исключительно неблагоприятные обстоятельства, чтобы могла образоваться гремучая смесь. В устройствах охладителей, работающих водородом, устанавливаются специальные приборы для наблюдения за составом газа; кроме того, давление водорода выше атмосферного, и это гарантирует от засасывания воздуха внутрь. Перед зарядкой охладителя водородом генератор и холодильник необходимо продуть каким-либо нейтральным газом, например углекислотой. Естественно, что устройство водородного охлаждения, дающего такую большую экономию в генераторе, окупается очень быстро. Что касается конструктивных возможностей устройства водородного охлаждения, то надо сказать, что наличие проходного вала генератора довольно сильно усложняет устройство. Наоборот, в синхронных компенсаторах установка эта весьма проста. В 1932 г. в САСШ были установки синхронных компенсаторов, работающих на открытом воздухе с водородным охладителем: на 12.500 ква и 20.000 ква.
6. Циркуляция электрического тока, выработанного на станции, в отличие от всех преждеописанных замкнутых круговых процессов, охватывает огромную территорию в сотни и тысячи кв.
км. Электрический ток, генерируемый на станции при напряжении, доходившем в 1932 г. до 25.000 вольт (в отдельных случаях; обычно же в крупных установках 6.600, 11.000 или 13.000 вольт), пройдя распределительное устройство частично, а на некоторых станциях целиком, идет при генераторном напряжении в местную распределительную сеть, обычно кабельную, для снабжения электроэнергией местности вблизи станции. У потребителей это напряжение понижается до 6.000 или 3.000 вольт для крупных моторов, 110, 220 или 380 вольт для освещения и мелких моторов (иногда для последних применяется 500 вольт). Пройдя трансформаторы, ток возвращается в генератор, породив во вторичной обмотке трансформатора индуктированный ток другого напряжения, имеющий свой собственный круговой цикл.
Та часть генерированной энергии, которая подлежит передаче на большое расстояние, из генератора направляется на повыеительную подстанцию, которая в настоящее время делается обычно открытой. На повысительной подстанции напряжение повышается обычно до стандартных напряжений 115,220 киловольт, а в последнее время (в САСШ) и до 380 киловольт. В некоторых случаях применяются также и промежуточные напряжения, например 154 киловольта. В настоящее время (1932) установлена эксплуат-онная надежность напряжения в 380 киловольт, однако данных о результатах длительной практической работы с этим напряжением в литературе еще нет. Ток передается по линиям в центры потребления, где на понизительных подстанциях напряжение доводится до величины, необходимой для питания распределительной сети.
Для коммутации тока служат масляные выключатели и разъединители (треншальтеры): первые дают возможность размыкать и замыкать сеть под напряжением и под током, последние позволяют производить эти операции только при отсутствии тока. Масляные выключатели, расположенные внутри здания, размещаются во избежание опасности от взрывов в бет.х ячейках. При больших мощностях камерувыключателя всегда стараются сделать изолированной с выходом наружу или, в крайнем случае, в корридор (взрывные камеры). Этим стараются защитить остальное оборудование распределительного устройства в случаях взрыва масляного выключателя, которые иногда имеют место. Помещение, в котором расположены шины и высоковольтное оборудование, делается недоступным для посторонних лиц. Для приведения в действие механизмов высоковольтного оборудования, которым обыкновенно манипулируют на расстояние, и для действия защитных приборов применяется постоянный ток, для чего имеется специальная батарея аккумуляторов.
Возбудители генераторов, вырабатывающие постоянный ток для питания электромагнитов ротора, обычно насажены на общий вал с генераторами; иногда имеются специальные возбудители, обслуживающие несколько генераторов. Для устойчивости парал-лельнойработымашин станций,обслуживающих совместно сеть большой протяженности, устанавливаются специальные быстро-действующие возбудители, способные в случае потребности (при коротком замыкании) в течение долей секунды поднять падающее напряжение, что является необходимым для предупреждения выпадения из синхронизма параллельно работающих на различных станциях генераторов. Для собственных нужд станции электроэнергия получается через специальный щит либо трансформированная от главных, либо от вспомогательных аггрегатов, так называемых хаустурбин (турбины домашних нужд). На всякой станции должны быть приняты все меры к тому, чтобы при самых серьезных авариях обеспечивалась в котельной работа питательных насосов и на всей станции снабжение вспомогательных механизмов и освещения электрическим током.
Э. с., имеющие турбины с противодавлением или со значительным отъемом пара для отопительных целей или технологических процессов каких-нибудь предприятий, называются теплоснабжающими Э. с. (теплоэлектроцентралями, смотрите ниже). Как общееправило, при одинаковом давлении, при одинаковых условиях работы д. с. больгией мощности с более крупными единицами дешевле 9. с. с более мелкими. Эта особенность очень сильно сказывается при мощностях единиц до
10.000 киловатт и изображена графически на рисунке 3. При повышении давч
I

1

i

1

1

1

V

>

—___

—

10000 го.ооо 30000
изменение убелбной стоимости iMffm по сравнению с токовой при мощности в30. ООО квт.
Рисунок 3.
ления некоторые части установки значительно удорожаются (в особенности котельная), некоторые, наоборот,удешевляются (меньшее сечение паропроводов, более компактные установки, следовательно уменьшение строительных работ). В 1932 г. вопрос о том, на сколько °/о 100-атмосферная Э. с. дороже 30-атмосферной, был еще спорным: в литературе встречались указания на удорожание 100 атмосферной установки на 13— 15°/0 по сравнению с 30-атмосферной, а в отдельных случаях в САСШ отмечалось на основании опыта фактически произведенной установки, что в конечном счете 100-атмосферная установка оказалась в отдельном случае не дороже 30-атмосферной. Как общее правило, при прочих равных условиях установка, сжигающая высококалорийное топливо, дешевле, чем сжигающая низкокалорийное топливо, и наиболее дешовой является Э. с., сжигающая мазут или газ. Устройство для приготовления угольной пыли дает удорожание установки на 20—80 руб.
за киловатт. В табл. 1 приведены дан-1 ватта нескольких Э. с., построенных ные о стоимости установленного кило в СССР и за границей.
СТОИМ!.CI ьстанции (в руб. на krt.)
Таблица 1.
Стоимость паровых электростанций в рублях на один установленный киловатт.
Страна и название станции.
Бобриковская им. Сталина (проект)
Шатурская им. Лепина
Красный октябрь
Шахтинская
Новороссийская ..
С.-А.С.Ш.
Из примеров, приведенных без названий Э. о. к докладе L. W. W. Morrow на 2-ой энергетической конференции в Берлине 1930 г. Германия
Клингенберг, около Берлина ..
Род топлива
Подмоскови. уголь (пыль Торф Торф
Аптрац. ш: ыб, в пыле видном состоянии Мазут
Угольная пыль
Угольная пыль
Мощность в тыс. квт.
ЗСО
106
10S
44
300
2СО
1.0
350
352
396
345
162
242
264
112
(244 пер. мар
Дизельные станции но своему устрой-отву проще, чем паровые. Они значительно компактнее и не требуют столь больших количеств охлаждающей воды. Для небольших Э. с. дизеля (смотрите XVIII, прил. двигатели внутреннего сгорания, 9 сл.) являются очень экономичными первичными двигателями, и они дают стоимость энергии обычно ниже, чем паровая станция. При больших мощностях положение меняется. Как известно, дизеля строятся на предельные мощности небольшие сравнительно с мощностями паровых турбин, а именно: в 1932 г. наибольшая мощность дизельаггрегата на Э. с. была 10.000 киловатт. Коэффициент полезного действия дизельных станций значительно выше, чем таковой для небольших паровых станций, но станции высокого давления с вторичным подогревом пара и регенеративным процессом дают уже коэффициенты полезного действия, приближающиеся к дизельным. Одним из больших преимуществ дизельной станции является быстрый пуск ее в ход в случае надобности. Это делает ее вполне пригодной для роли пиковой станции, но высокая стоимость дизелей очень неблагоприятна для работы их с малым числом часов использования. В условиях ССОР дизельные станции применяются и будут применяться там, где еще не осуществлена централизованная схема электроснабжения, в особенности
>
в безводных местностях. Однако, в виду крайней ограниченности мировых запасов нефтетоппива надо вообще избегать применять дизеля на Э. с., оставляя их применение там, где они незаменимы, например на транспорте. Очень интересна задача перевода дизелей на пылевидное топливо, над чем работает в Германии ученик Дизеля — Павли-ковский. Сам Дизель свой двигатель предназначал первоначально именно для работы на угольной пыли, но, встретив трудности, перешел на нефть. Дизельные станции, как и паровые, строятся с использованием отработанного тепла. Так, например, Вода, охлаждавшая цилиндры, используется для бани, или прачешной, или другого потребителя горячей воды; отработанные газы—для подогрева той же охлаждающей воды для отопительных целей или для работы испарителя. Отработанные газы газовых двигателей на металлургических заводах часто применяются для нагрева специальных котлов, водяной пар ко.орых работает в турбинах низкого давления. Так создаются смешанные станции с паровыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания (в том числе и дизелями).
Из термических статный, основанных на принципе использования в качестве источника энергии существующих в природе тепловых перепадов небольшой величины, отметим проект французов Клод и Бушеро
(Claude et Boueherot) построения на острове Кубе Э. с. полезной мощностью
40.000 квт. Предполагается использовать разность температуры воды на поверхности моря в тропиках (от 26 до 29° С) и на глубине 1.000 м, с каковой глубины по металлической трубе длиною в 1.800 м и диаметром в 10 м накачивается в резервуар вода при температуре 5—6° С. Роль котлов исполняют испарители, в которых специальными насосами поддерживается вакуум. Вода е поверхности моря, поступающая в испаритель, превращается под вакуумом в пар давления 0,034 атмосфер при 26° С. Этот пар срабатывается по проекту в турбинах специальной конструкции, испытанной изобретателями на опытных установках малого масштаба. Отработанный пар поступает в конденсатор, где охлаждается водой,поднятой с глубины моря. Расход теплой воды при указанной мощности установки —140 с3 в сек., расход холодной воды —75 л3 в сек. По проекту 8 турбин приводят в движение 4 генератора трехфазного тока по 12500 квт., из суммарной мощности которых 10.000 квт. расходуется на работу насосов, поддерживающих вакуум и поднимающих холодную воду с глубины. Стоимость установки без участка земли, иовысительной подстанции и линий передач около 200 руб. на квт. (смотрите фр. журнал Revue Generale dEIectricite, 12/XI, 1932),
С 1930 г. появились в технической литературе описания проектов установок для арктических стран, использующих для получения электроэнергии разность температур холодного воздуха зимой и воды под ледяным покровом. В качестве рабочего тела для первичных двигателей этих проектов предлагаются вещества, имеющие более низкую точку кипения, чем вода (близкую к 0°С и ниже). Такие проекты могли бы иметь практическое применение в СССР (установки Борнео).
О гидроэлектрических станциях см. XIV“, 519/20, прил. гидротехнические сооружения. В настоящее время, в виду крайней условности подразделения гидростанций на станции низкого, среднего и высокого давления, было бы правильнее классифицировать их взависимости от применимости того или иного основного типа турбин: станции низконапорные, в которых применимы пропеллерные турбины (в 1929 г. на конференции в Токио предельным напором для этих турбин назывались 18 и 23 м) станции среднего напора, для которых рационально применять турбину Френсиса (на конференции в Токио предел назывался 290 м); станции высоконапорные, те, на которых можно применять только активные турбины (колесо Пелыпона). О турбинах см. турбины, XLI, ч. 10, 45 сл.
Гидростанции могут быть разделены на станции, в которых напор создается искусственно плотиной, и на станции, использующие естественный напор, путем туннеля или деривационного канала. Плотина в станциях второго типа служит гл. обр. для создания водохранилища и направления воды в водоприемные сооружения. На конференции в Токио (1929) было сообщено на основании изучения практики строительства гидростанций в САСШ и Канаде, что наиболее дешевый установленный квт. имеют гидростанции, использующие напоры от 25 до 30 м. В СССР из всех построенных, строящихся или запроектированных гидростанций наиболее дешевый установленный киловатт оказывается у Днепровской (напор 37 м). Это не исключает возможности постройки особо дешевых гидростанций при использовании очень большого падения в горах без черезмерно сложных сооружений (эти условия имеются, например, в Норвегии), но, обычно, в этих условиях станции сравнительно маломощны. В 1929 г. на конференции в Токио отмечалось, что турбина Каплана (пропеллерная с поворотными лопатками) практически завоевала всю область низконапорных гидростанций. Наибольшая мощность турбин Каплана в этом году была 37.500 л. е., при напоре около 11 м. 4 такие турбины строились для станций Рербург Швер-штадт на Рейне и столько лее для Нижне-Свирской станции (Ленинград).
Для примера современной гидростанции с искусственным и естественным напором приводим краткое описание схемы, выстроенных в 1932 г. Днепровской имени В. И. Ленина и
Рионской гидростанций. У Запорожья <б. Александровым) остров Хортица, на котором некогда была Запорожская Сечь, разделяет Днепр на 2 русла: Старый Днепр и Новый Днепр. Несколько выше Хортицы построена плотина, создающая напор в 37 м. Плотина изогнута против течения. Длина ее около 3U км. На правом берегу к плотине примыкает здание гидростанции, на левом располагается шлюзовая лестница с тремя камерами. За плотиной образуется мощное водохранилище. Подъем воды распространяется на 100 км вверх по реке, и в Днепропетровске (б. Екатеринослав) на расстоянии 82 км от плотины еще ощущается подъем грунтовых вод. Все пороги между Запорожьем и Днепропетровском, в том числе и знаменитый Нена-сытецкий, перекрыты на высоту достаточную для сплошного судоходства. Так. обр., Днепростроем решается не только энергетическая, но и важная транспортная проблема. Впереди здания станции расположена открытая повысительная подстанция. Через плотину сделан мост. Между плотиной и Запорожьем через оба русла Днепра перекинуты железнодорожные моеты взамен затопленного Кичкасского.
Объем работы по строительству характеризуется следующими цифрами: бет.ой кладки всего около
1.150.000 т, земляных работ—600.000 т, а скальных—400.000 ш. В октябре 1930 г. на Днепрострое установлен новый мировой рекорд месячной кладки бетона (110.500 т, вдвое больше .предыдущего американского рекорда). Турбины типа Френсис по 90.000 лошадиных сил каждая при 88 оборотах в минуту, фирмы Ньюпорт Ньюс в САСШ. Пять генераторов по 62.000 квт. заказаны в Америке и четыре делаются в СССР ВЭО на ленинградском электромашиностроительном заводе .Электросила“. Последние три аггрегата устанавливаются не сразу, в течение первых 1—1/2 г. эксплуатации. Днепровская ГЭС им. Ленина дала первый промышленный ток 1 мая 1932 г. и торжественно открыта 10 октября 1932 г. Стоимость Днепровской станции по смете: размер капитальных затрат на все сооружение при 6 аггрегатах—202,7
млн. руб., при 9—217 млн. руб. Из них на жел.-дор. стоительство и мосты через Днепр—19 млн. руб., стоимость строительного оборудования, остающегося после постройки—17 млн. руб., линий электропередач и подстанций комбината—10 млн. руб. Так. обр. на аппарат производства энергии и судоходства затрачивается сумма кругло 157 и 171 млн. руб. Соответственно стоимость установленного киловатта составляет 423 и 307 руб. по смете (фактически, примерно, на 30% выше, то есть кругло 550 и 400 руб.). Так как при сравнении с паровой станцией, надо к стоимости последней прибавить капитальные затраты на добычу и транспорт угля, можно отметить, что установленный киловатт Днепровской гидростанции в общем дешевле, чем таковой на паровых станциях с учетом их топливной базы. Для исчисления стоимости энергии Днепровской станции на капитальные затраты при постройке первой очереди начисляется 6% сложных за время постройки. Если дальше считать 6% на капитал и фактическую аммортизационную квоту для каждой части сооружения, то стоимость одного киловаттчаса получается около одной копейки. Средне взвешенная стоимость энергии Днепровской и паровой станции в Западном кольце составит у потребителя около 1,5 коп. при суммарном производстве энергии, порядка 5 миллиардов квт-ч., из которых 2,9 млрд, вырабатывает Днепровская гидростанция.
Рионская гидроэлектрическая станция, мощностью в 40 т. квт., расположена у подошвы южного склона Саго-рийского плато близ железнодорожной станции „Рион“ в 10 км от г. Кутаиси-Вода для станции забирается из р-Рион в 1 /2 км выше цепного моста в г. Кутаисе, проходит через штольню, длиною 1.440 м, которая переходит далее в деривационный канал, протяжением 7,8 км. Путем расширения канала, на части его длины образуется бассейн суточного регулирования. Канал примыкает к напорному бассейну, от которого отходят 4 напорных трубопровода, подающие воду к турбинам станции; вышедшая из турбин вода отводящим каналом, длиной 0,8 км,
выводится в реку Квирилу, приток р. Рион. Располагаемый на станции напор брутто равен 67,58 м, полезный напор максимум 61,8 м, минимум-59,8 м. Для захвата воды перед водоприемником возведена плотина, создающая подпор в 9,8 м над уровнем низких вод. Высота плотины над дном около 11 м, а длина по гребню—115 м для пропуска наибольшего паводка 2.335 м$ в секунду. В плотине имеются 4 отверстия, разделяемые между собою быками и закрываемые двойными щитами, которые подымаются и опускаются с помощью лебедок, установленных на верхнем крытом мостике; справа от верхних отверстий к плотине примыкает сифонный водосброс. Для пропуска плотов устроен плотоход, шириною в 7,5 м. Выработка электроэнергии, возможная на Рионск. станции при неограниченном графике, составляет 300 млн. квт/ч. Турбогенераторы для Рионгэс выполнены в Ленинграде.
Стоимость гидростанций. В табл. 2 показана стоимость нескольких гидростанций, построенных и строящихся
Таблица 2.
Стоимость гидростанций на установленный квт. в рублях (по оценке 1929-30 г.)

Название станции

Напор в м

Мощность в мгвт

Стоимость на квт.

Днепровская

37

558

307

(372)

(423)

Земоавчальская

23

37

515

Рионская

60

40

565

Свирская

12

96

1.16)

Волховская

11

58

1.220

Северо - Американ-

с кие по докладу

Морроу па Берлин-

ской конференции

1930 г.

от

181

(70

долларов за

лошадиных силу)

1.050

(400 долларов за

лошадиных силу)

в СССР. При сравнении стоимости электрических и паровых станций с народнохозяйственной точки зрения надо иметь в виду, что для сравнимости надо, с одной стороны, учесть условия работы гидростанции, которая зависи4 от режима реки, а с другойстороны—то обстоятельство, что гидростанция заменяет собою не только паровую станцию, но и топливную базу последней, почему к капитальным затратам на постройку паровой станции необходимо прибавить капитальные затраты на добычу и транспорт топлива.
Эксплоатация Э
Эксплоатация Э. с. На рисунке 4 показан график потребляемой мощности от Э. с.
РИС. 4.
в течение суток, а на рисунке 5—в течение года. Если станция выработала А. квт/ч. в течение года, то средняя часовая нагрузка станции составляет
Ln
А :8 760=£п квт. Отношение, - (сред-
jum
ней нагрузки к максимальной мощности Хщ) называется коэффициентомнагрузки, отношение L (средней нагрузки к установленной мощности X), называется коэффициентом использования установленной мощности станции. Показатель нагрузки и показатель использования могут быть выражены в часах, путем умножения на 8760. Показатель нагрузки, выраженный в часах, hm получается также путем разделения выработанных за год
А
квт/ч. на максимум нагрузки: hm=-£та показатель использования, выраженный в часах, h получается путем.
разделения выработанныхза год квт/ч.
на установленную мощность: h— >
Физический смысл показателей hm и Л — число квт/ч.. получаемых за год от каждого квт в среднем. Коэффикол/Иоти.
гии (стоимость израсходованного топлива в расчете на один выработанный квт/ч.) зависит от коэффициента использования (подробнее об элементах стоимости электроэнергии и зависимости их от кривой нагрузки Э. с., суточной и годовой, см. проф. Г. Клинген-берг, „Сооружение крупных электростанций“, 2 русских издания: Ленинград под редакцией проф. Дмитриева, и Москва под ред. проф. Угримова, 1927. т. I) В СССР себестоимость электроэнергии рассчитывается без °/0°/о на капитал, но продажная стоимость получается прибавлением к себестоимости прибыли от начисления 6% на вложенный капитал. Раньше учитывались И °/о °/о ВО время постройки, ко -
циент использования является одной I торые прибавлялись к затраченному из важнейших характеристик рабо-f капиталу. Амортизационная квота за-ты Э. с., так как
Рисунок 5.
а
1.0
от него в значительной степени зависит стоимость энергии. У гидростанций, имеющих очень маленькие переменные расходы и большие постоянные рас- § ходы (главным образом 03 °/0°/о на капитал и амор- а ’ тизацию), можно счи- §, тать стоимость энергии обратно пропорциональной коэффициенту использования. Влияние коэффициента использования на стоимость энергии паровой станции показано на рисунке 5а. К постоянным расходам на паровую Э. с. нулсно отнести также стоимость топлива, затрачиваемого на холостой ход станции, поэтому даже топливная

[

I

|

I

_

I—

__

е oj о.г аз oi o,s о.б ол оз о, о /,

2000 4000 6000 8000 8760 ОСЛО// Svat
Сжиеание угля в пЫле&иЬн. состоянии но установке л
SbfCokozo Ьавлен. $30 отм колорийн, угля 7000 кол/кф
Рисунок 5а.
висит от типа станций и колеблется r пределах от 2% до 8%. Различают: себестоимость электроэнергии на шинах слагаемая себестоимости электроэнер- станции,учитывающую только расходына производство электроэнергии, себестоимость на шинах высокого напряжения понизительной подстанции, учитывающую еще стоимость передачи электроэнергии от станции до потребителя, и, наконец, стоимость электроэнергии на шинах низкого напряжения у потребителя, учитывающую все расходы по производству, трансформации и распределению энергии. Стоимость электроэнергии на шинах станции нужна для сравнения при выборе типа станций. Стоимость электроэнергии ) на шинах повысительной или понизительной подстанции потребителя кладется в основу расчетов с потребителями за проданную им энергию. Для грубых расчетов можно в условиях СССР считать стоимость электроэнергии (в копейках на квт/ч.) для гидро-11 К
станций: , где К— стоимость уста
Методы тарификации электроэнергии очень разнообразны. Во всех странах мелкий потребитель со сравнительно малым числом часов использования установленной у него мощности, как, например, домашнее освещение, платит значительно больше, чем крупный потребитель с большим числом часов использования.
Нижеследующая таблица показывает соотношение средних тарифов для отдельных групп потребителей в нескольких странах:

I

С.-А. С. ш. 1928 г.

Англия

СССР (районн. стан ции) 1928/29

Промышленныйпотребитель

2,8 —” КВТЧ.

4,0

4;7

Торговыйпотребитель

8,8

_

новленного киловатта в рублях и Я— число часов использования установленного киловатта в течение года.
гг 20 К
Для паровых станций: + b, где
Ь — расходы на квт/ч., зависящие от стоимости топлива и коэффициента полезного действия станций и равные: с а
-, где с—коэффициент, зависящийот коэффициента полезного действия станций и колеблющийся в пределах от 3,5 до 6 (в среднем может быть принят 5), а—стоимость т. топлива в копейках, q—калорийность топлива в калориях на кг. Вышеприведенные формулы годятся только для очень приблизительных расчетов, так как не учитывают осложняющих моментов, например: среди капитальных затрат есть такие, которые возвращаются после постройки, например стоимость строительного оборудования; среди постоянных расходов имеются расходы административные и расходы по распределению электроэнергии между потребителями, которые не учтены.
) Включая 6% на капитан (т. наз. „социакопле-ние“). Себестоимость в условиях социалистического хозяйства должна расчитываться без этих начислений, и для ориентировочного расчета себестоимости энергии в копейках на киловаттчас надо из нижеприведенных цифр 11 и 20 в формулах вычесть 6, приняв 5 и 14. Для очень крупных гидростанций следует принимать соответственно 1 и 8.
Квартирный абонент 1 е,7
1’>,3 1 18, ;0
Характер нагрузки отдельных потребителей имеет, несомненно, большое влияние на стоимость его обслуживания. На рисунке 6 показаны несколько характерных кривых суточной нагрузки на различных заводах. Чисто осветительная нагрузка дает кратковременный вечерний пик и несколько меньший—утренний. Ради этих пиков приходится устанавливать на станциях, имеющих большую осветительную нагрузку, машины, которые иепользуются только в течение короткого срока в году, или прибегать к другим дорогостоящим способам, указанным ниже.
Условия использования электроэнергии потребителем, конечно, имеют большое влияние на фактическую стоимость его снабжения электроэнергией. В европейских и американских технических журналах приводились разнообразные методы расчета фактической стоимости энергии у потребителя в зависимости от его графика нагрузки, в частности от участия или неучастия в максимуме нагрузки станции, числе часов использования и тому подобное. Однако, все эти способы очень сложны и трудно построить, базируясь на них, рациональную систему тарификации электрической энергии, учитывающей всефакторы и позволяющей продавать энергию по фактической стоимости. На Западе очень крупным потребителям энергия продается часто по цене, устанавливаемой на основании подсчета фактической себестоимости электроэнергии от собственной электростанции, если бы данный потребитель снабжался сам. Для остальных потребителей существуют очень разнообразные тарифы, которые можно свести к трем основным типам, применяемым и у нас в СССР. Они отличаются между собою по существу тем
Рисунок 6.
показателем, который положен в основу расчетов потребителя с электроснабжающим обществом. 1) Тарифы, базирующиеся только на установленной у потребителя мощности. К ним относится оплата „киловаттгода“, покупаемого у гидростанции, плата за лампочку, за мощность моторов и тому подобное. Сюда же надо отнести системы оплаты за электрическое освещение по площади пола освещаемого помещения. Во избежание злоупотреблений иногда при таких системах тарификации у потребителей устанавливается ограничитель силы тока, который проще и дешевле электрического счетчика. Расчет по киловаттгоду очень удобен для гидростанции в виду практически почти полного отсутствия на ней расходов, зависящих от размера потребления, если только станция не работает с паровым резервом. Тариф, учитывающий только мощность, стимулирует увеличение потребления энергии потребителем, но станция в этом незаинтересована, так как доходы ее не зависят от размера потребления. Фактически тариф выгоден для потребителя только в случаях, когда установленная и оплаченная мощность очень хорошо используется, так как паровая станция назначает тарифную ставку именно в расчете на наилучшее использование для того, чтобы застраховаться. 2) Тариф, базирующийся только на потребленной электроэнергии (на киловаттчасах). К нему относятся все системы тарификации, основывающие расчеты с абонентами только по электрическому счетчику. Этот тариф ничего не стимулирует. В то время, как в предыдущем случае при увеличении использования установленной мощности энергия у потребителя удешевляется, а доходы станции (паровой) уменьшаются или остаются без изменения (у гидростанции), при расчете по счетчику увеличение использования у абонента мощности увеличивает доходы станции, но не дает никаких выгод абоненту. С целью усиления потребления электроэнергии в ночное время многие общества устанавливают двойные тарифы, при которых в известные часы суток потребленный киловаттчас стоит дешевле, чем в обычноенвт
— - Иаро - Фопинская теНстилдн. ф-Ма
-— Целтзавод „ Лраснд/й Строателд.‘ ‘
— ----Ленинградский теталургииеский завод.
время. Можно сделать переход от одного тарифа на другой автоматически, путем изменения скорости дисков всех счетчиков по сигналу, посланному; со станции (например, путем изменения частоты тока). Двойные тарифы применяются также для стимулирования потребления электроэнергии в домашнем быту для иных целей, кроме освещения, путем установки отдельных счетчиков для осветительной цели и для сети, от которой работают другие приборы. Два счетчика применяются очень часто для отдельного учета электроэнергии, потребленной на освещение и для электродвигателей, причем последняя оплачивается дешевле за квт/ч., чем первая. 3) Тариф базируется одновременно на установленной у потребителя мощности и на потребленной им энергии. При этом для оплаты за энергию применяются одновременно 2 ставки: постоянная оплата, не зависящая от размеров фактического потребления, за каждый установленный киловатт или киловольтампер трансформаторов (например, 3 руб. в месяц за один киловольтампер в Ленинграде для крупной промышленности в 1930 г.) и некоторая небольшая оплата за квт-часы на основании показаний счетчика (например, 3 коп. за квт/ч.). Ставка оплаты установленного киловольтампера определяется с расчетом покрыть все расходы станции, независящие от размера потребления (постоянные расходы), а ставка оплаты квт/ч. устанавливается с расчетом покрыть все расходы станции, зависящие от потребления (переменные расходы). Эта система тарификации стимулирует улучшение использования установленной мощности. Достижения в этом отношении выгодны как для потребителя, так и для станции. В СССР этот тариф называется „дифференциальным“ и применяется для расчетов крупных и средних промышленных предприятий срайоннымпс-тан-циями. Рекомендуется применять с целью улучшения коэффициента мощности специальные счетчики, учитывающие безваттную индуктивную составляющую (синусные счетчики), в зависимости от показаний которых каждый месяц вводится известная °10-я надбавка, в случае если коэффициент мощности ниже обусловленной в договоре со станцией величины, или определенная %-я скидка, если коэффициент мощности был выше обусловленного. Для мелких потребителей тариф, базирующийся на учете 2-х показателей — мощности и энергии— слишком сложен, взамен него многие общества устанавливают 2 или несколько ставок при оплате по счетчику, например: по 16 коп. за первые 25 квт/ч. в месяц, по 10 коп.— за следующие 25 квт/ч. и по 5 коп. за потребление сверх 50 квт/ч. в месяц. Первая ставка учитывает постоянные расходы станции, вторая и в особенности третья— почти только добавочные переменные. Таким образом тариф с двумя или несколькими ставками за квт/ч., в зависимости от размера потребления, а также такие тарифы, при которых обусловливается в договоре определенный минимум потребления (например, столько-то копеек за квт/ч., но не менее-чем столько-то рублей в месяц), относятся к той же группе тарифов, стимулирующих улучшения использования, установленной мощности и учитывающих одновременно и мощность и энергию.
На второй мировой конференции в Берлине (доклад Морроу) отмечено.что в САСШ по мере развития централизованного электроснабжения и соединения сетей отдельных обществ между собою происходит процесс уравнения тарифов на электроэнергию в-отдельных частях страны. При социалистическом хозяйстве возможно иметь одну единую систему тарификации электроэнергии независимо от места расположения потребителей, подобно тому, как существует одинаковая, независимо от местности, система оплаты услуг почты, телеграфа и железнодорожного транспорта, В наших условиях возможно положить в основу тарификации другие принципы, чем перечисленные выше. Так, например, для Днепровского комбината установлена система тарификации, учитывающая роль электроэнергии как ценообразующего фактора в себестоимости продукции предприятий. Исходя из этого принципа, для алюминиевого завода установлена стоимость электроэнергии 0,5 кон. заквт/ч., то есть ниже средней стоимости энергии Днепровекой гидростанции, для химических заводов—0,75 к., то есть величина почти равная стоимости; для завода электролитической стали—1,2 коп.,для металлургического завода—1,5 коп., и то и другое выше средней стоимости. Такая дифференциация ставок за квт/час проводится с расчетом покрытия средней себестоимости энер гии, полученной от гидростанции, плюс начисления на затраченный капитал. Возможно, что в будущем применение принципа тарификации электроэнергии по платежеспособности потребителя распространится во всесоюзном масштабе. При этом мыслимо сохранение формы оплаты энергии, при которой стимулируется улучшение использования установленной мощности и коэффициента мощности.
Доходы электростанции обыкновенно составляют только от 20 до 30% от вложенного капитала вследствие того, что электростанции являются предприятиями с очень высоким органическим строением капитала.
Совместная работа гидростанций с паровыми. Вследствие зависимости работы гидростанций от режима реки, возможны2способаиспользованияводотока с максимальной эффективностью:
1) использование гидростанций для снабжения энергией таких потребителей, которые могут приспособить свое потребление к сезонным колебаниям водотока; естественным сезонным потребителем является ирригация; однако, имеются некоторые электрохимические и электрометаллургические производства (выплавка ферромарганца), которые допускают в широких пределах сезонное колебание производства;
2) совместная работа гидроэлектрической станции со вспомогательной паровой, которая работает в период маловодья и останавливается в многоводный период. Часто бывает экономически целесообразно комбинировать оба способа. Наличие водохранилищ для суточного регулирования, а в особенности для сезонного, позволяет значительно повысить минимальную гарантированную мощность станций. В горных местностях иногда удается создавать в верховьях рек резервуары для многолетнего регулирования, позволяющие обеспечить нижеле -жащим станциям такую же свободу использования установленной мощности, какую имеют паровые станции. При наличии таких водохранилищ вспомогательная паровая мощность не нужна. Можно обойтись без вспо-гательной паровой мощности (называемой часто у нас неудачно „паровым резервом“) в случаях, когда удается соединить для совместной работы гидростанции на реках, отличающихся своим режимом (например, в Армянской ССР гидростанция на р. Дзорагет с ледниковым питанием и летним максимумом будет работать совместно с гидростанциями на р. Занге, вытекающей из оз. Гокча и используемой для орошения, имеющей поэтому зимний максимум). Выбор установленной на гидростанции мощности зависит от условий ее использования, то есть от характера и размера потребления энергии, а также от наличия тепловых станций, с которыми она будет работать. Как общее правило, для станций, имеющих суточное регулирование, установленную мощность целесообразно иметь раза в три больше, чем минимальная гарантированная мощность. В отдельных случаях в зависимости от режима реки и условий регулирования могут быть значительные отступления от этой цифры. Исключительно хорошие условия создаются для гидростанции, если она работает на мощную сеть, питаемую другими станциями, причем потребная мощность сети превышает установленную мощность гидростанции. При таких условиях можно использовать эффективно всю воду, могущую пройти через турбины. Капитальные затраты на строительство паровых станций в обединенииполучаютсянаименыиимипритаком использовании гидростанции, при котором она, даже в маловодные периоды, хотя бы на короткое время развивает большую мощность, покрывая пики нагрузки, то есть когда она работает только в часы максимального потребления, а в остальные часы накапливает воду в водохранилище. В Ле нинграде Волховская гидростанции в зимнее время покрывает верхнюючасть графика и играет роль пиковой станции, а в летнее время покрывает нижнюю часть графика и является базисной станцией. При включении гидростанции в очень большую систему с паровыми электростанциями можно пользоваться сезонным приростом мощности гидростанций для замены ремонтируюхцихся паровых аг-грегатов (смотрите брошюру С. А. Кукель-Краевского, „Плановый ремонт аггре-гатов электроснабжающей системы в зависимости от графика нагрузки и структурного состава системы1,1932). При совместной работе гидростанций с теплоснабжающими электростанциями (теплоэлектроцентралями) надо иметь в виду, что гидроэнергия, как общее правило, должна заменять собою только ту энергию, которую без нее пришлось бы вырабатывать конденсационными частями электростанций, и не должна снижать выработку электроэнергии по тепловому графику, которая получается с очень незначительным дополнительным расходом топлива. Мощность включаемой в систему гидростанции не должна заменять мощность тех теплофикационных аг-грегатов, которые покрывают тепловой график, и может заменять только чисто конденсационные аггрегаты и конденсационные части теплофикационных аггрегатов полуконденсационного типа (с конденсацией и отбором пара).
При социалистическом хозяйстве имеются широкие возможности регулирования условий потребления энергии и допустимо значительно увеличивать установленную мощность гидростанций, включаемых в крупные электроснабжающие системы, против гарантированной круглый год мощности и притом без дублирования паровых и гидравлических мощностей. Таким образом старое понятие о „паровом резерве“ для гидростанций заменяется новым: гидростанция становится гидравлическим резервом для паровых станций в крупной системе. Гидростанции очень удобны как мгновенный резерв и могут быть использованы не только как резерв мощности, но и как резерв энергии. Поэтому при построении крупных энергетических систем целесообразно проектироватьвысоковольтную сеть так, чтобы обеспечить наибольшую возможную маневренную гибкость для гидростанций.
Распределение нагрузки между параллельно работающими станцпялш. В вышеприведенном примере показано использование гидростанции при совместной работе с паровыми, но и распределение нагрузки между паровыми станциями имеет огромное экономическое значение. Как общее правило, с целью уменьшения до минимума стоимости электроэнергии надо те-станции, которые дают наибольшую экономию в топливе, использовать, в качестве базисных станций. Наиболее устарелые с большим удельным расходом топлива применяются в качестве пиковых; вступающие в экспло-атацшо новые станции нагружаются в максимальной степени и несут основную нагрузку; в будущем, по мере устарения и износа оборудования, станции переходят сначала в полупиковые, а потом и в пиковые. С народнохозяйственной точки зрения необходимо в качестве базисных станций использовать те, которые работают на местном топливе, хотя бы это распределение иногда и отличалось от варианта, при котором получается наиболее низкая оредневзвешанная стоимость энергии.
Резерв. В каждом объединении Э. с. должен быть резерв на случай аварии в каком-нибудь аггрегате или в линии электропередачи от отдаленной станции. Различают резерв станционный и резерв сетевой. Станционный резерв может быть использован только в случае аварии или ремонта на самой станции. К нему относятся резервные котлы (обычно их два: один в чистке, другой—в резерве на случай аварии) и турбогенераторы, не имеющие рабочих котлов. Сетевым резервом может быть только комплект турбогенератора и котлов, могущий быть пущенным в работу взамен выбывшего из строя на какой-либо другой станции объединения. Резервные комплекты рационально держать на станциях ближайших к центру нагрузки. Иногда их размещают на станциях ближайших к тем потребителям, непрерывность электроснабжения которых особенноважно обеспечить. С точки зрения экономии на транспорт топлива желательно резервные аггрегаты держать на станциях, работающих на привозном топливе. С точки зрения уменьшения до минимума стоимости энергии желательно держать резервные аггрегаты на станциях наиболее устарелых и вырабатывающих наиболее дорогую энергию. Резерв может быть холодный, горячий и вращающийся. В первом случае резервный комплект (может быть в отдельных случаях целая станция в большом объединении) требует для своего пуска в ход несколько часов и поэтому не может дать скорую помощь в случае аварии. Во втором случае котлы держатся под парами, турбины подогретыми, и резерв может быть введен в работу вскоре после встретившейся в нем надобности; содержание его, однако, значительно дороже содержания холодного резерва. Вращающийся резерв на изолированной станции применяется в тех случаях, когда требуется исключительная гарантия в непрерывности электроснабжения, так как позволяет заменить выбывший элемент мгновенно и автоматически. На станции при таком резерве машины работают не полностью нагруженными, причем недогрузка вращающихся машин в сумме равна не менее полной мощности одного аггрегата. Если выйдет из строя одна машина, то другие автоматически принимают на себя нагрузку и догружаются до нормы. В большой системе (объединение электростанций) целесообразно иметь часть резерва в действующих аггрегатах, в виде внутреннего резерва недогруженных турбин, тем более, что коэффициент полезного действия турбин обычно наивысший при 3/4 нагрузки. Так. образом всегда имеется вращающийся резерв при работе оборудования на экономическом режиме. В случае вращающегося резерва не исключается наличие холодного резерва для компенсирования снижения мощности гидростанции в течение маловодного периода или на случаи вывода машин в ремонт и ревизию (ремонтный резерв). В объединениях, имеющих значительную разницу между потребностью зимой и летом, вследствие наличия большой световой нагрузки, ставят худшие станции в летнее время в холодный резерв, который пускается в ход только в случаях, когда нужно ремонтировать крупные аггрегаты.
Кроме резерва в котлах и машинах, необходимо иметь резерв в трансформаторах на понизительных и повыситель-ных подстанциях, а также в линиях электропередач (смотрите ниже). При трехфазном токе на подстанциях большой мощности применяются, обычно, три рабочих однофазных трансформатора и 4-й резервный на случай порчи одного из 3-х основных. На линиях электропередач трехфазного тока применяется иногда четвертый провод в качестве резервного для трех основных.
Величиной резерва считается разность между суммарной мощностью, установленной на всех станциях объединения, и величиной максимальной часовой потребной мощности хотя бы в течение одних суток в году (максимум нагрузки). Обычно момент максимальной нагрузки наступает зимою в период наибольшей световой нагрузки, но там, где имеется большая сезонная нагрузка (например потребность в мощности для орошения или для торфодобычи), максимум нагрузки может быть и в другое время года. Если в период максимума нагрузки некоторые станции по какой-либо причине не могут фактически использовать установленную мощность (например вследствие маловодного периода у гидростанции, или несоответствия вследствие крупного ремонта между мощностью котлов и машин, или снижения электрической мощности некоторых теплофикационных турбин при большом отборе пара), то для вычислений величины фактического резерва надо учитывать не установленную, а фактически располагаемую мощность. Величина необходимого резерва зависит от мощности аггрегатов и должна, быть отнюдь не менее мощности наибольшего аггрегата. При непрерывной производственной неделе, когда не имеется праздничных провалов нагрузки, позволяющих производить небольшие ремонты, резерв должен быть не меньше мощности двух наиболь-
ших аггрегатов для обеспечения бесперебойности электроснабжения. В объединениях величина резерва составляет 10—20°/о от максимальной нагрузки. Чем крупнее система, тем меньше % резерва. У изолированных Э. с. резерв составляет 30—100% установленной мощности.
Предельная мощность отдельных аггрегатов на станции определяется величиной допустимого по экономическим соображениям резерва. Автор настоящей статьи определяет наивыгоднейшую величину мощности отдельного аггрегата в системе, состоящей из однотипных аггрегатов, по формуле
N =л/~ >ъх,
У Zg
где N—мощность равновеликих аггрегатов в системе в квт, Рм— совмещенный максимум системы в квт, Z0—число резервных аггрегатов, необходимое по условиям эксплуатации для бесперебойности электроснабжения, С — так называется „характеристика типа“—коэффициент пропорциональности, зависящий от типа аггрегатов. Он имеет размерность мощности и получается из эмпирической зависимости величины капитальных затрат К от производственной мощности аггрегата К=а N- -b, где а и b числа постоянные в некоторых пределах изменения величины N для данного типа. Величина С — b:а. Из формулы, относящейся к теоретическому случаю системы, состоящей из однотипных стандартных аггрегатов (с осуществлением идеи блочности котел-турбина), вытекает, что при росте системы наивыгоднейшая мощность аггрегата растет пропорционально корню квадратному из совмещенного максимума системы. Указанный оптимум определен, исходя из условия минимума капитальных затрат. Исследование автора показало, что оптимум по себестоимости электроэнергии несколько выше, чем вышеуказанный, и тем выше, чем дороже топливо. Учет стоимости энергии приводит к тому же виду формулы, но величина С больше, чем в случае определения оптимума только по величине капитальных затрат. Из формулы автор вывел теорию стандартныхмощностей, по которой при стандартизации наивыгоднейшая шкала стандарта. мощностей содержит величины кратные коэффициенту С. На практике наилучшая шкала составляется из цифр ряда: С, 20, 40, 8С (в СССР принята для крупных аггрегатов шкала мощностей 12, 25, 50, 100 тыс. квт). физическое значение С—наименьшая величина мощности в стандартной шкале для данного типа. По той же теории, каждой стандартной мощности аггрегата соответствует определенная величина Р ваивыговаривается совмещенного максимума нагрузки, при которой применение равновеликих аггрегатов данной мощности приводит к величине капитальных затрат меньшей, чем при применении любой другой комбинации аггрегатов ТОГО же ТИПа. Р паивыговаривается== Z0-N2:G. В растущей системе начинать устанавливать аггрегаты мощности 2N надо не позже, чем по достижении совмещенного максимума величины, равной половине Р наивыговаривается ДЛЯ аггрегата мощности 2 N (подробнее см. статью автора: „Теоретическиеосновы стандартизации оборудования электроенабжающих систем“, Известия Энергетического института Академии Наук СССР, 1933, вып. 1). Для изолированной станции наибольшая мощность аггрегата не должна превышать половины максимальной нагрузки, в большом объединении 8— 10%. У нас в СССР при освоении новых районов нужно предвидеть такой быстрый рост нагрузки, при котором сегодня установленный аггрегат уже через 2—3 года может оказаться слишком малым (например первая очередь Штеровской районной станции имела 2 аггрегата по 10 т. квт, вторая очередь—2 аггрегата по 22 т. и 3-я—2 по 44 т., причем это развитие происходило в течение 5 лет). Поэтому у нас в ближайшие годы на наших станциях предполагается установка аггрегатов по 50 и 100 т. квт и допускается постройка станций, имеющих только 2 крупные турбины, из которых одна резервная, причем предполагается, что через короткий срок будет построена следующая очередь этой станции из таких же генераторов или данная станция будет включена в объединениедругих станций и черезмерный для первого года резерв быстро снизится.
В больших объединениях на Западе становится актуальной задача выбора наибо.’bее дешевого способа покрытия пика нагрузки. Вследствие большой световой рекламы и малой сменности предприятий, в крупных городах Запада пик более острый, чем в городах СССР. Так, напр-, в Берлине 50°/о максимальной мощности имеет в течение года только 1.100 часов использования, в Москве—4.300. На рисунке 7 показано
%%

L

—г

п

1

1

4-

1

д

~1—

и

ч

V

i

V

1

1

ч

N

1

1

„4-

V

г

;

J_

2000 4с00 6000 6000 6760 vercog
- МэскВа
—беплин
Рисунок 7.
«равнение графиков продолжительности использования мощности для московского и берлинского объединения Э. с. (иногда называемые кривыми Рос-сандра). Станции, покрывающие пики нагрузки, работают очень неэкономно, так как число часов использования их за год очень мало. В 20-х годах ХХ-го века начали применяться на Западе специальные способы покрытия пик, например при помощи очень мощной дизельной станции (в Гамбурге с дизелями по 15.000 лошадиных сил каждая) или при помощи мощных аккумуляторов. Электрические аккумуляторы для по-еледкей цели применяются редко ито только при малых мощностях; значительное применение получили паровые аккумуляторы типа Рутса. В 1929 г. в Берлине построена пиковая станция, снабженная аккумуляторами Рутса на мощность 40.000 квт. В часы провала графиков котельная станции работает на зарядку аккумуляторов, а в часы пиковой нагрузки аккумуляторы возвращают накопленную тепловую энергию. За самые последние годы в ряде стран стали применяться мощные гидравлические аккумуляторы, из них крупнейшей является установка Хердеке в Германии на мощность около 200 т. лошадиных сил. Принцип гидравлического аккумулятора заключается в том, что в местности, обладающей необходимыми природными данными, образуется искусственное водохранилище на некоторой высоте над рекой или озером. Из водохранилища вода подводится по трубам к гидростанции, снабженной, кроме гидравлической турбины и генератора, еще водяным насосом, который обычно расположен на одном валу с генераторами турбины. Паровая станция, работающая совместно с таким гидроаккумулятором, имеет ровную нагрузку в течение суток. При уменьшении потребности сети ниже средней величины, энергия посылается на гидростанцию, где генератор, работая как синхронный электродвигатель, приводит в движение насос, накачивающий воду из реки или озера в верхнее водохранилище. Когда потребная мощность для сети становится выше средней, начинает работать гидростанция, расходуя воду, накопленную в водохранилище. Мощность турбины обычно выше мощности насоса, так как последний работает более длительный срок. В германских условиях гидроаккумулятор стоит около 300 марок на установленный киловатт. В Англии предполагается установить несколько гидроаккумуляторов для работы на государственную сеть „решетку“ (си. электрификация). Общим недостатком всех аккумулирующих устройств являются большие потери при двукратной трансформации энергии из одного вида в другой, вследствие чего коэффициент полезного действия имеет величину порядка не выше 60—70°/о (иногда и меньше). В условияхсоциалистического хозяйства имеются другие способы рационального распределения нагрузки между совместно работающими станциями, не сопряженные с большими потерями энергии, а именно: регулирование потребления, в частности работа некоторых энергоемких потребителей по заранее заданному графику нагрузки (смотрите статью автора в т. XI Генплана электрификации, 1932—1933).
В 1929 г. на конференции в Токио Робинсон сообщил, что в САСШ полагают, что наилучшее разрешение задач покрытия пиковой мощности будет достигнуто путем увеличения допустимой перегрузки оборудования Э. с. до 100°/о для кратковременной работы. Эти требования, по мнению Робинсона, должны быть предъявлены электроснабжающей промышленностью машиностроительным заводам.
В условиях СССР, как уже отмечалось выше, проблема покрытия пик нагрузки стоит не так остро, как в капиталистических странах, и у нас вряд ли целесообразно иметь оборудование, специально предназначенное для покрытия пик.
Литература: проф. Клингенберг, „Сооружение крупных электростанций“ (Ленишрад, 1927, переп. под ред. В. В. Дмитриева, и Москва, перев. под ред. проф. Угримова); проф. В. В. Дмитриев, „Электрические силовые установки“ (.1929); Э. Л1ее-рович, „Эк-плоатация центральных электрических станций“ (19281; доктор внж. Фр. Мюнцингер, „Котельные установки больших силовых станций“ (1929, пер. с немецк.); Н.И. Сушкин и А. А. Глазунов, „Центральные лекгрические станции и их электрооборудование“ (1927); инж. К. П. Ловин и инж. Б. А. Барсуков, „Современные американские электрические станции“ (1927); „Четыре торфяные станции“ (1930); описание этектрич. станций „Красный октябрь“, Нижегородской, Брянской и Осиновской); Шрейбер, „Районная электрическая станция на низкосортном угле“ (пер. с нем., 1929); инженер-электрик Г. Г. Горбунов, „Графики электрической нагрузки“ (1927); Т. Крофт, „Электрические станции и подстанции“ (пер. с английск.); „Труды мирового инженерного конгресса и мировой энергетической конференции в Токио в 1929 г.“ (на англ, языке; обзор этих трудов см. „Плановое хозяйство“, № 3, 1930,статья Кукель-Краевского): „Труды второй мировой энергетической конференции в Берлине в 1930 г.“ (изд. на немецк, англ, и французск. яз. в 20 томах; обзор этих трудов см. статьи проф. В. И. Вейд в жури. „Электричество“, 1931, AKNе 11—16); Глазунов А. А., „Технические заметки о районных электрических станциях в С.-А. С. Ш.“ (1931); Лаговский, А. А., „Теплосиловые установки центральных электрических станций“ (1931); Поярков, М. Ф., „Электрические станции городские и фабрично-заводские“ (1931); Рябков, А. Я., „Электрические распределительные устройства крупных станций и подстанций“ (1932); Эпштейн, Г. JL, „Районные трансформаторные подстанции“ (1932); Рыжкин, В. Я., „Новейшие американские электрич. станции“ (1932); Дарманчев, А. К., „Графики электрической нагрузки“ (3933)‘ Диц, Ф. А.
„Хозрасчет в энергоснабжении“ (1932); „Генеральный план электрификации СССР“, том VII (Госплан СССР, 1932); Кукел-Краевский, С. А., „Плановый ремонт а ггрегатов электроснабжающей системы“ (Ю32); Агапов,Вабиков и др., под ред. проф. Н. И. Сушкина, „Принципы проектирования типовых электростанций“ (1933); „Электроэнергетика СССР“ (коллективное исслед., Изв. Акад. Наук СССР, 1934).
С. Купель-Краевский.
VI. Теплоэлектроцентрали. На любой электростанции, превращающей химическую энергию любого топлива в электрическую, значительная часть энергии сожженного топлива остается в форме тепла, котороетеряется главным образом в охлаждающей механизмы воде. Этим обусловливается низкий коэффициент полезн. действия использования энергии топлива. Однако, тепловая энергия, не превращенная в электрическую, может быть использована для практических целей как таковая, например для ряда технологических процессов в промышленности, для бытовых нужд и для отопления. Любая электростанция, отпускающая потребителям не только электроэнергию, но и тепло, полученное от сжигания топлива при производстве электроэнергии, называется теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Такая станция одновременно выполняет две функции: централизованного теплоснабжения и комбинированного производства из топлива двух видов энергии—электрической и тепловой—для практического применения.
ТЭЦ может иметь любые первичные двигатели: паровые машины, дизеля, газовые двигатели и паровые турбины, но широкое применение за последние годы получили только ТЭЦ с турбогенераторами; поэтому в дальнейшем описываются свойства именно этих ТЭЦ.
Централизованное теплоснабжение в городах и на предприятиях от мощной центральной котельной может быть осуществлено и без выработки электроэнергии (ем. XLV, ч. 3, прил. центральное и местное отопление, 358)- В этом случае основной теплоноситель,пар,получается при давлении и температуре, близких к необходимым для потребителя. Если в центральной котельной получается пар более высокого давления, чем нужно для централизованного теплоснабжения, то, пропустив этот пар через турбину или паровую машину, можно получить за счет отдачи им ме-
18г.2
ханической энергии при расширении I экономичность ТЭЦ как источника эле-до требуемого конечного давления не- ктроэнергии ).
которое количество электроэнергии с! Централизация теплоснабжения д$-
тепло топлиоа
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Рисунок 1. Примерная тепловая диаграмма современного конденсациоиного аггрегата котел-турбогенератор (начальное давление порядка 30 атмосфер): А—полученная электроэнергия (20—23%); Б—потери с конленсаци-нной водой (порядка 50%); В—прочие потери (3—4%; Г—потери механические, электрические и лучеиспусканием в машинном отделении (6—7%); Д—прочие потери в котельной (4—5%); Е —потери в трубопроводах (2—3%); Ж—потери отходящими газами (8—10%); 3—потери в топке, котле, пароперегревателе и экономайзере (3—4%)
сравнительно небольшим расходом топлива, добавочным к тому расходу, который необходим для централизованного теплоснабжения от центральной котельной низкого давления, а именно около 0,2 килограмма на квт/ч. (мало зависит от начального и конечного параметра), то есть раза в 3 меньшего, чем на конденсационной станции. На этом базируется
И—потеря от несгоревшего угля (4—5%); Л—возврат тепла с конденсатом (собственное тепло конденсата и от регенерации; К —потери в связи с возвратом конденсата (1—2% входят в В).
Рио. 2. Примерная тепловая диаг( амма теплофикационного аггрегата (без конденсационной части; начальное давление порядка 30 атмосфер, отъемный пар порядка 1,2 атмосфер). А—полученная электроэнергия (10—11%); Б—отдача пара давлением порядка 1,2 атмосфер (порядка 60%); остальные потери—те-же, что и на рисунке 1.
) На рисунке 1 и 2 приведен сравнительный баланс тепла конденсационного ап регата котел-турбогенератор и теплофикационного (при отсутствии у последнего конденсационной части). Из этого сравнения наглядно видно, что из тепла, заключенного в сожженном топливе, в нервом случае получается 20—28% электроэнергии и непроизводительно теряется с конденсационной водой 5 %, а во втором случае хотя и получается меньше электроэнергии (10—11%), но зато вовсе отсутствуют потери тепла в конденсаторе, и около бо% те ила, заключенного в топливе, используется производительно на теплоснабжение.
ет следующие экономические и народнохозяйственные выгоды: 1) позволяет заменить малоэкономичные многочисленные индивидуальные котлы и печи одной мощной и высокоэкономичной котельной; 2) очень значительно уменьшает потребность в персонале для теплоснабжения; 3) допускает перевод теплоснабжения на любой вид топлива, в частности—низкокалорийное местное топливо; 4) снижает затраты на транспорт топлива по городу к индивидуальным котельным. Но для использования этих преимуществ требуются значительные затраты на тепловые сети, которые экономически оправдываются лишь при достаточно большой плотности теплового потребления. Социалистическое строительство промышленности и населенных мест создает предпосылки к увеличению плотности потребления тепла и вместе с тем к повышению экономичности централизованного теплоснабжения.
Комбинирование теплоснабжения с электроснабжением (теплофикация) дает дальнейшие преимущества по сравнению с простой централизацией теплоснабжения: с относительно небольшими добавочными капитальными затратами и добавочным расходом топлива получается электроэнергия на тепловом потреблении, которое в большинстве случаев дешевле даже гидроэнергии (за исключением случаев, когда гидроцентраль может быть сооружена очень дешево и имеет исключительно высокий коэффициент использования, что в европейской части СССР не имеет места). Поэтому согласно указаниям партии (июльский пленум ЦКВКГ1(б) 1931 г.) и правительства сооружение мощных ТЭЦ во всех центрах сосредоточенного потребления тепла признается одним из основных принципов электрификации СССР. Уже во второй пятилетке СССР в области теплофикации выдвинулся на первое место в мире. Возможности практического осуществления этой идеи в наших условиях особенно велики, поскольку мы планируем одновременно и развитие потребителей энергии, и их размещение, и развитие системы энергоснабжения.
В виду незначительной дальности передачи тепла от центра его выработки (если теплоноситель пар—дальность порядка нескольких км, если теплоноситель вода — максимальная дальность порядка 10 км) ТЭЦ в отличие от других электроцентралей обязательно располагается в непосредственной близости к центрам сосредоточенного потребления тепла и, будучи включена в большую электроэнергетическую систему, должна иметь свой собственный резерв для теплового потребления, тогда как электрический резерв может быть общим для целой системы и размещен теоретически в любом месте. Отсюда вытекает значительное усложнение проектирования электроэнергетических систем, включающих ТЭЦ. В СССР в недалеком будущем разделение паровых турбинных электроцентралей на теплофикационные и конденсационные практически исчезнет, и каждая паровая электростанция в большей или меньшей степени будет одновременно выполнять задачи и электроснабжения, и теплоснабжения (хотя бы от одного или двух аггрегатов).
Величина электроэнергии, получаемой о наибольшим расходом топлива от каждой единицы отдаваемого тепла, тем больше, чем больше величина разности теплосодержания пара, полученного от котла и отданного для теплоснабжения, а, следовательно, зависит в сильнейшей степени от начальных и конечных параметров пара (то есть давления и температуры). В табл. 1 для примера показано число квт/ч. получаемое от одной отданной в тепловую сеть мегакалории (один млн. больших калорий) тепла, а в таблице 2—число килограммов пара, пропущенного через турбину для получения одного квт/ч. электроэнергии по тепловому потреблению.
Повышение начального давления и температуры пара и понижение давления пара, необходимого потребителям, увеличивает количество электроэнергии, получаемой по тепловому потреблению. Отсюда стремление понижать по возможности давление пара на технологические процессы и заменять пар горячей водой. Для отопления в СССР отпускается горячая вода, приготовленная из пара низкого давления в „бойлерах” на ТЭЦ.
Таблица 1
Число евтч (мгвтч) электрической энергии, получаемое от теплового потребления в тысячу больших калорий (одну мегакалорию).
(„Тепло и Сила“, 1938, № 7, стр. 10)

Начальные параметры пара

Конечное давление пара

Число КВТЧ или мегаватчасов

25 ата 350°С

1,2 ата

0,186

8,0

0,076

50 ата 450°С

1,2

0,218

8,0

0,132

100 ата 400°С

1,2

0,275

8,0

0,16 5

100 ата 50„сС

1,2

0,292

8,0 .

0,178

Таблица 2 Расход пара в килограммах на квтч.

Начальные параметры пара

Давление отбора пара 1,2 ата

Давление отбора 5 ата

20 ата 850°С

9,1

15,8

30 ата 400°С

7,7

12.1

60 ата 450°С (без промежуточного перегрева)

6,3

8,8

100 ата 450°С (с промежуточным перегревом). .

5,2

6,9

На ТЭЦ к описанным в ст. электрические станции (смотрите LII, 500) нормальным круговым процессам обычной электростанции прибавляется круговой процесс отпущенного для теплоснабжения пара, который может выйти за пределы станции к потребителю (если последний получает первичный пар) или замкнуться на станции (если потребители получают вторичный пар от „паропреобразователей“). Последнее влечет за собой непроизводительную потерю давления в несколько атмосфер, неиспользуемого для выработки электроэнергии. Это необходимо, если потребитель не может по условиям технологического процесса вернуть теплоноситель („не возвращает конденсат“) либо возвращает его в сильно загрязненном виде. В отдельных случаях потеря конденсата может доходить до 80 и более °/о°/о, и для питания котлов приходится пользоваться свежей водой, подвергнув ее в установках высокогодавления химическойочистке, или используя для этой цели испарители. Вообще вопрос о водоочистке на ТЭЦ значительно сложнее, чем на конденсационной электроцентрали. Если конденсат возвращается, то часть тепла, переданного потребителям, возвращается в котел, так как обратная вода имеет всегда более высокую температуру, чем свежая питательная вода для котлов.
Типы теплофикационных турбин, применяемых в мировой практике и на ТЭЦ СССР до 1934 г., очень разнообразны. Это зависит от особенностей графиков тепловой нагрузки, отличающихся от графиков электрической нагрузки, а также от необходимости отпускать потребителям пар не одного, а по крайней мере двух параметров (.повышенного потенциала“ преимущественно для промышленности и „пониженного“ преимущественно для отопления). График потребления промышленного тепла в течение суток и года похож на график потребления электроэнергии той же промышленности, мало меняется по сезонам и резко меняется в течение суток. В некоторых пределах его форму можно регулировать при помощи паровых аккумуляторов.
Соотношение между электрической энергией, получаемой по тепловому потреблению промпредприятия, и его-потреблением электроэнергии может быть очень различно. График отопительной нагрузки резко меняется по-сезонам и сравнительно мало в течение дня (суточный график можно тоже регулировать), но в различные дни одного и того же месяца может изменяться по величине в очень широких пределах, т. к. зависит от метеорологических условий. Наиболее низкая температура, при которой надо обеспечить отопление от ТЭЦ, встречается в течение очень короткого числа часов в году, а потому после понижения ниже некоторого предела ТЭЦ обычно отпускает добавочное тепло уже не от пара, пропущенного через турбины, а от пара, полученного дросселированием из котлов за счет форсировки последних (вполне установившегося решения этого вопроса об отоплении в наиболее холодные дни, то есть покрытии отопительных пик, еще не имеется).
Если бы ТЭЦ всегда вырабатывала только ту электроэнергию, которая получается по тепловому графику, ее выработка менялась бы совершенно независимо от фактической потребности в электроэнергии, что неминуемо влекло бы за собой необходимость иметь отдельный „конденсационный резерв“, то есть дублировать мощность, за исключением только редких случаев совместной работы ТЭЦ и гидроцентралей, имеющих неограниченные возможности регулирования мощности в течение суток и несколысих дней, а также минимум выработки энергии во время отопительного сезона. Изолированная ТЭЦ, имеющая задачей одновременно покрывать и тепловые графики, и электрический, обязательно должна иметь турбины, могущие вырабатывать электроэнергию независимо от теплового потребления, то есть конденсационные с отбором пара. Только ту часть теплового графика, которая соответствует технологическому потреблению, принципиально возможно покрывать и в этом случае турбинами без конденсационных частей (турбины с противодавлением).
Если ТЭЦ расположена в местности, удобной по условиям топливоснабжения (место добычи топлива) и водоснабжения, она и в случае изолированной работы и в случае включения в систему должна иметь кроме чисто теплофикационной части и конденсационную (так называемым „конденсационный хвост“) в любом размере. Для ТЭЦ в системе, расположенной неблагоприятно по топливоснабжению и водоснабжению, конденсационная часть должна быть ограничена самым необходимым по условиям ее работы в системе минимумом. Конденсационную часть вообще выгоднее иметь не в виде отдельных конденсационных турбин, а в виде конденсационной части теплофикационных турбин, что требует примерно вдвое меньших капитальных затрат. Только в тех случаях, когда потребность в конденсационной мощности на ТЭЦ превышает некоторый предел, на ней будут устанавливаться и чисто конденсационные турбогенераторы.
Принцип аггрегатности котел-турбина можно осуществить с теплофикационными оборудованиями без черезмерного увеличения мощности котельной только при некоторых типах турбин, и во всяком случае требуется паровая магистраль, связывающая котлы соседних аггрегатов и позволяющая использовать в одном аггрегате свободную мощность котлов другого аггрегата, когда это нужно. В обычных условиях каждый котел даже при наличии такой связи будет работать на свою турбину.
Вопрос об оптимальном типе турбин для ТЭЦ, включаемых в сложную электроэнергетическую систему, в 1933 г. еще находился в стадии оживленной дискуссии. Отсутствие и мирового, и нашего опыта и только начавшаяся теоретическая разработка этого вопроса не позволили еще дать однообразного решения. Автор настоящей статьи предложил облегчить осуществление стандартизации теплофикационных турбин при отсутствии пригодного для всех разнообразных случаев однозначного решения о типах турбин следующим путем: разработать серии турбин различных типов, состоящих из одних и тех же стандартных частей с тем, чтобы иметь однообразие конструкций и запасных частей при разнообразии типов. До 1934 г. эта проблема была разработана в виде проекта серии типов только для одного случая коммунальных ТЭЦ (проф. Г. С. Жириц-кий — МЭИ).
Основными типами теплофикационных турбин являются: а) турбина конденсационная с одним регулируемым отбором пара (КО) или с двумя регулируемыми отборами пара двух различных давлений (КОО, или К20). Эта турбина в зависимости от соотношения между расчетными пропусками пара в различные части ее и в зависимости от величины конденсатора может иметь электрическую мощность, снижающуюся при увеличении отбора пара после некоторого предела или одинаковую при всех величинах отбора от нуля до максимума (временный стандарт Главэнерго в 1933 г.), что, однако, достигается искусственно некоторым превышением мощности турбины по сравнению с мощностью электрического генератора или ограничением предельной величины отбора пара. Турбины (КО) отличаются сравнительно малой зависимостью электрической мощности от теплового потребления.
б) Турбины с противодавлением (Я) или с противодавлением и регулируемым отбором пара повышенного потенциала (НО). Эти турбины развивают электрическую мощность тем большую, чем выше тепловая нагрузка низкого потенциала. Они значительно компактнее турбин (КО) из-за отсутствия наиболее громоздких частей, не требуютствия, чем турбины конденсационные (К) или (КО).
Существуют и различные разновидности этих основных типов турбин. Пар может срабатываться от начального давления до конечного в одной и той же турбине (одновальные турбины) или последовательно проходить через несколько турбин (многовальные турбины), причем турбины с повышенным начальным давлением в этом случае являются турбинами с противодавлением и называются „предвклю-ченными“ (форшальттурбины), Турби-
подвода охлалсдающей воды, но зато работают по „вынужденному“ электрическому графику.
в) Турбины с ухудшенным вакуумом (У), которые могут иметь также регулируемый отбор пара повышенного потенциала (УО). Они имеют конденсатор, который при тепловой .нагрузке играет роль бойлера для подготовки горячей воды,поступающей в тепловую сеть. Электрическая мощность турбин (У) или (УО) в некоторых пределах зависит от величины теплового потребления, но они могут работать и при отсутствии такого потребления, чем отличаются от турбин (Я) и (ПО), но при работе на конденсацию имеют худший коэффициент полезного дейны, начальное давление пара которых ниже давления пара в котле, называются турбинами „мятого пара“. Возможны случаи, когда турбина мятого пара получает пар не от турбины (Я), а предварительно отработанный в каких-либо паровых механизмах—молотах, компрессорах и тому подобное.
Тепловая схема ТЭЦ зависит от типа турбин и в общем сложнее, чем у конденсационных станций, как видно, например, из прилагаемого рисунок 3, представляющего схему Березняковской ТЭЦ (Урал), крупнейшей в мире ТЭЦ (около 90 мгвт) при начальном давлении 60 атмосфер В Москве, в 1933 г. вступила в эксплуатю ТЭЦ Теплотехнического института на 60 мгвт (364-
24 мгвт предвключенных) с котлами Лефлера на 130 атмосфер и с прямоточным котлом на 140 атмосфер оригинальной советской конструкции. В том же году находился в постройке ряд крупных ТЭЦ в СССР. Первая ТЭЦ общего пользования в СССР в Ленинграде (3-я городская) работает с 1927 года.
Доля участия ТЭЦ в электроснабжении СССР во второй пятилетке быстро растет из года в год. В 1934 г. начинается постройкой первая ТЭЦ на 120 атмосфер на советском оборудовании (Мо-сковско-Нарвская ТЭЦ в Ленинграде). ТЭЦ получили некоторое распространение в Германии, например Мангейм-ская на 100 атмосфер, Ильза-Рената на 120 атмосфер и ряд фабрично-заводских или городских на меньшее давление пара. В С.-А.С.Ш. централизованное теплоснабжение применяется уже с самого начала ХХ-го столетия, но преимущественно от простых центральных котельных без комбинирования с электроснабжением. Однако, за последние годы и там стали применяться ТЭЦ на крупных предприятиях и появляются отдельные случаи установки теплофикационных турбин на крупных электростанциях общего пользования. Однако, районные ТЭЦ в полном смысле слова пока создаются только в СССР. На 1-е октября 1932 г. находилось в эксплуатации в СССР ТЭЦ: фабрично-заводские на 287 мгвт., районные — 182 мгвт., городские-39 мгвт.. всего 508 мгвт, и теплосетей в городах суммарной протяженностью 130 км.
Так как на ТЭЦ вырабатывается одновременно 2 вида продукции, распределение капитальных затрат и стоимости энергии между этими видами может быть сделано только условно. При заданной величине потребления электрической энергии и тепла в каком-либо центре, сумма капитальных затрат, а также сумма ежегодных расходов на электроснабжение, как правило, меньше при удовлетворении всей потребности от ТЭЦ, чем при изолированном покрытии потребности в электроэнергии от конденсационной станции и в тепле от центральной котельной. Исключение из этого правила может иметь место при малой плотно-:
сти потребления тепла, при малом размере ТЭЦ и наличии очень дешевой энергии от крупнейшей районной конденсационной станции, расположенной у места топлива.
На ТЭЦ величина капитальных затрат и величина годовых эксплуат-онных расходов, отнесенные на единицу мощности, снижаются быстрее в зависимости от укрупнения станции, чем у конденсационных централей. Отнесение этих величин на единицу электрической мощности может привести к ошибочным выводам при сравнении с конденсациноными централями, т. к. эти показатели для ТЭЦ имеют иное значение, чем для конденсационных.
Вопрос о рациональной системе показателей для ТЭЦ еще подвергался дискуссии в 1933 г., о чем см., например, указанную ниже брошюру А. Н. Румянцева и журнальные статьи: А. И. Шефтель, „Тепло и Сила“, № 3. Б. М. Якуб, „Тепло и Сила“, № 7.1933, С. А. Кукель-Краевский, „Электричество“, № 2, (1934).
Кроме описанного выше основного современного типа ТЭЦ, возможен особый тип. имеющий, несомненно, будущее: конденсационная станция, использующая низкопотенциальное тепло охлаждающей воды конденсаторов для соответствующих тепловых потребителей, например для нагрева почвы с сельско-хозяйственный целью. Можно предвидеть расширение такого применения отбросного тепла (тепло, полученное из пара, отобранного от турбины, по существу не является отбросом), если будет осуществлена практически идея теплового трансформатора, разработанная теоретически немецким инж. Кенеман, или идея французского инж. Клода об использовании небольших температурных перепадов.
Литература: „ Типизация паровых турбин и тепловые схемы больших электростанций“4 (ч. M, под. ред. А. Г. Горянова, 1933); проф. В. В. Дмитриев, „Электрические силовые установки44, 1929; «Принципы проектирования типовых электростанций44 (коллектив авторов под редакцией Н. И. Сушкина., 1933); инж. Б. Л. Шифринсон, „Теплофикация горо-дов“ {1929); А. Н. Румянцев „Технические показатели кялькуляций продукции ТЭЦ“ (1933); Б. М, Якуб, „Теплоэлектроцентрали“ (1933); Л. Л. Гинтер, „Теплофикация центрального района г. Москвы44; «Труды конференций теплофикации44—Всесоюзной (1931), 1-й Ленинградской (1933); „Труды мировых энергетических конференций41; „Kraftund Warmewirt-schaft in der Industrie“, Preutlinger-Gerbel (1927; pyc.
; перевод, 1929); „ Alrwarmetecbnik“. 3 Bander, Ham
Balcke, 1928—1929. Готовится к изданию в 1931 г.: „Тепловое р&й >нирование“. Из л. Инженерно-экономической секции НИС Моек, энерг. института.
С. Купель-Краевский.
VII. Коммутация электрических станций и выбор аппаратуры. 1. Схема электрического соединения станции гл. обр. определяется ее назначением и мощностью. В настоящее время станции с электрической точки зрения делятся на станции постоянного и переменного тока. Последние же в свою очередь разделяются: 1) на станции городские, фабрично-заводские, обслуживающие относительно ограниченный
10,15 кв. и распределяющая ее при том же генераторном напряжении посредством кабельных или воздушных линий с тем, чтобы на месте потребления произвести с помощью трансформаторов понижение напряжения до значений, необходимых для применения в двигателях или других электрических приемниках. На схеме В представлена тепло-электроцентраль, причем связь с районом, обладающим самостоятельной электрической станцией, осуществляется либо непосредственно, либо посредством особых вегулируе-мых трансформаторов, могущих пере-
Рисунок 1.
круг потребителей с генераторным напряжением (до 10.500 в) без его повышения, 2) на районные, подающие энергию высоким напряжением (до 220.000 в), для чего необходимо иметь особые повысительные трансформаторные подстанции, и, наконец, 3) на теплоэлектроцентрали, электрически связанные с одним из первых типов. Это разделение станций на три основные типа может быть легко уяснено, если проследить по схеме рисунок 1 различие в способе доведения энергии до потребителя с применением повыситель-ных трансформаторов или без них. На схеме А представлена городская или фабрично-заводская станция, производящая энергию при напряжении дсдавать энергию не только в район, но и брать таковую из района, когда не существует баланса между тепловой и электрической мощностями станции. Наконец, на схеме С изображена районная централь, подающая всю энергию через повысительный трансформатор по линии электропередачи к потребителю. На всех схемах стрелками показано направление течения энергии.
В настоящее время различают схемы: а) принципиальные, дающие представление о направлении течения основной энергии; б) однолинейные, с показанием всех приборов и аппаратов как последовательного, так и параллельного соединения, с необходимыми подробностями, достаточными для составления спецификации; в) трехлинейные с показанием полного соединения всех элементов установки как на стороне высокого, так и низкого напряжения, как переменного, так и постоянного тока; и г) монтажные.
Каждая установка должна обладать принципиальной схемой, обеспечивающей наиболее целесообразную связь основных ее элементов, облегчающей зксплоатационные переключения и дающей надежность коммутационных манипуляций при авариях. В то же самое время остановка, построенная по этой принципиальной схеме, должна быть технически совершенной и рентабельной в нормальной эксплуатации.
дальнейшем мы рассмотрим гл. обр. принципиальные схемы, как уясняющие картину путей протекания энергии, и отчасти остановимся на однолинейных схемах, необходимых для выбора аппаратуры на станциях.
Схемы станций, вся энергия которых коммутируется на генераторном напряжении, применяются для городских и фабрично-заводских станций и отчасти теплоэлектроцентралей. При постоянном токе и применении шунтовых генераторов схема станции будет черезвычайно проста (рисунок 2). Для включения на параллельную работу предусмотрена на минимальномвыключателе А, лампа, по погасанию которой при замкнутом рубильнике В, и равенстве напряжений между точками 1-2 и 3-4 можно судить о совпадении полярностей двух машин, то есть о возможности выключения. Минимальный автоматический выключатель тока поставлен для защиты генератора от перехода его на работу двигателем. Вместо простого рубильника J5, молено было бы поставить максимальный автомат, регулируя его на допустимый ток перегрузки. В этом случае предохранители будут защитой от короткого замыкания и действуют при неисправности максимального автомата. Перевод нагрузки от одного генератора на другой производится изменением их возбуждения, как это известно из рассмотрения параллельной работы машин постоянного тока (ш. электротехника—электрические машины).
Нагрузка станции в течение суток и в различные времена года не остается постоянной, но меняется в зависимости от характера потребителя и условий отпуска энергии (тариф). Для наилучшего использования машин на станциях постоянного тока обычно употребляют для совместной с ними работы емкостную аккумуляторную батарею, которая отдает энергию в периоды максимальных нагрузок и заряжается свободной мощностью машин в периоды слабой нагрузки станции. Величина аккумуляторной батареи определяется в каждом отдельном случае особо, в зависимости от условий эксплуатации и стоимости ее установки и ухода за ней. Из схем станций постоянного тока с аккумуляторной батареей мы рассмотрим одну, наиболее распространенную. Как известно, аккумуляторная батарея состоит из отдельных элементов, соединенных последовательно,поэтому ее напряжение определяется формулой TJ—e-n, где е—напряжение одного элемента, а п—их число. На станциях при станционарных установках употребляются почти исключительно свинцовые аккумуляторы (смотрите I, 587 сл.). Наименьшее напряжение разряда, допускаемое для элемента без опасности повреждения его, равно 1,8 или 1,83 в, максимальное зарядное напряжение будет 2,55,иногда2,7в. Напряжение при начале разряда равно 2Д в, устойчиво держится на 2 или 1,9 в и затем медленно спадает. Выгоднее разряжать батарей малым током; например, при разряде в течение 7,5 часов емкость на 30% больше, чем при разряде в 3 часа. Коэффициент полезного действия аккумуляторной батареи по киловаттчасам равен от 0,7 до 0,855, а по амперчасам от 0,88 до 0,92. Минимальный зарядный ток не должен быть ниже соответствующего восьмичасового разрядного и максимальный зарядный—не выше двухчасового разрядного.
Аккумуляторные батареи по назначению распределяются на: емкостные, буферные и вспомогательные. Назначение емкостных батарей отмечено выше; буферные, работая параллельно с генераторами, воспринимают на себя все кратковременные толчки нагрузки, тем разгружая генераторы и уменьшая потребную мощность станции. Вспомогательные употребляются для обслуживания собственных нужд электрических станций переменного тока, снабжая энергией от независимого источника сигнальные, обслуживаемые на расстоянии и иные приспособления.
На рисунке 3 представлена схема такой вспомогательной батареи с зарядным аггрегатом. Включая рубильник А, мы присоединяем аккумуляторную батарей к сети, и ток разряда от ее плюса через верхнюю ручку элементного коммутатора, плюсовую шину, сеть, минусовую шину, амперметр (указатель направления тока) и предохранитель попадает в минус батареи. Роль двойного элементного коммутатора (в более простых схемах он может быть одинарным) заключается в том,чтобы, с одной стороны, включая большее или меньшее число элементов аккумуляторной батареи, поддерживать постоянное напряжение при разряде, а затем, при одновременной работе генератора на сеть и заряд батареи, обеспечить нормальное прбтекание последнего, так как к нему подведены ответвления от некоторого числа элементов.
Всякую схему с аккумуляторной батареей необходимо рассматривать с точки зрения выполнения ей следующих основных режимов работы: 1) машина одна работает на сеть, 2) аккумуляторная батарея одна работает на сеть, 3; машина и батарея работают параллельно, 4) машина заряжает батарею, и 5) машина заряжает батарей и одновременно питает сеть. Рассматривая нашу схему, мы видим, что для первого режима необходимо переключатель К поставить влево и замкнуть минимальный автомат 2. Второй режим осуществляется включением рубильника А при отключенном К и 2. Переключатель К для третьего режима стоит вправо, а генератор при доведении его напряжения до напряжения батареи помощью минимального автомата 2 присоединяется параллельно
СетЬ
+
н~
к сети, причем для этого нужно, чтобы ручка элементного коммутатора ставилась бы всегда на таком элементе, чтобы батарея давала напряжение, равное напряжению шин. Четвертый режим осуществляется так же, как и предыдущий. В этом случае ток протекает от плюс генератора через верхнюю ручку Zu плюс батареи, проходит батарею, заряжая ее, и далее, через указатель направления тока, выключатель А возвращается через минусовую щетку в генератор, Необходимо помнить, что аккумуляторная батарея не меняет свои полюса—заряжается или разряжается она, меняется только направление тока; поэтому всегда плюс генератора соединен с плюсом батареи, а минус первого с минусом второй. При отключенных внешних фидерах мы напряжение генератора поднимаем до напряжения, необходимого для заряда, то есть до 2,45 в на каждый элемент батареи. Самым сложным режимом является пятый. В рассматриваемой схеме он осуществляется при постановке переключателя К вправо. Так как для заряда необходимо повышать напряжение генератора, а для питания внешней сети держать его постоянным, то одновременно удовлетворить этим противоречащим требованиям можно следующим образом. Разрядную ручку Zt элементного коммутатора ставим так, чтобы между ней и точкой А было нормальное напряжение сети, и все время его поддерживаем постоянным, передвигая первую. Замыкая выключатель 2 при В, стоящем вправо, зарядную ручку Z2 ставим на крайний разряженный элемент и напряжение генератора регулируем таким образом, чтобы через батарей шел нормальный зарядный ток (его величина указывается заводом, поставляющим аккумуляторы). Тогда разница, между напряжением генератора и сети будет падать на элементы, заключенные между ручками Zx и Z2 коммутатора. Ток генератора, попадая в ручку Z2, проходит эти элементы, разветвляется на том из них, где стоит ручка Zb причем одна часть его, равная нормаль, ному зарядному току, проходит батарею, другая, равная нагрузке сети, через ручку Zx отправляется в сеть.
Оба тока соединяются в точке В и че-г рез выключатель 2 замыкаются на минусовую щетку генератора. Такая работа возможна только тогда, когда ток сети, являющийся током перегрузки для элементов между ручками коммутатора, не будет больше 25% зарядного тока.
Способ заряда (режим четвертый и пятый) осуществляется здесь помощью повышения напряжения у зарядного генератора. Недостатком его является необходимость иметь генератор с широкой регулировкой напряжения (от 1,83 и Vдо 2,5 и V, где и —число элементов батареи), то есть с большим количеством железа и малым насыщением. Такие машины стоят гораздо дороже, чем обычные. Вторым способом заряда является деление батареи на две или три части, причем последний более экономичен. Если обозначить части батареи через А, В и С, то сначала для заряда соединяют последовательно А с В, затем 1 с Си, наконец. В с С. Так как нормальное напряжение при осуществлении режима пятого будет выше, чем потребное для заряда двух частей батареи, то необходимо в зарядную ветвь последовательно включить регулируемое сопротивление, которое поглощает разницу напряжений. Этим вызываются добавочные потери, и в результате получается меньшая экономичность этого способа по сравнению с первым.
Наиболее совершенным способом заряда при удобстве манипулирования и легкости перехода от работы с одного режимана другой являетсяспособс применением вольтодобавочной, машины.
Из схем станций переменного тока мы рассмотрим только наиболее часто употребляемые. Самой простой для низкого напряжения будет схема, изображенная на рисунке 4, которая в основном пояснений не требует. Синхронизирующее приспособление, состоящее из лампы и нулевого вольтметра, включено между генератором и шинами. Тогда при постановке переключателя на контакты а и b мы осуществляем соединение между соответственными 2 и 11 фазами генератора и шин, а между 1 и I включаем фазовую лампу и страхующий ее работу нулевой вольтметр. При затухании лампы и нулевом показании вольтметра можно включать рубильник генератора II. Так как напряжение на шинах получается только при включенном рубильнике генератора I, то синхронная работа с шинами соответствует синхронной работе двух
генераторов. Прибавляя контакты у вольтмьтрового переключателя, мы можем осуществить синхронизацию между несколькими машинами. Подобный способ включения генераторов на параллельную работу возможен только после того, как найдено соответствие фаз шин и генератора, то есть известен порядок чередования фаз.
Для станций высокого напряжения необходимо синхронизирующее приспособление и все измерительные и контрольные приборы включать через особые измерительные трансформаторы тока и напряжения (смотрите электротехника — электрические измерения)-Так как, согласно стандарта, наивысшее напряжение генераторов переменного тока, изготовляемых в Союзе, не должно быть больше 10,5 квт, то естественно возникает вопрос о тех предельных значениях мощностей параллельно присоединяемых генераторов, которые ограничиваются, с одной стороны, надежностью устройства собирательного и распределительного сооружения, а с другой—удобством и бесперебойностью экеплоатации. Многочисленные подсчеты и практика применения высоковольтной аппаратуры показали, что сосредоточивание на шинах напряжением 6 квт генераторной мощности более 25.000 квт, а на шинах напряжением 10,5 более 50.000 квт.
является практически совершенно неосуществимым. Если поцсчитать нормальный ток для первого и второго случаев, то мы получим величины порядка 2.500 амп. Для еще больших токов самая ошиновка является уже затруднительной. Но с этим можно было бы справиться помощью специальных мероприятий, если бы не те трудности, с которыми связано само конструирование аппаратуры, наделено работающей при дефектах и коротких замыканиях в системе. Получаемые термические и динамические усилия так велики, что при выходе из указанных пределов мощностей гарантировать бесперебойность и спокойную работу установки не представляется возможным.
В случае, когда необходимо коммутировать еще большие мощности на генераторном напряжении, как это имеет место при снабжении больших фабрично-заводских комбинатов (типа Магнитогорск и прочие), приходится идти на целый ряд мероприятий, обеспечивающих надежное решение задачи. К числу наиболее часто применяемых приемов относится деление собирательно-распределительных шин на несколько отдельных секций, питаемых генераторами общей мощностью равной цифрам, указанным выше (в зависимости от напряжения) и соединенных между собой реакторами, то есть реактивными сопротивлениями, уменьшающими величину тока короткого замыкания до пределов, которые вызывают допустимые термические и динамические напряженности в аппаратуре, и поддерживающими напряжение в установке при коротком замыкании за ними.
Из особо распространенных схем коммутации мощных станций на генераторном напряжении укажем на системы—прямую (А), кольцевую (В) и звезду (С), изображенные на рисунке 5.
В нормальных условиях (схема А) мощность фидеров каждой секции соответствует мощности генераторов, ее питающих, так что никакого протекания значительного тока через реактор нет, но система находится в состоянии параллельной работы. При выпадении одного из генераторов питание фидеров переходит к остальным,
при чем энергия, прежде чем попасть на секцию с отключенным генератором, должна пройти один или два реактора, в зависимости от того, но какой секции выпал генератор. Таккатс в реакторе при прохождении через него тока тратится напряжение, то на разных секциях, а значит и у приемников, включенных в них, будут различные напряжения,
потерей напряжения, но все же не является свободной от некоторых недостатков, например в случае расширения станции при кольцевой системе необходимо нарушить условия нормальной эксплуатации и произвести большие переделки.
В схеме С (звезда Скотта) указанные недостатки отсутствуют, так как
Отход фидера
4 секция 2сег(и,ия Зсе/Лх,и.я
u/iu
225м$а
Я

1

1 2 cotyuе

О

О

и

1 1

© © ©
I I 1
I /сеяц.ая |£секция
ЗсЫи,и.~
Рисунок 5.
что является недостатком схемы А. При коротком замыкании на одной секции напряжение на других, отделенных от места повреждения реакторами, не упадет до нуля, а будет несколько снижено до тех пор, пока выключатель, включенный последовательно с реактором, не произведет отключения больпри выпадении одного из генераторов питание этой секции берут на себя в равной доле все генераторы через два реактора, работая в идентичных условиях, результатом чего будет одинаковое напряжение на всех секциях, кроме больной.
Недостатком схемы звезды является
Рисунок 6.
ной секции. Это действие реактора мы; поясним несколько ниже.
Отмеченные недостатки схемы А особенно резко выступают в эксплуатации, когда число секций будет больше трех. В таком случае лучше перейти к схеме В или С, вообще говоря равнозначущим по своим достоинствам. Схема В (кольцо) обладат большими преимуществами перед схемой А в смысле надежности питания любой секции от соседних с меньшей
j необходимость в особой шине, на которую включаются концы всех реакторов. Действие реактора в смысле его благоприятного влияния на поддержание напряжения на здоровых секциях можно проследить на рисунке 6, представляющем часть прямой или кольцевой системы. Допустим, что у нас на 2-ой секции в точке К произошло короткое замыкание. Генератор 2, снабженный автоматическим выключателем, по-истечении времени выдержки релеотключится. Питание точки К генераторами 1 я 3 происходило через реакторы, то есть уменьшенными по сравнении с генератором 2 токами. Напряжение на 1 и 3 секциях от нормального нор. упало до Пост., но не спустилось до нуля, так как главное падение, как видно из. чертежа, происходит в реакторах. Это остающееся напряжение может быть подсчитано по формуле:
Хрост. v нор. Х2 4- ’
где Хр и Х2 соответственно обозначают реактивные сопротивления реактора и генератора секции (если последних на секцию несколько, то надо взять их общее, результирующее сопротивление).
Пропускная- способность реакторов при прямолинейной кольцевой системе берется 75°/0, а при звезде—100% мощности одного генератора и при индуктивности реактора равной до 10%; это значит, что при прохождении соответственного тока, принятого за нормаль-I X
ный, отношение -100 =Х% будет
U нор.
равно 10%. Здесь UROp обозначает нормальное фазовое напряжение установки.
Районные электрические станции в зависимости от того, снабжают ли они энергией отдаленные или близлежа-
В отличается тем, что станция оборудована 3-хобмоточными трансформаторами и одновременно может отпускать энергию напряжением 110 кв и 38 кв, причем первым снабжаются отдаленные, а вторым близлежащие потребители. Наконец, схема G дает иное решение той же задачи. Каждая система напряжений имеет отдельные блоки (генератор, трансформатор), а для взаимного резервирования устанавливается генератор с трехоэмоточным трансформатором или особый трансформатор связи, который, в виду того, что направление энергии может меняться и он работает как понижающий и повышающий (реверсирование), берется регулируемым.
Иногда районные станции, находящиеся в центре потребления и снабжающие отдаленных потребителей, могут коммутироваться по схеме,позволяющей одновременно или разновременно работать как на генераторном напряжении, так и через трансформатор (рисунок 8).
Схема рисунок 8 А изображает обычно применяемое устройство для подобного рода станций. При этом необходимо иметь в виду, что общая мощность параллельно работающих на генераторном напряжении машин не должна быть больше при 6.000 в 25.000 квт, а при 10.500—50.000 квт, по причинам,
щиб центры потребления, могут иметь несколько принципиальных схем, обобщенных на рисунке 7. Схема А представляет собой принципиально выдержанное устройство, по которому генератор и трансформатор представляют единое целое, то есть рассматриваются и включаются как единица, как блок. Схемаизложенным выше. Каждый генератор может работать на шины местных фидеров или на линии электропередачи, или на те и другие вместе. Схема рисунок 8 В в своей правой части представляет обычную станцию, снабженную двойной системой полос на генераторном напряжении, от которых питаются .местные фидера. Повысительные для линий передач трансформаторы рассматриваются как подобные лее фидера. Эта система применима тогда, когда мощность каждого генератора больше
Линии передачи.
Рисунок 8А.
потребления линиями высокого напряжения. Если же мощность, потребляемая трансформатором, с течением
времени возрастает и начинает близко подходить к мощности генератора, то устраивают перемычку, замыкая разъединитель К и отключая выключатель И с соответствующими разъединителями. Тогда генератор и левый трансформатор будут работать как единица, как блок, а правая часть питать местные фидера. Междушинный выключатель А может быть применен как резервный для любого из выключателей, для чего следует замкнуть его оба разъединителя, а ответвление (фидер или трансформатор) перевести на другую систему шин. Допустим, мы работаем на верхней системе шин и испортился фидерный выключатель В. Включая выключатель А, мы при заложенных его разъединителях даем напряжение на нижнюю систему шин. Закладывая разъединитель 2 и отключая 1, мы фидер перевели на питание с нижних шик, после чего можно отключить выключатель А. Если после осмотра оказалось, что выключатель В испорчен и непригоден к работе, то на нем делают перемычку (смотрите пунктир) и продолжают работать через выключатель А. Так. обр., шинный соединительный выключатель А является необходимой принадлежностью при двойной системе шин, применяемой всегда на ответственных станциях. Для уменьшения сечения сети и облегчения аппаратуры у потребителей при мощных генераторах на каждом фидере ставят реактор подходящей реактивности (порядка от 3 до 10%).
К числу ответственных потребителей всякой электрической станции относятся приводные механизмы самой станции, объединяемые под названием „собственные нужды“. Для их удовлетворения применяются различные схемы снабжения. Наиболее распространенной является схема питания от главных собирательных шин непосредственно или через понизительный трансформатор. В целях исключения влияния неисправностей в системе собственного расхода на главную установку и обратно, применяют отдельные турбогенераторы, так называемые домашние, от которых совершенно изолированно питаются собственные нужды. Однако, домашняя турбина, имея мощность до 10 °/о главных, является менее экономичной в работе, и производство ей одного квтчаса обходится дороже получаемого от главных шин. Иногда, в целях разделения всей установки на отдельные части, независимые от неисправностей в других, применяют особые домашние генераторы, сидящиена валу с главными и снабжающие энергией двигатели всех вспомогательных механизмов, принадлежащих только к соответствующей части установки. Котел (или группа в несколько котлов), турбо-генератор, трансформатор и линии являются составными элементами одной части станции, т. н. блоком, собственные нужды которого и обслуживаются этим домашним генератором. Современная тенденция применения для приводов собственных нужд коротко замкнутых асинхронных двигателей больших мощностей (порядка 1.000 квт) обусловливает предпочтение системе питания от главных шин.
Выбор той или иной схемы электрического соединения на станции зависит от ее мощности и назначения, местонахождения приемников и соотношения мощностей, подаваемых при различных напряжениях. Коммутационная схема каждой станции должна обеспечить наиболее целесообразную связь основных ее элементов, облегчить эксплоата-ционные переключения и обеспечить надежность манипулирования при нормальных условиях и при аварии. Кроме того, установка, построенная по данной электрической схеме, должна быть технически совершенной и рентабельной в нормальной эксплуатации.
2. Выбор аппаратуры на электрических установках производится, принимая во внимание величину нормального напряжения, нормальную силу тока, характеризующие нормальный режим работы и значения токов короткого замыкания и возможных перенапряжений для ненормального или аварийного режима установки. Ниже мы приведем ряд соображений, связанных с выбором некоторых наиболее важных элементов оборудования.
Наиболее простой аппарат—выключатель, служащий для разрыва цепи под током, в том или ином виде известен всякому. Детали устройства его зависят от величины силы тока и напряжения, то есть разрываемой мощности. Основное требование к контактам выключателя заключается в том, чтобы они при прохождении нормального тока не перегревались выше 50° сверх окружающей среды. Температура перегрева зависит от величины переходного сопротивления между контактами, которое может быть приближенно выражено формулой:
где К — постоянная, зависящая от материала и обработки контактов, F— поверхность соприкосновения, р—давление в килограммах1см и Р-общее давление в килограммах. Конечно, этот закон справедлив только в известных пределах; для щеточных контактов, например, до тех пор, пока каждая пластина прижата всей своей поверхностью соприкосновения. Если далее увеличивать давление, то угол наклона каждой пластины и всей щетки уменьшается, и поверхность соприкосновения также уменьшается. Хотя произведение из поверхности на давление остается постоянным, но переходное сопротивление возрастает. Так как стечением бремени контакты всегда окисляются, то при расчете переходного сопротивления и возможного падения в них напряжения, а значит и температуры, рекомендуется для надежности в расчет вводить трехкратную величину значений для коэффициента К, даваемых обычно в таблицах.
Плотность тока в выключателе, кроме переходного сопротивления,зависит от условий и поверхности охлаждения, величины выключателя и прочие и колеблется в широких пределах от 0,1 до 0,2 А!мм
Рубящие выключатели строятся до 400 А, щеточные же до сил токов в 10.000 А. При наличии воздушного выключателя защита установки от перегрузки и токов короткого замыкания осуществляется помощью предохранителя, состоящего из конструкции, поддерживающей плавкую вставку и позволяющей легко заменять последнюю при ее перегорании. Широко известный предохранитель на цоколе из шифера или мрамора и предохранитель е проходными болтами для крепления на распределительной доске установки употребляются наиболее часто.
Подобные конструкции, употребля-ыые для сил тока порядка до 4.000 А, монтируются за распределительными досками, так как при сгорании вставки материал последней (свинец, сплаволова и свинца) частью образует газообразные продукты, частью же разбрызгивается и может явиться причиной несчастья с обслуживающим персоналом. Исключение составляет вставка из серебра, при сгорании не выделяющая почти совсем газов, закапчивающих окружающие аппараты распределительного устройства. Смена сгоревшей вставки производится помощью гаечного ключа, причем схему соединения установки необходимо так осуществлять, чтобы эта работа не была бы производима под напряжением. Если хотят смену вставки выполнять более удобно, то останавливаются (для рабочих токов до 1.000 А) на конструкции рубящих предохранителей. Предохранители с плавкими вставками употребляются для напряжений до 750 вольт.
Сила тока, плавящая предохранитель, определяется по формуле Приса
1~ а у d3,
где d—диаметр проволоки в миллиметров, а а— для меди равно 80, для свинца -10,8, для олова —12,8 и сплава 2 частей свинца и 1 части олова—10. Наиболее легкоплавкими материалами являются олово и свинец. Последний наиболее дешев и легче поддается обработке. Наиболее совершенным предохранителем является серебряный, но он дорог и употребляется только в ответственных установках. Самыми распространенными вставками являются свинцовые и состоящие из сплава 2 частей свинца и одной части олова или 60% свинца и 40% олова (вставка Эдисона).
Падение напряжения на предохранителе не должно быть при прохождении нормального тока выше десятых долей вольта.
Недостаток защиты установки помощью предохранителей заключается в том, что при быстром сгорании их они являются причиной перенапряжения. Особенно это заметно в установках постоянного тока. При включении нескольких предохранителей последовательно нет уверенности, что сгорит ближайший к месту короткого замыкания, так как предохранитель имеет зависимую характеристику, то есть время его сгорания зависит от силы тока,
переходя при больших значениях последнего в мгновенные. Предохранитель выбирается с таким расчетом, чтобы при токе, превышающем нормальный на 100%, он расплавлялся бы в течение одной минуты. В ответственных установках постоянного тока их заменяют поэтому автоматическими, а в установках переменного—низкого напряжения очень часто, а высокого всегда—масляными выключателями.
Наиболее часто встречаются на станциях автоматические выключатели: а) максимальные и Ь) минимальные, включаемые в рассечку проводов. Как показывает само название, одни действуют при достижении верхнего, а другие—низшего пределадопустимойи возможной по условиям эксплуатации силы тока. На рисунке 9 даны наиболее
простые конструкции подобных автоматов. Максимальный выключатель (слева) обладает катушкой „Мах“, через которую протекает рабочий ток. Если сила последнего превзойдет наперед заданные пределы, то находящийся сверху катушки якорек притянется, освободит защелку, и выключатель под действием груза G и нижней пружины будет выключен. Установка тока выключения производится натяжением пружинки, соединенной с якорьком. Справа дан минимальный автоматический выключатель, который прервет цепь рабочего тока, если величина последнего упадет ниже наперед установленного предела. В этом случае сила тока, обтекающего катушку „Min“,
будет недостаточна, чтобы удержать якорь, укрепленный на ручке автомата, и он под давлением груза и нижней пружины будет выключен. Установка тока выключения производится изменением величины груза G и натяжением нижней пружины. Минимальный автомат силы тока ставится для защиты параллельно работающих источников постоянного тока от обратного тока, то есть для исключения возможности перехода электрической машины от работы генератором к работе двигателем, что особенно опасно при поршневых первичных двигателях.
Максимальный автомат для больших сил тока схематически представлен|
Рисунок 10.
на рисунке 10. Рабочий ток протекает через электромагнит 8, воздействующий на рычаг h, который при своем отклонении вниз освобождает защелку Р и выключает щеточные контакты в автомате, пользуясь натяжением пружины F. Кроме основных подвижных щеточных контактов и неподвижных главных % и а2, существуют вспомогательные контакты: подвижной с и неподвижные и составляющие в совокупности т. н. искрогаеительное приспособление. Последнее включено параллельно основным контактам и действует при выключении, несколько запаздывая от главных. Тогда дуга размыкания образуется на вспомогательных контактах, которые при частом выключении больших токов сильно обгорают и потому делаются из меди или угля легко сменяющейся конструкции. Регулируя натяжение пружины f, мы производим установку тока выключения. Воздействием рукой вниз на ручку G мы можем выключить автомат по своему желанию. Последовательно с вспомогательными контактами включаются две катушки электромагнита т, и т2, осуществляющего магнитное гашение дуги, используя для этого принцип электромотора постоянного тока. Известно, что если мы имеем проводник с током, то при наличии магнитного поля мы будем иметь движение проводника по правилу трех пальцев левой руки.
На рисунке 11 изображена в несколько ином виде верхняя часть максимального автоматического выключателя с рабочими контактами с и с (не-подвиж-
Рисунок 11.
ными) и d (подвижным) и вспомогательными Ь и b (неподвижными) и d (подвижным). Здесь же имеются два электромагнита к я к, осуществляющих магнитное гашение. Если созданное ими поле имеет направление за чертеж, а ток дуги—слева направо, тогда механическое воздействие на дугу (аналогично проводнику с током) будет направлено вверх, выдувая последнюю, то есть гася ее.
При очень больших силахтока(4.000А) и высоких напряжениях (1.200 в) место гашения дуги разделяется изолирующими огнеупорными плоскостями на несколько малых дуг, облегчая тем их магнитное гашение. Установка тока выключения в автоматических выключателях производится от 50 до 150°/, от нормального.
В установках переменного тока низкого напряжения возможна также для защиты их от перегрузки и короткого
Рио. 12.
замыкания установка воздушных ав-тематических выключателей. Предпочтительней, однако, по удобству обслуживания и надежности в работе на станциях переменного тока от 525 вольт и выше устанавливать масляный автоматический выключатель, представляющий собой обычный выключатель, опущенный в масло (рисунок 12). При расхождении контактов, масляного выключателя между ними при разрыве цепи под током появляется дуга, разлагающая и испаряющая масло и протекающая таким образом в газовой среде. Давление последней повышается и заставляет кожух изгибаться, ставя тем требование к достаточной механической прочности последнего. Над контактами должна быть достаточная высота масла, чтобы газы, уходя вверх, успели остыть; иначе они, соединяясь с воздухом, могут явиться; причиной взрыва масляника. Разрыв переменного тока происходит в современных конструкцияхнаделено в течение, примерно, -
0,03 сек. Однако, этого времени _
достаточно, чтобы образоватьвнутри большое количество газа, -
об отводе которого необходимо также позаботиться. В настоящее время в связи с имевшими место взрывами масляных выключателей начали применять всевозможные усовершенствования в конструкции; масляное дутье, деионные решетки и различные безмасляные выключатели — деион, со сжатым газом и с расширением паров жидких смесей. Все они, хотя и стоят дороже масляных выключателей, но обладают высокоценным свойством, надежной работы без риска взрыва. Чтобы сделать масляный выключатель автоматом, применяют так называемым реле, то есть особые аппараты, замыкающие контакты а и Ь вспомогательной цепи постоянного тока, в которую введена выключающая катушка
if масляного выключателя В согласно схеме (рисунок 13). Если в сети будет перегрузка, то через обмотку максимального реле МР пройдет ток выше нормального, якорек максимального реле втянется и замкнет контакты а и Ь, то есть постоянный ток обтечет выключающую катушку М, которая подействует на защелку или иное приспособление, удерживающее масляный выключатель во включенном состоянии, и под влиянием напряжения пружины F масляный выключатель будет выключен.
Величина тока выключения устанавливается в различных реле различными способами; помощью пружин, грузов и так далее Подобные реле можно выполнять также с установкой на время, если по условиям эксплуатации необходимо осуществить не мгновенное выключение, а с выдержкой времени. В настоящее время имеется целый ряд всевозможных реле, помощью которых обеспечивается надежность работы всех элементов установки и которые имеют своей основной задачей сообщить станции автоматичность и селективность защиты, гарантирующейгкм
шх>-
L
МР
~5~gl
МР
L
Рпе. 13.
отключение со всех сторон питания дефектного участка.
Реле бывают для защиты от: 1) перегрузки, 2) замыкания на корпус в генераторе, 3) замыкания между витками отдельных фаз или витков одной из фаз, 4) повышения или понижения напряжения и т. д„ причем управляющим является сила тока, напряжение установки, напряжение смещения нулевой точки, мощность и ее направление, сопротивление полное (импеданц) и индуктивное, разность и сумма токов и так далее В каждом отдельном случае как характер защиты, так ее установка по времени и чувствительность должны быть предметом подробного обдумывания, так как неосторожность или непродуманная поспешность в деле установления защиты может быть причиной тяжелых повреждений и аварий при эксплуатации.
Для реле, счетчиков, ваттметров и прочих измерительных приборов при переменном токе с напряжением выше 525 вольт необходимым является применять не шунты, а трансформаторы тока, включаемые в рассечку проводов. Трансформатор тока представляет собой замкнутый железный сердечник (во избежание больших токов Фуко набранный из листового железа), на котором намотаны две обмотки: первичная, обтекаемая рабочим током, с малым числом витков, и вторичная— с большим числом витков, причем таким, чтобы в ней проходило при полной нагрузке первичной обмотки пять ампер, реже 1 или 10 амп. Таким образом отношение числа витков вторичной и первичной обмоток будет равно отношению пяти к величине нормального тока установки. Для безопасности обслуживающего персонала необходимо заземлять один конец вторичной обмотки трансформатора тока.
Общий вид трансформаторов тока на 500 — 1.000 А показан на рисунке 14.
Рисунок 14.
Значение в 5 А во вторичной обмотке взято для возможности точных измерений приборами на 5 А и 110 в Поэтому добавочные сопротивления для обмоток напряжения киловаттметра,
счетчика и вольтметра выполняются с тем расчетом, чтобы на зажимах прибора было всегда 110 в На станциях с напряжением 525 в и выше ставят для понижения напряжения в измерительных приборах до 110 в особые понизительные измерительные трансформаторы напряжения.
Как было указано ранее для автоматического выключения, включения на расстоянии необходимо иметь источник постоянного тока, независимого от напряжения установки. В качестве последнего употребляются аккумуляторные батареи или гальванические элементы напряжением от 110 до 240 в.
Для сбора и распределения электрической энергии на электрических станциях малой мощности устраиваются особые полосы, именуемые часто шинами. Они выполняются обычно из меди, алюминия и редко железа. Величина их сечения определяется, исходя из соображения допустимого нагревания сверх окружающей среды, но не выше 40°С. Имея величину установленной мощности на
станции и вычисляя возможную наибольшую силу тока установки, мы по существующим для этого таблицам определяем сечение шин, при котором перегрев их не будет выше допустимого. Если получается несколько полос, то расстояние между ними помощью деревянных или медных прокладок на опорном изоляторе делается обычно равным толщине каждой полосы. Крепление шин производится на особых опорных изоляторах, снабженных сверху так называемыми шино-дер жителями, некоторые конструкции которых показаны на рисунке 15. Необходимо стремиться к тому, чтобы крепление шин было надежно, так как прикоротком замыкании получаются большие электродинамические усилия между шинами, вызванные прохождением больших токов. Расстояние между шинами, так же как и между токоведущими неизолированными частями, выбирается в соответствии с напряжением установки.
Высоковольтные масляные выключатели выбираются по: 1) номинальному напряжению, 2) номинальной силе тока, 3) предельной выключаемой мощности при данном напряжении (или предельному выключаемому току при том же напряжении), 4) односекундному току (эффективному), 5) пятиеекундному току (эффективному) и 6) по амплитуде скачка тока короткого замыкания {электродинамическая устойчивость). Первые два показателя пояснения не требуют. Предельной выключаемой мощностью при данном напряжении называется произведение из предельной выключаемой силы тока на напряжение и на ]/з.
Односекундный ток дан в амперах для указания того, что масляные выключатели не должны подвергаться действию тока короткого замыкания, максимальное эффективное значение которого превышает данные, приведенные в каталогах в графе „односекундные токи“. Так. обр. величина допустимого эффективногозначенпя скачка тока короткого замыкания не должна превышать величину „односекундного тока“. Пятисекундный ток, определяющий термическую устойчивость масляного выключателя, нужен для того, чтобы иметь уверенность в надежной работе выключателя после того, как через него в течение / сек. будет проходить какой-то токП, выделяющий определенное количество тепла. При подсчете допустимых величин токов в течение f сек величину тока, указанную в данном столбце (каталог ВЭТ), надлежит разделить на квадратный корень из отношения времени / к 5 секундам, то есть
Возвысив обе части этого равенства в квадрат, будем иметь Pt /=/2кат 5,
то есть количество теплоты, выделяемое током каталога в течение пяти секунд (являющееся предельно допустимым для термической устойчивости масляника), не должно быть больше того количества теплоты, которое выделит ток U, протекая /се к.
В конкретной обстановке данной станции мы имеем установившийся ток короткого замыкания, определенный тем или иным образом (смотрите М. Ф. Поярков, „Электрооборудование ДЭС“). Для определения температуры перегрева токоведущих частей при прохождении тока короткого замыкания имеем для кабеля формулу:
//коп. екач ~
1,8 /уст J
0,6 +
t 0,0063.
Ее можно несколько преобразовать:
t +
//к р. ск V
У 1,8 /уст J
0,6
1 /Ire т -
ИЛИ 0°=157 v ) (< + Af), где At =
/кор. ск
= 1,8 /уст0’6-
Здесь /—выдержка времени реле, а At определяется характером спада кривой тока короткого замыкания в зависимости от времени. Значения /+Д/=/ и It ——/уст, будучи подставлены в формулу для проверки термической устойчивости масляника, определят величину /катал, которая должна быть равна или меньше значений, указанных в графе каталога „пятисекундный ток“. Несколько более точно, но сложнее, эту максимальную пятисекундную величину тока, эквивалентного по своим термическим последствиям действительно протекающему через масляник току /уст в течение /+Д/=/ секунд, можно определить методом Бирманса, пользуясь построенными им кривыми.
Термическое действие тока короткого замыкания, не остающегося постоянным в течение всего времени переходного режима подсчитать, вообще говоря, без ряда допущений черезвычайно затруднительно. Однако, смысл всех приемов определения этого действия заключается в том, что действительное время протекания тока короткого замыкания от его начала до включения заменяется действием постоянной величины установившегося тока короткого замыкания, но длительностью V — 7-f А7сек, называемой .фиктивным временем“ (зависящим от отношения
/кор. ск
Гв/уст’ в течение которого этот установившийся ток выделит то самое количество теплоты, которое за время длительности короткого 7 выделит действительный ток, изменяющийся по своей величине с течением времени. Бирмане построил кривые, изображенные на рисунке 16, которые по действительной выдержке времени реле 7 дают значение „фиктивного времени“ V для трех и двухплюсного короткого замыкания в зависимости от отношения
1а /кор. скач. эфект.
-, где /о=, О -, a Is =/;
1,8
установ-
Например. Пусть новку, в которой- =
мы имеем уста-
/кор. ск. эф.
= 3, вреследнего /кат=/уст
tp
- секунд. 16,0 8.0
14.0 7.0
120 6.0
.,Х “секунд.
to 0.1 01 03 0.4 0.SQ6 07 08 09 10 1.1 12 О 1.4 1.5 1.6 17 1.8 1.9 20 д/Зсраьн
> О 02 О4 06 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 20 2.2 2.4 2.6 28 30 6.2 3.4 3.63.9 4О djl и 2 х-Обозначения „ С -действительное вре/чн кор. замы к &аш,t (р- фиктивное - “ -
йЛ _ кратность тока мгиовеин.кустановившем, и У
Рисунок 16.
При пользовании этими кривыми необходимо только помнить, что они даны для времени неустановившегося режима, равного обычно 2 сек. Если, например, заданная выдержка времени 7=3,5 сек., то фиктивное время находится для 2 сек. и к полученной величине прибавляется 3,5—2=1,5. Найденная общая длительность V и является величиной полного времени действия установившегося тока короткого замыкания, которую и вставляют в формулу 2 2 Iуст V=/катал. 5.
1,8 /устмя выдержки реле пусть будет 7=3,5 сек. По кривой для 3 (цифра справа) находим соответствующее 2 сек. фиктивное время 7=5,3 сек. (для трехполюсного). Тогда полное время 7=5,3-(-+ (3,5—2)=6,8 сек. Подставляя его в вышеприведенную формулу для пятисекундного тока,определяем величину по-
6£.
Для проверки выбранного масляника на динамическую устойчивость необ-димо найти амплитуду скачка тока короткого замыкания, которая определяется величиной односекундного тока (эффективное значение скачка тока короткого замыкания) на некоторый постоянный коэффициент, учитывающий разницу между эффективным значением данной периодической кривой и ее амплитудой. Для синусоидальных кривых этот коэффициент равен, как известно, ]/2. Так как кривая тока короткого замыкания в первые доли секунды не синусоида, то значение этого коэффициента мжно определить следующим образом. Ток короткого замыкания в его неустановившемся режиме может быть приближенно заменен двумя токами — периодической или переменной составляющей и составляющей постоянного знака. Можно положить, что амплитуда переменной составляющей будет равна / =уг2 /эф. перем., как это имеет место при синусоиде. Эффективное значение полного тока короткого замыкания будет равно
=v
2. 2 ./пост + /»ф-
перем
Для самого неблагоприятного момента включения, когда значение постоянной составляющей будет наибольшее, величина ее будет равна величине амплитуды переменной составляющей, и тогда
/пол=Г (1У 2 )2 + эф=1,73 /эф.
пер. пер. порем.
Согласно опытам Рюденберга, величина амплитуды скачка тока короткого замыканиябудетравна/ск=1,8(/2 -1эф,
т пер.
так как предполагается, что постоянная составляющая в течение первой полуволны тока короткого замыкания, когда обе они складываются, претерпит некоторое уменьшение. Беря отношение амплитуды к эффективному значению скачка тока короткого замыкания, мы получим значение этого коэффициента:
1,8 -J/T /эф
ТГ деР
1,73 /эфпер
=1,47.
Американцы считают, что постоянная составляющая в течение первой полуволны тока короткого замыкания не уменьшается и остается равной амплитуде переменной составляющей. Тогда этот коэффициент будет равен:
К=
/с к т
/ск.эф
2-J/2 -/эф пер
1,73 -/эфпер
= 1,63.
Так как за односекундный ток, даваемый каталогом ВЭТ, взято эффективное значение тока короткого замыкания и масляники в СССР делаются по американским конструкциям, то для получения величины тока, определяющего динамическую устойчивость выключателя, необходимо данные для односекундного тока помножить на 1,63. Так. обр., эффективное значение скачка тока короткого замыкания, существующее в данной установке, меньшее, чем данный масляник имеет по каталогу, гарантирует установку в тог, что при коротком замыкании масляник будет в должной мере обладать электродинамической устойчивостью.
Измерительные трансформаторы тока выбираются в зависимости от: 1) классаточности, 2) нормального тока, 3) мощности, 4) термической устойчивости,
5) динамической устойчивости и 6) нормального напряжения первичного тока.
В зависимости от того, какие приборы включены на вторичную обмотку трансформатора тока, то есть требуют они точного показания или нет (к первым относятся измерительные приборы и счетчики, а ко вторым — различного рода реле), выбирается класс точности, к которому должен принадлежать трансформатор. Мощность последнего определяется классом точности и сопротивлением вторичной цепи. Это сопротивление, как состоящее из сопротивления последовательных обмоток включенных проводов (включая переходное сопротивление контактов) может быть легко определено, ибо заводы, изготовляющие приборы, дают сопротивления последних. Сопротивление проводов может быть определено по их длине и сечению, а всех контактов— ориентировочно принимается равным 0,1 ома.
Термическая устойчивость трансформатора тока определяется как способность трансформатора выдерживать без повреждений нагревы, вызываемые током короткого замыкания”. Согласно предыдущему (смотрите выбор масляника) мы имеем l)t’= 5. Если взять величину односекундного тока, то мы будем иметь I2tt =i{ 1, или IyCTf=l 1.
Отсюда легко определить величину односекундного тока и по нем найти термическую кратность по отношению нормального тока. Изготовляемые ВЭТ трансформаторы имеют 85-кратную или иную данную величину.
„ Динамической устойчивостью трансформатора тока называют способность противостоять механическим усилиям, развивающимся при коротких замыканиях”. Динамическая кратность будет поэтому называться отношением амплитуды начальной полуволны к амплитуде нормального тока, то есть
18 У 2 1эф
jr ’ г хиер.
V 2 Хлор.
Величина этого отношения не должна выходить из пределов, указанных в., каталоге.
При выборе трансформаторов тока на подстанциях, питаемых от больших объединений, вопрос о проверке их на динамическую и термическую устойчивость приобретает актуальное значение. Поэтому для маломощных фидеров приходится трансформаторы тока иногда ставить на большую, чем нормальная, силу тока (тогда кратность понижается), и точность защиты тем уменьшается. Последняя работает только при коротких замыканиях, но не при перегрузках. Моясно было бы пойти по пути уменьшения вторичного тока, но это связано с изменением конструкции трансформатора, что с точки зренияааиолимЕиняп СХЕМА коммутации
Зуевскойгоеудввеi встаи рпиоппов электрической с тяниии
Коссипоа
Токоведущие части выбираются по нормальному току и проверяются по термическому и динамическому действию тока короткого замыкания.
Остальные аппараты распределительного устройства подстанции выбираются по нормальному току, нормальному» напряжению, величинам скачка и установившегося тока короткого замыкания, а также по соображениям координации изоляции всей установки.
Выбор изоляторов на станциях производится по нормальному напряжению, напряжению перекрытия и по механическому усилию, которое прихо-
Рио. 17.
стандартности в их изготовлении едва ли молено считать рациональным. Поэтому для защиты от перегрузки фидеров, снабженных реакторами, часто ставят еще добавочные трансформаторы тока после реактора (первые должны стоять до реактора, чтобы отключать фидер при коротком замыкании в самом реакторе), так как там имеются уменьшенные значения кратностей.
При защите трансформатора часто реле перегрузки включают на низковольтной стороне, но заставляют его действовать на масляник стороны низшего напряжения.
дится на каждый из них при коротком замыкании от электродинамического действия амплитуды начального скачка тока. При параллельном размещении шин, с расстоянием между ними в а сайт., усилие на каждый погонный метр длины определяется по формуле:
2,04 (1,8 У 2 -1эф )·
Р =-кг/метр.
а 106 1 1
В заключение для ориентировки в электрических схемах и для примера выполнения мы приведем однолинейную схему Зуевской районной электрической станции (рисунок 17), на которойустановлено три турбогенератора по 50.000 квт. с напряжением 10,5 кв. по схеме генератор - трансформатор — одно целое, или блок. Так как питать энергией необходимо приемники, находящиеся на различных расстояниях, то установлены трехобмоточные трансформаторы 10,5 — 38/115 кв. Шины как второго, так и третьего напряжения взяты двойными. Для питания собственного расхода каждого генератора до повысительного трансформатора предусмотрена отпайка на регулируемый под нагрузкой трансформатор мощностью 7.500 ква, работающий с напряжением 3,5 кв. на соответствующую сборку, выполненную по способу броневого распределительного устройства и питающую соответстствующие приводы для данного блока.
В случае порчи одного из трансформаторов собственного расхода имеется резервный той же мощности, включенный на напряжение 38 кв. и через перемычки на верхних шинах сборки броне-устройетва питающий двигатели любого блока.
Для обслулсивания реле, сигналов, управления на расстояние, аварийного освещения и прочие предусмотрена емкостная аккумуляторная батарея.
Отходящие линии 115 кв. защищены дистанционными реле (БД),радиальные же линии 38 кв. — максимальными (MR), трансформаторы максимальными (MR), дифференциальными реле (DR) и газовым реле Бухгольца (Bh R), а генератор (от перегрузки) — максимальными (MR), включенными ближе к нулю. От замыкания между фазами предохраняет дифференциальное реле (DR), а от заземления (замыкания нй корпус) — реле заземления (ER). Для поддержания напряжения установлен на каждом генераторе автоматический регулятор Тиррилля. Для включения генераторов на параллельную работу предусмотрены две колонки синхронизации, питаемых от трансформаторов напряжения одной из систем шин 115 и 38 кв.
Защита отходящих фидеров с бронесборок собственного расхода произведена максимальным реле, установленным на двух фазах.
Для производства измерений всех электрических величин и контроля изоляции предусмотрены соответствующие приборы, включенные через трансформаторы тока и напряжения.
Литература: Ж. Ф. Поярков. „Центральные электрические станции“; /. G. Tarboux, „Electric Power Equipment“; L. W. Morrow, „Electric Power Stations“; L. Vellard, „Stations centrales et sous-stations“; I. Waltjen, „Schaltanlagen fiir Drestrom-braftverke- Jf. Поярков.
VIII. Передача электрической энергии. Для передачи электрической энергии на расстояние (ср. XXXI, прил. к стб. 487/88) применяется напряжение, величина которого должна соответствовать, во избежание черезмерных потерь, передаваемой мощности и расстоянию. Вообще говоря, с увеличением дальности электропередачи должно увеличиваться напряжение, но при повышении напряжения капитальные затраты тоже повышаются и становятся экономически целесообразными только при мощности не ниже определенной величины. В табл. I показаны ориентировочные величины расстояния и мощности для различных напряжений по линиям заданного сечения (при медных проводах).
Таблица I.
Пределы передачи электроэнергии при различномнапряжении.

Напряжение в киловольтах

Число линий, число проводов и поперечное сечение.

Расстояние

Мощность

60

2ХЗХ 120 и!

100 км.

48 мегаватт

110

2×3×120 миллиметров“

200 „

81 „

200

2×S×210 миллиметров“

400 „

280 „

220

2×з х 400 ММ9

600 „

360 „

380

2XSX 400 ММ

800 „

800 „

В качестве иллюстрации к таблице может служить показанный на рисунке 1 проект схемы высоковольтной передачи, соединяющей норвежские гидростанции с баварскими, хотя эта схема в условиях капиталистического хозяйства и не будет осуществлена. В СССР самая длинная линия электропередачи напряжением в 220 киловольт построена к началу 2-й пятилетки как линия, соединяющая Свирскую гидростанцию с Ленинградом (242 км).
Система передачи электрической энергии состоит из повыситЬльной подстанции, на которой напряжение доводится до требуемой величины,
одной или нескольких параллельных линий электропередач и понизительной подстанции. Если по пути следования высоковольтной линии передачи является необходимым сделать ответвление для передачи части мощности в ту или другую сторону без изменения передаваемого напряжения, то в соответствующих местах устраиваются переключательные пункты. Как правило, на магистральных линиях передач избегают устройства таких переключательных пунктов.
Рисунок 1. Проект соединения электростанций Средней Европы в единую сеть электропередач. Передачу энергии через море между Лааланд и Фемари (120 км) предполагается осуществить кабелем 100 кв. В Лааланд и Фемарн намечены подстанции 380/110 кв.
Для возможности передачи больших мощностей на более далекие растоя-ния часто по пути следования линии передачи устанавливаются синхронные компенсаторы ) (смотрите электротехника-электромашины), задачей которых является компенсировать индуктивные токи и связанное с ними индуктивное падение напряжения. Теоретически рассуждая, путем дифференциальной компенсации вдоль линии передачи можно выравнять напряжения по всему пути линии передачи, причем могут быть заданы весьма
) У нас применяется для этих машин и английский термин: синхронный конденсатор.
значительные расстояния передачи энергии, пределы которой будут поставлены только омическими потерями, связанными с передачей энергии по данной линии передачи, и потерями, вызываемыми работой синхронных подстанций.
Однако, в виду того, что устройство каждой подстанцищсвязано с добавочными расходами, а работа их—с добавочными потерями энергии, то от устройства большого числа таких подстанций обычно отказываются и в обыкновенных условиях ограничива- ются установкой одной или максимум двух подстанций. Это тем более допустимо, если на расстоянии между двумя такими подстанциями электрической энергией от линии передачи не пользуются и если в таком случае падение напряжения на этом участке не имеет практического значения.
Синхронный компенсатор по конструкции своей является синхронной машиной (генератор) и, как всякая вращающаяся электрическая машина, работает на относительно невысоком напряжении (наиболее высокое напряжение, применяемое у генераторов 3-х фазного тока, не превышает 22 т. вольт). Это обстоятельство вызывает необходимость при установке вращающегося синхронного конденсаторауста-навливать также и трансформаторы. Вольт-амперная мощность такой синхронной подстанции зависит от величины компенсируемого индуктивного тока. Чем больше расстояние и чем больше передаваемая мощность, тем больше получится и мощность компенсаторной подстанции.
Классификация электропередач. По своему назначению электропередачи подразделяются на 3 группы: питательные (трансмиссионные), распределительные и соединительные (интер-коннекционные). Принципиальная схема линий этих 3-х групп изображена на рисунке 2.
Питательные линии имеют большую протяженность, когда электростанции находятся на значительном расстоянии от центра нагрузок, например при использовании водных сил. Термическая станция может быть построена либо в центре нагрузки,
либо на месте добычи топлива; в последнем случае питательная линия электропередачи освобождает транспорт от перевозки топлива. Для решения вопроса о том, относить ли станцию к топливу или к потребителю приходится сравнивать стоимость железнодорожного транспорта энергии, заключенной в топливе, с электронным транспортом, то есть транспортом по линии электропередачи энергии, носителем которой является поток электронов. Задача эта гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд, и поэтому в мировой литературе можно встретить много разноречивых выводов из сравнения электронного и железнодорожного транспорта. Наиболее полное исследование этого вопроса составлено в Англии проф. Merchant (журнал The Electrician, 9/YIIf, 1929), у которого заимствована диаграмма рисунок 3 (смотрите также Е. А. Руссаковский, „ Сравнение электронного и железнодорожного транспорта“, Труды I-й всесоюзной топливной конференции 1930 г.). Задача не может иметь общего решения без целого ряда допущений, однако, в большинстве случаев справедливо нижеследующее положение: электронный транспорт выгоднее железнодорожного в случаях, когда станция пользуется низкокалорийным топливом, то есть когда сравнительно велик удельный расход натурального топлива в килограммах на квт-ч. Наоборот, железнодорожный транспорт обычно безусловно выгоднее электронного, когда станция пользуется высококалорийным топливом, и тем выгоднее, чем совершеннее станция, то есть чем меньше удельный расход топлива в килограммах на квт-ч. При прочих равных условиях выгодность электронного транспорта повышается при увеличении числа часов использования станций. Для чисто пиковых паровых станций (смотрите электростанции) длинная питательная линия не может быть, оправдана экономическим расчетом. Для грубых расчетов можно считать ежегодные расходы, связанные с содержанием, амортизацией и оплатой капитала на 1 км высоковольтной питательной линии (100 и более киловольт), по 11 коп. на киловатт в наших условиях. Исходя из этой цифры, мы будемиметь стоимость передачи одного киловатт-часа электроэнергии на расстоянии 200 км: при 2.000 часах годового использования—1,1 коп., при 4.000—0,55 при 6.000—0.37 и при 8.000—0,28. Можно считать расходы на линию электропередачи, включая 6% на капитал, на амортизацию и содержание равными. 15 % от капитальных затрат на сооружение линии. Амортизационный срок считается обычно 30 - 35 лет при железных опорах, для деревянных опор амортизационный срок порядка 10 (только
Рисунок 2. Типовые схемы передачи электроэнергии. Прямоугольник обозначает электростанцию, кружок —потребителя, прямая линия— линию электропередачи. 1-а — питательная (трансмисс.) линия;:
2- а — объединительная (пптерконнекционная) линия:
3- а— кольцевая линия одновр. питат.; 4-а — распределит. линия; б — питательная линия.
Распределительные линии служат для подведения энергии к отдельным потребителям от ближайшей станции или подстанции. Стоимость их должна быть отнесена к капитальным затратам для централизованного электроснабжения данного потребителя в тех случаях, когда производится экономическое сравнение выгодности снабжения энергией от собственной электростанции или покупка со стороны. Однако, надо иметь в виду, что распределительные линии очень часто снабжают одновременно несколько, потребителей, и поэтому расходы на них должны распределяться между потребителями пропорционально требуемой мощности. Для обеспечения бесперебойности в-электроснабжении ответственных потребителей надо им обеспечить питание по крайней мере с 2-х сторон. Прокладка двойной линии хотя и увеличивает надежность снабжения по сравнению с одинарной, но не в достаточной степени, потому что такие явления, как гололед, сильные грозовые разряды и тому подобное., могут повредить одновременно обе линии. Наилучшим способом; обеспечения по крайней мере двустороннего питания является прокладка так называемых колец высоковольтных линий электропередач, имеющих форму замкнутого многоугольника. Перерыв в одной из точек кольца не прекращает снабжения присоединенных к нему потребителей. Кольца могутстанциях, получаемой после объединения, вследствие либо уменьшения необходимого резерва, либо разновременности максимума нагрузки в соединяемых системах (например, летний максимум Нижегородско-Ивановской системы и зимний максимум Московской), либо и то и другое вместе. В статье электрификация уже отмечалось, что сооружение английской государственной сети линий электропередач напряжением- на 132 киловольта окупается за счет снижения резерва с первоначальо. ггон
ti<Ug
n| 0.12 >чйл)
%o.os
каоь
§
§
<0 0,02
Расстояние 32 Хм

&

гС

СУ

о4;

пб

И

V

V

№

““’у

р

Р&1

Ш

Й

WT

rW-

/

ty

д 1

У

иь
0,22
С
5$ с.20 “Ч
OJS
% о ло
/ ГЧ ОЛ
%о)2
Намом о
£ 0.06
0.02-h2D. О

У

$

г

к

4

$

Л

Jv

А

-4

й

№

г(

Ус

У/

У
“ 0,23 0,45 0.61 0,01
facToi) угля на USmu.
при переменном уделЬ ном расходе угля на IkSmfipM У при различныхрассто-го,го яниях и уделЬномрас0 ходетоплиба0.455hеp% “ на 1 hSmy
п-оМ
£
«О ° /6 “4, 80 9 IU /># / /4а 176 У92
Рисунок 3. Пределы выгодности применения электронного транспорта энергии. Сравнение стоимости транспорта угля и стоимости передачи 1 квтч электроэнергии.

W.

teg

№

4

2

$

4

&

У

Я!е

го

Й

л

Ге/

ш

‘кВ

tW-

>гп

р И

mf

Расстояние в Ммприразлиинд/х расстояниях и удел д -расходе топлива 0.66Игр на / Авто.
питаться от одной станции, чаще же от нескольких.
Соединительные линии (интеркон-некционные.) служат для соединения между собою отдельных станций или сетей, в частности колец. Как видно на рисунке 2, соединительные линии часто являются элементами колец, и в этих случаях одновременно становятся и питательными. Соединительные линии дают целый ряд прямых и косвенных выгод объединяемым ими системам электроснабжения. В большинстве случаев стоимость их вполне окупается экономией в потребной мощности наных 60—70% на большом числе изолированных сравнительно мелких станций до 12% после того, как осуществится объединение системы электроснабжения Англии {см. LI. 684 сл.).
Расчеты, произведенные по УралоКузнецкому комбинату для различных этапов промышленного развития Урала и Кузнецк, бассейна, показали полную целесообразность устройства интер-коннекционной линии передачи между электрическими сетями Кузнецкого бассейна и Южного Урала. Устройство такой линии передачи длиной порядка 1.400 км с напряжением порядка 200
киловольт оказывается существенно необходимым и экономически целесообразным уже при совмещенном максимуме нагрузки порядка 2.000 тыс. квт., так как благодаря устройству такой линии передачи оказывается возможным съэкономить свыше 300 тысяч квт. установленной мощности на электрических станциях этих районов. Эта экономия получается отчасти от смещения светового максимума, а гл. обр. в виду наличия возможности в данном случае уменьшения аварийного резерва и использования остаточных (по сравнению с нагрузкой местных районов) мощностей, распределенных по различным станциям, связываемым интер-коннекционной линией передачи.
Для грубых расчетов можно принять, что соединительная линия на 100 киловольт длиною 150 км равноценна по капитальным затратам резервному аг-грегату в 24.000 киловатт.
Косвенная выгода соединительных линий иногда может быть значительно больше, чем экономия в капитальных затратах. Это имеет место в тех случаях, когда соединительная линия дает возможность так распределить нагрузку между двумя работавшими ранее самостоятельно станциями, что та из них, которая вырабатывает энергию значительно дешевле, будет нести основную нагрузку, а работа электростанции, дающей дорогую энергию, будет сокращена до самого крайнего минимума. Эта экономия в годовых эксплуат.х расходах, получаемая после соединения электростанций для совместной работы, может во многих случаях окупить с большим излишком капитальные затраты на линию, далее при отсутствии экономии в мощности. В частности, соединительные линии могут быть очень полезны для улучшения использования энергии гидростанций.
В городах, особенно крупных, передача высоким напряжением электрической энергии производится обычно при помощи прокладываемых под землей кабелей. Вообще передача электрической энергии при помощи кабелей имеет большое преимущество по сравнению с воздушной проводкой не только в крупных городах и в центрах,
где воздушная проводка и опасна, и крайне неудобна. Применение кабельной проводки в районах затруднено в виду ее дороговизны по сравнению с воздушной; при некоторых условиях, например в районах, подверженных гололеду, частым атмосферным перенапряжениям и проч., не говоря уже об оборонном значении, применение кабельной проводки имеет исключительный интерес. Возможное удешевление изготовления кабеля будет спо- собствовать более широкому его распространению, тем более, что при передаче по кабелю естественная мощность ) в 10 раз больше естественных мощностей при передаче по линиям воздушных электропередач. Ниже приводится таблица естественных мощностей для воздушной и кабельной прог водки (по Рюденбергу).

я

Воздушная линия. Естественная мощность в млн. ватт

Кабельная проводка. Естественная мощность в млн. ватт

Л

однофазн. трехфазный

однофазн.

трехфазный

о

CQ вз

т

0 К

т

к

30

1,2

2,4

12

24

50

3,3

6,6

33

66

100

14

27

140

270

150

30

60

ЗСО

600

200

55

110

550

1.100

300

120

240

—

—

400

210

430

—

с

технической стороны единствен-

ным отрицательным явлением в случае кабельной проводки являются гораздо большие колебания напряжения у приемников в зависимости от передаваемой покабелю мощности.Величина этих колебаний обусловливается статическим (емкостным) током, причем при малых нагрузках, особенно при дальней передаче высоким напряжением, у приемников может наблюдаться недостаточно большое повышение напряжения. Как средство борьбы с этим явлением можно указать на возможность применения саморегулирую-
-) Естественной мощностью называется такая мощность, при передаче которой вне зависимости от расстояния потери напряжения в линии передачи будут обусловлены (при cos® псиемниковщг 1) только омическими потерями сопротивлением, так как емкость и самоиндукция линии компенсируются.
щихся трансформаторов, которые во время работы путем автоматического включения и выключения части обмотки поддерживают во вторичной сети постоянство напряжения.
На рисунке 4 показан разрез кабеля на 132 киловольта, выполненный в Италии. Повышение напряжения подземных кабелей стало очень актуальной задачей в больших городах в связи с ростом нагрузки городских сетей и практическими затруднениями к увеличению числа параллельных кабелей в подземных каналах. Увеличение вдвое напряжения дает возможность уложить в том же самом канале новый кабель с более чем двойной пропускной способностью.
Рисунок 4. Разрез однофазного кабеля на 132.000 вольт: а) канал, наполненный маслом под давлением, соединенный со специальн. резервуаром; б) спираль из твердо-тянутой меди, имеющей на наружной поверхности желобок для свободного проникновения масла к изоляции; в) медные оплетенные провода, из которых скручен кабель;
г) пропитанная маслом бумажная изоляция (бумага из древесной массы); д) свинцовая оболочка; е) два слоя бумаги для разделения меди и свинца; ж) броня из твердо-тянутой полосовой меди; з) наружная свинцовая оболочка.
В СССР мощная высоковольтная (35 киловольт) кольцевая кабельная сеть проложенав Ленинграде в 1926г.Кабель был изготовлен на советских заводах. В настоящее время в Ленинграде в целях научно-исследовательской работы проложен небольшой участок масло-на-полненного кабеля напряжением 110 киловольт, а завод Севкабель занят работой по изготовлению пробного кабеля напряжением уже в 200 киловольт.
Устройство высоковольтных воздушных линий. В статье передача энергии на расстояние (смотрите XXXI, прил. к стб. 487/88) на фигуре 2 показана воздушная линия на железных опорах (мачтах) американского типа. Опоры бывают двух родов: анкерные (некоторые из них угловые)—более массивные, и промежуточные—более легкие. Анкерные, как более прочные и устойчивые опоры, рассчитанные для воспринятая на себя предельной нагрузки, устанавливаются обязательно в начале и конце линии, везде, где меняется направление, по обе стороны пересечения линий железнодорожного полотна, рек, горных долин, улиц, на пути линий внутри города и через 5—10 промежуточных опор. Деревянные опоры для высоковольтных электропередач широко применяются в СССР и в некоторых частях С.-А. С. III. Типичные конструкции таких опор для линий напряжением порядка 100 киловольт показаны на рисунке 5.
Изображенная на рисунке 5в деревянная опора отличается от обыкновенной тем, что каждый столб закрепляется в земле при помощи двух коротышей, причем соединение с коротышами столбов производится при помощи двухрядной обмотки из толстой проволоки. Хотя для данных опор и требуется несколько большее количество лесного материала, но зато опоры в данном случае могут собираться из более коротких столбов. Основное преимущество этих опор заключается в том, что при обрыве провода они сдают по направлению действию силы, что может быть, конечно, учтено при расчете механической прочности опор. Кроме того, закопанные в землю коротыши после их порчи легко могут быть заменены новыми, не трогая при этом основной конструкции опоры. В первое время после революции в большинстве случаев опоры устанавливались без пропитки их креозотом. Опыт показал недолговечность таких опор. В силу этого в последнее время стали опоры пропитывать предохраняющим от гниения составом. В виду того, что наибольший эффект стойкости против гниения обнаруживает лес, пропитанный под давлением, в настоящее время приступлено к пропитыванию опор под давлением.
На железных опорах обычно подвешиваются 2 трехфазные линии, то есть 6 проводов, на деревянных—одна трехфазная линия с вертикальным или горизонтальным расположением проводов. Иногда одинарные линии имеют не 3, а 4 провода, один запасной на случай порчи одного из основных.
Материалами для проводов служат: медь, алюминий, сталеалюминий, железо, бронза. Провода делаются одножильными и многожильными (кабели).
твердо-тянутой меди. Во избежание перехода этой меди в мягкую отнюдь не допускается горячая пайка проводов. Железные провода применяются только в сельских местностях для линий с небольшой нагрузкой. Во избежание ржавления они обязательно делаются из оцинкованного железа. Сталь(тоже оцинкованная) применяется для проводов в случаях, когда необходим очень большой пролет (выше километра), когда обычная в этих случаях
Рио. 5-а. Типы мачт для высоковольтных линий передач в различных странах мира для двух цепей (все размеры в м).
Последние состоят из нескольких скрученных проволок. Главное их преимущество перед одножильными—большая механическая прочность. Медные одножильные провода у нас допускаются для напряжений не свыше 22 кв и сечением не свыше 16 кв миллиметров. При больших сечениях и более высоких напряжениях обязательно применяются кабели. Алюминиевые провода всегда делаются многожильными. Медные провода для высоковольтных линий обязательно делаются из полутвердой ибронза все еще недостаточно прочна и дает слишком большой провес, удорожающий переходные опоры. В этих случаях стальной трос обычно не служит в качестве проводника, а к нему только подвешивается медный кабель, по которому и протекает ток (отметим, что в СССР для пересечения такой реки, как Ока, высоковольтной линией применены в качестве переходных опор башни Шухова). Препятствием к применению железа и стали в качестве проводов является низкаяпроводимость этих металлов и большая самоиндукция линии, в особенности если она сделана из мягкого железа. Алюминий является в настоящее время главным конкурентом меди при постройке высоковольтных электропередач. Вследствие худшей проводимости сечение их должно быть в 1,64 раза больше, чем сечение медных проводов при тех же условиях. Но для очень высоких напряжений (220 кв. и выше) это явление не имеет значения,
няемой для проводов. Важно при монтаже беречь поверхностный слой алюминиевых проводов. В отношении влияния атмосферных условий алюминиевые провода не уступают медным, так как покрываются защитным слоем окислов. Но в местностях, где провода подвергаются действию газов химических заводов, применять алюминий не рекомендуется. В последнее время получили широкое применение (в том числе и в СССР) стале-алюминиевые
Рисунок 5-6. Типы мачт для высоковольтных линий передач в различных странах мира для одной цепи (все размеры в м).
так как при этих напряжениях размер провода определяется требованием избегать явления„короны“—потерь вследствие излучения электрических зарядов,. имеющих место, когда поверхность провода по сравнению с напряжением слишком мала и поверхностная плотность электрических зарядов получается слишком высокой. В таких случаях алюминиевые провода определенно дешевле медных. Недостатком алюминия является его большая мягкость по сравнению с медью, примепровода, соединяющие преимущества алюминиевых с прочностью стальных. Они состоят из стального сердечника, скрученного из оцинкованных проволок, и алюминиевых проволок, покрывающих сердечник обычно двумя слоями. Отношение сечения алюминиевых проводов к сечению стальных составляет обычно 5. Реже применяются сталемедные провода, в которых стальная сердцевина сваривается по способу Монното с медной оболочкой, причемотношение меди к стали колеблется от 1 : 1 до 9 : 1. Согласно „нормам для механического расчета электрических воздушных линий сильного тока“, одобренных IX-м Всесоюзным электрическим съездом, сечение проводов должно быть не ниже:
Для меди при низком напряжении (не свыше 250 в 6 миллиметров
„ ми высоком „ 10 „
„ железа 10 „
„ стали и бронзы при низком напряжении 6 „ „ „ „ высоком „ 10 „
„ алюминия при низком „ 16
„ „ „ высоком „ 25 „
При наибольшем провисании провода по тем же нормам расстояние наи-низшей точки его от земли не должно быть менее: а) при пересечении мо--щеных и шоссейных дорог—6 м для проводов низкого и 7 м для проводов высокого напряжения; 61 при пересечении грунтовых дорог постоян-,ного пользования—6 м во всех случаях; в) при пересечении несудоходных и несплавных рек—5 м для низкого и 6 м для высокого напряжения, считая от уровня льда зимою, но не менее 3 м над уровнем высоких вод в половодье. Для пересечения железнодорожных линий и судоходных рек существуют специальные правила, по которым низшая точка провода при наибольшем провесе не должна быть ниже 7,5 м над головкой рельса железной дороги
Рисунок 5-в. Деревянная анкерная опора в СССР.
Рисунок 5-г. Деревянная промежуточная опора в СССР.
или 1 м над наиболее высокой мачтой судов, проходящих по судоходной реке в период самого высокого стояния воды. Провода пересекающего пролета над железной дорогой должны быть подвешены на двойных изоляторах.
Гололед в некоторых местностях СССР, особенно в Донбассе, доходит до толщины слоя льда на проводе в 30 сантиметров и представляет огромные трудности для надежной эксплуатации электропередачи. Однако, местности, где встречается большой гололед, весьма ограничены по площади, и иногда можно найти трассу для линии, по которой провода в наименьшей степени подвергаются влиянию гололеда. Для плавления гололеда применяются раз. личные методы образования в линиях сильных реактивных токов, вызывающих перегрев линий. В 1933 г. испытывался в Донбассе метод проф. Кру-ковского.
Провода линии электропередачи подвешиваются на фарфоровых изоляторах. Для напряжения не свыше 20 киловольт применяются штыревые изоляторы, для более высоких напряжений—обяза-
20‘2
тельно подвесные (смотрите рис 6). Несколько подвесных изоляторов соединяются в гирлянды. Число изоляторов в каждой гирлянде зависит от напряжения. При напряжении 100 киловольт обычно помещают 7 изоляторов на промежуточных опорах и 9 на концевых. Для 220 киловольт в Америке применяют 13 или 14 для промежуточных, 15 или 16 для концевых гирлянд, хотя опыты, произведенные в Америке, показали возможность ограничиться 11 для промежуточных и 13 для концевых. Форма, которая придается подвесным изоляторам, должна предохранять от перекрытия даже в случае сырой погоды и тумана. Запас электрической прочности у отдельных изоляторов доста
точно велик, но очень трудно добиться равномерного распределения напряжения вдоль гирлянды изоляторов. Линии высокого напряжения 220 киловольт, если они проходят в местностях, подверженных частым туманам, должны иметь, на основании американской практики, изоляторы увеличенной поверхности. Наибольшая опасность перекрытия изоляторов имеет место, когда они сильно запылены и застигнуты туманом. При таких условиях на американских линиях в 220 киловольт бывали случаи перекрытия изоляторов и вывода линии из строя. Поэтому изоляторы периодически очищаются от пыли.
Провода к подвесным изоляторам обычно прикрепляются наглухо. Но в последние годы в СССР стал приме-меняться предложенный проф. Сушкиным и инж. Глазуновым способ подвески проводов на промежуточных опорах на „скользящих клеммах“. Это дает возможность облегчить конструкцию опоры, так как в случае обрыва провода опора будет испытывать меньшее одностороннее тяжение, чем при обычном способе подвески.
Очень серьезное значение имеет защита линий передач от грозовых разрядов (смотрите молния и громоотвод) и вообще атмосферных перенапряжений. Эти перенапряжения опасны не только, а может быть и не столько для линий передач, но и для трансформаторов и аппарат, ры станций и подстанций. Одним из серьезных средств защиты линии от перенапряжений или, вернее, ограничения волн перенапряжений является натяжка одного или нескольких заземленных во многих точках защитных тросов. Защитные тросы располагаются обычно выше проводов и способствуют весьма значительному снижению возникающих перенапряжений. В виду того обстоятельства, что устройство таких защитных тросов значительно удорожает стоимость соорулсения линии передачи, очень часто ограничиваются прокладкой троса на участках неблагополучных в смысле атмосферных перенапряжений, а также на протяжении 1—2 км от станциии подстанций. Значение устройства заземляющих тросов можно усмотреть из приведенной далее таблицы II. В качестве защитного средства против перехода волн с крутым фронтом на шины станции и подстанций иногда устраивают на прилегающем к станции и подстанциям участке электропередачи пониженную изоляцию провода, облегчающую возможность разряда на землю. Весьма надежным средством против перехода волн перенапряжения на станцию является перевод за несколько сот метров воздушной линии передачи в кабельную проводку; однако, этот способ применим пока для сравнительно невысоких напряжений. При таком способе защиты наиболее уязвимым местом является переходная муфта от воздушной линии в кабель и вообще ближайший кабель. Далее, в помещении станции и подстанций весьма часто устанавливаются специальные отражающие волнуприборы (реактивные катушки) и разрядники для отвода волны перенапряжения в землю. Понятие об этих приборах дано ниже.
Таблица И.
Аварии на высоковольтных линиях электропередачи

(район Велпких Озер) в

США.

Аварии и перерывы в работе в

1928 г.

в %%

Длина линий в километрах

3,330

356

Есть ли заземляющий трос

есть

нет

°/о % повреждений

Перекрытие от молний

46.4

64,9

» „ других причин

2,1

1,6

Заземление

2,1

1,6

Короткое замыкание

5.3

—

Механические повреждения

2,8

2,8

Не относящиеся к линии:

Неправильное включение

4,6

—

Неправильная эксплуатя

20,0

17.1

Неизвестн. причины и разн.

17,7

12.0

За последние годы в разных странах, в особенности в США и в СССР во Всесоюзном электрот. инст., производятся серьезные научно-исследовательские работы, связанные с грозовыми разрядами. Для этой цели построены специальные лаборатории и сконструированы специальные измерительные приборы. Определяется не только напряжение, индуцированное в проводе высоковольтной линии, но и продолжительность разряда и другие его характеристики. При помощи приборов, называемых клиденогра-фами, устанавливаемых на линии, производится систематическое фотографирование поля, создаваемого перенапряжением в линии. Директор наиболее мощной в мире лаборатории такого рода, принадлежащей Джене-раль Электрик Компани в Америке, Ф. В. Пик, приводит следующие характеристики молнии: напряжение порядка 100 млн. вольт, сила тока—100 тыс. ампер, продолжительность—несколько микросекунд, энергия—4 киловаттчаса (иногда много больше), мощность— порядка 1.000 млрд. лошадиных сил (максимальная мгновенная). Разрядобычно не колебательный. Индуцированная волна в линии продолжается в течение нескольких микросекунд и имеет напряжение в несколько миллионов вольт (тем больше, чем выше провод от земли, поэтому в отношении грозы надежнее горизонтальное расположение проводов). На расстоянии от 21/3 до 10 км от места возникновения грозового перенапряжения индуцированное напряжение уменьшается вдвое (это расстояние тем меньше, чем выше индуцированное напряжение). Индуцированный заряд может иметь различную полярность и в зависимости от этого клиде-нограммы имеют различный вид. Форма волны имеетбольшое значение для изоляции. Измерения, произведенные на Пенсильванской линии 220 кв., показали, что перекрытие гирляндыизоляторов, получающееся при одном миллионе вольт от 60-ти периодного тока при разрядах, вызванных грозой, наблюдаются 1 только при 2 миллионах вольт и что поэтому сопротивляемость изоляторов мгновенным грозовым разрядам примерно в 2 раза больше, чем сопротивляемость при обычной форме кривой. В лаборатории Дженераль Электрик установлен генератор искусственных грозовых разрядов, дающий 5 млн. вольт, что превышает величину наведенного напряжения высоковольтных линий, когда-либо измеренную при грозе. Пользуясь этим генератором удалось очень детально изучить явления, сопровождающие грозовые разряды. Катодным оецилятором изучались волны естественных грозовых разрядов, и потом эти волны воспроизводились искусственно и посылались по линиям электо-передач. Измерялось напряжение, перекрывающее изоляторы при естественном грозовой разряде, и сравнивалось с искусственным. Искусственная молния, полученная от „генератора молний”, была способна расщепить шестиметровую деревянную опору. Приблизительно в то же время во франции в обсерватории Пик де Миди в Пиренеях производились наблюдения над грозовыми разрядами, установившие некоторую зависимость силы грозовых разрядов от геологического строения местности. К. Доцэр в докладе на Токийском мировом инженерном конгрессе в 1929 г., описывая результаты этих наблюдений, сообщает, что, например, на сплошном известняке вовсе не бывает ударов молнии, тогда как гранит и сланец очень подвержены им. Наиболее сильные разряды бывают на линии соприкосновения двух различных геологических формаций. Автор доказывает возможность по геологической карте данной местностисоставит карту грозовых разрядов и при помощи этой карты выбрать такую трассу для линий электропередач, чтобы опасность от грозовых разрядов была уменьшена до минимума.
Перенапряжение в линии происходит не только от атмосферных влияний, но и при таких случаях, как: внезапное включение линии передачи под напряжение, при выключении работающих в холостую трансформаторов и асинхронных двигателей, при выключении большой нагрузки, при отключении работающих в холостую линий большой емкости, при замыкании на землю одной из фаз трехфазной системы.
В связи с защитой машин трансформаторов и приборов от разрушительного действия волн перенапряжений и для отвода тока в землю, как было выше сказано, применяются два основных прибора: реактивная катушка и разрядники. Простейший тип—роговой разрядник—представляет собою отогнутые в виде рогов два медных стержня с воздушным промежутком между ними. Один из них присоединен к проводу, другой заземлен; промежуток между рогами настолько велик, что он при обычных напряжениях не перекрывается; большое перенапряжение вызывает появление вольтовой дуги, причем потоком горячего воздуха эта дуга поднимается вверх по рогам, длина ее увеличивается, и в некоторый момент она разрывается и гаснет. Расстояние между рогами составляет величину порядка 6—8 миллиметров при напряжении 6,6 кв., 50 — 90 при 33 кв. и до 330 при 66 кв. В США получили большое распространение алюминиевые разрядники; они имеют искровой промежуток между рогами, последовательно с которым включается сопротивление в виде электролитического конденсатора, состоящего из ряда алюминиевых тарелок, находящихся в электролите. Алюминий покрыт окисью, не проводящей ток при нормальном напряжении. При определенном повышении напряжения изолирующая способность пленки из окиси нарушается, и разрядник дает соединение с землей. Однако, при прохождении тока через электролит химическая реакция восстанавливает изолирующую пл-енку, вследствие чего ток прекращается. Алюминиевый разрядник должен ежедневно заряжаться путем пропускания тока для поддержания изолирующей пленки, иначе последняя растворяется в электролите. Это является основным недостатком алюминиевого разрядника. Имеются и другие типы разрядников (смотрите Г. Л. Эпштейн, „Перенапряжение на электрических установках“, Киев, 1927). Электролитические и ему подобные разрядники для напряжения в 220 киловольт становятся настолько дорогими что от них в США отказываются.
Для защиты трансформаторов и генераторов от крутого фронта волны перенапряжения, идущей со стороны линий передач, ставятся защитные катушки самоиндукции, шунтированные иногда безиндукционньш сопротивлением в виде стержня из металла с высоким удельным сопротивлением, соединяющим зажимы катушки (катушки Кампоса). Применяются также более простые защитные катушки без такого шунта.
В последнее время вообще стали отказываться от установки специальных катушек самоиндукции, служащих отражателями волн перенапряжений, полагая, что сам трансформатор, являясь такой катушкой, должен справляться с этой задачей. В силу этого, обычно современные трансформаторы имеют значительно усиленную изоляцию первых витков, наиболее подверженных разрушительному действию волн перенапряжений, Высоковольтные линии электропередачи могут оказать мешающее действие на соседние линии связи путем либо электростатической, либо электромагнитной индукции. При неблагоприятных условиях эти воздействия могут быть опасны для аппаратов связи и пользующихся ими лиц. Наиболее опасным представляется акустический удар при разряде телефонной линии через телефон в тех случаях, когда замыкается на землю один из проводов соседней линии электропередачи. Лучшим способом избежать опасных воздействий линии электропередачи на линию связи является выбор достаточного расстояния между ними. i когда это возможно и экономически выгодно. Если это невозможно, необдимо принять меры для ослабления влияния, каковы: 1) установка разрядников перед телефонами во избежание акустического удара; 2) применение изолирующих трансформаторов, разделяющих линию на несколько частей;
3) такое соединение обмоток трансформатора, при котором избегается появление гармоник звуковой частоты;
4) транспозиция двухпроводных линий связи, то есть перемена их взаимного расположения через каждый километр (перекрещивание, при котором правый провод становится левым, и наоборот). Иногда применяется транспозиция и проводов линии электропередачи (через несколько десятков километров).
В трехфазных линиях электропередачи нейтральную точку часто заземляют, обычно через сопротивление илика-тушку самоиндукции. Заземление нейтрали ограничивает величину возможных на линии перенапряжений и дает путь для отвода статических зарядов. Для напряжений свыше 20 киловольт, а в особенности для напряжений порядка 100 и 200 киловольт, в настоящее время применяются открытые подстанции. На подстанции устанавливаются трансформаторы, масляные выключатели (для размыкания и замыкания цепи под током), разъединители (рубильники для размыкания или переключения цепи не под током и не под напряжением), разрядники, а также трансформаторы для измерительных приборов. Все эти механизмы соединяются е высоковольтными шинами, подвешенными на железных или железобет.х каркасах открытой подстанции. Если на подстанции устанавливаются синхронные конденсаторы, то они помещаются в специальном здании. Опыт показал, что самые сильные снегопады не мешают функционированию открытой подстанции. При очень большом развитии электрических сетей, в настоящее время связывающих иногда целый ряд мощных станций и снабжающих энергией крупные индустриальные районы, правильная и надежная работа линий передач и возможная защита электрических машин трансформаторов и аппаратуры от повреждений имеет в эксплуатации исключительно серьезное значение. Этообстоятельство, о одной стороны, является причиной устройства все усовершенствующихся способов селективной защиты, а с другой стороны-устройства центров диспетчерского управления сетями и станциями. Для всякого объединения электрических станций диспетчерская служба я диспетчерское управление являются обязательными. В последнее время, в виду наличия весьма длинных и исключительно мощных линий передач энергии, приобрел громадное значение вопрос взаимной стойкости работы сетей и станций, характеризующейся так называемой „устойчивостью работы“, то есть такой взаимной связью, при которой гарантируется невыпадение из синхронизма генераторов различных станций, связанных сетью электропередач. В случае несоблюдения условий, необходимых для устойчивой параллельной работы, электрические генераторы различных станций будут выходить из синхронизма, и работа всей электрически-связанной системы придет в расстройство, что внешне будет выражаться в сильном колебании напряжения системы и перерывах тока. Устойчивость различается статическая и динамическая. Статической устойчивостью называется такая работа электрической системы при нормальных экоплоатационных условиях, при которой имеются все факторы, обеспечивающие синхронную работу генераторов. Динамической устойчивостью называется устойчивость параллельной работы станций в периоды аварий, когда работающие параллельно станции также не должны выходить из синхронного состояния определенное, правда очень короткое, время, пока не подействует селективная защита и не выключит поврежденный участок линии. Устойчивость работы системы, которой, как уже сказано, в современных мощных сетях придается исключительное значение, в основном зависит от реактанса общей связи между станциями, длины связующей станции линии передачи, от передаваемой мощности, а также от включенной параллельно-мощности станций и от ряда других факторов. Устойчивость параллельной работы аналитически характеризуетсяуглом сдвига между напряжениями той и другой станции, причем величина этого угла будет различная в зависимости отусловий параллельной работы. Предельный угол сдвига напряжений будет порядка 90° (наличие омического сопротивления способствует некоторому увеличению этого угла). До этих пределов угол между напряжениями может расходиться в период аварии до момента ее устранения. Чтобы угол в периоды аварии (к концу ее) не превзошел 90°, он во время нормальной работы должен быть значительно меньше 90°—обычно порядка 20°.
Передаваемая от станции к станции, соединенным линией электропередачи, мощность (например,отШатурской станции на I-ую Московскую ГЭС) связана урав-
sin 9
нением W ——
В приведеннойформуле и -E.j означают напряжение на той и на другой станции, а ж—реактивное сопротивление между ними. Для устойчивости работы электрических станций и в периоды аварий (динамической устойчивости) имеет громадное значение быстрота действия селективной защиты в целях выключения поврежденного участка в течение того времени, пока угол 9 не дошел еще до своего допустимого предельного значения. Большое влияние на устойчивость работы имеет также величина живой силы ротора генератора, а кроме того скорость действия автоматического регулятора возбуждения, который должен поднимать падающее вследствие короткого замыкания напряжение на генераторе. Так. обр. для обеспечения динамической устойчивости параллельной работы станций приходится отказаться от прежних приемов, допускающих понижение напряжения в генераторе в периоды аварий, с целью уменьшения величины тока короткого замыкания. Современный генератор должен выдерживать ток короткого замыкания при полном возбуждении.
В виду особой важности надежной работы селективной защиты линий передач, которая должнагарантировать своевременное, исчисляемое иногда долями секунды, выключение поврежденного участка, в последние годы был разработан целый ряд систем и способовтакой защиты, представляющих к настоящему времени специальную область электротехники и требующую от соприкасающихся работников серьезной подготовки. Все перечисленные условия работы современных сетей настоятельно требуют единого диспетчерского управления, которое теперь стало неотъемлемой и черезвычайно важной составной частью общего управления. Объединенные сети, распределяющие энергию нескольких станций, имеют центральный диспетчерский пункт, откуда диспетчер по своему усмотрению в зависимости от технической целесообразности производит включение отдельных станций и линий передач; делается это, при наличии полной автоматизации, непосредственно со щита управления, при отсутствии же автоматизации или неполном ее развитии-соответственным распоряжением по прямому телефонному проводу. На диспетчерском щите управления оборудована (иногда светящаяся) полная схема всех соединений сети и станций е соответствующими сигналами. На основании этой схемы диспетчер имеет полное и наглядное представление о характере работы системы для каждого данного момента и может найти наилучшее решение для переключения работы системы при обна руженных авариях. Автоматическое управление на дальнее расстояние, а также полная автоматизация электрических установок за последние годы в США получили весьма большое распространение. К 1930 г. имелись данные об автоматическом управлении,устройствах дальнего наблюдения и дальнего управления, а также дальне-измерительных установках на суммарную мощность около 5,5 млн. квт, а именно:
Синхронных преобразоват. на мощн. около 1000 т. квт Гидро-электростанций на мощность около 700, ,.
Мотор-генераторов ,
Трансформаторных установок „
Ртутных преобразователей ,
Синхронных конденсаторов . „
Устройств дальнего наблюдения и управления „
Автоматических управлений фидерами Дальне-измерит. установок ,
700
17», „ 280 „
900 .. 800 „ 400 „ „
Вопрос автоматизации в условиях СССР также имеет громадное значение, и ему уделяется за последнее время серьезное внимание.
Стоимость линий электропередач на километр.
Л м ериканскиелпнниПО кв. двойные 18т.руб. за км, „ 220кв. „ 36т. руб. „
Германские сданные по докладу О. ф. Миллер о плане электрификации Германии, 1930):
Линия 220 кв. двойная 44 т. руб. за км.
Линия 110, двойная 185 миллиметров- 18,4 т. руб. за км
Линия 110, двойная 120 миллиметров2 13,8 „ „, „
Такая же ординарная 8,3 „ „ „ „
Ординарная сечением 95 миллиметров’1 7,85 „ „ „ „
Двойная 40—60 кв.сечение60 - 120мм-10,6 т. р. „ ,
Орднпарн. 40- 60, „ 60—120, 6,45 „ „ „ „
Литература: „СЭТ“ (справочная книга лля электротехников, 1929, т. III; там же подробный указатель литературы на русском и иностранных языках); инж. А. А. Глазунов, „Линии электропередачи. Механический расчет проводов и тросов” (1928); инж. Н. И. Сушкин и инлс. А. А. Глазунов, ..Новые конструкции высоковольтных линий передач1(193»); Г. Л. Эпштейн, „Перенапряжение на электрических установках” (1927); „Генеральный план электрификации СССР“. Госплан СССР, 1932, т. VI (Энергооборудование) и т. VII (Станции и сети); Г. Л. Эпштейн, „Районные трансформаторные подстанции“; „Защита сетей высокого напряжения“, сборн. статей, пер. под ред. проф. N. Ф. Марголина: В. И. Иванов, „Реле и релейная защита“; Ф. Кессельринг, „Электрические выключающие, пусковые и регулирующие аппараты“, пер. с нем. под ред. проф. В. С. Нулеба-кина; М. М. Михайлов, „Сетевые и кабельные измерения“ (1932); А. //. Рябков, „Электрический расчет высоковольтных линий электропередач“ (2-е изд., 1931).
С. Купель- Краевский.
JX. Электрические железные дороги. I. История развития электрических железных дорог. Первые опыты с экипажами, приводимыми в движение электродвигателями, питающимися от установленных на самих экипажах гальванических батарей, были произведены еще в первой половине сороковых годов прошлого столетия, но успеха не имели вследствие громоздкости и несовершенства как двигателей, так и батарей. В 1879 г. фирма Сименс и Гальске построила специально для Берлинской промышленной выставки небольшой электрический локомотив мощностью в 3 лошадиных силы, тащивший за собой со скоростью 7 км!час 3 вагончика, предназначенные для катания посетителей выставки, с числом пассажиров от 18 до 24-х (ср. XLI, ч. 10, 532). За истекшие с этого времени 55 лет электрическая тяга прошла огромный путь развития, и мощности современных электровозов достигли 8.000 лош. с. прискоростях свыше 120 км/час. Если не принимать во внимание электровоза Берлинской выставки, носившего демонстрационный характер, то началом эры промышленного применения электротяги следует считать 1881 год, когда фирма Сименс - Шуккерт построила в Берлине первую трамвайную линию в 2,5 км, соединявшую Ангальтский вокзал с предместьем Гросс-Лихтерфельд (ср. XLI, ч. 10, 532). В США первый трамвай был построен Бентли и Найт’ом в Кливленде в 1884 г., после чего развитие электротяги в Америке пошло таким темпом, что обогнало 4вропу и выдвинуло США на первое место по количеству электрифицированных дорог.
Сначала применение электрической тяги ограничивалось гл. обр. внутригородскими районами, где трамваи с успехом вытесняли конную тягу на городских железных дорогах и омнибусах. В 1890 г. применение электротяги на подземной железной дороге (City and South London Ry) в Лондоне показало большие ее технические пре-имуществацеред паровойтягой. В дальнейшем электрическая тяга приобретает все более доминирующее значение на внеуличных городских дорогах (метрополитенах), на пригородных дорогах и на магистралях. Так, в 1896 г. американская дорога Baltimore and Ohio электрифицирует свой подход к Балтиморе длиною в 7 км, из которых 2,5 км расположены в т.еле, что, собственно, и было главной причиной отказа от паровой тяги. Т. обр., начав с перевозки пассажиров, электрическая тяга завоевывает себе также и грузовое движение, вытесняя паровую тягу в первую очередь на тех участках, где применение паровозов встречало особенно большие неудобства.
В настоящее время (на 1. I. 1934 г.) на всем земном шаре электрифицировано общее протяжение участков магистральных ж. д. около 22.000 км, при общей длине электрифицированных путей в однопутном исчислении около
43.000 км. По отдельным наиболее крупным странам протяженность электрифицированных путей распределяется следующим образом:

Страна

Протяжениетрассы

В одной утн. нечислен.

США.

3.413

8.490

Швейцария

2.465

4 816

франция

2.292

4.495

Германия

1.727

4.135

Италия

2.113

3.970

Англия

955

2.332

Швеция

1.793

2.208

Австрия

900

1.U8

Испания. .. .

605

1.115

Индия

356

1.103

Япония

475,5

1.100

В России первый трамвай в Киеве был построен в 1892 г., а первая магистральная железная дорога (участок Москва—Мытищи Северных ж. д.) была электрифицирована в 1929 г. К настоящему времени в СССР электрифицировано следующее протяжение магистральных жел. дор.:

Протяжениетра<-оы

В одно-путн.

исчислении

Пригородные линии:

Моеква-Загореки Мытищи-Щелково Сев. ж. д .

90

180

Москва-Люберцы - Быково Каз. ж. д..

34

68

Москва-Обираловка и Реутово - Балашиха Курск, жел. дор

35

59

«кигин-град - Ораниенбаум Окт. ж. д

40

80

Итого по пригороди, лйя.

199

387

Линии с грузовым движением:

Тифлис-Хащури - Зеетафо-ии Зкв ж. д

185

185

Запорожье-Никополь Ект. Ж. д ..

95

95

К и вел - Чуоо! а и Пермск. жел. дор

ИЗ

113

Итого по груз. ЛИН. .

393

393

Вс>то на 1/1 1935 г 592 780
2. Классификация Э. ж. д. Э. ж. д. делятся на: а) городские (трамваи, метрополитены), б) пригородные, в) междугородные большой скорости и г) магистральные с грузовым и пассажирским движением. Городские Э. ж. д., не имеющие собственного полотна, а проходящие по рельсам, уложенным на уровне улиц, называются трамваями; имеющие лее собственное полотно под землей или на эстакаде в черте города называются метрополитенами. Оба вида имеют основное назначение обслуживать пассажирское движение в чертегорода. Отличие их в скоростях дни-, жения: трамваи не допускают скоростей свыше 35—40 км/ч ас., метрополитены имеют скорости до 60 км/час. Скорости, обычно применяемые на Э. магистральных жел. дорогах, таковы;

Т а б

л и ц а 1.

Категория дорог

Средняя

Наиболь-

техпич.

ша.я

Магистральные:

Товарные поезда.. .

30—50 од/час

80 км / час

Пассажирок. „. .

50-80 „

ЮО „

Скорые „. .

70—80 „

с>

оо

Пригородные „

40-60 „ ч

90 „

Скорости движения на максимальном подъеме обычно равны: при товарном движении—30 - 40 км]час, при пассажирском движении—40-60 км/чле.
3. Основные преимущества электрической тяги, кроме указанных в ст. транспорт (XLI, ч. 10, 547/49), таковы: повышение скорости движения по сравнению с дорогами паровой тяги, особенно на городских и пригородных ж. д., имеющих частые остановки. Повышение скорости достигается за счет большего начального ускорения при, трогании электрического поезда. Для пригородных дорог с остановками через 1—1,2 км коммерческая скорость электрических поездов—45-50 км!час., то есть на 25—30°/0 больше, чем при паровых. Следствием повышенной скорости движения при электрической тяге является увеличение пропускной способности линий. Экономия топлива, т. к. централизованное снабжение электрической энергией жел. дор. от мощных тепловых электростанций дает сбережение на топливе около 40°/о по сравнению с расходами высокосортного топлива на паровозах. Экономия на содержании и обслуживании подвижного состава Э. ж. д., получаемая вследствие большей скорости движения, обслуживания электровозов и моторных вагонов бригадой из двух, а иногда и одного машиниста вместо 2—3 при паровой тяге и,наконец, вследствие большего пробега вагонов и электровозов по сравнению с пробегом вагонов и паровозов при паровой тяге. В среднем экономия по содержанию составляет от 25 до 35%. При постройке новой железнодорожной линии сразупод электрическую тягу достигается большая экономия за счет уменьшения земляных работ, т. к. электрическая тяга допускает значительно более крутые уклоны, чем паровая.
4. Электроснабжение Э. ж. д. Для снабжения Э.ж. д. энергией служат электростанции следующих типов: 1) центральные станции общего пользования. При больших мощностях центральных станций энергия для тяговых нужд может передаваться по линиям передачи, одновременно обслуживающим промышленную и осветительную нах-рузки без заметного влияния характера ж. - д. нагрузки на работу других потребителей. Этот способ питания широко применяется гл. обр. на дорогах постоянного тока (Америка, франция, СССР) и реже на дорогах однофазного тока (Швеция). Как показывают опыты некоторых дорог, коэффициент использования мощности централей при совмещении промышленной и тяговой нагрузок понижения не дает. Отношение пиковой нагрузки к средне-суточной на линиях с товарным движением в среднем колеблется от 2 до 2.5. 2) Специальные электрические станции Австрия, Швейцария) или же комбинированные (Бавария), на которых имеются генераторы как для промышленной, так и для тяговой нагрузки. Эта система электроснабжения имеет место на линиях однофазного тока с частотой 1б3/3 пер/сек.
Питание железнодорожных тяговых подстанций производится или по проводам линий передач обхцего пользования, или посредством специальных передач. Последнее — в случае питания от специальной ж.-д. централи или же от комбинированной. В обоих случаях устройство линий передач производится по общим правилам и нормам на высоковольтные установки. Сравнительно редко для подвески линий передач используются мачты контактной сети.. ,
В качестве рабочего тока Э. ж. д. применяется как достоянный, так и переменный. Постоянный ток с напряжением в рабочей сети (прямой—обратный провод) от 500 до 1.200 в употребляется преимущественно на городскихж. д. (трамвай—не свыше 600 в.) и в редких случаях на пригородных и дорогах с тягой электровозами(Ныо-Иорк—Нью-Хевен). Напряжение от 1.200 до 3.000 в применяется на магистральных и пригородных линиях. Свыше 3.000 в постоянного тока имеют только опытные линии (Италия). При напряжении в рабочей сети до 600 в применяются моторы, работающие при полном напряжении; при напряжении в рабочей сети свыше 600 в моторы работают нормально по 2 последовательно (на коллекторе—половинное напряжение рабочей сети).
Наиболее распространенное напряжение переменного однофазного тока Э. ж. д,—15.000 в (Европа) и 11.000 в (Америка). Частота однофазного тока европейских ж. д. нормально, принята 50/3=162/3 пер/сек. Америка применяет однофазный ток с частотой 25 пер/сек. Напряжение на коллекторе тяговых двигателей от 200 до 500 в Наибольшее развитие дороги 3-хфазного переменного тока получили в Италии. Нормальное напряжение 3.300 в при частоте 15—163/3 пер/сек. Имеются опытные линии с использованием 3-хфазного тока нор мальной частоты 50 пер/сек. Напряжение, подводимое к двигателю,—от 400 до 600 в.
Помимо указанных основных систем тока, при электрификации ж. д. применяются следующие системы.Система однофазно-трехфазного тока характеризуется однополюсным контактным проводом с питанием его однофазным током и с преобразованием на электровозе однофазного тока в 3-хфазный при помощи вращающегося преобразователя фаз (так называемым система расщепленной фазы). Имеется на дорогах Норфольк, Западной Пенсильванской (США) и пробных электровозах австрийских ж, -д. На опытном участке около Будапешта применена система расщепленной фазы с частотой 50 пер/сек. и с питанием от 3 -хфазной сети по одной фазе на участок. Система однофазно-постоянного тока: в рабочем проводе—однофазный ток с преобразованием на электровозе в постоянный ток при помощи мотор-генераторов. Дорога Детройт - Толедо (Форд), Нью-Хевен (Америка).
5. Тяговые подстанции служат для преобразования электрической энергии, получаемой от центральной станции, и непосредственного питания сети контактных проводов Э. ж. д. Расстояние между подстанциями Э. ж. д. определяется в зависимости от величины напряжения рабочего тока и от допускаемых падений напряжения в проводах (прямом и обратном) при заданных размерах движения. На дорогах постоянного тока с напряжением 3.000 в расстояние между подстанциями составляет от 25 до 40 км, для 1.500 в.—
ет 10 до 25 км. При однофазном токе в рабочем проводе с напряжением
15.000 в расстояние между подстанциями достигает 80 км, в среднем составляя 50 км. Ограничение расстояний между подстанциями в некоторых случаях вызывается нормами допускаемых падений напряжения в рельсовой цепи по условиям защиты подземных сооружений от электролиза (постоянный ток) и отметающего воздействия на провода связи (переменный ток).
Преобразователи тока, устанавливаемые на тяговых подстанциях, выбираются в зависимости от рода и напряжения рабочего тока в контактной сети и способа питания подстанций. Различают три основных типа тяговых подстанций: 1) для преобразования переменного тока в постоянный, 2) для преобразования переменного тока в переменный же, но другой частоты, и 3) для понижения напряжения переменного тока без преобразования частоты.
Первый тип применяется исключительно на дорогах с постоянным током в рабочей сети. Для напряжений от 600 до 1.500 в качестве преобразователей тока служат: а) одноякорные преобразователи, б) ртутные выпрямители и в) реже мотор-генераторы. Для напряжений постоянного тока свыше 1.500 в преобразователями служат по преимуществу мотор генераторы и ртутные выпрямители (мотор-генераторы в случае рекуперации энергии и ртутные выпрямители—без рекуперации). Второй тип преобразователей устанавливается на дорогах переменного токаниз-кой частоты (16-/3 пер/сек), питаемых от центральных станций общего пользования (50 пер/сек). Преобразователями на таких подстанциях служат: а) моторгенераторы и б) специальные машины, так называемым преобразователи частоты. Третий тип преобразователей применяется для дорог однофазного тока с питанием подстанций от собственных централей, вырабатывающих ток той лее частоты, что и в контактной сети.
Мотор-генераторы на дорогах постоянного тока состоят из моторов синхронных или асинхронных и генераторов— шунтовых или компаундных, располагаемых на одном валу с мотором. При напряжениях постоянного тока свыше 1.500 в.применяется система из двух генераторов на одном валу, соединяемых последовательно. При напря-леении первичной сети до 6.000 в моторы присоединяются к сети без трансформаторов. Коэффициент полезного действия мотор-генераторов для мощностей порядка 2.000 квт. составляет 89%. Одноякорные преобразователи применяются для напряжений постоянного тока до 1.750 в., возможно применение на линиях с рекуперацией энергии. Для мощностей 1.000 квт. коэффициент полезного действия — 93,5% и для 2.000 квт. — 94%. Ртутные выпрямители применяются для всех напряжений постоянного тока на линиях без регенерации энергии, при регенерации же—совместно с мотор-генераторами или одноякорными преобразователями (франция, Америка); коэффициент полезного действия— 96 - 97°/0 для мощностей 1.000 квт. и выше при напряжении 3.000 в Трансформаторы устанавливаются на подстанциях дорог однофазного тока.
Обычно от генератора центральной станции переменный ток идет к повышающему трансформатору, от него— в трехфазную линию передачи высокого напряжения, затем —через понижающий трансформатор—к мотор-генераторной группе; на стороне постоянного тока положительная шина ответвляется в контактный провод, и ток через распределительный щит идет в электровоз; возвращается ток по рельсам к отрицательной шине генератора постоянного тока. На рисунке 1 приведен общий вид американской подстанции Брукдэйл в плане.
6. Контактная сеть Э. ж. д.А. Общие сведения. На магистральных линиях с напряжением свыше 1.000 в контактная сеть устраивается исключительно в виде воздушных контактных линий; до
1.000 в на пригородных дорогах и чаще на метрополитенах применяется так называемым третий рельс. Воздушные контактные линии на дорогах со скоростями движения свыше 40 км!чае делаются исключительно с подвеской по цепной системе, то есть подвеской контактного провода к поддерживающему тросу помощью струн; при скоростях ниже 40 »ы»/час— простая подвеска трамвайного типа. Тип контактной сети определяет конструкцию токоприемника. При воздушном контактном проводе съем тока осуществляется или пантографом, или, реже, роликовым токособирателем; в случае 3-хфазной системы ток подводится к электровозу по двум изолированным проводам, вследствие чего и пантограф состоит из двух отдельных половин; сложность устройства контактной сети на соединениях путей является одной из причин малого распространения этой системы. Устройство 3 рельса имеет перед верхним токосниманием преимущество в смысле большей безопасности для железнодорожных агентов, а также в отношении заносимости при снегопадах.
Б. Системы цепной подвески контактного провода.
1. Простая некомпенсированная. Контактный провод по концам анкерного участкажестко анкеруетсяО. Свойства: тяжения в контактном проводе изменяются в зависимости от изменений температуры. Для регулирования тяжения в проводе применяются натяжные муфты по концам анкерного участка, регулирование по сезонам (весна, осень).
2. Простая компенсированная система. Контактный провод по концам анкерного участка закреплен на мачте подвижным образом. Конец провода может перемещаться в зависимости от изменения длины его вследствие температурных изменений. Тяжение в контактном проводе практически постоянно при всех режимах температур и равно тяжению, создаваемому весом груза на компенсаторе.
3. Цепная подвеска с поворотными консолями. Поддерживающий трос и контактный провод анкерованы на мачте подвияшым образом. Натяжение в тросе и контактном проводе, регулируемое при помощи грузового компенсатора, практически постоянно при всех режимах температур. Не годится на линиях, подверженных частым и сильным гололедным образованиям, вследствие больших провесов провода в таких случаях.
4. Сложная цепная подвеска е вспомогательным тросом (компаунд) применяется в случаях больших сечений меди е целью избежать подвески на особых изоляторах.
В. Материалы цепной подвески.
1. Контактный провод принятого в СССР профиля имеет сечения 100 или 80 миллиметров“. Изготовляется твердотянутым из электролитической меди или из бронзы.
2. Поддерживающий трое изготовляется из меди, бронзы или оцинкованной стали, а также из меди или бронзы с стальной сердцевиной. Тросы изготовляются сечением 50, 70, 95 и 120 жд2.
3. Арматуру цепной подвески (струны, струновые зажимы, стыки провода
) Анкеровкой называется защемление провода.
и так далее) предпочтительнее делать из нержавеющих металлов, остальные детали (подвесные хомуты, трубы для фиксаторов и так далее)— оцинкованными. Литые части арматуры—из ковкого чугуна или стали.
Изоляция в настоящее .время почти на всех линиях при всяком напряжении одиночная. Мачты предпочтительнее железные по соображениям срока
службы. В местностях, богатых лесом, широко применяются пропитанные деревянные мачты—сосновые и реже еловые. Срок службы от 12 до 16 лет. Размеры столбов по расчету. На станциях с большим количеством электрифицированных путей подвеска контактной сети делается преимущественно на поперечных тросах и реже на жестких поперечинах. Первая подвеска обеспечивает хорошую видимость сигналов, но требует высоких и тяжелых металлических опор.
Г. Схемы питания и секционирование сети. Для облегчения нахождения повреждений в сети при параллельной работе подстанции и параллельной работе нескольких путей контактная сеть делится но длине на отдельные участки. На границах таких участков (секций) ставятся выключатели, ручные или же автоматические, позволяющие отключить поврежденный участок сети (так называемым продольное секционирование). Для той же цели на многопутных линиях с параллельной работой нескольких путей между ними через 4-5 км устанавливаются разъединители (ручные или автоматические), дающие возможность при авариях отключить поврежденный путь (поперечное секционирование). Как правило, станции выделяются в самостоятельные секции сети. Станционные пути подразделяются также на секции, причем главные пути всегда независимы от парковых. Последние в свою очередь на развитых станциях подразделяются на группы.
7. Расход энергии на Э. ж. д. Расход энергии слагается,с одной стороны, из расхода энергии моторами на механическую работу преодоления ходового сопротивления движению, сопротивления инерции подвижного состава при трогании и расхода энергии на преодоление подъемов, а с другой стороны—из различных потерь энергии в моторах, в передаче, в линиях электрической передачи и из расхода энергии на собственные нужды электровоза. Расход энергии измеряется в ч./тн. км и относится обычно к шинам высокого напряжения подстанций. Для определения расхода энергии, включая и потери от локомотива до шин высокого напряжения подстанций, принимают коэффициенты полезного действия подстанций, рабочей сетии электровозов или моторных вагонов. С учетом всех потерь средний расход электрической энергии составляет:
Для городских и пригородных ж. д.
от 40 до 70 в т./тн. км.
„ магистральных дорог „ 20 до 50 „ я
Расход энергии на городских и пригородных ж. д. зависит от числа остановок и профиля, на магистральных — гл. обр. от характера профиля и скоростей движения. На горных участках магистралей при электрической тяге применяется так называемое .рекуперативное“ торможение, при котором
моторы работают в качестве генераторов, отдавая ток в сеть и тем самым понижая расход энергии на т. км перевозок. Рекуперация целесообразна для уклонов не ниже 10°W
8. Защита линий слабого тока от мешающего действия тока проводов контактной сети. Линпи слабого тока, расположенные вблизи Э. ж. д., подвержены воздействию индукции от линий контактных проводов. Мешающие действия сетей рабочего тока на телефонные и телеграфные линии сказываются при всех системах тока и в большей мере при переменном. Для устранения их прибегают к прокладке линий связи в кабелях и к фильтрации рабочего тока от гармоник высшего порядка (постоянный ток). Электролиз подземных сооружений возникает под действием „ блуждающих токов“ (вместе утечки из рельс) на ж. д. постоянного тока. Меры предупреждения электролиза—уменьшение падений напряжения в рельсах, хорошая изоляция рельсовой цепи (щебеночный балласт), обратные изолированные провода, присоединяемые параллельно к рельсовой цепи, и—
реже — дренирование; контактный провод всегда соединяют с положительным полюсом генератора, а обратный провод (рельс) — с отрицательным полюсом; при таком соединении разъедание труб происходит только у подстанции, тогда как при ином соединении это разъедание происходило бы под каждым вагоном.
9. Подвижной состав. В качестве основной единицы подвижного состава при мотор-вагонной тяге обыкновенно применяется моторный вагон с одним или двумя прицепными вагонами или, реже, группа из 2 моторных и 3 прицепных вагонов. Такая группа носит название мотор-вагонной поездной единицы. Единицы могут комбинироваться по 2, по 3 или по 4 в зависимости от интенсивности дневного движения, что черезвычайно облегчает задачу овладения пассажиропотоками во время наплыва пассажиров. С другой стороны, в часы затихающего движения возможно путем посылки лишь одной единицы сохранить достаточную частоту отправления, что представляет большое удобство для пассажиров и придает гибкость графику движения.
По конструкции мотор-вагонные и прицепные вагоны мало различаются между собою. Основной характеристикой, общей для обоих типов вагонов, являются: число осей, вес, длина, число мест для сидения и для стояния. В отличие от прицепных, моторные вагоны снабжены электродвигателями, характеристикой которых служат: мощность, и скорость. Моторы обычно располагаются под полом кузова моторного вагона в целях экономии полезной площади внутри вагона, предназначенной для пассажиров. Способ передачи усилия к осям—зубчатая передача. Общий вид моторного вагона
Рисунок 4.
(Иллинойс — Центральной жел. дор. в США приведен на рисунке 2. На рисунке 3 показана трехвагонная единица Северных ж. д. Московского узла. В табл. 2 приведены основные данные по некоторым типам мотор-вагокного подвижного состава.
Типы электровозов гораздо более многочисленны, чем типы мотор-вагонного подвижного состава. О конструктивной стороне электровозов см. XL1, ч. 10, 532 сл.
В табл. 3 приведены данные о современных наиболее мощных электровозах, а также о первых электровозах СССР, работающих на перевальном участке Закавказских ж. д. Общий вид электровоза серии „С приведен на рисунке 4.
Организация электровозного движения во многом сходна с организацией движения при паровой тяге. Различие же между ними проистекает из того.
что электровозная тяга имеет большие скорости и большие тяговые плечи, и, кроме того, электровоз является более простой машиной в эксплуатации, чем паровоз. При электрической тяге отпадает забота о водоснабжении, кочегарных ямах, нефтекачках, угольныхскладах, поворотных кругах, что упрощает работу станции и дает экономию в территории. Так же упрощается ремонт электровозов, поскольку отпадают такие цеха, как тендерный, котельный, трубный и так далее, необходимые для ремонта паровозов.
Таблица 2.
Главнейшие данные о современной мотор-вагонном подвижном составе.

Состав еди-

Моторный вагон

Прицепной вагон

Страна

Род точа и

ницы (м—

Числомоторов

Мощн. мотора, л. с.

Вес ва-

Число

мест

Вес

Число

мест

напряж.

моторные, и —прицепные)

гона

(беспасс.),

т.

Сидеть

Стоять

(беспасс.)

Сидеть

Стоять

Германия.. .

Пост. 800 в.

(2 м. 1.9 п.

2

230

41,0

79

137

14,5

44

68

франция.. .

Пост. 1.500 в.

,1 метров.

| 2 п.

4

235

65,1

82

61

37,7

86

63

Англия

Пост.

Г1 метров.

I2 п-

4

280

66,0

84

20

28,0

100

20

»

(2 м. 1з п.

4

250

68,0

69

-

4’°

103

СССР

Пост. 1.500 в.

г-

(2 п.

4

210

58,

108

54

37,0

108

54

Таблица 3.
Главнейшие данные о современных наиболее мощных типах электровозов.

Формулао«ей

Род тока и напряжения

— л.

Родслужбы

Вес

Мощность, л. <.

Jj О Ч “ и О 53 и о о 3 « О Й £8

я g

Страна

Примечание

Общий

Сцепн.

i-3-fa—1

О. - Т.з)

тов. и

11.000 в.

пасс.

218

180

4.000

128

США

1) Нуль при чиеле ве-

2—30— 1 -f-

П.<)

241,4

150

4.000

104,6

дущих осей указывает

-f-1—30—2‘)

3.000 в.

на зубчатую передачу.

1-24-2—1

О.»)—15.000

тов.

90,8

72,2

2.800

6»

Швейцария

-V-1-

2) О-однофазный ток.

—2,-Н-Н-

О. 15.000

пасс.

3) 0. - Т. — однофазно-

- 2в—1—

тов.

244

—

8.8005)

100

Швейцария

трехфазный.

-2,-1

2—1

О.-Т. 15.000

пасс.

99,9

56,5

2.000

100

„

4) П—постоянный.

1—3,-3,-1

О.—15.000

тов.

138,8

115,8

3.560

65

Германия

5) Самый мощный в

1-4.-1

тоже

пасс.

109,5

58.6

3.550

НО

„

мире.

2-343-2

П. Т. 1.500в.

пасс.

158

108

5.340

130

франция

2—4,—2

„

122

76,7

3.200

140

0—2,—20—0

„

тов.

76,7

76

1.720

85

0—30-}-Зв—0

П. Т. 3.000 в.

пасс.

132

132

2.760

65

СССР

о - з,4-з,—о

‘

114

114

—

75

,

Литература: Пушкин, И. Д., „Электровоз на службу социалистическому транспорту“ (1932); Жапио, М., и Ферран, „Электрическая тяга в С.-А. С. Н1.“ (1931); Забродин, В. А., „Первый электрифицированный участок на магистральных ж.-д. путях“ („Гудок“, М., 1932, № 7—8); Бернацкий, Л. //., „Электрические жел. дороги“ (1926); Герливанов, Г. А., и Иванов, И. С., „Электрификация ж. д. Западной Европы44 (1932); Медель, В., „Магистральные дороги постоянного тока“ (1931).
А. Гамнов.
XI. Электрическое освещение. 1. Значение и историческое развитие Э. о. По сравнению со леем я другими видами освещения Э. о. имеет безусловно все преимущества. Научные исследования показали, что к )аботе глаза при искусственном освещении нужно относиться весьма внимательно, иначе могут происходить всевозможен, осложнения. При плохом искусственном освещении и при все развивающихся ночных работах может сильно распространиться инвалидность но зрению, увеличиться число несчастных случаев, уменьшиться производительность труда, ухудшиться качество вырабатываемых продуктов. Научные исследования показывают, что самое хорошее освещение по своей стоимости может окупиться и еще может получиться дополнительная прибыль по сравнению со всеми расходами, необходимыми для покрытия всех потерь, могущих произойти от плохого освещения. На производствах и в больших учреждениях должно быть рационально поставленное световое хозяйство. Статистика показывает, что 15-20°/о всей вырабатываемой электрической энергии используется для нужд освещения. В настоящее время не редкость электрические осветительные установки мощностью 200, 500 и 2.500 квт.
Э. о. начало развиваться примерно лет пятьдесят тому назад, хотя попытки получить свет при помощи электричества были значительно раньше. В 1801 г. Тенар и Деви производили опыты накаливания проводников электрическим током. В 1802 г. В. В. Петровоткрыл явление вольтовой дуги {см. XI, 192 сл.). В 1854 г. Гебель сконструировал впервые электрическую лампу накаливания с угольной нитью. В 1873 г. Ладыгин применил угольные электрические лампы для освещения Адмиралтейства в Петербурге. В 1877 г. Яблочков при помощи своей „сЕечи“ (вольтова дуга с вертикально поставленными и горящими вверх углями) осветил Avenue de ГОрега в Париже. В 1879 г. Эдиссон сконструировал электрическую лампу накаливания, технически пригодную для эксплуатации и получившую широкое распространение как в Америке, так и в Европе. В 1903-1904 г. были изготовлены электрические лампы с нитью накала из металла (цирконий, тантал, позднее вольфрам). В 1906 г. лампы с вольфрамовой нитью накала получили широкое распространение. В 1913 г. Всеобщ. комп, электр. выпустила газополные лампы. В последнее время имеются попытки искания более экономичных источников света. Для изготовления ламп накаливания более экономичных, чем существующие, нужно иметь в распоряжении материал для тела накала, обладающий высокой температурой плавления, незначительной способностью испарения и селективным излучением. В настоящее время производятся опыты изготовления нити накала для электрических ламп из вновь открытого металла рения, имеющего температуру плавления около 3200° С (несколько ниже вольфрама—3370° С), но менее подверженного испарению. Изготовляются также нити накала из карби-
Iюдов различных металлов, обладающих высокой температурой плавления (карбид тантала и гафния 3940°. С).
2. Световые величины и их определение. Световой поток есть лучистая мощность, оцениваемая глазом по производимому ей световому ощущению. Светимость (поверхностная плотность светового потока) есть отношение величины светового потока, испускаемого поверхностью, к ее величине. Освещенность в какой-либо точке поверхности есть плотность светового потока в этой точке, иля отношение величины светов. потока, падающ.на поверхность, к величине поверхности. Световая энергия есть произведение величины светового потока на время его действия. Количес7пво освещения (поверхностнаяплотность световой энергии) есть произведение величины освещенности на время ее действия. Сила света точечного источника есть отношение светового потока к телесному углу, в котором он заключается и вершина кото- рого опирается на точечный источник.! Для источников конечных размеров силой света считается отношение све-товога потока к телесному углу при условии, что измерение силы света производится на достаточно большом расстоянии. Яркость светящейся поверхности в данном направлении есть отношение силы света поверхности в этом направлении к площади проекции i светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к рассматриваемому направлению.
Таблица 1. Основные светотехнические величины.
Наименование величин
Обозначение и определяющие уравнения.
Озетовой поток|
Светимость (поверхностная плотность светового потока).
Освещенность
Световая анергил
Количество освещения (поверхностная плотность еветов ш j энергии) ..j
Сила света..j
Яркость
F
Е =
F
S
L=FT
И ЕТ
R =
dF
dS
Е -
dF
dS
L ~ | FdT
M8“
dF
dto
В =
dS cosa
Обозначения: Г—время, J — площадь, u> — телесный угол, а —угол между данным направлением х нормалью к рассматриваемой поверхности.
Обозначения и определяющие уравнения приняты международной Осветительной комиссией,кроме отмеченных звездочкой. 3
3. Световые единицы, их определение 11932 г. утвержден, как обязательный,
и обозначение. Всесоюзным комитетом j стандарт на световые единицы (ОСТ
по стандартизации при СТО с 1 июля 4891):

Наименование единиц.

Сокращенное обозначение (шттфт)

иностр.

ру сек.

v И О С Д С Л Ь Л Г. л

Кдиницы яркости:

Стильб

!

!

i

зЬ

| сб 1

Яркость равномерно светящейся плоской поверхности в перпендикулярном к ней направленна, испускающей в том лее направлении свет силой в одну свечу с одного кв. сантиметра.

!

МиллшстилъбI

1

msb

мсб

0,001 sb.

Точное значение вышеприведенных световых единиц для научных и практических целей определяется по основным эталонным лампам, выверяемым и хранимым Всесоюзным научно“иссл. пнем, метрологии и стандартизации Всесоюзного комитета по стандартизация при СТО. Рекомендуется пользоваться латинскими буквенными обозначениями и употреблять рус
ские обозначения лишь в тех случаях, когда применение латинских обозначений встречает затруднения. На рисунке 1 в наглядной форме графически представлена зависимость между световыми единицами.
4. Воспроизведение световых edumttf. Для всех световых измерений служит единица силы света—международная свеча, установленная соглашением между государственными метрологическими лабораториями Англии, франции и Америки. Международная свеча воспроизведена специально приготовленными электрическими лампами накаливания, хранящимися в виде эталонов в метрологических лабораториях вышеуказанных государств. В СССР в 1925 году декретом СНК постановлено считать за единицу силы света международную свечу. Большинство стран производит световые измерения по международной свече. В Германии до этих пор единица силы света воспроизводится лампой Хефнера (ср. XLIY, 383), в которой горит амилацетат при строго определенном размере фитиля и высоте пламени 40 миллиметров. Соотношение международной свечи и свечи Хефнера в зависимости от температуры источников света приведено в таблице 3.
Таблица 3. Соотношение международной свечи и свечи Хефнера.

Источники света при нормальном режиме горения.

Переводный коэффициент международной свечи в свечу Хефнера.

Угольная лампа

1,11

Вольфрамовая вакуумная лампа

1,145

Гаоополвая лампа

1,17

деления силы света, а на рисунке 3 — продольна т кривая распределения силы света вольфрамовой вакуумной лампы.
Сила света в одном каком-нибудь направлении измеряется обычно на линейном фотометре, схема которого представлена на рисунке 4, где 1D — известный по силе света источник (эталон), /у—источник света, который должен быть измерен, Ф — фотометрическая
Л
Лх
Ь— о
т
-ел
Рдс. 4.
Рисунок 2.
головка, которая устанавливается так, чтобы оса поля сравнения экрана головки имели одинакову ю яркость; тогда справедливо равенство:
нязтся распределительный фотометр, схема которого представлена на рисунке 5, где 3—зеркало, могущее вращаться вокруг испытуемого источника света; Э — экран, за- щищающпй фотометрическую головку от прямого попадания лучей от источника света; Ф— фотометрическая головка; If — испытуемый источник света или эталон; Е—промежуточная лампа; е0=a -J- Ь — расстояние ст испытуемого источника или эталона до фотометрической головки. При производстве измерений испытуемый источник света в прямом на„3

г

ЧГ“Т

i а А

j i!

, &

Ф

где 1э и 1х — соответствующие расстояния от источников света до центра фотометрической головки.

Для получения кривых распределе-

! /л j

I э

;

5.

1 0

ния силы света в продольной и поперечной плоскости (рисунок 2 и 3) примеяг
Рисунок 3.
правлении фотометрической головки закрыт экраном, и нащоловку попадет свет только от зеркала. Зеркало может Еращаться вокруг источника света на 360°. Центр вращения зеркала должен совпадать со световым центром измеряемого источника света. Головка фотометра все время остается на месте. Для достижения фотометрического равновесия меняется расстояние I промежуточной лампы до фотометрической головки. Чтобы исключить коэффициент отражения зеркала и расстояние Ц, в К помещается не самый эталон, а промежуточная лампа, сила света / которой опредексах. При больших освещенностях применяются фильтры (11), включаемые перед экраном (9) рычагом (12). При применении фильтров показания люксметра нужно множить на указанные при люксметре коэффициенты.
В настоящее время широко начинает применяться объективная фотометрия. Световые потоки и освещенности измеряются объективным методом при помощи фотоэлементов без участия глаза. Как известно, работа глаза не постоянна и зависят от многих факторов, влияющих на точность измерений. При фотометрических измерениях фотоэлементы иначе реагируют на световой поток, чем глаз, поэтому приходится дополнительно вводить светофильтры, что значительно затрудняет применение фотоэлементов. При фотометрических измерениях приме-
fHflioTCH вакуумные фотозле-j менты или с газовым капол-/ нением; светочувствительный слой таких фотоэлементов состоит из металлов калия, натрия, бария, рубидия, цезия; суммарная чувствительность таких фотоэлементов к свету колеблется в преде-рас. в лах 20:30 микроампер на люмен. Кроме указанных фотоэлементов, применяются для световых измерений купроксные и селеновые фотоэлементы; суммарная чувствительность первых около 100 миллиампер на люмен, чувствительность вторых 200 — 300 миллиампер на люмен.
Приемы измерения освещенности в помещении сводятся к нахождению средней (Е срвл), минимальной (ЕМВЯи) и максимальной (#мавс) освещенностей, а также и коэффициента неравномерности -мил.: -Wc. При производстве измерений все помещение разбивается на равные части (обычно кв. м), в каждом квадрате измеряется освещенность 2—3 раза, берется из этих измерений среднее значение освещенности и записывается на предварительно приготовленном, в определенном масштабе, плане помещения. Полученные таким измерением наибольшее и наименьшее значения освещенности принимаются за и средняя освещенностьсред. находится обычно, как среднее значение из всех освещенностей, найденных для каждого квадрата.
6. Электрические источники света можно подразделить на два класса: на источники с температурным излучением и на источники с излучением по способу люминесценции; к первым относятся лампы накаливания и отчасти вольтовы дуги с чистыми углями, ко вторым— вольтовы дуги с эффектными углями, ртутные дуговые лампы и светящиеся трубки с разреженными газами.
Электрические лампы накаливание в настоящее время являются очень распространенными источниками света для целей освещения
Электрические лампы накаливания в настоящее время являются очень распространенными источниками света для целей освещения. Лампы изготовляются на мощность от 3 вт до 50 квт, на нормальное напряжение 110 — 120 V и 220F, а также и на разные другие более низкие напряжения от 2 до 80V. Нормальные лампы накаливания, изготовляемые в СССР, должны удовлетворять по своим световым, электрическим и другим качествам утвержденному стандарту ОСТ 5154.
Световые измерения электрических ламп накаливания производятся или по световому потоку в люменах, или на среднюю сферическую силу света в междуна-родных свечах. Электрические лампы разделяются на вакуумные с угольной нитью (рисунок 8), почти вышедшие из употребления, на вакуумные с вольфрамовой нитью (рисунок 9) и на газополные тоже с вольфрамовой нитью, свернутой в спираль (рисунок 10); последний сорт ламп неправильно называется по-луваттными“. В последнее время как в СССР, так и за границей пустотные лампы мощностью 15, 25, 40 вт изготовляются со спиральной нитью и по внешнему виду очень похожи на газополные лампы. Спирально-вакуумные лампы экономичнее вакуумных ламп с прямой нитью. В пустотных лампах воздух почти совершенно удален из
Рисунок 10.
колбы лампы. В газополных крупных лампах колбы заполняются азотом, а в малых лампах — аргоном или смесью аргона с азотом. Давление газа в колбах ламп в холодном состоянии приблизительно 2/з атмосферы. Присутствие в колбе инертного газа замедляет процесс испарения металла с поверхности вольфрамовой нити. Кроме указанных типовых широко распространенных ламп, имеется много специальных ламп или ламп с некоторыми конструк-;
лампы с повышенной световой отдачей (Nitraphot-lampe). В продаже имеются лампы и для других разных специальных назначений, как, например: свечеобразные, софитные, иллюминационные, автомобильные, рудничные, котельные и другие.
В настоящее время нити накала для электрических ламп изготовляются из вольфрама с примесью долей процента тория для того, чтобы нить во время горения кристаллизовалась в мелкиетивными изменениями. кристаллы, что дает ей большую проч-
Для уменьшения слепящего деист- j кость. Иногда прибавляют также доли вия для ламп мощностью до 100 вт кол- j процента кремния, который дает непро-бы изготовляются из молочного стекла, j висающую нить. Вольфрам после специальной, довольно сложной обработки приобретает способность тянуться в очень тонкие и прочные нити.
За пятидесятплет-ний период существования ламп накаливая ия сделано много усовершенствований. Современные электрические лампы накаливания в“ 7 10 раз
Экономичнее первых. Но все же лампы — весь ма невыгод к ы и трансформатор, пре-образу ющи и э и е р-гию топлива в световую энергию, так как в последнюю пе-
X
мили матируются. Прежде матирование j производилось снаружи колбы, в на“ j стоящее время матируется внутренняя; часть колбы, что дает потери света 1— j 3°/о вместо 5°/о для ламп, матирован.сна- j ружи. Иногда газополные лампы имеют j колбу из синего стекла, задерживающе- j го красные лучи,такие лам пы носят наз-1 вание ламп „дневного света“. Для ги-; гиенических целей иногда колбы газо- j полных ламп с повышенной световой I отдачей делаются из стекла, просу- j екающего ультра-фиолетовые излуче- j ния (Vitalux lampe). Для фотографа-j ческих целей изготовляются спецпаль-1 ные газополные внутри матированные j
реходит меньше 1° о первой. Законы температурного излучения для абсолютно черного тела, открытые Стефан-Больцманом, Вином и Планком, хорошо изучены и подтверждены на опыте. По закону Стефана-Больцмана, полное количество излучаемой энергии для абсолютно черного тела пропорционально 4-й степени температуры:
W= fPKd>.=,T
где а=5,710 ~“13ватт на см~2градус“ Т — абс. температура, откуда следует, что с увеличением температуры в два раза общее излучение увеличивается вотдаче лампы являются самыми выгодными источниками света, но, к сожалению, излучают световой поток, значительно разнящийся от дневного света. Характеристики этих источников представлены в таблице 6.
7. Системы Э. о. Освещение называется общим, когда вся поверхность помещения освещается одним или несколькими светильниками. Если освещается только небольшое рабочее пространство одним, а иногда двумя светильниками, то такое освещение назы-! вается местным. Там, где требуетсятовой поток от светильника непосредственно направляется на освещенную поверхность. Такое освещение создает резкие тени (рисунок 13 а). Полуотраженное освещение получается, когда от светильника лишь часть светового потока падает непосредственно на освещаемую поверхность, другая же—большая—часть отбрасывается светильником на потолок и стены и уже при вторичном отражении попадает на освещаемую поверхность. Такое освещение дает мягкие тени (рисунок 13 б). Отраженное : освещение получается, когда от све-
/-
а > &
Рпс. 13.
по роду работ высокая освещенность, порядка 200 — 1.000 люкс, необходимо применять местное освещение. Согласно правилам Н. К. Т., не разрешается применять в промышленных предприятиях одно только местное освещение. Очень часто применяются оба указанные способа одновременно, тогда такое освещение называется сметанным. Если общее освещение ниже 100 люкс, оно должно составлять 25% от совместного действия общего и местного освещения.
Ф Освещение разделяется на прямое. полу отраженное и отраженное. Прямое освещение получается, когда светильника весь световой поток отбрасывается на потолок и стены и уже при вторичном отражении от этих поверхностей попадает на освещаемые поверхности. При таком освещении тени почти отсутствуют (рисунок 13в). Полуотраженное и отраженное освещение должно устраиваться в помещениях со светлыми стенами и потолком. Стоимость эксплоатадии отраженного освещения самая большая по сравнению с полуотраженным и прямым освещением.
При устройстве как местного, так и общего освещения надо избегать слепящего действия и нельзя помещатьлампы с арматурой к световому потоку голой лампы); распределением светового потока (или силы света) в верхней и нижней полусфере в продольной плоскости; направлением и величиной максимального светового потока (или силы света). Колпаки, кроме того, характеризуются защитным углом (угол, образованный горизонтальной линией, проходящей через световой центр источника света, и линией, про» ходящей через тот же световой центр источника света и край колпака). В пределах защитного угла глаз не подвергается слепящему действию от источника света. В таблице 7 представлены характеристики изготовляемых в ССОР светильников для освещения промышленных предприятий, общественных учреждений и улиц. Варне. 14 в качестве примера дана кривая распределения силы света для светильника типа „Люцетта“ и голой лампы.
Стекло, металлические стеклодержа-1 те ли и опорные обода для осветительных арматур, для целей экономии, ограничены в СССР небольшим количеством необходимых сортов и стандартизованы (ОСТ 2450) по своим основным размерам. I
Электроарматуркое стекло должно j выдерживать нагревание до SO0 С, не! должно иметь трещин, наплывов, резко I заметных свилей и пузырей. j
9. Расчет Э. о. и нормы освещенностей. Освещение должно быть достаточно, ке действовать вредно ослепляюще на глаза, что очень часто наблюдается при неправильном устройстве 1 освещения и при применении ис-! точников света с большой яркостью! (смотрите табл. 5). Осветительная установка должна быть экономична, удобна в эксплуатации и красива по внешнему виду. Для установления достаточной величины освещения имеются „Временные правила искусственного освещения фабрик, ззводеш, мастерских и других служебных помещений и мест работы“, изданные как обязательные j НКТ от 17 сентября 1928 г. В соответ- j ствии с этими правилами можно ечн- ] тать достаточными нижеприведенные I в таблице 8. минимальные освещенности для различных рабочих поверхностей и вспомогательных помещений, i
Т а б х 7. Характеристики светильников, изготовляемых в СССР.
На. именование светильников
Назначение светильни- ностьков ламп в
__ваттл.
1. „Универсаль.
Применяется для пря- j от 200 моро общего е местного | до 500 освещения при темные ! потолках или занятых I различными установка- j на. В пыльных поме- I тениях или при не- больших высотах под- j peea, применяются обязательно с затеипте-
2. „Люцетта“, преимущественно направленного свата.
Применяется для общего освещения при светлых окрасках потолков и стен.
3. „ЛгоцоттгДаре-имущ-с-леняо отраженного света (рас. Н).
4. Глубокопзлу-натель.
Применяется там, где не должно быть резких теней,для полуотражен- ! яого освещения при светлых окрасках потолков к стеа. Применяется для прямого осейщеевя р.г:ут-,
реигпзх пом-ще-ий и наружных п:.остра- с:в < ар и“ больших в а сотах ! подвеса или где требуете:: получить большей о<зегце.-:ность на местах работы.
от 100 до 500
от 300 50 I.GeO
5. „Альфа“.
G. „Нрэтмуще-ственно прямого света“.
7. „П.тчЛон“ одноламповый.
8. „Наружного освещения“.
Применяется для ме-стн-го освещения. Применяется для освещения внутренних по-мг щенки со светлой окраиной потодхоз и стен, для улиц, я а которых должка быть р.ескочько освещена а.рхкля часть фасадов;
дчег мягкие тени. Применяется для помещение с нн.щкмя по-го и вам и, для лестниц, вестибюлей и проч. Применяется с прозрачными и матовыми стеклами для освещения открытых пространств.
ДО Тоот 200 до а .000
до 85
от 200
ДО 1.000
Т а С л. S. Освещенности на рабочих поверхностях и во вспомогательных помещениях.
Разряд !
Название работ и помещений.
Минимальнаяосвещенность.
I а Мелкие и тонкие работы с темными рабочими поверхностями (отношение наименьше“ о р&амера рассматриваемого предмета к расстоянию его до гдала не более 1 :1000). Точные тонкие работы по металлу, поп:роль, браковка, по ытання, чертежные работы, пробирка реис, темное сращение, тонкая шлифовка, лабораторные работы.
Таблица 9. Нормы освещенностей школьных помещений.

Название помещений.

Минимальнаяосвещенность.

Люксы.

1

На столах учащихся

75

2

На классных досках

75

В

В лабораториях и а рабочих пестах. .

БО

4

В библиотеках на столах.

50

Б

Нг. чертежи .: досках..

1 100

6

В спортивном зале кг. полу

е.о

7

В помещениях для отдыха

20

8

U £пдо“’ах_. и 1. готшзоиталькая оеве-

9

/Гостьи“ полу

15

50

Для установления величин освещенности наружных пространств все улицы, площади, проезды и дороги в зависимости от характера движения разбиваются на 5 разрядов.
Т а б л. 13. Нормы освещенностей улиц, площадейпроездов и дорог.
Для освещения лечебных заведении принятые нормы представлены в табл.10.
Таблица 10. Нормы освещенностей лечебных заведений.
Минимальная о с;;е, точность. Л:аксы.
Название помещений.
Общееосвещение
Местное освещение
Наименование освещенных мест.
Наименьшая освещенность. Люксы.
£> крупных го-! родах
I
3 больших городах
I
Вотщяльяые площади;
улиц >: Unp.UO ГЫСОеобО
большим 3 £ гомобвль-hum v. трамвайным двь-асекием; базары, рынки, ярмарки; подряды, спуски и лестницы на улп-;ах
Операционные.
Приемные попои, персвлзочпые
Лечебные кабинеты, лаборатория, аптеки
Кухня
Палаты
Прачечные
Склады
Уборные, укывыь-1 ££ ншеи, ванны I
Корндо’ры, лестни- ™на, цы, проходы j пп°0слуь ла
100
100
60
20
SO
20
20
П «уллц.чг, проезды и до-!р’» а с большем &В7 1 мобильным в траква! пым движеньем; площади. к мес.а около общественных «даней, фабрик, заводов, театров, глубок, домов культуры, кя.чематограров И так далее.
III
IV
Для жилых городских помещений молено рекомендовать следующие, приводимые ниже в таблице M, нормы освещенностей.
Таблица 11. Нормы освещенностей домашних помещений.
Название помещений.
10
11
12
Столовые
Детские Кабинеты Библпот. J
Сп&дыш
Гостинныо)
Кухни j -
1ЙЕГ}“ «««г-
Коридоры I
Лестницы j.
Входы и выходы)
Минимальнаяосвещенность.
Люксы.
35
30
40
15
Улицы средним пым я трамвайным движениемпроезды со автомобиль-
Улицы и проезды е небольшим автомобильным и трамвайным дви“ же дпем..
Улицы, проезды и дороги с редким движенцем (при отсутствии трамвая) -
0,3
0,3
0,3
0,1
Задача расчета Э. о. сводится к размещению и выбору соответствующих по мощности светильников в зависимости от характера производимых работ и от размеров и окраски помещения. Светильники прямого света подвешиваются от потолка на расстоянии ЗО-т-50 см; для полуотраженного и отраженного света на расстоянии 504-100 см, в зависимости от высоты помещения и необходимости достижения равномерного освещения потолка. Расстояние между светильниками должно приблизительно равняться 1,5 высоты подвески светильников, причем высота подвескиточечного метода можно построить кривые освещенности для различных направлений освещаемой поверхности. Уличное освещение преимущественно рассчитывается точечным методом.
Для расчета освещения от источников света больших размеров, как, на1 пример, больших светящихся поверхностей, нельзя пользоваться приведенными формулами расчета. В таких случаях освещенность в какой-нибудь точке поверхности может быть определена по формуле:
Е=Вф cos з,
где В—яркость светящейся поверхности, и>—телесный угол, образуемый светящейся поверхностью с вершиной в освещаемой точке, а—угол наклона перпендикуляра из середины светящейся поверхности кнормали плоскости в освещаемой точке. В приведенной { формуле представляет большое затруд- j ненне определить проекцию телесного! угла. J
Для диффузно рассеивающей свет] прямоугольной плоской светящейся! поверхности для точки, лежащей на! перпендикуляре, опущенном из угла ’ светящейся плоскости на освещаемуюгде В—яркость в стильбах, h-высота светящейся поверхности над освещаемой точкой, а—длина, Ь—ширина светящейся поверхности. Чтобы подсчитать по этой формуле освещенность в какой-нибудь другой точке В, нужно восстановить перпендикуляр из этой точки к светящейся поверхности, через точку перпендикуляра провести линии параллельно сторонам а и Ь (рисунок Ш;
о
Эти линии разделят светящуюся поверхность на четыре части: 1, 2, 3, 4. Освещенность в точке В подсчеты-
поверхность N (рисунок 16), горизонтальная освещенность Ен в точке А будет определяться формулой:
105Г
arctg
+ а3
-+
j вается отдельно от каждой поверхности и суммируется.
Для подсчета вертикальной освещенности применима формула:
Ev
104В г b arctgT~“
—е======- arc tg —я-=— -
У& + а“ bУ Ье + а3
В приводимых формулах линейные размеры выражены в метрах, освещенность в люксах, яркость в стильбах, углы в радианах. Углы, выраженныев градусах, надо умножить на
чтобы получить углы в радианах.
10. Прожекторное освещение. В настоящее время часто стали освещать прожекторами памятники, фасады общественных зданий, места строительных работ, железнодорожные пути и прочие В СССР изготовляются прожектора нескольких типов с различными световыми и электрическими ха-; рактеристиками.
г»~2в ,
Пучек лучей прожектора на горизонтальной поверхности дает световое поле эллиптической формы. Величину эллиптической площади легко определить из рисунка 1.7, где Я—высота прожектора над освещаемой поверхностью; О — мертвое пространство; В —угол наклона оси прожектора к горизонтальному направлению;»—угол наклона оси прожектора к вертикальному направлению; «—угол наклона луча, падающего в освещаемую точку по отношению к вертикальному направлению; г—расстояние от прожектора до освещаемой точки; полезный угол рассеяния; Ой—ось прожектора.
Необходимый световой поток для какой-нибудь площади при заданной средней освещенности определяется по формуле:
Fj=Ее ред. Smc,
где J1!—необходимый световой поток в люменах; £—площадь в кв. м, кот о“ руго необходимо осветить; т—коэффициент потери света по сторонам==— 1,2 -4- 1,5;с—коэффициент ухудшения прожектора во время его действия.
Потребное количество прожекторов на данную площадь определяется следующей формулой:
F,
Z ~ F-n ’
где F— световой поток голой лампы, ч — коэффициент полезного действия прожектора.
Горизонтальная освещенность от прожектора в какой-нибудь точке, лежащей на большой оси эллипса, определяется формулой:
/а соза Eh= ~2
где /« -сила света прожектора, измеренная под углом » в продольной плоскости; с—коэффициент ухудшения прожектора во время его действия; г—расстояние освещаемой точки от прожектора.
Для нахождения горизонтальной освещенности в точке, лежащей на малой оси, значение сил света берется по кривой, снятой в поперечной плоскости. Вертикальная освещенность точек, лежащих на большой или малой оси эллипса, находится по формуле:
Ey=Ehtg&.
Для определения освещенностей в любой точке площади эллипса имеются более сложные методы подсчета.
Таблица 18. Временные правила искусственного осве-

щения открытых пространств

и фаеадов зданий.

S

!

Наименьшая освещенность

Наименование освещаемых мест

(

!

j

На гориьонталь-ной плоскости

На вертикальной плоскости

I. Открытые пространства., на которых имеется движете людей и мехак.чзмов и не требуется различать “,елках предметов.

{

i

j

i

1. Строительные, ра>оятныв работы, открытые трансформаторные подстанции, верря м прем..

j

i

1 5

i

j

2. Земляные работы, камепо“ ло“:ни, складские и погр>зоч-ВЫ-; дворы. .

J

5

3. Железнодорожные парки,ма- ! иевровые пути, большие вклад- 1 скив территории.|

i

i 0,2

0.Г

II. Места спорта к #о ! 1. Народные гуляньз. и; уды ] для катанья надо л:зх. .. .

! ! 1

I

1 _

2. Массовые игры, купальные бассейны

2

“

3. Велодромы, ипподромы. .

;i

10

4. Волейбол, теннис, футбол И так далее

iio

1 40

III. Фасады зданий и намят-;
инки. I
1. Светла“ поверхность! (светлы“ изравцы, светлый! железобетон, светло-серый; камень)..
2. Срздяего оввта поверхность (серый камень, терракот, серая окраска)..
8. Темного цвета поверхность (красный, темно-серый камень, темная окраска)
| Средняя освещенность I в люксах при фоне:
светлом (среднем {темном
60
160
IY. Вывески и рекламы I
4. Светлая поверхность. j
I
5. Темная поверхность. ]
ИЮ
{ Литература: „Труды I, II и III Веесозо“. светотехнической конференции“ (1926, 1981, 193); „Труды Ленинградок. Института гигиены труда — Освещение промышленных предприятий“ 1 4 5 (190): журнал „Светотехника“ (1982 и 1684); Майзель, С. О „Об основных понятиях светотехники“ (ШЦ; Гершун, А. А„Фотометрические единицы и величины“; Мартынов, П. Иж Соколов, М, А., „Светотехническая терминология“ (1981); Гурсеич, М. М., „Световые измерения (конспект лекций)· (1934); Фабри, Ш., „Общее введение в фотометрию44 (1934); Федоров, Е. В., „Осветительные лампы“ (1934); Ульмишек, Л. Г., „Производство электрических дамп“ (1933); Иванов, А. //., „Электрические лампы и их изготовление44 (1923); Бель-панд, Л. Д., „Эл ‘ктрич. осветительные приборы бдилеиего действия“ (1934); Мешков, В. В., и Смелякский, 3. Б.у „Гигиена освещения“ (1934); „Основные сведения об электрических лампах“ изд. ВЭО); Мешков, В. В., и Соколов, И. И., „Курс осветительной технтилт“ (193-1:; Сиротинский, Л. 1-1., и Федоров, Б. Ф., „Основы техники электрического освещения“ (1930); Френкель, С.В. и Наделены, П.Ф., „Методы светотехнических расчетов- (1 н3 >); Лорени,-сон, И. Г., „Декоративное освещение44 (1933); „Расчет -рожектопного освещения44 (Сборн.ст., Э..ергоиздат, 1932; Фролов, Р. II., „Электрические прожекторы4 (1933); Соколов, И. И„Применение прожекторов для целей освещения“ (1932); Сзо.шнг, И. X, и Белов, К. II., „Проек ироЕаьне прожекторного освещено я сортировочных с таг дни “ (1932 у.Зеленков, В. А., „Основные вопросы энергетики и экономики искусственного освещения промышл. предприятий в связи j о планом развития промышленности-; Walsh, J „Photometry“ (1926); Liebertikal, Е., „Pruktiscke / Photometri-4 (1907;; Uppenborn Mor.asck, „Lehrluch der Photometrie“ (1912); Bloch, L., „Lichttechnik“ (1921); Lukiesh, M., „Lieht und Arbeit“ (1926); „Iland-buch der Physik“ (В. XIX); Jolly, Waldram, Wilson. „The Theory and Design of illuminating Engineering Equipment“ (1930); Cady and Dates, „Illuminating Engineering (1926); Barrows, „Light Photometry and Illuminating Engineering“ (1926; Harrison, Haas, Reid, „Street Lighting practice“; журналы: Transactions of the Illuminating Engineering Society, Das Licbt, Licht und Lampe. JJ# Мартынов.
XII. Электрическая сигналиваг ия— использование электрического тока для передачи того или иного сигнала. Простота устройства, надежность работы, возможность передачи сигнала на дальнее расстояние, малая затрата энергии послужили причинами широкого распространения Э. с.
Простейшей Э. с. является электричестейшей своей форме она состоит из деревянного осью вания$ (рисунок 2. на котором винтами укреплены две пружины /; про вода присое ’ ТТЛ “
диияются к
Этим винтам, а на основание навинчивается деревянный футляр, в середине которого сделано отверстие для костяной кнопки К. При нажатии

уу ф

£

А

b iv

i

Вис. 3.
Рисунок 4.
ский звонок, в котором замыкание цепи тока в одном месте (Dlf По, JD3) вызывает звучание колокольчика (17), установленного в другом месте (рисунок 1). Приспособлением для замыкания тока звонка служит нажимная кнопка; в прокнопки К свободные концы пружин f соприкасаются и замыкают цепь тока звонка. Этот последний, в большинстве случаев, изготовляется в форме дребезжащего звонка (рисунок 3); он состоит из электромагнита Е, обмотка которого замыкается через пружинящий контакт у винта S; напротив электромагнита, на пружине F, укреплен кусок хмягкого железа—якорь А, соединенный с молоточком К, Когда кнопкой замыкают цепь тока звонка, тогда электромагнит, намагничиваясь, притягивает якорь А, и молоточек К ударяет по колокольчику G, ко при этом цепь тока разрывается в кон-
I,
I нс. 1.
магнитов; от каждой нажимной кнопки к нумератору идет отдельный провод, присоединенный к одному концу обмотки соответствующего электромагнита; вторые концы этих обмоток соединены вместе, и цепь их тока замыкается через общий звонок и элементы (рисунок 6). При нажатии одной из кнопок ток проходит по обмотке соответствующего электромагнита, к нему притягивается железный якорь и освобождает сигнальный клапан (флажек); последний, под действием своей тяжести, опускается, и в окошке нумератора показывается номер, или надпись, обозначающая помещение, откуда подан сигнал. С помощью нажимного рычага клапаны можно поднять в первоначальное положение. Иногда нужно, чтобы звонок работал до тех пор, пока не будет подан встречный сигнал о том, что звонок услышан; в
Я
±£L
ь
Рисунок 7.
таких случаях применяется схема соединений, показанная на рисунке 7. При пажатии кнопки К начинает работать колокольчик, но при этом электромагнит а притягивает железную пластину, соединенную с кнопкой К, благодаря чему цепь тока остается замкнутой и колокольчик продолжает звучать до тех пор, пока вызываемый не нажмет кнопку b, расположенную близ колокольчика, и тем самым, прервав ток, освободит кнопку К,
Если нужно передать сигнал на относительно далекое расстояние, то затруднительно приводить в действие колокольчик непосредственно от элемента, питающего сигнализационную линию; для этого нужно относительно большое напряжение батареи элементов, что, в свою очередь, требует улучшения изоляции всей проводки. Для того чтобы избежать такого удорожания установки, применяются сигнальные реле,—аппараты, в которых действие слабого тока вызывает замыкание цепи более сильного тока. Подобное реле (рисунок 8) состоит из
Электромагнита, обмотка которого включается в цепь сигнализационного тока (рисунок 9). При замыкании этого тока электромагнит притягаваетякорь, а этот последний замыкает цепь тока, приводящего в действие сигнализирующее устройство: колокольчик или сигнальную лампу, сигнальную сирену и тому подобное. На рисунке 10 изображена схема более сложной сигнальной установки с реле: при нажатии кнопки I звонит колокольчик, и одновременно реле R притягивает якорь К и зажин
я.. я
Рисунок 8.
гает таким образом лампу ь. Как только прекращается нажатие кнопки I, колокольчик выключается, но лампа продолжает гореть до тех пор, пока не будет нажата кнопка А> которая прерывает цепь тока реле и заста-1 вляет последнее выключить лампу, j Такая схема применяется в гости- j ницах, где колокольчик звонит в комнате обслуживающего персонала, а j лампа загорается над дверью комнаты, j из которой подан сигнал.
В вышеописанных устройствах сигнал подается только при замыкании
OQ
W
О
71

R

MA/VW-

J

Рве. 11>

ас. 14.

Рас. 13.

eKMHxoxodiHOug

цепи тока. Недостатком такого устройства сигнализации является то обстоятельство, что неисправности установки, например обрыв проЕодов, порча сеточника тока и тому подобное., обнаруживаются часто только при подаче сигналя: поэтому в тех случаях, когда требуется большая надежность работы сигнализационного устройства, как то: о пожарной сигнализации, в сигнализации общественной безопасности я т. п.# применяется работа на непрерывном тоте, то есть электрический ток непрерывно обтекает сигнализационную цель, а сигнал работает при размыкании этой дени. Схемы подобных устройств показаны на рте. 11—простом звонок, и на рисунке 12 — звонок, включающийся через реле. В обоих случаях при размыкании тока нажимной кнопкой (или вообще при прекращении тока в сигнализационной цепи) замыкается вторая цепь тока, приводящего в действие колокольчик. На непрерывном токе работают все сигнализационные установки для защиты личной или общественной безопасности. Схема подобной установки дана на рисунке 13. Здесь сигнал действует при размыкании контакта или при повреждении про водоз. Соответствующие контакты, размыкающие цепь, могут быть помещены в окнах, дверях, в полу помещения; всякая попытка проникнуть в это защищаемое сигнализацией помещение разрывает цепь непрерывного тока и тем самым замыкает цепь сигнализирующего устройства. Пожарная сигнализация также работает на непрерывном токе. Принципиальная схема автоматической пожарной сигнализации дана на рисунке 14. Пластины 1, II и III устанавливаются з наиболее опасных в пожарном отношении пунктах (например, ка чердаках), эти пластины составлены из двух металлов с различным температурным коэффициентом расширения. Нагреваясь, такая пластина изгибается и прерывает контакт. При этом ток в цепи не прерывается, а только сильно уменьшается, так как цепь остается замкнутой через соответствующее сопротивление ТГ включенное параллельно разомни у nice-1 ыуся контакту. Ослабление тока вызы-1 вает отпадение якоря К, который при I

; этом включает звонок АГА извещаю“ : щнй о пожаре; но якорь df удегжл- ваемый реле г, ке отпадает, та:: как ! оелабленый ток все же достаточен для : того, чтобы удерживать этот якор:.

притянутым. Прп обрыве провода в си г на лпз аци он ой цепи отпадают сба; якоря End, причем последний штхлю-; чает пожарный звонок д включает; звонок 8, извещающий о повреждении

; ЛИНИИ.

: В последнее время в области специальыой сигнализации получает ;ii:i-| рокое распространение приме не:- де; фотоэлементов. Пока на фотоэлемент I падает луч света, в элементе возни-j кает некоторая постоянная эдс. В сн-:гналисационных устройствах фото-’ элемент освещается пучком света от специальной лампы (последняя может быть прикрыта фильтром, пропускаю щим только невидимые для глаза инфракрасные лучи); эдс фотоэлемента „запирает“ электронную лампу, то есть воздействует на сетку электронной лампы, не пропуская через лампу ток анодной цепи. При затемнении фотоэлемента, хотя бы на мгновение, исчезновение его эдс „отпирает“ электронную лампу, и ток в анодной цепи последней приводит в действие любое сигнализационное или исполнительное устройство (напр, звонок или затвор огб естрельвого ору ж и л).

Д.-Л-ратура: Богомолов, „Практическое руководство по установке электрических sboheos и простейшей сигнализации“ (Гоенаучтехнздат, М., 19 Л; Голубев, „Сигнала за дг: я с плане реконч“- рукдп“ ов»:зи“ (Гос:т>аненздат, М., 1932:; Михайлов, „Теле-ф -,п!!Я и спгиалинауля“ Щоеэнепгссздат, М.. 19.-2); Ссзэстюк, пЭлктр,.чее::ая г.ожараая сегнати <ация“ Лу а г,Qi а дат, М., МЬЩ: Весхтг.ллп, „ТЯерЬеп und

ЗДп:лапЬ“Г‘п‘ sBerl., 39:23: „Haadwdrterbaeh de.i eblktrlseben FernniеМeweеeas Ц1 г!.. ’929), Botion, „Electric bells and all about thex“ (London).

А. Касаткин.

XIII. Электропривод. Первые годы мотор рассматривался главным образом как источник механической энергии нара.ше с другими вилами двигателей: в ну трек него сгорания и паровых мачшн. В то время ос ко зной задачей ко нетру кторов- электриков было лишь улучшение кпд и cosе моторов, так как механические передачи всякого рода, особенно канатные и ре“ меч ныв, имели сравнительно высокий кпд и борьба е ними могла бытьуспеш-

ной лишь при условии одинаковой рентабельности в эксплуатации. С своей стороны механики не меньше усилий приложили для улучшения кпд механических передач. За первый период развития электротехники усилия инженеров были устремлены главным образом на то, чтобы повысить кпд районных электрических станций до 25°/о, чт@ удалось достигнуть в современных и лучших станциях. Обычно же кпд не превышает 18-20°/о.

Следующей областью потерь» обратившей на себя внимание, оказалась передача энергии с помощью трансмиспривода путем сравнения капитальных вложений и эксплуат.х расходов (ер. трансмиссии} XLI, ч. 9,122). Рисунок 1 — 14 показывают несколько типовых для сельского хозяйства одиночных приводов, где мотор в большинстве случаев соединен с машиной ре-I менной передачей от рабочего шкива | мотора на рабочий шкив машины. Передвижной транспортер для нагрузки и разгрузки грубых кормов, мешков с зерном и так далее в одном случае приводится от, мотора, установленного на раме разгружателя (рисунок 1), в другом — от нового типа мотора, пред-

Рисунок 1. Подвижной раагружатель с одиночным приводом.

сии. Механическая передача от энергетического центра к рабочим машинам с длинными трансмиссиями и бесконечным рядом последовательно включенных канатных, зубчатых и других передач поглощала на себя в пути больше половины энергии. В подавляющем большинстве случаев механический (с помощью трансмиссии) способ распределения энергии даже на сравнительно малых площадях завода экономически нерационален. И только в отдельных случаях для коротких трансмиссий возникающие сомнения следует решать сравнительным подсчетом выгодности двух вариантов—группового трансмиссионного и одиночногоотавляющего собой цилиндрическое тело (рисунок 2). Такой мотор в качеств

Рио. 2. Электрический мотор, передвигаемый путем откатки.

универсального мотора передвигается с места на место путем откатки. В третьем варианте привод осуществляется от мотора, помещенного на тележке. В тех случаях, где машина работает с небольшим числом часов использования в году, для лучшего использования мотора на других работах и уменьшения размера капиталовложений и аммортизационного процента целесообразно применение универсальных переносных (рис, 3» иля передвиж-

Рисунок В. Переносный моторных (рисунок 4) моторов. Питание мотора производится или гибким кабелем от штепселя, или с помощью особых токосъемов на шестах, приключающихся к голым проводам воздушной магистрали.

влетворения

Рисунок 4.. Передвижной. мотор.

Различные способы соединения мотора с центробежным насосом для понижения уровня грунтовых вод или для осушка болот представляют рисунки 5—7. От ременного привода.

(рисунок 5) переходят к непосредственному соединению с помощью жесткой муфты (рис, 6), и, наконец, на рисунке 7 мотор представляет одно целое с телом насоса, и весь аггрегат становится не только легко монтируемым, но и легко приспо-, собляемым к переменному уровню отка-I читаемых вод с помощью цепи.

| С переходом от группового к одиноч-; ному приводу еще остается ряд слабых I мест, являющихся источником потерь.

! Распределение энергии внутри рабочей машины или станка не менее сложно и влечет за собой не менее потерь, чем способ распределения энергии с помощью трансмиссии. Один энергетический центр во многих случаях необычайно уело-, жняет механизацию, нагромождая нередко ряд передач (рисунок 8), эксцентриков и зубчаток для удо-производственных требований, предъявляемых машиной, и в первую очередь—требования регулирования скорости иногда по сложной заранее заданной кривой. Эти два обстоятельства (сложность передачи при одном энергетическом центре и необходимость регулировать скорость) предопределили два следующих этапа в эволюции мотора: передачу мотору, кроме функций механического двигателя, целого ряда производственных функций машины и переход от одного мотора, как энергетического центра, к ряду более мелких моторов, расположенных вблизи от рабочих частей машины-потребителей энергии. В связи с этим мотор в ряде случаев сделался частью машины. Как повлияло это на потери в станкее Испытания малого строгального станка обычной конструкции с контрприводом показали, что при малой нагрузке кпд какого станка составляет всего лишь б°/о. С переходом к электрическому приводу, где мотор явился органической частью станка и уничтожил промежуточные транс миссии,япдувеличился ‘ до 20°/о. Как этозатея на расходе топ- монноа передаче“.

отпа- ИСМотор, оде“.

вениый с яАеоЧшр»

р!if“. $. Мотор, ог.еличепный с н

лива на пути от топки котла до резца станкае Первым случай — электрический групповой привод. Принимая:

КПД станции

20°/о

КПД с--тий и трансфор

маторов ..,

КПД мотора .

89°/0

КПД тра«сэгассяв .

Wq

КОД станка .

6°/о

получаем в первом случаеиосом :г:еот::оЛ муфтой.
общий кпд=0/20 0,85 0,80 0Д 0,06=0,0063, или, прибл. 0,6%. Это значит, что на каждый полезно использованный кг угля при строгании нужно сжечь в топке котла около 167 килограмм угля. Вовтором случае, при одиночном приводе,
з. 7. Кеиосредствонцпр оедвдвшр мотора о пафосом в одной чугунной ое;пике.
примем:
КПД станции (как и выше)80°й
КПД со.ей трансформаторов$5°/0
КПД мотора. 80°/о
КОД станка..20°/0
Общий кпд составит 2,72%; это означает, что на каждый полезно использованный кг угля придется около 37 га угля, соженного в топке. По сравнению с первым случаем мы съэкоыомшщ 167 — 37=130 килограмм угля, или 78%.
Во многих рабочих, машинах и станках имеется не один рабочий орган, который нужно привести в движение, а несколько. В этом случае, если даже мотор и представляет одно органическое целое с машиной, все распределение энергии внутри рабочей машины производится путем всякого рода шестерен, ремней и других меха-
Рисунок 8. Устарелый прж“
бод стер и идьаого станка от мотора черва и ром ежу т о ч ну к) тракенпческих передач. В этом случае неизбежны последовательная передача энергии от одного рабочего органа к другому и то понижение, то повышение числа оборотов с громадными механическими потерями внутри самой машины. В данном случае концентрация приема энергии в одном месте j совершенно аналогична групповому: приводу со многими трансмиссиями с приводом от одного мотора. Поскольку в подавляющем большинстве случаев одиночный привод выгоднее группового, постольку и концентрация приема энергии в одном месте невыгодна при наличии сложной машины и должна быть заменена подводом энергии электрическим путем непосредственно к основным рабочим органам этой машины. Короче говоря, необходим переход от одного мотора к нескольким моторам, непосредственно органически связанным с основными рабочими органами этой машины, то есть переход от одиночного привода машины к многомоторному приводу, в нужных случаях—с функциональными моторами.
Следующий важный как для промышленности, так и для сельского хозяйства этап — это кнопочное вклю-; чение мотора. Существующие системы | позволяют простым нажатием кнопки | пускать или останавливать моторы как постоянного, так и переменного тока, | однофазные и трехфазкые, с реостат- j ньш пуском или без него. Кнопочная j система интересна еще потому, что позволяет управлять мотором путем системы легких, дешевых проводов на любых расстояниях в пределах завода, совхоза или колхоза, а в некоторых случаях (например, для целей дождевания, орошения или водоснабжения) и вне усадеб. В этом случае мы имеем дело, как будто на первый взгляд преждевременно, с частичной автоматизацией, но эта автоматизация сможет сберечь до 90°/о рабсилы, необходимой для включения и выключения мотора. Кроме того, кнопочная система способствует автоматизации целого ряда процессов, где электрический мотор и во-1 обще электричество в недалеком будущем будет играть решающую роль ::Ц.
) Ниш Харькове.:ий йлсатромап:;;н яий завод „ХЭМЗ“ у;ке выпускает таксе оборудование.
Для сельского хозяйства, где разбросанность на больших площадях требует Бремени на переходы и на переезды от мотора к мотору, а также в виду недостаточно подготовленных кадров, этот вопрос не менее важен, чем для промыш и е в и с с ти.
Правильный Еыб:р мотора поведет к ЭКОНОМИК В СОТНЕ миллионов рублей в народном хозяйстве. Подсчеты Германии в 1927 г. показали, что с переходом к рациональному электрическому приводу к правильно выбранной мощности мотора только в одной металлической промышленности может быть достигнута экономия на стоимости I электрической энергии свыше чем на 100 млн. золотых марок. С другой стороны, бесперебойность в работе, уменьшение ремонта, удлнне-не срока службы зависят от правильного по“ мания физической стороны явлений, связанных с электроприводом и знакомством с основами электропривода.
Определение мощности электрического мотора е различных условиях нагрузки. Основная задача мотора— развить заданную скорость и нужный крутящий момент в каждый заранее заданный промежуток времени, иногда по сложным кривым (пример кольцевого ватера или шахтного подъемника), без вредных перегревов частей мотора и без удорожания стоимости мотора и добавочных потерь в нем при излишнем увеличении размеров мотора. Следовательно, в этом случае задача сводится, после выбора способа регулировки скорости, к установлению правильной мощ-! ности мотора. Метод определения этой | мощности для одиночного привода от-i личается от метода расчета мотора для I группового привода. После определе-! ния мощности мотора задача сводится; к выявлению возможности уменьшения | найденной мощности (для постоянной нагрузки) в зависим ости от релсима : работы, что имеет место при кратковременной или повторно кратковременной нагрузке.
Основным для всякого режима работы моторов является определение величины тех сопротивлений всякого рода, которые возникают в рабочей машине и преодолеть которые составляет задачу мотора. Для этой цели служитуравнение, связывающее силы 8 и сопротивления W, действующие в системе мотор-машина:
dv
Я — г==ш &
1) Система получит ускорение, если сила, развиваемая мотором, больше сопротивления, оказываемого машиной или станком; 2) система останется в прежнем состоянии, если приложенная сила и преодолеваемое сопротивление равны; 3) если сила меньше преодолеваемого сопротивления, движущая система испытывает замедление тем большее, чем меньше применяемая сила.
W является статическим сопротивлением и состоит из одного ИЛЕ двух сопротивлений: трения и тяжести.
а) Трение (ср. трение, XLI, ч. 9,170 сл.). При наличии двух соприкасающихся, движущихся поверхностей при нормальном давлении W7V =pN кг, гдекоэффициент трения при скольжении - есть функция материалов, из которых сделаны трущиеся поверхности, степени обработки поверхностей, смазывающихся веществ, давления на единицу поверхности, скорости и температуры. р. =0,16 при трении железа по бронзе.
Если имеем дело с цилиндром или колесом, катящимся по плоскости без скольжения, для поддержания движения колеса необходим вращающий момент N, где р.—коэффициенттрения прн катящемся движении, р. —=0,01—0,04 для электрокар.
Эти коэффициенты трение играют большую роль в электрических ж
Эти коэффициенты трения играют большую роль в электрических ж. д., определяя особо сопротивление пути в зависимости от скорости движения.
К группе сопротивлений трению нужно отнести вообще всякое сопротивление, связанное с деформацией материала, что имеет место при всех обрабатывающих машинах в таких процессах, как штампование и резка металла, короче говоря —при всякого рода принужденных изменениях в положении молекул между собой; так, наир., сопротивление резанию Жреа k2. а, где д — сечение стружки, &, — сопротивление разрыву и а — коэфициент, характеризующий резец.
б) Сопротивление тяжести W7H7gi~Q возникает при подъеме грузов, воды, молотов, прессов. Оно не зависит, конечно, от скорости. Мы различаем два случая такого сопротивления: при вертикальном подъеме и при подъеме по наклонной плоскости. В первом случае при высоте груза h работа будет равна A =Qh кг и накопляется телом в форме потенциальной энергии, которую мы можем выиграть обратно, опустив груз, за вычетом, конечно, потерь от трения.
Во втором случае разлагаем тяжесть груза на 2 слагающих: вдоль пути и перпендикулярно пути, тогда сопротивление тяжести Wm=Q sin а кг.
При вычислении подъемников или шахтных установок работу, производимую силой, необходимой для прео-долевання сопротивления трения, исчисляют как добавочный груз к полезному грузу. В электрических железных дорогах в горных местностях при спусках заставляют работать моторы электровоза как генераторы на сеть и таким образом превращают потенциальную энергию поезда в электрическую (ср. электротехника—железные дороги, LII, 632 сл.).
в) Сопротивление инерции (динамическое). Динамическое сопротивление дает себя знать только при изменениях скоростей, в частности — при разбеге и останове двигателя. В первом случае необходима сила для преодоления возникающего динамического сопротивления. Изменение в скорости наступает всякий раз при избытке или недостатке всиле для преодоления статического сопротивления. При прямолинейном движении масс: ТГДЖН< =
dv
==m~dt9 для вращающихся масс: do) do>
М=днн.=mrl Ж =в Ж ГДе М~ момент, необходимый для преодоления инерции вращающегося тела. Необходимая работа для преодоления динамического сопротивления на пути ds:
v
Г mdv 1
А~ J ~Wds=~Т™3
ото есть равна выражению живой силцт
Эта кинетическая энергия, запасенная движущейся системой, может быть использована в случае, когда нужно уменьшить скорость движущихся масс или остановить их совершенно. Для прямолинейного движения вращающихся масс будем иметь:
mv- о)2
А=~2~ + в ~2~‘
Кроме перечисленных сопротивлений, всякое движущееся или вращающееся тело встречает:
г) сопротивление воздуха. Пусть поверхность F движется со скоростью v в направлении своей нормали. Тогда объём воздуха, находящийся перед этой поверхностью, получает ускорение от 0 до V. Объем ускоряемого воздуха в секунду равен vF, а его вес gz=lv-F, где т—вес одного куб. метра воздуха (1,29 килограмм при температуре 15°С). Это количество воздуха имеет .массу yv-F
Эта масса должна получить ускорение в секунду до v метров.
Сопротивление этой массы воздуха ускорению выразится:
1ГдЯП.=у
Мы видим, что сопротивление воз-духа растет с квадратом скорости, j Это становится заметным при больших I скоростях, например при движении элек-трических поездов дальнего следования. При вычислении сопротивления воздуха при больших скоростях вводится коэффициент в зависимости от формы движущегося тела. Этот вид сопротивления должен быть отнесен главным образом к сопротивлению инерции и лишь в незначительной степени к сопротивлению трения.
Сопротивления мы делим на полезную работу и на потери, подразумевая под полезной работой ту часть работы, которая идет исключительно на рабочий процесс,—например, поднятие груза, снятие стружки, прокатку железной болванки в фасонное железо, — то есть полезная работа равна всей переданной машине работе минус потери всякого рода.
Чтобы покрыть все сопротивления, связанные как с полезной работой, |
так и с потерями, и сообщить уекоре-рения подвижным массам системы в случаях, когда эти массы двигаются с переменными скоростями, необходимы двигательные силы. Таковые могут быть созданы всякого рода двигателями, начиная от нефтяных и кончая электрическими моторами.
Определение мощности, потребляемой системой мотор-машина. Чтобы привести в движение станок или машину, мотор должен развить определенный вращающий момент, причем величина этого момента зависит от указанных выше сопротивлений рабочей машины. Таким образом, рабочая машина определяет первый фактор мощности — размер вращающего момента мотора, а, следовательно, и силу, развиваемую на валу мотора. Второй фактор мощности-скорость привода, определяется уже свойствами мотора. В зависимости от рода мотора, будет ли он обладать характеристикой тун“ товой или сериесной, определится соотношение между числом оборотов и вращающим моментом при данном числе оборотов.
Следовательно, задача определения мощности мотора сводится в первую очередь к определению сопротивлений, оказываемых рабочей машиной при приводе ее в движение; только определив эти сопротивления, можно подобрать мотор, способный развить на валу нужную силу для преодоления этих сопротивлений. На основании рабочего процесса машины можно выбрать тог или другой тип мотора. Зная В—силу и из характеристик данного мотора скорость v, соответствующую определенной нагрузке, можно найти величины S и v, как функции времени. Произведение обеих величин даст искомую кривую изменения мощности мотора во времени. После этого проверяется: превышает ли максимальный крутящий момент выбранного мотора максимальный нагрузочный момент машины иля станка, в частности в отношении пускового момента, разовьет ли мотор нужную скорость в промежуток времени, допускаемый производством, а также не явится ли найденная мощность чересчур большой, а следовательно неэкономичной как по расходу
Энергии, так и в смысле первоначальных затрат, процентов на капитал и амортизацию. Окончательным контролем правильности выбранной мощности мотора является определение степени нагревания мотора во время работы в данных условиях нагрузки.
Для значительной части машин число оборотоз является величиной
dv
постоянной и, следовательно,-- раьно
dv
нулю. Тогда уравнение 8 — W—
переходит в 8 — W, и динамическое сопротивление сказывается только при пуске в ход или останове мотора. Следовательно, мощность мотора будет выбрана в соответствии с статичено мотор с определенной характеристикой, мощность которого достаточна для преодолениянайденных сопротивлений. Механическая характеристика этого мотора известна, следовательно, из вышеуказанных пропорций и можно построить изменение скорости, как функцию времени. Для этого во 2-й четверти системы прямоугольных координат наносим W, 8 и 8 — W как функцию г откладывая по осп абсцисс указанные величины, а по осп ординат скорость г Откладываем по оси абсцисс Блево от качала координат значение пт Кривые 8 и 8 — W переводим в ступенчатый вид при уело вии сохранения величины площадей, ими ограничиваемых. Высоты прямоугольников (8 — Ту) откладываем по оси
Рисунок 9.
скими сопротивлениями, динамические сопротивления при пуске будут учтены при определении времени разбега мотора; таким образом задача для этой группы машин значительно упрощается: тпп мотора выбирается с жесткой характеристикой.
При учете пускового периода или ворбще всякого изменения скорости системы мотора-машины, решение mdv
уравнения $ — ТГ=аналитическим путем представляет в большинстве случаев значительные затруднения. Значительно проще оно решается графическим путем по способу пропорций (рисунок 9).
Весь расчет идет следующим порядком. Определяются статические сопротивления, и выбирается предварительординат и соединяем концы ординат с точкой М. Из начала координат проводим линию OVi параллельную лучу, выходящему из Ж к Blf через точки пересечения лучей с соответствующей линией а а проводим линию V1V2 параллельную лучу МВ2 до пересечения с линией Ь Ь и так далее
Определив у как функцию времени строим: диаграммы скорости, сопротивлений (статических и динамических), как сумму их—диаграмму усилий (тоже как функции времени) и, наконец, из диаграммы скорости v и усилий 8 определяем диаграмму мощности мотора как функцию времени, из которой определяем действительную мощность мотора как средне-квадра-тинную или эквивалентную мощность,
Понятие о средне-квадратичных токе, моменте и мощности и методы их определения. Электрическая энергия, подводимая к мотору, в своей большой части полезно используется в качестве механической энергии на валу мотора, в остальной части идет на покрытие потерь в самом моторе, вызывая нагрев мотора.
Потери в моторе разделяются на постоянные (в большей или меньшей степени), к которым относится трение в подшипниках, потери от токов Фуко и гистерезиса и так далее, и переменные— пропорциональные нагрузке на валу мотора. Величина потерь Q в ваттах-Л Р
сек. определится как Q=~- — Р. Раз-личным нагрузкам РЬРbР,Рп будут соответствовать потери в моторе
Qi Q21 Q3Qn.
~Qj n Qih + tn
S f op. -{- t2 -p <3 + — ”f“ ifl
вынося постоянные потери за знак суммы в правой и левой части и сокращая их в приведенном уравнении, мы сможем вместо <2пер подставить его выражение <еЕер.=Ре’, где г —сопротивление цепи якоря:
_ iy-Wj ~г P-ri2 ~i~ Iз2з ~Ь~р2я2 Tin
Г h + h +з 4“+ in 9
сокращая г в обеих частях равенства, имеем:
rto -р Is~tz “Р-р ln~in
i% + 3 ++ in
Полученное значение/называется средне-квадратичным, или эквивалентным, током и обозначается ! р. кв., или 1экв.
Средне-квадратичное значение должно быть распространено и на моменты и мощность при меняющейся нагрузке. Однако, надо различить два случая; первый—для моторов с шун-товой характеристикой (шунтовые постоянного тока и асинхронные): вращающий момент М=С-1-Ф — О-I, т. к. Ф —магнитный поток в магнито-про-воде есть величина постоянная, если пренебречь реакцией якоря. Тогда умножив значение для средне-квадратичной тока на с найдем:
2ср. кв. с =
V -р i‘2 -р i-t +“Р in
7.Г /
Мер. КВ.=/
Чп
it Р i-2 ~Из Н~”р in
Поскольку для сериесного мотора момент М=с-1-Ф есть функция двух переменных—силы тока и величины магнитного потока, Жср.кв. указанным путем получен быть не может и при определении мощности мотора надо исходить из средне-квадратичной тока или из выражений средне-квадратичной мощности, т. к. P=zc-I-V следовательно выражение для /Ср. кв. умножаем на V и получаем
Pop.
кв.
Для асинхронных моторов cos 9 меняется с нагрузкой, и выражение Рср. кв. в случае, если сумма Si при малых нагрузках процентуально велика, получит значение, меньшее действительного. Это может быть компенсировано, если значения Рь Р2, Р3 брать не в киловаттах, а в киловольт-амперах. i=T может охватывать не только рабочее время, но и время останова мотора: Si=Si раб. + Si пауз =» Т. В этом случае надо иметь в виду, что условия охлаждения для вентилируемых моторов при останове ухудшаются. Это может быть учтено введением коэффициентов для времени работы двигателя с уменьшенной скоростью во время разбега и выбега: 0,5—время останова мотора, 0,75—время разбега мотора.
Вместо этого дифференцированного учета можно рекомендовать введение коэффициента 0,3 от времени паузы. В этом случае формула средне-квадратичной мощности выразится:
Рср.
V:
а ti+Pf io-f Рз1’ з++Рп“1п
it + 2 Jr h ++ 0,3-inay
Из диаграмм мощности, моментов или токов определяется средне-квадратичная аналитическим путем, если закон изменения кривой известен, или графически, путем преобразования кривой в ступенчатую диаграмму (тогда расчет сводится к определению среднеквадратичных для прямоугольников,
З8
трапеций и треугольников). Среднеквадратичная для прямоугольника:
Р 3S. пр. — Рпр.
Средне-квадратичная для трапеции ограниченной ординатами Р2 и Р3:
Р«. тр.=[/fhp-dt =
= [/ -|~(P32+P=Ps-fP,2). Средне-квадратичная треугольника:
Влияние режима работы машины на выбранную мочтость мотора. При выборе мотора по мощности необходимо учесть условия его работы — неполное использование во времени и недогрузку мотора. Мощность, определенная по сопротивлениям; может р быть уменьшена в зависимости от “ того, работает ли мотор непрерывно или с остановами; с полной нагрузкой, из чего исходили при определении сопротивлений рабо чей машины и подсчете мощности j мотора, или нагрузка колеблется в —L больших или меньших пределах О между полной нагрузкой и каким-то еиС. минимумом. Классифицируя характер нагрузки и режим работы, можно установить три основных группы с рядом подразделений в каждой группе.
I-ая групп а—продолжительная работа при более или менее постоянной нагрузке; к этой группе откосится работа большинства станков металлообрабатывающих цехов, ткацких и прядильных фабрик, ремонтных мастерских, вентиляторов, молотилок, зерноочистительных машин, жмыходробилок, силосорезок и т, д.
П-а я группа — кратковременная работа продолжительностью обычно несколько минут, после чего мотор находится в покое длительное время. Сюда относятся моторы для поднятия шандорных щитов на плотинах, для развертывания синхронных моторов,! для включения реостата мотора при кнопочном управлении или управлении на расстоянии и тому подобное.
Ш-ья группа — повторно-кратковременная нагрузка, которую можно разбить на три основные подгруппы, j
1) Повторно-кратковременная периодическая нагрузка, изменяющаяся по более или менее закономерно повторяющейся кривой (рисунок 10). В более или менее чистом виде можно наблюдать такую нагрузку на прокатных станах или в прядильном деле на сельфакторах. Обычно диаграмма мощности носит смешанный характер, где на периодически повторяющуюся кривую накладываются колебания нагрузки в отдельных промежутках. Примером может служить диаграмма мощности мотора электропахотных аггрегатов: прохождение борозды в одном направлении длится 4 минуты, останов мотора—5 минут, то есть время, необходимое для опрокидывания балансирного плуга и прохождения гона в обратном направлении тягой 2-го мотора. Нагрузка увеличи-
10. Повторно-краткокременпая пераодня. нагрузи“.
вается по мере приближения плуга к лебедке вследствие увеличения диаметра намотки на барабан.
2) Повторно - кратковременная непериодическая нагрузка, где включение и выключение мотора следует через неравномерные промежутки времени при (почти) постоянной мощности. Наиболее яркий пример дает работа автоматической насосной станции.
3) Повторно - кратковременная непериодическая нагрузка, переменная по величине (рисунок 11). К этой группе относятся моторы, приводящие в движение лебедки, электрические кошки, всякого рода крановые моторы.
Рдо. и, Повторио-кратковреиенная непериодическая нагрузка.
окая влияние перечисленных основных впдов режима работы мотора на величину его мощности, во всех смешанных случаях будет не трудно скомбинировать соответствующий способ расчета.
1- ая г р у и и а — постоянная нагрузка при постоянной скорости. В этом случае моторные силы определяются статическими сопротивлениями или сопротивлением жидкой или газовой среды. Мощность мотора, определенная | вышеперечисленными способами, Р=!
S-v
=j02~ квт, не требует поправок со стороны режима работы, т. к. он остается почти постоянным во все время работы мотора. В этом случае, на основе on-1 ределекной мощности и числа оборо-1 тов, заданного рабочей машиной, даль- нейшая задача сводится к подбору по каталогам подходящего мотора и проверки на пусковой момент.
II группа — кратковременная нагрузка. В большинстве случаев достаточно проверить определенную из сопротивлений системы мощность только на максимальный крутящий момент. Все остальные проверки отпадают, и мотор выбирается из специальных моторов, строящихся для временной мощности.
Правила и нормы IX-го Всесоюзного электротехнического съезда предусматривают стандартные промежутки времени работы моторов для кратковременного режима в 5, 10, 15, 30, 60, 90 и 120 минут. На табличном щитке мотора указывается мощность и продолжительность периода—это значит, что мотор должен отдать номинальную мощностьв течение указанного периода без перегрева свыше норм. Следовательно, если кратковременная нагрузка длится.5 или свыше 5 минут, выбор мотора в соответствии с величиной вращающего момента может быть сделан из типовых моторов.
III группа— 1-ая подгруппа. Мотор для одиночного привода работает в условиях нагрузки, периодически повторяющейся по определенной кривой. Определение мощности производится вышеуказанным способом как средне-квадратичной.
2- ая подгруппа—продолжительностьвключения мотора непериодична, но нагрузка постоянна по величине.
В этом случае, как и в предыдущем, мощность мотора, определенная выше, должна быть уменьшена. Ее величина определяется по той же формуле, как средне-квадратичная:
“ср. кв. У Т ’
но так как Р,= =Р3 Рп=Рст, то
Рср. кв. =Рс т. j/ ip =Рст. у ЕВ =
= Рст. уs, то есть найденная выше мощность может быть уменьшена на величину квадратного корня из е или ЕВЖ то есть из отношения рабочего времени ко всему периоду работы мотора. Эта формула исходит из предположения, что процесс нагревания и охлаждения идентичен, что имеет место для открытых и закрытых моторов без вентиляции; для моторов закрытых с вентиляцией процесс охлаждения во время пауз идет медленнее, чем нагрев в рабочие промежутки, и полученная повторная кратковременная мощность будет несколько меньше действительной.
3-я подгруппа. Нагрузка непериодическая, переменная по величине и недостаточно определенная; во многих случаях работы мотора в условиях такой „перемежающейся“ нагрузки включение мотора происходит нерегулярно, как, например, работа крановых моторов для подъема тяжестей, особенно в литейных и в ремонтных мастерских, или работа лебедок для уборки кормов, следовательно—построение рабочих диаграмм невозможно. Снятые е натуры диаграммы в течение ряда промежутков времени различны между собой и не могут быть положены в основу для определения средней квадратичной мощности. В этих случаях метод точного расчета мощности мотора должен быть заменен методом установления известных предельных величин, на основании которых и выбирается мотор. Этими величинами являются ЕВ (относительная продолжительность включения) и коэффициент относительной нагрузки Koisl. нагр. Они получаются путем статистики или хронометража на аналогичных производствах или определяются путем расчета:
£раб. 100 -jJ/раб. 100
е0/0=ЕП°1о= ----
I-раб. +Sfeap.““ 2Г
Заводы строят моторы так называемого кранового типа на три режима работы: Ж)°/о=15>, EB°!o=2b0jo и ££о/0==40°/о. Это значит,что мощность мотора,обозначенная на его щитке, в течение каждых десяти минут может быть использована соответственно 1,5; 2,5 и 4 минуты или при шести циклах в час—9, 15 и 24 минуты. Если число включений в час значительно более шести, это должно быть учтено. Частое включение мотора при значительном начальном моменте дает добавочно нагрузку мотора, вызываемую ускорением масс системы до полной скорости, и требует увеличения выбранной мощности мотора. В некоторых случаях к мощности ускорения должна быть добавлена мощность торможения, если повторяющиеся остановки мотора должны происходить в заранее заданное время, меньшее времени его естественной остановки.
Частота включений в час определяется для данного случая из производственных заданий или из средних статистических данных для наиболее характерных условий работы, а именно:
h час=100 —120 для кранов мастерских
,=150 — 200 „ „ литейных
„=800 — 400 „ „ в металлург, произв.
„=600 —1.000 для моторов в срокатном деле.
Зная число включений в час, отношение начального момента к рабочему и характеристику мотора, вычислив ЕВ°10, можно определить полную мощность мотора, включая увеличение ее на ускорение по следующей формуле:
Pcp.EB.yCE. — Pcp.KB.J/
£уск. Лчас. (р“ — 1)
+1,
36. ЕВ
где h чао. число включений в час, / уск.— время разбега системы мотор-машина с момента запуска до полного числа оборотов, р — отношение пускового момента к номинальному.
Кроме неполного использования времени работы мотора, учитываемого ED, есть другое обстоятельство, которое позволяет еще уменьшить мощность мотора—это неполная нагрузка мото-па, учитываемая особым коэффициентом, характеризующим степень колебаНИЯ нагрузки: Вот. нагр.=-ji 1 +
где Jfmin. и Жтах. —вращающие моменты соответственно-минимальной и максимальной нагрузки. Значения для от.нагр. колеблется от 0,5 до 1. Электромашиностроительные заводы дают в каталогах специальную таблицу, позволяющую найти более удлиненное ЕВ при более малой нагрузке и соответственно уменьшить мощность мотора для фактической ЕВ по формулам:
/ 25
или Рх =Р2Г|/
ИЛИ Ру=Рл<
40
40 V ЕВ
Определение мощности мотора группового привода. Групповой привод может применяться лишь на сравнительно коротких трансмиссиях при следующих условиях: 1) коэффициент использования машин, работающих от трансмиссии, достаточно высок, то есть простой машин не велик; 2) рабочие машины однотипны; 3) мощности машин не велики (ориентировочно в пределах 3-4 квт); 4) отсутствие необходимости регулировки числа оборотов отдельных машин; 5) наличие больших пусковых моментов машин, значительно превышающих пусковой момент мотора, что, например, имеет место в центрофугах. В последнем случае мощность отдельных машин может быть выше 3—4 квт.
Степень использования мотора зависит от естественного простоя станков, обусловленного ходом производства, и случайного простоя. При большом количестве станков этот простой остается в известных стабильных границах по закону больших чисел и учитывается так называемым „коэффициентом нерабочее времяпользования“: ЛТнсп.--------
раб. время+простой
Zhch. может быть вычислен теоретически; например, Сименс дает следующий способ вычисления степени использования ткацкого станка: теоретическое число ударов батана в минуту 68, или в неделю — 106-6068== 244.800; фактическое число ударов за неделю колеблется (в зависимостиот индивидуальных свойств ткача) от | ментом. При наличии резких пиков в 140.000 до 160.000, тогда: j рабочей диаграмме от отдельной мапш-
к 140.000 —160.000 !ны величина этих пиков сглаживаетсяисп- — 244.t-G0 ’ с переходом от одиночного к группо-
Рас. 16.
одиночного привода. Из этого примера следует, что мощность каждого станка, определяемая средней квадратичной, имеет тенденцию к увеличению в соответствии с максимальным крутящим мо-1 и позвротвная схема включения шуитозсг.. мотора с добавочным сопротивлением.
где
tn
-число станков.
Мощность мотора, работающего на привод, выразятся:
jPmot. == “““ Кцсп. Екагр. 2 Рстан. прив.
Правильное включение и выключение моторов обеспечивает обмотки моторов и других находящихся в цепи аппаратов от пробоя изоляции и выхода из работы. В основе лежат нестационарные процессы, связанные с включением и выключением электрической цепи, практическим выводом из которых являются следующие правила: обмотки возбуждения шунтового мотора в реверсивной схеме могут оставаться разомкнутыми (смотрите рисунок 13); тогда при отключения мотора от сети возникают перенапряжения Еаер. в катушках возбуждения, опасные для изоляции. Во избежание этого включается параллельно с обмоткой возбуждения добавочное сопротивление, приблизительно в 5—6 раз большее, чем сопротивление обмоток возбуждения. Аналогичное сопротивление включается параллельно обмоткам возбуждения для сериесного мотора с тем лишь видоизменением, что это сопротивление намотано на железный сердечник.
Выключение асинхронных моторов не должно происходить при открытом роторе; последний должен быть замкнут на некоторое сопротивление, опредеу Рпер.. /„, Веляемое из формулы=у 1 + ~гр-’ где R — требуемое сопротивление, Рком.—напряжение сети, X—коэф. самоиндукции ротора и со—угловая скорость. Включение асинхронного мотора желательно делать толсе при замкнутом роторе, т. к. максимальное значение тока включения в этом случае в более короткий срок понижается до нормального. Это обстоятельство важно для уменьшения нагрева мотора и питающего трансформатора.
Время разбега мотора определяется из уравнения, связывающего моменты, действующие в системе мотор-машина: day
Ми от. — Mприв.=в-gjr, где Ж мот. — вращающий момент мотора пусковой или максимальный, Морив. — приведен, стат. момент машины, как результат сопротивления машины, 0—момент инерции всей системы. Система придет в движение при включении мотора, если 1£мот.> АГприв., то есть если имеется избыточный момент Mrзб. Тогда уравнение примет вид:
do Г ®do
Жизб.=0 £разб. =
J -Мизб.
Удерживая Жк зб. постоянным путем регулировки пускового тока реостатом, выносим Мизб. за знак интеграла
©ои получаем £разб.= - Подтгавиввместо © его выражение через махо-GD3 2 ъпвой момент и для о — -эд—, полу-
6г1)2ееоек.
чим разб.= где п—число оборотов мотора, П— диаметр инерции вращающейся системы, G—вес всех вращающихся масс в килограммах, земное ускорение, равное 9,81 м/сек. GD2 измеряется в килограммахмК Если в системе имеются массы, вращающиеся с другим числом оборотов, и прямолинейно движущиеся массы (например мотор с числом оборотовгмин. через зубчатку с числом оборотов щ I поднимает груз Q кг со скоростью j v м/сек.), то все должно быть приве- I дено к числу оборотов мотора и одному из видов движения, например вращающемуся; тогда:
92мот. [~
tpaafi.=375 Ыяа [ G-D-hot. +
iPaor.
0,975 -Qv
Мизб. UblQT.
сек.
Для короткозамкнутых моторов, где ! разбег происходит под влиянием по- j стоянно убывающего момента, время ! t разб. нужно увеличить вдвое. Жнагр. | заменяют номинальным моментом мо- j тора, т. к. при правильно выбранном мо-торе они должны быть равны.
Зная время разбега и принимая дви- ! жение равномерно ускоренным, можно; проверить мощность мотора, выбран- I ную на основе статических сопротивле- i ний, с учетом динамических сопротивлений, по формуле:
Робщ.=Рст. -+ Рдин., где Едки. =
V2 мин. 3-600 £раз.
GD2ri мот. 102 -ге3 мин.
КВ.,
где Vmbu. —скорость подымаемого груза выражается в минутах, асам груз Qte. — j в т.ах.
Правильность выбранного мотора окончательно проверяется по степенинагрева последнего. Потери энергии б моторе (Q) за определенный промежуток времени повышают температуру мотора до тех пор, пока не будет по“ крыта теплоемкость С мотора и не установится равновесие между генерируеного Q. Зная А и Т по заводским данным, можно определить температуру для любой нагрузки (рисунок 14). Если мотор работает в условиях повторно-кратксвременной периодической нагрузки, при каком-то ED=е, то максимым теплом Q и теплоотдачей мотора. Fa (t —10)=Az. Тепловой баланс выразится уравнением: Qdt =
= Cch~{- Atdt; решая это уравнение, находим закон, по которому нарастает сверхтемпературамотора: т — tmax 1 — е q j, гдемаксимальная температура мотора (сверх окружающей среды) соответственно с нагрузкой Р
равна w=_9_
мадьная температура выразится:
то есть зави
сит только от теплоотдачи и ве- i личины нагрузки мотора, т. к.
Q — f(P), Т называется постояннойт С
бремени нагрева“ мотора; Т — -j- сек.,
Вис. 16. Кривые нагрога е опра и и погторно-кратковремепной нагрузке.
через время работы t=ZT мотор достигает 95°/о от максимальной сверхтемпературы тшах, то есть т=0,95 тах“ Взяв первую производную от выражения для т, получим при /=0 tga=max Q
= ~Zr==~Q > то есть вид кривых нарис. 14 зависит от нагрузки и от теплоемкости: чем больше теплоемкость, тем подоже пробегает кривая для дан-
Ряс. 14. Кривые нагрева мотора ирн различных нагрузках.
гр — <Т~
е — егде а—сумма рабочего времени, Ь—паузы, а Т — постоянная времени нагрева в сек., минутах или часах (рисунок 15).
Выбор реостата определяется также условиями работы и тяжестью пуска. Если мотор включается вхолостую или с малой начальной нагрузкой тока типа вентиляторной, реостат может быть выбран на половинную нагрузку, во всех остальных случаях реостат выбирается на полную нагрузку. Для регулировки числа оборотов строятся специальные мощные, т. называемые регулировочные, реостаты. Стандарт-| ные реостаты рассчитаны на небольшое г число пусков в час (г) и на малое ко-I личество последующих один за другим запусков (/п —частота включения); для пуска реостатов с воздушным охлаждением г» =4—2; с масл. охлаждением fn=10 —3. В условиях повторно-кратковременной работы условия работы реостата утяжеляются, т. к. число и частота запусков растут. Если число включений переходит 10—15 в час, от типа реостатов с плоскими скользящими контактами переходят к контролле-| рам барабанного типа. При числе вклю-»чений свыше 120 е час употребляютсявальковые контролеры, или контакторы, включаемые не от руки, а с помощью специальных электромагнитов.
Знание Т — постоянной времени нагрева и закона изменения температуры мотора позволяет определять перегрузочную способность мотора в различных условиях нагрузки. Способность к перегрузке при продолжительной работе устанавливается нормами ВЭС, а именно: мотор должен выдерживать увеличение силы тока на 50°/о в течение 2 минут после того, как мотор достиг стационарного теплового состояния. В условиях кратковременной нагрузки перегрузочная способность 1
мотора РтеР=---, где а—продомжительность работы мотора при данной перегрузке без вредного перегрева. Если перегрузочная способность изв-е-1
стна, то α= Т п-еEL—. Построив I
тер.
различны, то вместо ЕВ берется ЕВ=т
(I -j— b ~тjT
--а—> продолжительность работы мотора при различных нагрузках может быть определена из чер. 14 — прямая (асимптота), проведенная на высоте тщах параллельно оси абсцисс, отсечет на пучке кривых отрезки t3, t2, t3..„ соответствующие промежуткам времени работы мотора при перегрузках Q3, Q2, Q:>..; способность к тепловой перегрузке Ртер.можно легко связать смеханической способностью к перегрузке, если пренебречь постоянными потерями:
Р
тер.Q,
л>р.
J2 Г рпер. ш>р.
: Р Г~ Ж ;
НОМ.1 пом.
полагаяном.
мех.’
получим Tep.=PsMex., ИЛИ j>M9X. =
~ 1/ Е тер.
кривую зависимости
Р тер.0Т-у- > ПОЛУЧИМ ЛО-
гарифмику, которая дает возможность, зная Т, для любого мотора определить способность к перегрузке за любой промежуток времени. При повторно кратковременной и е-риодической на“ гпузке
И К Я асимптота L В С
а Ь
“ шах.
е 1 — 1
а /а -}-b а 1
“Т ~) 1 _ Т“ Ё5
давая параметру различные значения от 0 до оо; получим (Oelschlager) пучок т. наз. кривых Эльшлегера, позволяющий, так лее как логарифмика, определить перегрузку для любого ЕВ (относи тельная продолжительностьвключения мотора). Если постоянные времени нагрева Т и охлаждения Т0
Рио. 16
Для проверки мотора на нагрев для любой диаграммы нагрузок пользуются графическим методом с помощью шаблона (рисунок 16$. Зная Т, строят шаблон для £=4Т. Преобразовав диаграмму в ступенчатую, для каждой нагрузки строят асимптоту. Шаблон прикладывается к аксимптоте по линии LB и передвигается, пока его кривая не пересечет начальную для данной ступени оверхтемпературу, то есть конец координаты т, а для начала кривой — начало координат.
Литература: A. Schwaiger, ..Eleotromotorische Btftrirtbe- (1922); С. Schiebeler, „Eleetromotorea fur au-SntzeQden BetrieV (Ш6, есть перев. на руссгс“яз“); Gordon Fox, „Prineipl.es of Electric motors and control- (1923); Liwschitz, M., „Bereohnung der Auasetz-leistungea (К. T. Z., 1926, crp. 1346 сл.); СЭТ, т. VI,
отд. 22-24 (1929); R. Rudenberg, „Eleetrische Sclialt-vorgange“ (192a, перев.на руок. яз.); ак. К. И. Шен-фер, „Коллекторные двигатели перем. тока“; проф. В. К. Попов, „Применение электродвигателей в промышленности“ (ч. I—19о‘2ич. II — 19“5»; А.Е. G. „Электричество как источник силы и света“ („Бинт“, 1923); Гордон Фокс, „Практика электрического при-вода“ (1934); проф. М. Г, Евреинов, „Электропривод“ (т. I: „Электрификация сельского хозяйства“, 1933); внлс. И. И. Дорофеев и С. II. Зефиров, „Электрификация исполнительных механизмов“ (1935); проф. В. С. Ку.гебакин, „Пл скгвые и регулирующие реостаты“(192Ц. j,jr £6peuH0St
XIV. Электрический привод е металлообрабатывающей промышленности должен базироваться на одиночном приводе. Если в целом ряде отраслей вопрос о рациональности применения группового или одиночного привода решается сравнительным подсчетом, то в данной области одиночный привод дает ряд бесспорных преимуществ и по линии экономии, и с точки зрения технологии процесса (ср. станки, XLI, ч. 4,336 ел.). Запуск, останов, торможение и реверсирование станка, а также изменение скорости резания бесконечно упрощаются при переходе от трансмиссионного привода к одиночному функциональному электромотору с приспособлениями для кнопочного включения и выключения. Уменьшение маховых масс в системе мотор-станок позволяет, например, осуществить переход от одной скорости к другой при наличии функционального мотора в течение
1-2 сек., тогда как при наличии ступенчатых шкивов на это требуется свыше 24 сек. Аналогичных сокращений можно достигнуть при останове станка путем торможения от электромагнита или рекуперацией энергии при разбеге системы и так далее В результате система кнопочного включения одиночного мотора, а для больших станков—ряда одиночных двигателей (многомоторный привод) с приспособлениями для электрического торможения позволяет уплотнить рабочее время до 100Yo и более по отношению кчистому рабочему времени при групповом приводе. Стремление при-близить мотор к рабочему органу достигает в самоточках и сверлильных станках полного осуществления, поскольку шпиндель станка является валом якоря мотора. Кпд станка в этих случаях приближается по величине к кпд электромотора вместо технеобычайно низких значений, которые свойственны станкам с приводом от трансмиссий, контр-приводом и многочисленными шестернями для изменения скорости резания.
К функциональным свойствам электродвигателя относится в первую очередь регулировка скорости резания, то есть изменение числа оборотов.
Для большинства станков необходима регулировка в границах, которые определяются рабочей программой данного станка. Низшее число оборотов — и мнд. определится наибольшим диаметром обрабатываемого предмета из металла, требующего наименьшей скорости, например чугуна. Высшее числи оборотов — и макс. ОПрвДвЛИТСЯ МИНИ-мальным диаметрам обрабатываемого предмета и сортом металла, требующим максимальной скорости резания; например, скорость резания меди в 6 раз и более выше скорости резания чугуна. Предел регулировки получится из отношенияп. Число ступеней регулировки
11 ыин.
обозначим через Z. Число оборотов, или соответствующая скорость резания для отдельных ступеней обычно выбирается в геометрической прогресии, то есть w3=n2еi=wf3.
откуда 9 —2 i/ пг и Z-
“щ
I П/
Юд
log
f 1.
Вычислим на примере: nz =500 об/м. я n1==10 об/мин.—пределы числа оборотов электромотора при различном количестве зубчатых передач. Предел регулировки п2: пх=500:10 равен 50.
log 50,
Число ступеней Z=
если примем е=1,26, поскольку практически 9 выбирается в пределах 1,25—2. Следовательно, при нерегулируемом моторе необходимо иметь 18 пар зубчатых передач. Сокращая число передач последовательно на 9—6—3, получим пределы регулировки мотора соответственно 1:1,26—1:1,56—1: ЗД8.
В ремонтных мастерских или цехах, где пределы регулировки велики, наиболее выгодным“ будет применение шуытового мотора постоянного тока, допускающего более иди менее сво бодыо егулировку в пределах 1:3. В
Этом случае мотор естественно переходит внутрь станка, соединяясь непосредственно со шпинделем—т. н. шпиндельный мотор. В случаях более узкой регулировки, как это имеет место в массовом производстве с небольшим ассортиментом изделий, возможно применение трехфазного коротко-замкнутого асинхронного мотора с переключением числа полюсов. В этом j случае тип мотора делается фланцевым. Мотор должен быть защищен от попадания стружек и возможных в силу этого коротких замыканий.
Точное определение мощности мотора для металлообрабатывающих станков представляет трудности в силу меняющегося в широких пределах в зависимости от типа станка и величины загрузки кпд станка. Однако, ориентировочный подсчет с достаточной для выбора мотора точностью базируется на определении максимального сопротивления резанию.
Для токарных, строгальных и аналогичных им станков сопротивление резанию W=q kz а, где сечение снимаемой стружки, равное произведению из глубины стружки на величину подачи резца; к2 — сопротивление на разрыв данного материала; и а—коэффициент, характеризующий состояние резца, по Fischer’y равный для стали 2,5—3,2 и для чугуна 4—5 и даже до 6. Мощность мотора определится из обычной формулы:
квт,
W
Р — ——
102 цгде v — скорость резания Вращающий момент для В
М=W it кг миллиметров, где В
в «w/сек. самоточки
— диаметробрабатываемого предмета в миллиметров.
Пример: обточить железный вал — к2=40 килограммммК Глубина стружки 5 миллиметров, величина подачи 2 миллиметров; Wqkz-a==5 240-3=1.200 килограмм. Для шпиндельного мотора 7]i7G°.о, скорость резания примем равной 20 л/сек.; тогда 1200 20
—ЖТо=34 «зт-
Могуность мотора сверлильного станка получим, определив вращающий момент М, необходимый сверлу диаметром (I для снятия стружки толщиной о: М= сkz кг. миллиметров; Р=9,81 - 2я
-qqMd ватт; где MD —вращающий момент М, приведенный к числу оборотов мотора.
Мощность фрезерного станка определится из сопротивления резанию, сравному W=q kz —, где v — окружная скорость фреза в миллиметров сек., с— скорость подачи стола в миллиметров/сек.
Мощность дыропробивного станка может быть вычислена путем определ. сопротивления сдвигу W—n-chs-a-kz, где а — коэффициент, равный 1,7, kz — коэфф. сопротивления на сдвиг в килограммах 1мм-, d—диаметр пробиваемой дыры и s—толщина пробиваемого листа в миллиметров.
Для большинства металлообрабатывающих станков 2£D>6Q°/o, поэтому мотор подбирается по мощности, вычисленной из вышеприведенных формум Небольшие воспомогательвые моторы, как, например, для установки суппорта, работающие кратковременно, выбираются или с учетом ЕВ ~ 15°/о. или из моторов с 5-минутной мощностью.
Однако, дыропробивные, строгальные и долбежные станки имеют значительные колебания в нагрузке, которая может быть отнесена к типу повторно - кратковременной периодической нагрузки. Тогда мощность мотора определится как среднеквадратичная из диаграммы нагрузки. Для дыропробивного станка упрощенную диаграмму легко построить, если не учитывать изменение скорости пуансона, так как изменение усилия при прохождении пуансона через толщу листа 5 есть линейная функция толщины & Минимальное значение для мощности получится при >8—0, тогда потребляемая мощность идет на покрытие холостых потерь станка (смотрите рисунок 1). Время t{ определится из допустимой скорости резания (для железа примерно v=15—20 миллиметров!сек.), а время U— как время прохождения пуансона, считая, что его нижний край должен подняться на высоту не менее толщины листа. Для ориентировочного подсчета может быть принята скорость равномерной; на самом деле для эксцентрикового станка она будет изменяться по синусоиде. Средне-квадратичная мощн°сть />ср.кв. будет равна:
для данной диаграммыср. кв.
V1
(р,
о р макс. кол.
+
О

+ -Р ол>

Ь+Р2 £,

3 10Л-2

я

1 max

s

1 1

i

i i

p i

JCO I

i i

i

; 1

i

U-i

I

“

; Cl

£
стерни на передний или обратный ход. Два сопротивления служат для регулировки силы притяжения магнитов, для выравнивания перенапряжений, возникающих при включении и выключении обмоток, имеются добавочные сопротивления, включенные параллельно каждой обмотке.
К функциональным задачам мотора относится также поддержание постоянства скорости по мере уменьшения диаметра обтачиваемой детали (смотрите рисунок 2), На чертеже видно, как движение резца по направлению к оси шпинделя передав гея через особый эксцентрик на рукоятку шунтового регулятора.
В некоторых слу чаях, как, например, при шлифовальных работах, важно сохранить более зли менее спотоянным давление шлифо-Риз I, вального круга на шлифуемуюповерхность, то есть сохранить по-
Подобранный по каталогам мотор | стоянную мощность при данном числе должен развивать максимальную мощ-! оборотов. Это достигается с помощью ность, превышающую Ркакс., т-е. мак-1 дифференциального реле (смотрите рисунок 3). симальный, или опрокидывающий, момент мотора должен покрывать момент, соответствующий пику мощности в диаграмме.
Рабочая диаграмма моментов ели мощностей строгального станка в значительной мере сохраняет свой характер, изменяя лишь масштаб в зависимости от величины стружки и мощности станка. Взятая из справочника диаграмма может быть использована для определения среднеквадратичной мощности, причем масштаб дается мощностью, определяемой кз сопротивления резанию.
Обратный ход резца холостой; поэтому обратную скорость можно удвоить; злектричестснй привод позволяет осуществить это автоматически, разно как и изменение хода на обратный. Последнее достигается или с помощью реверсивного мотора, или реверсивной электро магнитной муфтой. Подавая ток с помощью переключателя в обмотку правой или левой части муфты, включаем
Ряс. 2. Схемл управления для автоматического регулирования скорости резания у обрезных станков.
Кнопочное включение моторов осуществляется по схемам как постоянного, ше-! так и переменного тока. Для пуска
Рисунок 4. Прествикае схема кнопочного включежил мотора.
малых моторов (до 3 л. с.) постоянного тока и коротко замкнутых моторов трехфазного тока употребляются электромагниты, с по“ мощью которых включаются или выключаются моторы. Моторы с реостатным пуском обычно имеют серво-мот о р ы, приводящие в движение рукоятку реостата, хотя не исключена возможность включения и выключения сопротивлений в цепи якоря с помощью системы реле, авто матнчески выключающихся одно за другим, как только после нажима кнопки сработало первое реле.
Простейшая схема включения и выключения мотора показана на рисунке 4. После включения рубильника, замыкается кнопкой В цепь соленоида Ц путем втягивания сердечника соленоида замыкается цепь якоря постоянного мотора с шун-товымвозбуждением и тем самым пускается мотор. Во избежание опасных перенапряжений параллельно с обмоткой возбуждения включено сопротивление В.
Следующая схема (рисунок 5) с двойным соленоидом позволяет мотору работать при выключенной после нажатия кнопке Ж Остановка мотора производится другой кнопкой А. Ток для питания соленоида вместо разомкнутой кнопки Е цепи при снятии пальца с кнопки течет через контакт б, включаемый одновременно с замыканием цепи якоря мотора контактом а. Сопротивление R включается параллельно шунтовой обмотке, контакты в закорачивают добавочное сопротивление в обмотке возбуждения, включаемое в первый момент пуска. При нажатии кнопки А цепь обмотки соленоида разрывается, реле становится в исходное положение, причем контакт ы К замыкают якорь мотора накоротко, осуществляя тем самым торможение и сокращая время остановки мотора. Кнопка А по снятии пальца автоматически замыкает цепь, разорванную
Наибольший диаметр обрабатываем. I
предмета (мм) -|
Мощность (квт)i
Таблица 1. Револьверные станки.
I
10
0,74
15
1,1
20
1,5
30
2,2
40
3,0
Диаметр круглой пилы (мм) Мощность (квт)
Диаметр круглой пилы (мм) Мощность (квт).
Круглые холодные пклы.
500
8,7
I
600 |
4,4 ;
Горячие и маятниковые пилы.
600
11 — 19
Кругло-шлифовальные станки.
250
Диаметр наждачного круга (мм). .. ;
Мощность, смотря по ширине круга (квт) | 3,7 5,9
900
6,6
1.000 29 83
500
7,4 -г- 11
1.200
8,8
I. 500
II, 7
750
П — 14,7
Обыкновенные строгальные станки.

Ширина строгания и высота(.«.и) j

600

800

1.000

| 1.250

1.500

2.000 1

Длина отрогання (мм) I

1.500

2.000

2.500

I з.ооо

4.СОО

5.СОЙ

Мощность (квт)..|

2,2

3,7

4,8

| 5,9

7,4

11

2.500 j 3.000 ! 4.000 6.000 ! 8.005 | 10.000 14.7 18,4 ! 22-7-25,8-
Горизонтальные долбежные станки (шепинги).
Ход (мм). .. Мощность (кат)
Вес бабы (кг)
Число ударов в минуту

, | 200

I зоо

j 40» i

500 j

600

оосю

1.000

! 1.1

1

j 1,5

| 2,5 |

i I

3,3 ;

4,4

5,5 j

I

6,6

Воздушные молота.

50

100

200 |

soo !

500 |

750 i

1.000

250

200

175 I

165 |

150 j

130 |

100

i

3—7

4--11

6-flS :

9—22 !

12 -‘-26 i

15 1-Ш.

Толщина листа (мм)
Вылет.
Мощность (квт).
Давление.. ., Мощность (квт)
Дисковые ножннцы
300
Экоцентриковые и кривошипные яресоы.

1 25

50 1

100

! 0,8

,4

3,0

500
200
4,5
700
6,9
400
9,0
Изгибательные станки для листов.
Толщина листа (мм).
Мощность при ширине листа 3.000 миллиметров (квт). Мощность при ширине листа 6.000 миллиметров (квт)

32 |

15

20

25

7,4

S,S

12,8

19,7

~ I

22,1

29,4

40,4

i

30
29.4
55
Клепальные машины
20
30
Диаметр заклепок (мм) Мощность (квт).. .
немедленно пришел бы в действие после включения контактора Д. Этого не происходит только потому, что значительно больший пусковой ток создает в И2 значительное падение напряжения, так что концы соленоида Z2 нахо-дятся не под полным напряжением сети Е, а под меньшим напряжением, равным E—InjCK В2, По мере разбега мотора пусковой ток уменьшается, величина—JnjCK. П2 растет, пока второй соленоид не включится, замкнув контакты о. В этом положении последовательно с обмоткой якоря мотора включены два параллельных сопротивления Rx и R2. Контактор L2 при замыкании контактов б одновременно замыкает контакты д, подготовляя возможность включения третьего контактора £3,
также автоматически кнопкой Е. Запуск мотора вновь осуществляется нажатием кнопки Е и так далее Обе рассмотренные схемы не позволяют изменять направление вращения мотора.
Схема рисунок 6 позволяет осуществить кнопочное включение мотора с реостатным запуском. Нажатием кнопки Е включается кон тактор Д, замыкая контакты а, г и е: контакты а включают якорь мотора, в цепь которого включено сопротивление R2; контакты е включают катушку Д в цепь вместо кнопки Д которая при отнятии пальца занимает начальное положение; контакты г приключают один из концов второго контактора L2 перед сопротивлением Е3 Если бы этот конец помещался после сопротивления R2, то есть был бы включен после замыкания контактора непосредственно на „сеть“, то контактор
Рио. 6. Схема кнопочного включения с реостатным пуском.
замыкающего сопротивления Вг и Л.2 накоротко. Величина промежутков времени между включением первого и второго контакторов и включением второго и третьего контакторов может регулироваться уменьшением Rx и соответственно в выражениях Е ~
пуск.
Я3И Е-1Т
При
3 ктр_.““ привод станков“ (1933); D. Pollok.
; ektrfsrsbe А in mechanisohen ‘Werketiitten-“. TZ ;1023); D. Poll)!;, „Neuzeitlich Steu-runs: fiir v erkzeugeratriebe- u. M. 192s;; Ф. Хоппе, Электрический при-од станков и машин- (i зд.
Книга-); проф. С.. Пресс, „Электрический привод .металлообрабат знающих станков“ (1932).
И. Верейное.
XV. Элект ический привод в горном деле в l теснил все остальныепуск В.+ЯГ
выключении якорек катушки X, замы-1 виды механических двигателей. Всекает тормозные контакты К.
линиямашины,
к к оослуживающие рудник ), так и непосредственно назначенные для добычи угля“], снабжаются в современных рудниках электрическим мотором. Тяжелые условия работы (вода, примесь взрывчатых газов в рудничном воздухе) требуют применения специальных типов моторов и Бсей электрической аппаратуры, что позволяет свести опасность взрыва почти до нуля (рис.1). Возможность взрыва смеси воздуха с метаном (СН4) или светильным газом связана с образованием искры или вольтовой дуги или с накалом нити или провода.
У
силеиная вентиляция полностью не гарантирует от возникновения взрывчатой смеси. Меры предохранения идут по двум путям: 1) путем электрической сигнализации о скоплении метана на отдельных участках и автоматического выключения тока на этих участках и 2) путем заключения моторов и электроаппаратуры в оболочку, защищающую от взрыва наружу—вне защитной оболочки. Проникновение метана внутрь оболочки предотвратить нельзя, повторно. 7. Схема кнопочного включения трехфазного коротко-замкнутого мотора.
Для пуска трехфазных коротко-замкнутых двигателей в принципе схема сохраняется; так, для двигателей до 30 квт применяют схему рисунок 7, состоящую из трехполюсного контактора и двух тепловых реле для за-1 му оболочка рассчитывается на внут“ щиты мотора от перегрузок. Нажатием i реннее давление в 8 атмосфер, т. к. макси-
КНОПКИ 3 включается соленоид L, В j аши.ы. насос» водоотливные
СВОЮ ОЧереДЬ замыкающий линейный i установок, ьентиляторы дя обмена воздуха и про-трехфазный контактор. Остановка МО-; ветривания отдельных штреков, машина для откатки
ТОра ПРОИЗВОДИТСЯ КНОПКОЙ 2. I Врубовые машины, электрические свеита,
Литература: Fr. Hiille, „Die Werkzeugma- I электробуры и перфораторы и электрические м“
schienen“ (русск. пер. 1922); К. Меллер, „Одиночный; бедкн.
мальное давление взрыва при наиболее I вершенно закрытых моторов, с целью опасной смеси метана с воздухом (9°/о) I уменьшения веса, к полузакрытым кожухам, где открытые места защищены металлическими пластинами, расстояние между которыми не превышает 0,5 миллиметров при ширине не менее 50 миллиметров. Безопасные от взрыва электромоторы имеют больший вес, большие габариты— поэтому в помещениях хорошо вентилируемых имеется тенденция применять нормальные моторы с повышенной надежностью. Последняя заключается гл. обр. в увеличении между-железного пространства не менее, чем на 40%, ‘и понижении допускаемого нормами нагрева изолированных обмоток на 10сС. В настоящее время имеются типы моторов советского производства БАО (бронированный асинхронный, обдуваемый) и УТ е не превосходит 6 атмосфер На случай взры-1 контактными кольцами, вынесенными ва внутри защитной оболочки в кон-1 наружу подшипникового щитка. Для струкции должно предусмотреть, чтобы пламя или искру не выбросило наружу через зазоры и стыки. Пользуясь тем, что горящий газ, выходя под давлением из узкого отверстия, расширяется и температура его резко падает, можно соответствующим подбором ширины стыков, величины поверхностей, лабиринтными уплотнениями и тому подобное. добиться такой температуры выбрасываемых газов, при которой они безопасныдля наружной взрывчатой смеси. На I выключателей и контроллеров доста-зтом принципе «делан переход от со-1 точной защитой считается погружение
Ряс. 2. Схема мегак-реле: 1—автоматический выключатель; 2—к мотору; 3—понизительный трансформатор; 4—мшшм. реле; 5—метан-реле.
Рисунок 1. Советский тип взрыво-безопаспого двигателя (УТ).
разрывных контактов в масло. Простейший тип метан - реле, системы А. Ф. Зайсмана и И. С- Померанцева, позволяет отключать моторы и др. токоприемники, когда содержание метана в воздухе становится опасным. В основе его лежит свойство обычной бензиновой лампы удлинять пламя по мере повышения содержания метана в воздухе. В момент перехода допустимей границы пламя, удлиняясь, касается тонкой серебряной проволоки, которая, расширяясь под действием тепла, замыкает реле и сигнальные лампы, звонки или сирены. Действием реле масляный выключатель (смотрите рисунок 2) обесточивает магистраль. Серебряная проволока может быть заменена биметаллической пластинкой.
Электрический привод рудничных подъемников для подъема „на гора* угля в клетях или в ящиках-скипах требует регулирование скорости
Электрический привод рудничных подъемников для подъема „на гора“ угля в клетях или в ящиках-скипах требует регулирования скорости. Это вызывается желанием уменьшить пик на диаграмме мощности, что можно достигнуть переходом от равномерного ускорения системы к равномерно замедленному ускорению. В последнем случае изменение мощности происходит по параболе, и пик сглаживается (смотрите рисунок 3). Поскольку регулировка должна происходить автоматически и
Ряс. 3. Диаграмма мощности подъемника.
с большой точностью, асинхронные моторы неудовлетворяют этому условию,—в значительной мере от того, что скольжение мотора—величина переменная в зависимости от нагрузки, поэтому их употребляют в редких случаях в глубоких шахтах для скипового подъемника с малой споростью. При неглубоких шахтах с малой интенсивностью подъема возможно применение шунтового мотора, хотя он имеет ряд неудобств (резкие колебания в мощности при пуске и остановке, большие потери энергии и т. д) и в силу этого тоже находит сравнительно редкое применение. Наиболее удобной является система Леонарда. Т. к. изменение скорости должно происходить по заданной кривой, то является необходимым ослабить влияние трех величин—реакции якоря, падения напряжения Ша в динамомашине и остаточного магнетизма, действие которых начинает сказываться особенно сильно при малом числе оборотов, то есть когда магнитное поле в динамо-машине ослаблено. Для борьбы с этим имеется ряд схем, в большинстве случаев основанных на применении добавочных обмоток возбуждения, из которых одна обмотка действует тем сильнее ка поле остаточного магнетизма, чем слабее становится магнитный поток, создаваемый основной обмоткой возбуждения в то время, как вторая добавочная обмотка с компаундирующими витками поддерживает пост“, янство напряжения в цепи якорей. Принципиальная схема Леонарда дана в разделе бумажная промышленность, см. ст. 146. Для подъемников более обычен несколько другой вариант, где возбуждение главной динамомашины питается от вспомогательной динамо-машины, в систему возбуждения которой включена добавочная обмотка. Питание этой второй обмотки связано с цепью якоря главного подъемного мотора так, чтобы автоматически устранять колебания в напряжении в связи с изменением тока в главной цепи.
Вместо схемы Леонарда возможна и схема встречного включения; однако, она менее экономна и обладает рядом технических недостатков по сравнению со схемой Леонарда в данном случае, когда требуется не только изменение числа оборотов, но и реверсование на полное число оборотов.
Для защиты электрической сети, к которой приключен подъемный аггре-гат, от толчков, связанных с пиковым характером нагрузки, питающий аггре-гат в схеме Леонарда, состоящий из трехфазного мотора, главной динамомашины и динамо-машины для возбуждения на одном валу снабжают маховиком (так называемым система Лео-нарда-Ильгнёра). При ‘ уменьшении числа оборотов в моменты больших нагрузок маховик начинает отдавать запасенную им кинетическую энергию пропорционально разности квадратов чисел оборотов. При уменьшении нагрузки маховик запасает энергию по тому же закону, но в данном случае не уменьшает, а увеличивает число оборотов. Степень выравнивания нагрузки зависит от величины махового момента 6еD2, где G—вес маховика, а £>—диаметр инерции. Для того чтобы усилить действие маховика, нужно уменьшить число оборотов трехфазного мотора в момент нагрузки и увеличить его во время сбрасывания нагрузки. Это достигается изменением скольжения ротора асинхронного мотора путем включения или выключения сопротивления в цепь ротора мотора, так называемым регулятор скольжения, действующий автоматически. Величина скольжения в среднем не должна превышать 15°/о, при этом энергии, запасенной маховиком, хватает минимум на один подъем в случае перерыва в подаче тока. Подъем, опускание и останов подъемника производятся рукояткой управления, установленной на посту управления. Рукоятка связана с указателем глубины клети в шахте и шайбами безопасности, задача которых не допускать превышения установленной скорости движения клети. Маневровый тормоз служит для останова клети. В схеме Леонарда это достигается электрическим путем: введением сопротивления в цепь возбуждения главного генератора. Установка снабжается еще вторым тормозом безопасности, работающим автоматически при всякого рода повреждениях в системе. Обычно оба тормоза действуют на одни и те же колодки с помощью сжатого воздуха. Безопасность подъема, обеспечивается рядом реле и специальных приспособлений, действующих в первую очередь на цепь тормозного магнита.
Определение мощности мотора шахтного подъемника идет путем построения диаграммы скорости, моментов и мощности. Характер нагрузки мотораотносится к 3-ей группе, то есть периодической повторно - кратковременной. Следовательно, мощность мотора опре“ деляется из диаграммы мощности как средне-квадратичная. Основные данные для построения указанных трех диаграмм получаются на основе проектных или фактических величин, характеризующих данное подъемное устройство. По заданному количеству 1уза, необходимого к подъему в течение часа, и полезного груза за один подъем определяется число подъемов и время, необходимое для одной поездки. За вычетом времени пауз между двумя подъемами получим чистое рабочее время i. Для определения скорости необходимо выбрать ускорение р и замедление г. При всех системах, кроме Кёпе, ускорение берется 1—1,5 м/сек. Для машин Кёпе оно остается в пределах 1 м сек. Для уменьшения пика в диаграмме мощности ускорение выбирают равномерно-убывающим. Тогда время для определения полной скорости, изменение которой происходит
2v_ рамежуточные значения для ускорения определятся из формулыпо параболе, равно £ =
сек. ПрорХ=ра( 1г м/сек2,
а все промежуточные формулы
Vx=Pa(tx-£-J
скорости из
mi сек.
На основании этих данных строим диаграмму скорости подъемника за время подъема. Для построения диаграммы моментов вычисляются статический и динамический моменты. Для подъемников системы Кёпе при равных весах нижнего и верхнего каната статический момент остается постоянным во все время поездки и равным d
Mor=G -щ %г м, где d — диаметр ведущего шкива, G — вес поднимаемого груза, f — кпд системы (принимают равным около 0,85). При неуравновешенной системе в наd
чале поездки МС11 — -щ {G-f S0 — Su) и
d
в конце поездки Mert=g— (G+Sa -S,).
Для систем с цилиндрическим барабаном без уравновешивающего ка-d
ната Жет1 — (в + S), а М„2 =
d
— “2~ (О- — S) кг м. При точных подсчетах потери в данной системе могут быть легко определены из коэф. трения и других констант и параметров. Момент динамический, ускоряющий массы всей системы, зависит от размеров выбранного ускоренна я от величины масс системы. J LKе

HQZj..

мст

X

--ч,

Сис. 4. Диаграмма моментов подъемника.
Обозначая массы системы через
- т, пол учи Mill.
системыд - ‘ДИН — тРх 2~ кг м- Тогда нагрузочный момент подъемной машины (рисунок 4) будат равен lfEarp=МСТ- -+МдНН. Момент, необходимый для останова клети, будет равен Ж м — МСТ — d d (1 z
— mz ~y=G—cjr ~~ g~ J кгДиаграмма мощности определяется из диаграмм Mлин.
Рисунок 5. Диаграмма скорости подъемника. I
скорости (рисунок 5) и моментов (рис.4), т. к.1 Мап„п 2г.пр=
иагр
109-б0 — 0,00103 21Гпагр kw, и
мощность на валу мотора определяет- ! ся как средне-квадратичная из диа-| граммы мощности или путем определе
I нпя средне-квадратичного момента из; диаграммы моментов.
I При определении мощности отдель-|ных аггрегатов, в случае применения I системы Леонарда, йльгнера или Кре-| мера, исходят из мощности, вычисленной на валу мотора, с учетом кпд-отдельных единиц, включая потери на возбуждение, на торможение и тренио маховика в системе Йльгнера.
Вторая ответственная группа, водоотливочных машин, предъявляет высо-| кие требования к электрическим мото-| рам и аппаратуре, т. к. перерывы | в работе этих установок могут повлечь I за собой крупнейшие аЕарпи в рудни-| ках. Обычно находят применение и поршневые и центробежные насосы, однако центробеленые насосы имеют ! больше удобств и потому больше рас-! проетранены. С точки зрения элекгри-; ческого привода центробежные насосы j позволяют легко осуществить непосредственное соединение с мотором, причем возможно использование быстроходных моторов. Начальный момент центробежного насоса не велик и при закрытом напорном вентиле требует от электродвигателя не более 50Г)/о от номинального момента. Электродвигатели применяются асинхронные трехфазные с контактными кольцами. Мощность их колеблется в зависимости от производительности и манометрического напора от 200 до 1600 квт. До 400 квт. применяются моторы и с коротко замкнутым ротором, но запуск их производится от специальных пусковых автотрансформаторов. В большинстве случаев пусковая аппаратура и аппаратура для приключения к сети расположены в насосной камере в виде распределительных ящиков, состоящих из разъединителей,масляного выключателя, максимального и нулевого реле. Обмотку двигателей полезно просушивать время от времени, используя останов мотора. Это достигается или горячим Боздухом, или пропусканием тока от специального трансформатора, напряжение которого не должно превышать 50°/о—60°/о номинального напряжения мотора“). Стандартные напряжения моторов—380, 560,3.000 и 6.000 вольт.
) Целесообразно не давать иовитатъеж темпера“ туре мотора.
Число оборотов мотора обычно 1.500 1 к которой приключен асинхронный об/мин., для меньших воспомогательных | мотор (соединенный с вентилятором), насосов оно повышается до 3.000 об/мин. I и отдается в .ту же сеть в виде электрик Углубочные насосы соединяются с мотором с вертикальной осью, ротор которого коротко замкнут и запускается сверху от пускового трансформатора. Мощность мотора насоса при непосредственном соединении определяется по формуле
QE 1000
г 102 г{
квт, где Q — коли-
Pile. 6.
честно подаваемой воды в м3/сек.’ г, — кпд насоса, И — монометриче-ская высота подъема. Мощность мото“ ческой энергии. Это приведение оеущеров доходит до 500 квт, высота подачи-до 400 м и расход воды—до 3 л/мин., охлаждение моторов—из первой ступени насоса.
Третья группа — шахтные вентиляторы, имеет не менее ответственную задачу, т. к. переход через определенный порог процентного содержания метана создает опасность взрыва. Для шахтных установок применяются исключительно центробежные вентиляторы. Быстроходные вентиляторы типа Шлотера допускают непосредственное соединение с моторами с числом оборотов 750—1.000 в мин. Тихоходные, например типа Гибаля, диаметром около 10 и и выше, с числом оборотов около 60 в мин. соединяются с мотором через зубчатую передачу. Условия шахтной вентиляции периодически требуют изменения количества подаваемого воздуха. Регули-1 ровка с помощью дроссельных задви-; жек не экономична в эксплоатацни. j В этом отношении регулировка числа i оборотов несравненно выгоднее, хотя | первоначальные затраты больше. Для; регулировки применима любая из многочисленных схем Леонарда, Кремера, Шербиуса и так далее, однако схема Кремера работает с постоянной мощностью, поэтому для вентиляторов, где мощность растет в кубе числа оборотов, схема Шербиуса более выгодна. Окончательный выбор способа регулировки решается техно-экономвческим подсчетом различных вариантов на основе режима работы вентилятора и его характеристики.
ствляется с помощью аггреРата, состоящего из асинхронного генератора (JD), приводимого в движение коллекторным мотором (К), и регулировочного трансформатора (Т). Регулировка происходит вниз от синхронного числа оборотов мотора. Cos у такой установки при полной нагрузке приближается к единице, при 50°/о нагрузки Cos о понижается примерно на 10°/о. В схеме рисунок 6 коллекторный мотор с трансформатором может быть заменен одноякорным преобразователем и мотором постоянного тока. Общий вид установки в разрезе с обычным асинхронным мотором показан на рисунке 7. Регулировка числя оборотов достигается
iuo. 7. Шазтныа вентилятор с асинхронным мотором.
с помощью реостата, который для больших мощностей делается жидкостным. На рисунке 8 показан такой жидкостный реостат для мотора 800 л. с. с регулировкой в пределах около 25°/о от нормального числа оборотов. Мощность вентилятора определяется по формуле Qh
p==j-f где у — максимальное коли-
При схеме Шербиуса (ряс. б) электрическая энергия скольжения приводится к частоте и напряжению сети,
чество нагнетаемого воздуха в мЦсек., h — разрежение в миллиметров водяного столба (для рудников колеблется в пределах
50 - 500 миллиметров может быть 0,144
Л =
ав. ст.); ориентировочно h вычислено из формулыгде а — эквивалентное отверстие рудника в м1.
номинального момента. Применен!!- якоря с контактными кольцами опасно с точки зрения взрыва рудничного газа и требует увеличения габаритов маши-| ны, что крайне нежелательно, в виду ! трудности вписать мотор сравнительно большой мощности (20—30 квт} в очень компактное пространство, занимаемое врубовой машиной, высота которой остается в пределах ‘0—40 см. Задача охлаждения мотора, становится при этом очень трудной. В целях улучшения теплоотдачи, стокина мотора имеет ребристое выполнение. По условиям производства двигатель должен быть реверсивным. Пуск двигателя происходит или непосредственным включением на сеть, или переключателем с звезды на треугольник. Советская тяжелая врубовая машина имеет канатную подачу вместо цепной, управление машиной находится на передней части. Машинаимеетасинхронный трехфазный мотор 22 квт при 1.450 об./мии. с короткозамкнутым якорем. При запу-
Из группы машин, непосредственно участвующих в добыче угля, одной из важнейших является врубовая магоды почтп | ске машины, если по условиям работы
шина, за последниевытеснившая на ряде шахт ручную ! возможно, надо запустить мотор вхоло-зарубку. В этой машине электрическая j етую, проверив положение фрикцион-часть (мотор и аппарату- i
ра) конструктивно представляет одно целое с механической частью. В качестве двигателя применяется трехфазный асинхронный мотор с ротором Бушеро или с глубоким пазом Рюденберга. Эти типы моторов обладают значительно большим пусковым моментом, чем моторы с простым коротко замкнутым якорем, что очень важно в условиях работы врубовой машины.
Обычно запуск мотора ироисходит вхолостую или при выключенной подаче. Однако, при зажатии режущего бора углем приходится освобождать бор с помощью резких толчков подачи путем повторного включения я выключения мотора. Величина пускового мо. мента несколько меньше двухкратного
Рисунок а. Схема рАоаределения энергии в рудна верх постя. подстаяцля; 3 — 00 ;.о аьт; 4 —
приемники в рудничном дворе; 7—приемник
«.000
лильт; 1—но“
; 5 — насосы; 6 —
; Si> —1!20
; naioe: S—траисформатоной рукоятки, которая должна занимать нейтральное положение. В целях перенесения контроллера из корпуса врубовой машины на штрек применяетсядистанционный выключатель с кнопочным управлением. Электрическое бурение шпуров для закладки взрывчатого вещества, для размельчения угля производится электросверлами с двигателями закрытого типа с часовой мощностью 0,5 квт при 2.880 об./мин. при производительности в чистом угле 1 м/мин. при диаметре шпура 40—50 миллиметров.
Для бурения более твердых пород необходимо применять более мощные колонковые бурильные машины е мотором 1,5 квт при 2.880 об./мин. с зубчатой передачей на бур. Для еще более твердых пород применяется электрический перфоратор, работающий на принципе пружинного молотка, приводимого в движение через кривошип от короткозамкнутого асинхронного мотора мощностью около 0,7 квт при производительности 1—2 лрчас в известняках и 0,7—1,5 м/час в гранитах и гнейсах.
Схема подачи энергии от электрической подстанции на поверхности в рудник показана на рисунке 9.
Литература: W. Philippi. „Elektrizitat in d, Bergbuu“ (1924); W. Philippic „Electrische Forder-roascbjecen (1927); проф. К. И. Несмачный, CdT, т. IV. § 1—68; проф. Ф. Н. Шклярский, „Электрификация водоотлива- (1933); П. П. Пироцкищ „Сборник по горкой электротехнике“ (1333); Милин-ский, „Правила безопасности в горных установках“; внж. Озерной, „Подземное электрооборудование каменноугольных шахт“ (1934). ЕвреННОв.
XVL Электрический привод дерево-обрабатывающих машин, которые в большинстве являются быстроходными (кроме лесопильных рам, плоских пиле машин для валки деревьев, долбежных и некоторых других), разрешает ряд трудностей, возникающих при всяком другом способе привода. Всякая другая передача, кроме непосредственной, для такого большого числа оборотов, как 8.000 - 9.000 об. в мин., становится недостаточно надежной и с точки зрения эксплуатации, и с точки зрения техники безопасности. Отсюда вытекает стремление современных конструкторов сростйть мотор со станком в одно органическое целое. В этом случае для деревообделочных производств возникает необходимость в добавлении к обычному трехфазному току от районных станций с числом периодов 50 в сек. установить преобразователи частоты в видеасинхронных генераторов, способных повысить число периодов до 100 пер. в сек. и выше. При 100 пер. в сек.
2-полюсный асинхронный мотор вместо предельных 3.000 об./мин. разовьет
АА/
6.000 об./мин. согласно формуле п=~,
где f—число пернодов/еек. и р — число пар полюсов. В этом случае скорости резания дерева строгальными и фрезерными машинами порядка 40 -45 м/сек. легко осуществимы. На рисунке 1 показана деталь строгального станка, где на
Ряс. 1. Рациональный привод фрезерной машины.
валу станка насажен непосредственно ротор коротко замкнутого мотора. Второй подшипник при этом отпадает, отпадают радиальные усилия в виде одностороннего натяжения ремня на вал, делающий 6.000 об./мин., вся система мотор-машины приобретает компактный вид. С точки зрения экономики асинхронные быстроходные моторы с коротко замкнутым якорем являются наиболее дешевыми.
Для возможности получения трех ступеней числа оборотов 3.000, 4,500 и 6.000 об./мин. устанавливается аггрегат с двумя преобразователями частоты на 75 и 100 пер./сек. (смотрите рисунок 2). Переход для больших машин к дву- и многомоторному приводу позволяет осуществить значительные упрощения как в самой машине, так и в распределении механической энергии внутри машины. Рисунок 3 дает представление о современной строгальной машине с двумя моторами, из которых один служит для подачи обрабатываемого предмета и путем переключения полюсов дает две скорости.
Мощность фрезерных и строгальных машин можно найти, определивпо формуле сопротивление резанию:
it
V/~kbh где // — толщина стружки, Ь -ширина строгания в миллиметров, v — скорость
! Wv,
: мулы Р-= kw, где для д еревообделоч-
j ных “танков v равно в среднем С,5 — ОД i к станкам, которые можно встретить
строгания в м/сек, и—скорость подачи в м/сек., &=1—1,5, причем больший предел относится к твердой породе дерева. Мощность определится из обычной форна любом производстве по обработке дерева, относятся циркулярные пилы (ер. XXVII, 491/,. Новейшие конструкции циркулярных пил имеют непоередственное соединение с электромотором (смотрите рисунок 4). Станок с циркулярной пилой применяется для пилки бревенгде N0 — расход мощности на холостую работу станка, Nx — полезная работа станка, равная
и
46 + 0,224 b Д F
Рисунок 8-
на доски, для заготовки реек на оконные и парниковые рамы, для пилки дров и так далее При распиловке длинных и толстых бревен на доски применяют специально рамные доскорезные станки с ленточными пилами, которые по своей конструкции являются более сложными, дорогими и пригодны гл.
Рисунок 4. Непосредствзнкое соединение циркулярной пилы о мотором.
обр. при массовой стандартной заготовке пиломатериала. Т. к. вал таких станков делает 270 — 300 об./м., то непосредственное соединение заменяется ременным или цепным.
Мощность рамного станка определяется по разным формулам; она коле б“ лется в значительных пределах (от 25 до 100 л. е.) и зависит от числа пил, их толщины, хода и так далее По формуле Хартига мощность мотора для рамного доскорезного стайка определяется по данным:
N=N0 + NU
1— 1.000 и С’
где b — ширина пропила в мл Е — ход пилы в миллиметров, А — подача на ход пилы в миллиметров. F — поверхность разреза в м2 в час.
Полезную работу станка можно определить и по формуле Германа:
=[1+т£(4+тш)К
где коэффициент×принимают для сосны—1:20, для ели—1:15, для листв. леса — И : 150; b — ширина пропила в миллиметров, s — толщина пилы в мл t — шаг зуба в миллиметров, Я—ход пилы в миллиметров А —подача на ход пилы в миллиметров, F ~ площадь пропилов в кв. м в час.
Расход мощности по мере затупления пил увеличивается пропорционально коэффициентам следующей таблицы:
время резки в часах: 1 2 3 4 5 6
коэффицент а.. 1,14 1,27 1,39 1,5 1,6 1 69
Из этой таблицы видно, что пилы необходимо точить примерно через 3 — 4 часа, во избежание излишних больших потерь мощности при работе тупыми пилами.
Выбор мощности электромотора для лесопильной рамы зависит от многих величин для одного и того же станка при одном и том же числе оборотов коленчатого вала, например: от толщины лесоматериала, числа пил, толщины их, подачи пиломатериала, степени остроты зубьев пил, шага и так далее Поэтому мощность мотора может быть выбрана по максимальным величинам, средним и минимальным. По данным Шапиро потребная мощность для лесопильной рамы с просветом 600 миллиметров при числе оборотов вала 275 об/м. и при ходе пилы 400 миллиметров для холостой работы —
9 — 12 л. с., при резании — 1S — 26 л. с., при резании мерзлого леса — 30 — 35 л. с.
Б таблице 1 приведена сводка опытов по определению мощности, потребляемой лесопильными рамами на Симоновском лесопильном заводе (Москва, 1929 г.).
1 3 £
Со ас
is g, 2
j; “Э К-
г- 4
Эч О
Й а О
с о -!
— ”е 5S
5s to
J О
Й С
СО о О,2х 1‘ b Т5 О р << Й U О О
С яо и
- а
- С
сао
-с Я
Р TJ
! d «» 2 а
я С
а я- I to ° -а о а 5 с I § J;

Потребная мощность в л. с.

х ;

2 О j

о U 300

Отношен, холо

н

; р о j

стой мощности к таблвчн.

Потребная мощность в -л. с.

нр×я о g×£

Отношен.

-Г О © | S h О 1

П я И

мощи, тганс-мке. к табл, мощн. мот.

О о |

я » 1

РСооффиц.

П0Л--ЗН.

действ.

- i

Потреби.

2 & i

“3 о !

мощность

2 р :

в л. с.

о я : S. о

Отношен.

to !

рабоч. мощности к табличм.

Таблица
Принимая во внимание, что лесопильные рамы рассчитаны на определенное число оборотов и не допускают больших колебаний (не свыше 2 — 3%), | лучше всего применять в качестве двигателя к лесопильным рамам асин- хронные электромоторы 8-фазн. тока, где эго возможно. г
Доскорезиый станок с циркуляр- i ной пилой. Этот тип станка при са- -л мой разнообразной его конструкции очень часто встречается в совхозах и колхозах и приводится в действие в большинстве случаев от трактора при помощи ременной передачи. Ста-; нок можно приводить в действие и ( при помощи электромотора, последний; рационально соединять непосред- I ственно с валом пилы гибкой муфтой. ;
На рисунке 5 показан схематически доскорезный станок с круглой пилой, { вал которой соединен непосредствен- i но с электромотором. На этом станке I можно пилить кряжи на доски дли- 1 ной до 3 м при толщине 300—850 миллиметров. j Станок этот по своей конструкции можно отнести к типу электрофици“ рованяых доскорезных станков. Вы- полнен он из дерева полукустарным ) образом, по своей конструкции прост : и легко выполним в условиях даже небольших мастерских. Этот станок устроен с полуавтоматической подачей лесоматериала на ход пилы, при помощи лебедочного приспособления, которое на рисунке 5 обозначено буквами j В и Р. Наматывая на барабан В ка- I нат Е, соединенный с подвижной кареткой Д заставляем перемещаться каретку В с пиломатериалом А по горизонтальной плоскости на ход пилы Е. Такое простое приспособление оказывает хорошее влияние на равномерную подачу лесоматериала, и тем
Ряс. 5. Днекорезйыи станок простого типа с круглой ПИЛОЙ.
самым поддерживается более или менее равномерная нагрузка для электромотора. Необходимо отметить, что мощность для циркулярной пилы колеблется в значительных пределах и зависит от многих данных, напримерот числа оборотов, диаметра пилы, ширины пропяла, породы дерева и так далее
Рисунок б. Маятниковая крупая пила.
По эмпирической формуле Хартига мощность мотора для круглых пил определяется следующим образом:
N=N0 + NU
где Щ — необходимая мощность для холостой работы станка, Л7Х — полезная мощность, которая определяется следующими данными и равна
_п В b. F
Л ~ 800 +14 до 28 м где и — ч“гсло оборотов пилы в минуту, В — диаметр пилы в м, b — ширина пропила в миллиметров, F — поверхность разреза в час в кв. м, 14 и 28—цифровые значения, характеризующие твердость (14) и мягкость (28) пород дерева.
Рассматривая вышеприведенннуюформулу, необходимо отметить, что основной, влияющей на мощность, величиной является диаметр пилы, который зависит от распиливаемого материала. Обычно диаметр пилы должен в 3—2, 5 раза превышать толщину распиливаемого материала, причем верхний предел относится к малым диаметрам пилы.
На рисунке 6 показан станок с качающейся пилой, которая приводится в действие от ременной передача.
В табл. 2 приведены наиболее характерные станки с потребляемой мощностью.
Т а б и и ц а 2.
Наименование ;
Долбежныеценные
Рабочие характеристики
Мощность,
kw
Сверлильные
Шипорезные
Глубина долбления до. 150 миллиметров. Наиб, ряг- мер. отверстия 6 № 1 миллиметров“..[
Диаметр отверстия от } 30 л.» 75 миллиметров. j
а) Для я щи коз. |
С) Для прямых шипов !
в) Д ш закрытых и! сквозных ласточки- | 1ШХ ХВОСТОВ
3,5—3.7
О 4 -1,5 3,0—5.9 2,2— 4.4
2,2 -3,7
что одна из важных причин, выводящих из строя как станки, тюк и моторы,—это плохой ухо;;: несвоевременная смазка, вызывающая быстрое срабатывание вращающихся деталей, а иногда, и заедание; несвоевременный мелкий ремонт и так далее Поэтому, предъявляя к станкам требования получения хорошей и большой производительности, необходимо особенно внимательно следят]. за состоянием подшипников быстроходных мотороз и их смазкой, а также за продувай нем моторов мехами от пыли и опилок.
На кривой рисунок 7 даются мощности моторов поперечных плоских пил, обладающих поступательно-возвратным
О I
ооо toco тодидисп&мо
{рей qsdsSq о миллиметров

j шмрьна Наимено- j ci. ога-вание ! няя,

! миллиметров

Подач®, j м/мЯЕ.

С ко’j

рость 1 ре-ан., 1

If/ ОЕ. |

Мощность,

kw

Фуговочные 200—1.000

ручная

| 25 | 1,5—4.5

Пропускные1 строгальн. 200- 1.600

I 8—9

20—SO S

1,5—11

Четырех- ! сторонние 1 строгаль- i иые и карвизные. j 80-300

3.2—12 J

!

I

! 1 25—80 |

7,5-15

Фрезерные |

!

— 1

!

30 — 4i>; 0, i —4 - D

Рисунок 7. Мощность, потребная для поперечных □ил для валки деревьев.
движением, получившим широкое применение для валки деревьев в лесу. Рисунок 8 дает представление о современ-
Нацмековавие
Рабочие характеристики
Мощное ь, kw
Шпунтовая машина | Паз и шп,упг j 10X10 миллиметров.
Большой 4-стороян.1 Сечение доски строг. станок для аоло«1Б0;<-5; подача вых досок.- Верхний 6—8 л/мин вал ножей выключен. I
При работе. моторов, приводящих в действие деревообделочные станки, необходимо обратить викмание на то.
ной конструкции круглой пилы, где мотор укреплен: на станке внизу.
Ж. Е#реино0
XVII. Электрический привод в текстильной промышленности. В своем роде это единственная промышленность по однородности требования, предъявляемого во всех фазах производства, а именно: равномерности процессов. Рассмотрим основную часть текстильной промышленности —хлопчато - бумажное производство [ср. XLY ч. 2, 551 сл. и при л.. 576 с л.).
Начиная с первого полуфабриката, выпускаемого опенером в виде холста из хлопьев разрыхленного и очищенного хлопка и включая готовую ткань, все имеет строгое соотношение между весом и определенными размерами полуфабриката или конечного продукта. Это соотношение веса и размера определяет номер продукта: номер ленты, номер ровницы, номер пряжи.
Номер требует от полуфабриката определенного веса, однородности строения, одинаковой плотности, одинакового сопротивления разрыву. Всякое уклонение от этого в первых стадиях производства влияет на качество полуфабриката в его дальнейшей обработке. Эта равномерность процесса требует от трепальных, чесальных, ленточных машин и банкаброшей строгой равномерности хода, строго определенной скорости. Эта же равномерность процесса, необходимость равномерного натяжения нити при намотке коническими слоями вызывает требования строгого и точного изменения скорости на кольцевых ватерах.
Весь процесс производства хлопчатобумажных тканей можно разбить на три основные части: 1) пряденье, включая сюда и так называемое предпрядение: трепанье и чесанье; 2) ткачество; 3) отделочная часть. Более подробно необходимо остановиться на первых двух частях, так как здесь механические процессы с мотором в качестве двигателя играют большую роль, чем в отделочных и отбельных, где преобладают химические процессы (подготовительные и часть отделочных машин см. табл. 1). Текстильное производство есть производ ство массовое по преимуществу во всех его операциях, с более или менее равномерным и непрерывным ходом машин. В справочниках мы
| находим требование степени неравно-! мерности, предъявляемое к паровым
! машинам: о — коэфф. неравн.
для ткацких станков,
_1
60
~ 40 для прядильных груб., для прядильных
100
высок, номеров, гле опп—нор-
j мальное число оборотов, а п“ и п“ укло-Iнение числа оборотов вверх и вниз
| Таблица 1.
Щлихтовзльяая машина без вентилятора .1,1 — 2.2 квт
Шлихтовальная машина о вентилятором. 2,2 ; -з,7б
Основяая мотальная машина на 120—
250 веретен0,75 3,6
Уточная мотальная машина на 40
веретен о,75
Сиовальнчя машина на 40 веретен.. ОД —2,5 Ворсовальная машина для сукна на
35 валиков4 5
Строгальные машины (зав. „Красный Пути-ловец-, выпущен, в 1920 г., имеют 4 ножа, число обор, цилиндра —1.500; сорт—сукно; длина ножа—184 см, ширина ножа—100 см) 3,5
от нормального. Порядок отклонения числа оборотов в процессах с постоянной скоростью не требует большей точности, чем до 1%. Электрический привод трансмиссии дает большую равномерность хода, чем привод трансмиссии от паровой машины или дизеля. Электрический одиночный привод позволяет достигнуть еще большей равномерности, а следовательно повышения продукции и улучшения качества ее.
Естественный простой машин в рабочем процессе здесь не велик (14— 17°/о). В соответствии с этим коэффициенты нагрузки высоки: для прядильных фабрик около 90’Vo. для ткацких — SOVo, для красильно-аппретурных — не выше 70°/о; число часов использования установленного квт-а в году: прядильные — 2.000 часов, ткацкие — 1.200 часов, красильно-аппретурные—800 часов при одной смене; с учетом стахановского движения оно должно быть значительно увеличено.
Перейдем к электрическому праводу-: машин по отдельным группам. Мощность трепальных машин:
Кипоразрыхлитель1,5—4 ивт
Разносящая решетка (ок.40 м д шны). 3
Питатель 40,5 ,
Экегауст. опенер7,5—11 н
Трепальная машина (скорость трепала
800—1.500 об/мин)S
Холстовал (настильная решетка для пяти холстов, ножев. и сетчатых барьбап. и вентилятора, пропзв. 140 килограмм/чае). 5,7 Двойной крейтон, или двойная взрыхлнтельная машина..7,5
Опенер (производительность 275 килограмм/час с двумя ножевыми барабанами, CS6
об/мим. диаметр=450 миллиметров)4
Машинка для г.ыборка крутых концов. 0,9 Одиночные трепальные машины требуютмощность ок“.. 1,2-3,4 „
при производительности 1.0 килограмм/час.
Т. к. ножевой барабан имеет число оборотов 500—900 в мин., а трепальное било S00—1.600об/мин., то за последнее время качали ставить отдельные моторы на барабан и на било, непосред
! тель, кроме того—улучшить самый ! процесс чесания с помощью электро-: магнитной гребенки.
Вытяжные ролики и ленточные машины для получения пряжи до 16 ! (до 2-х вытягиваний), до, « 70 (до 3 х ! вытягиваний), свыше Ле 70 (до 4-х вытя-: гиваний). Современная машина имеет три головки до 9 выпусков е тазом : 250 лм“; ка;кдая головка разделена на; три секции, секция требует мощность I около 0,35 вкт., передача о г мотора к маши-; не обычно ременная. Простой от S до; 12%. Нагрузка постоянная; применим I как одиночный, так и групповой привод.
ственно соединенные с последними.; Обычный тип мотора для этих машин I асинхронный с контактными коль-! цами. Поскольку машины для раз-j рыхления и трепания тесно связаны друг с другом непрерывным потоком хлопка, является целесообразным автоматизация управления и контроля за правильным функционированием путем гигналкзации и выключающих автоматов. Это достигается аппаратами кнопочного управления.
Чесальные машины (карды) требуют около 0.8 квт при групповом приводе и до 1,2 квт. при одиночном приводе на машину. обладая тяжелыми вращающимися массами, непрерывностью работы без изменения числа оборотов, они обыкновенно приводятся в действие от группового привода для 10 — 12 машин и выше на группу. Число оборотов этих машин около 160—190. Более редкий случай—одиночный привод; тогда приходится или увеличивать мощность мотора, или (как это делается заграницей) вместо увеличения мощности мотора употреблять маховое колесо, т. к. карды требуют пускового момента в 5 раз и более нормального. Так как помещение пыльно и огнеопасно, применяются закрытые моторы, а для больших мощностей —закрытые с вентиляцией или обдуваемые моторы. Нормальный тип мотора—трехфазный асинхронный. Простой машин невелик (5—8%). Коэффициент эксплантации— около 95°/о. Известны успешные попытки так сростить машину с электромотором, чтобы части машины образовали трехфазный коротко замкнутый двнга
Равномерность хода достигается применением леникса. Машина снабжается трансформатором, если нет источника постоянного тока, для питания электромагнита, в цепь которого введены цилиндр и валик машины. При обрыве ленты валик и цилиндр, касчоь друг друга, замыкают цепь электромагнита, который выключает мотор, и машина автоматически о с тана б лива етея.
Могшоггь банк; Срошой.
3,0 квт. на i00 веретен—Тол-пый банка-

II 1.000 об/мин.

брош делает. 600 об мин.

1,5

- - -

— Уерегонный банкаброш делает. S00 об/мвн.

1,1

“ “

-

—Тонкий банкаброш делает. 1.200 об,мин.

0,7

-

-

— Самый тонкий банкаброш делает 1.500 об/мин.

После останова банкаброшей, в зависимости от его продолжительности, необходимая мощность меняется, т.-к. масло загустевает в многочисленных подшипниках.
Банкаброши требуют мягкого плавного пуска в ход во избежание обрыва слабо перекрученной ровницы. Кроме того,они требуют сравнительно большого начального момента в виду сложной передачи и многочисленных подшипников. Наконец, конусный вал, при помощи которого регулируется изменение числа оборотов, необходимое для намотки ровницы с одинаковым натяжением при разных диаметрах шпули, тоже требует ровного без толчка пуска в ход после остановок.
Привод возможен групповой от асинхронных закрытых моторов. Однако, применение специальных моторов с постепенно возрастающим моментом дает некоторое преимущество оде-:ночному приводу. При групповомприводе плавность пуска достигается медленным передвижением ремня с холостого шкива на рабочий. Эту задачу можно решить при одиночном приводе добавлением к нормальному трехфазному мотору с коротко замкнутым якорем леникса —натяжного ролика, причем леникс одновременно служит и вилкой для перевода ремня с холостого на рабочий шкив. В момент перевода ремня возросший по сравнению с нормальным момент увеличивает натяжение ремня, ролик леникса отклоняется, натяжение ремня ослабевает, и пуск в ход банкаброша происходит плавно и без толчков. В этих же целях применяется специальный мотор, особенность которого заключается в том, что коротко-замкнутый якорь имеет магнитную шунтировку в виде железного кольца, автоматически замыкающего глубокие пазы в якоре, в которых заложена обмотка; вращающий момент, пропорциональный магнитному потоку, изменяется по мере удаления или приближения кольца к якорю, так как магнитное рассеяние при этом меняется.
Этим достигается плавный пуск
Этим достигается плавный пуск. По остановке мотора кольцо от руки ставится в исходное положение. Плавность пуска достигается также включением сопротивления в одну из фаз статора.
При обрыве ровницы работнице необходимо поверяовка каретки, число обогюток шпинделя увеличивается—происходит до-крутка нити; 3) каретка стоит, идет подготовка к навивке нити—шпиндель делает несколько оборотов в обратную сторону для отмотки витков на носике веретена; 4) каретка возвращается к брусу в исходное положение, веретена крутятся, происходит наработка початка. Как видно из диаграммы (смотрите рисунок 1) мощности сельфактора за весь рабочий период, длящийся 14—16 сек., в первом
ю-
0
4 селЬфатора на одной трансмиссии
4 селЬфатор 6 работе
О
2 4 6 8 40 42
Рве. 1. Диаграмма нагрузки сельфакторов.
нуть рогульку иногда на очень малый j периоде мощность достигаетмаксиугол (до Vie окружности). Для этого при-! мума, т. к. каретка обладает большойходнтся влючать мотор на очень короткий промежуток времени. Существует специальная конструкция переключателя, соединенного штангой, идущей вдоль банкаброша так, что работница в состоянии с любого места включить или выключить мотор.
Сельфакторы, или мюли. Работа сельфактора имеет 4 периода: 1) отход каретки от бруса, причем происходит крутка и вытягивание пряжи; 2) остамассой и требует значительной мощности для ускорения этой массы, уменьшаясь в третьем периоде в 10—20 раз в зависимости от размеров станка и его холостых потерь. Это заставляет предпочитать групповой привод одиночному; обычно объединяют по 4 сельфактора в одну группу, сдвигая рабочие периоды каждого предыдущего сельфактора на один к каждому последующему. Этим удается значатедьно уменьшить мощность мотора работающего на групповой привод, по сравнению с суммарной мощностью сельфакторов при одиночном приводе Последние испытания, проведенные в СССР, показывают, что даже в таком казалось бы выгодном для группового привода случае одиночный привод экономичнее и технически более совершенен. Потребление мощности на 1 веретено при 1.000 об./мин. требует от 0,0007 квт. до 0,0018 квт.
Колычевой ватер является основной машиной прядильной фабрики, потребляя около половины всей энергии, необходимой для прядения.
Чтобы получить ровно намотанную катушку, а также избежать обрьтов нити, необходимо регулировать скорость вращения вереи ен по мере изменения диаметра катушки, которая нарабатывается конусными слоями, т. к иначе с изменением скорости будет меняться и натяжение ките. Обрыв нити чаще всего бывает при образовании начинка, вследствие наименьших; диаметров и наибольших натяжений.
Вместо непрерывной регулировки ограничиваются уменьшением скорости при нарабатывании начинка и головки. Этого можно достигнуть наиболее экономично путем переключения числа полюсов с б на 8 и обратно при тпехфазном токе (рисунок 2).
Рисунок ц.рив-»я оборотов мотора ватера с Т0-гулпроькой путем переключения полюсов.
Теоретически, конечно, возможно и дальнейшее регулирование путем введения сопротивления в ротор мотора (рисунок 3), но это сопряжено с потерями энергии и требует применения мотора с контактными кольцами, тогда как наиболее выгодным является для низких и средних номеров пряжи применение асинхронного мотора с коротко-замкнутым якорем, обладающим болеевысоким кпд. При наличии постоянного тока регулировка числа оборотов
Рас. 3. кривая oojprvroB мотора ватера с регулировкой путем введения сопротивления в ротор.
производится шунтовым регулятором шунтового мотора, соединенного с механизмом ватера (рисунок 4). Однако, большинство современных центральных электрических станций генерируют
Рисунок 4. Кривая оборотов гаунтовото мотора кольцевого в“тера с регулировкой возбуждения.
трехфазный ток, поэтому шунтовой мотор постепенно выходит из употребления. Но с успехами в постройке крупных ртутных выпрямителей, кпд которых последнее время дошел до 99°/о, вопрос о шунтовых моторах постоянного тока опять стал на очереди. Наиболее удачные результаты получаются при работе с трехфазными коллекторными моторами с автоматическим регулированием скорости по заранее заданной кривой путем автоматического сдвига щеток на коллекторе. При этом получается почти ровное натяжение нити, а в силу этого более ровная и плотная катушка и значительное уменьшение обрывов. Регулировка производится без потерь энергии, причем пусковой или шунтовой реостаты отпадают. Стоимость коллекторных моторов значительно выше асинхронных, а габаритные размеры вдвое больше, поэтому коллекторные моторы, напримертипа Шраге, применяются только для высоких номеров пряжи;необходимость установки вентиляционного трубоиро-вода для охлаждения мотора ведет к дальнейшему увеличению стоимости оборудования. Двигатель Шраге обладает постоянным моментом при различных числах оборотов. Это позволяет использовать лучше мотор Шраге, чем шунтовые моторы постоянного тока, работающие с постоянной мощностью, тогда как мощность ватера увеличивается с увеличением числа оборотов. Мощность такого шунтового коллекторного двигателя (типа Шраге): 5,2— 7,4—8,9 квт, cos о=0,81, число обор, в мин. 700—1.200.
В течение рабочего периода кольцевой ватер имеет сравнительно равномерную нагрузку, но после длительных остановок, когда смазочное масло загустевает, нагрузка мотора возрастает, как и у сельфакторов. Мощность на веретено и 1.000 об/мин.—0,001—0,0018 кв.
Второй этап обработки хлопка, следующий за прядением—это ткацкая фабрика с ее основным станком—ткацким. От привода для ткацкого станка требуется ровный ход, т. к. каждое колебание отражается на качестве материи, вызывая неоднородность ее. Это обстоятельство особенно важно для шелковых тканей. Неравномерность привода имеет и другие следствия: увеличение расхода энергии и понижение производительности станка.
Уменьшение неравномерности влечет увеличение среднего числа оборотов в минуту, пропорционально чему растет производительность станков; следовательно, с переходом на электрический одиночный привод и повышением числа оборотов в среднем имеем повышение продукции на 5%.
Длинные трансмиссии легко приходят в состояние упругого колебания, повторяя неравномерность хода первичного двигателя, особенно поршневых машнн. Сюда присоединяется еще упругая игра ремня в случаях ременной передачи.
Большая равномерность в натяжении нити челноком и в силу этого меньшее число обрывов в свою очередь повышают качество продукции.
Ткацкие станки имеют простой до
20°/о, обусловливаемый заправкой станка, обрывами, выбрасыванием челнока и тому подобными причинами, во время которого при групповом приводе продолжается потребление энергии на покрытие холостых потерь трансмиссии. При одиночном приводе эти потери отпадают, т. к. мотор выключается в большей части специальным педальным выключателем. Возможно, однако, дальнейшее уменьшение потребления энергии ткацким станком путем выбора рациональной передачи от мотора к станку при одиночном приводе.
Зубчатая передача вызывает меньший расход энергии, чем ременная, до 9°/о. Зубчатая передача дает также большую равномерность числа оборотов, чем ременная, вследствие отсутствия упругой игры и скольжения, а также потому, что в среднем лучший кпд легче достигнуть в условиях передачи к ткацкому станку зубчатой передачей, чем ременной. Во избежание поломки зубьев шестерен, особенно при запуске станка, укрепление большой шестерни на особом шкиве или диске, укрепленном на валу, производится с помощью стягивания втулки пружиной, действующей на стальную ленту. При усилиях, превышающих заранее установленное сопротивление пружины, лента сдает, и начинается холостое скольжение шестерни. Имеется также много других способов для предупреждения поломки зубьев и уменьшения толчка, вредного и с производственной точки зрения.
В случаях ременного привода, который стоит дешевле зубчатого при оборудовании и достаточно широко распространен, во избежание вредных толчков употребляют обыкновенно качающуюся подставку для мотора, допускающую регулирование натяжения ремня, или леникс. Для одиночного привода ткацкого станка употребляют трехфазного тока асинхронные моторы с коротко-замкнутым якорем, с числом оборотов в пределах от 1.000 до 1.500 в минуту, на шариковых подшипниках. Так как число моторов на ткацкой фабрике обыкновенно исчисляется тысячами, то кпд мотора играет большую роль в общем расходе электрической энергии. Это обстоятельствопобудило заводы разработать специальный тип асинхронного мотора для ткацкого станка. Обычный асинхронный мотор мощности 0,3 — 1,5 л. с. имееткпд. равный соответственно 0,72— 0,82, пусковой момент—менее 2 кратного от номинального. Увеличивая вес мотора и уменьшая потери в железе и меди,повышают кпд специальных ткац-ких моторов до 0,8 - 0,87 и пусковой момент от 2 до 2,5.
Последний основной этап в текстильном производстве составляет отделка тканей. В зависимости от сорта ткани меняются параметры технологического процесса, как, например, продолжительность сушки или пребывания товара в ваннах с красителями. В соответствии с этим большинство машин требует регулировки числа оборотов.
Палильные машины требуют регулировки в пределах 1:2,5 и мощности около 4 квт. Галандры регулируются в пределах 1-1,3, но в момент заправки товара скорость понижается до 3/ю от рабочей скорости.Наиболее практичным является применение трехфазного асинхронного мотора с регулировкой введением сопротивления в цепь ротора. Для привода во время заправки служит вспомогательный двигатель. Мощность основного мотора 4—15 квт. Сушильные машины требуют регулировки до 1:4 при мощности 3—5 квт. Вытяжные и мерееризнрующие машины требуют регулировки до 1: 4 при мощности 4 15 квт. Печатные или набивные машины выполняют наиболее ответственную часть отделки. Регулировка доходит до 1:8, при заправке товара до 1 :10. Наиболее рациональным является многомоторный привод таких машин тунговыми моторами от лятипроводной сети (смотрите рис 5), напряжения которой относятся как 1:3: з : 2.
Рдс. б. Схема пятппровоцноГ! системы много-моторного привода ситце-набивных машин.
применение коллекторных моторов Шраге, а при небольших пределах регулировки — асинхронных трехфазных моторов с контактными кольцами. Потребная мощность ситцепечатных машин для 2-хвальной —10-11 квт, б-тивальной —11-15 квт и 12-тиваль-ной — 24 - 28 квт. При выборе типа двигателя необходимо учитывать тяжесть условий работы в атмосфере таких газов, как хлор и сероводород. Рационально там, где имеется только трехфазная сеть, применять ртутные выпрямители для получения постоянного тока. Шестифазные трансформаторы на 6.000 вольт понижают напряжение так, чтобы получить 460 вольт постоянного тока со стороны выпрямителей, кпд которых для данных мощностей доходит до 91° о. Мощность машин для красильного производства трикотажных изделий дана в таблице 2.
Т м б и и ц а 2.

На ванне машины

Xa.-uKivpiiciiiic.i машины |

Потребная мищооои“

Красильные баки. .

Число оборотов головного барабана 30 — 80/мнн .

0,5—1,5 квт.

Цевтрофуги

Диаметр корзины 1.200 миллиметров..

7,:. квт. ири непосред-С1винном соединении, 3,5 кв г при ременной ! Шридаче.

Сушила..

а) привод вентиляторов для подачи горячего (80—90°С)

в >s .уча

б) длл привода про их механизмов

1.5 квт.

Отделочные машины .

а) горячие каландры

4,5 кв г.

6} ворсовальные машины

4,5—5,5 КВТ.

В виду того, что cos ср опускается до 0,6 на отделочных фабриках и до 0,7 на ткацких при числе часов использования 6.000—7.250 в год, желательно применение синхронных и. фазовых компенсаторов и особенно статических конденсаторов.
При проектировании и определении мощности центральных электрическим станций необходима проверка по удельному расходу энергии или на машину, или на единицу продукции, а также соотношения мощностей по отделам или цехам.
Для бумаго-прядильных фабрик опытные данные дают на 1.С00 веретен — 18,6—20 квт. Для ткацких фабрик на 1 станок—0,4—0,12о квт., включая вентиляцию и освещение. Современные требования советской охраны труда по вентиляции и другие меры по охране и улучшению условий труда увеличивают эти удельные расходы энергии на 10% и более.
На ситце-набивных фабриках удельный расход исчисляется на кусок товара весом 3,3 килограмма от 1,21 до 2,5 квт и выше. Соотношение мощностей в прядильноткацких фабриках: трепальная— около 6%, чесальная — около 16%, прядильная — около 50%, ткацкая — около 23%, остальное — около 5%.
Литература: С. И. Крачевскай, „Основные черты электрического оборудования текстильны“ фабрик“ (Москва, 1926); В. Штиль, „Эдикт ( омотор-вый привод в текстильной промышленности“ (пер. с нем., 19- 4); А. Е. G. „Elektr zitat in der Textilin-dustrie“ (Brl., 1922); Siemens Zeitschrift, Textilheft (№ 12, 1925); „Электродин! ательный привод и промышленности. Текстильная промышленное! ь“ (сборн-статей, М., 191-1). JJf. ЕвреинОв,
XVIII. Электрический привод в писчебумажной промышленности. Развитие бумажной промышленности идет в значительной мере параллельно с увеличением степени ее электрификации. Если 25 лет тому назад скорость бумагоделательной машины не превышала 40 м мин. при ширине бумаги 2 м, то для настоящего времени скорости в 250 м мин. являются обычными при ширине бумаги до 5—7 м. Скорость в 450 лг/мин. уже не является предельной. Естественно, что при таких скоростях не только непригодны старые системы ременных передач, ко ж одиночный электрический приводдолжен быть заменен многомоторным приводом с особыми синхронизирующими приспособлениями, не допускающими колебаний скорости как в целом, так и в отдельных частях машины, без чего возникла бы опасность разрыва бумажной ленты. С этой целью применяются специальные быстродействующие регуляторы, которые позволяют удерживать постоянство числа оборотов в пределах до у3%. Наличие таких крупных единиц, как дефибреры с мощностями до нескольких тысяч л. с., с одной стороны, и необходимость регулировки других машин, как, например, вышеупомянутые бумагоделательные машины, требующие в зависимости от сорта бумаги возможность регулировки в пределах 1:20, обеспечили широкое развитие электрического одиночного одномоторного или многомоторного привода в этой отрасли промышленности. Кроме того, для некоторых машин требуется тихий ход, например для очистки сит или при заправке машины. В этих случаях электрические методы лучше других удовлетворяют требованиям.
Влажная атмосфера, наличие кислотных газов, а в некоторых помещениях наличие сухой пыли приводят к необходимости применять закрытые электрические моторы и закрытые с вентиляцией. Новый тип „обдуваемых“ двигателей, например УТ, должен найти в бумажном производстве широкое применение. В соответствии с этим и вся электрическая аппаратура, особенно моторные щитки, должна быть также защищена от влаги, газов или пыли. Наличие влажных помещений диктует применение системы электрических сетей трехфазного тока с не-заземленной нейтралью. Напряжение 380/215 вольт при незаземленной нейтрали приходится рассматривать как высокое напряжение со всеми вытекающими отсюда конструкциями и мерами технической безопасности. Поскольку бумагоделательные фабрики работают непрерывно круглые сутки в течение целого года, за исключением нескольких дней для осмотра и текущего ремонта, от электрических установок требуется особая надежность, строго продуманная система заменыпотерпевших аварию моторов и аппаратуры и наличие запасных моторов трехфазного тока, якорей для моторов постоянного тока и запасной аппаратуры.
Большинство моторов для бумажного производства не требует регулировки скоростц, и асинхронный мотор трехфазного тока является наиболее подходящим двигателем. Моторы с серпесноп характеристикой применяются, как обычно, для подъемных и транспортных сооружений.
Первым основным этапом производства является изготовление массы в трех видах: 1) древесной массы, получающейся на дефибрерах; 2) цел-люлезы, получающейся химическим путем, и 3) тряпичной массы, подготовляемой на волчках, цель которых измельчить тряпки. Ботее подробно остановимся на работах тех машин, привод которых наиболее характерен.
Дефибреры (шлейфе ры, или древо-терки; см. XXXII, 228). Мощность, потребная для них, весьма различна и далее в пределах одного типа сильно колеблется, в зависимости от поверхностей камней, давления, с которым дерево прижимается к камню, числа оборотов камня и свойств и состояния дерева. По средним немецким данным требуется около 5—7 л. с. на 100 килограмм воздушно-сухой древесной массы при работе дефибрера в 24 часа и 1, 2 л. с. на очистку коры, сортировку, рафинировку, мешалки и обезвоживание. Для самой тонко измельченной древесной массы — 10-12 л. с. на Ю0 килограмм при 24-хчас. работе. Следовательно, потребление энергии в среднем колеблется в пределах от ~ 1 до 1.5 квт/ча-сов на 100 килограмм сухой массы. Мощность, потребная дефибреру, приблизительно может быть определена из формулы P=SDnk киловатт; здесь S —сумма поверхностей балансов, трущихся о камни, в м2, В — диаметр камней в м, и — число оборотов камней, k — коэффициент, в зависимости от количества древесной массы равный 0,50 — 0,70 для тонких сортов массы, 0,65 - 0,80 для средних, ОДЮ — 1,10 для грубых.
Мощность моторов дефибреров иногда бывает очень велика- до 2.000 квт,
нормально 300 — 600 квт при числе оборотов 250 в мин. Хотя пуск в ход происходит без прижима балансов к камням, однако самый вес заложенного дерева может вызвать значительный прижим балансов, и пуск в ход, можно считать, происходит при полной нагрузке. При изменении давления пресса мотор получает сильные толчки от изменения нагрузки до Ш о и даже выше. Число часов использования доходит до 8.500 час. в год. Условиям работы дефибреров удовлетворяет асинхронный трехфазный мотор.ири чем нередко один трехфазный мотор употребляется для двух дефибреров, т. к. регулировки скорости не требуется. Однако, стремление улучшить Cos установок толкает к переходу к другим схемам привода.
Наиболее распространенной в СССР является установка с асинхронным мотором и компенсатором фаз. Харьковский электромеханический завод (ХЭМЗ дал специальную схему такого рода с автоматическим включением м <тора на фазокомпенсатор (рисунок 1) При включении главного мотора автоматически с помощью контактора III включается мотор (G) компенсатора фаз. В тог момент, когда подвижные электроды жидкостного реостата достигли наиболее низкого положения и оба мотора развили полное число оборотов, происходит замыкание кон-! тактов Н и включение обоих контакто ров 1 и II.
Хорошие результаты с точки зрения экономичности достигаются применением синхронных моторов с перевозбуждением для улучшения Cosе, а т. к. синхронные моторы имеют неудобство пуска в ход без нафузки, то в последнее время применяются синхронные моторы с асинхронным пустеем в ход. Эта схема в настоящее время признается наилучшей.
Условия работы моторов для дефибреров очень тяжелы месяцы почти непрерывной роботы под полной нагрузкой. с большими толчками, в атмосфере влажного в -здуха. Последнее обстоят ельс во за с гмвл.>ет применять с и с ци ал ь к у ю и 1 ют и в< >е ы I ю стн у н. и золя-цню. особенно необходимую для высоковольтных моторов (З.ОоО 6.0U0вольт).
При пуске мотора требуется каждый раз предварительное просушивание изоляции. С увеличением диаметрание энергии быстро уменьшается (рисунок 2). Сплошная линия показывает число лошадиных сил на 100 килограмм массы за
К сети высокого напряжения
Рисунок 1. Пуск двигателя и автоматическое переключение на фазокомпенсатор с помощью жидкостного реостата (по схеме ХЭМЗ).
скорость камней растет пропорционально количеству производимой древесной массы, но удельное потребле-

1

34

~ 1

4,

/!

I

1

“ о

/ГЧ]

1

4

Y

!

J

!

/

ё 1

/

t

_!

_J

0 100 200 200 см/сек.
Рисунок 2. Диаграмма уделые, мощности и производительности в зависимости от скорости камней.
24 часа работы, пунктирная — количество древе-Сеть сной массы вц т. за 24 чайного са в зависимости от ско-напряжъния рости камней. w
Обычное число оборотов камня 220—250 об/мин., что соответствует окружной скорости около 16— 18 м/сек.
Равномерность подачи баланса в дефибрерах оказывает большое влияние на качество массы. Отсюда возникает необходимость регулировки подачи баланса, причем регулирующая система должна обладать малой инерцией и, кроме того, немедленно прекращать подачу при останове главного мотора дефибрера. Последнее условие легко осуществить, если подача производится от специального мотора, путем установки контактов в цепи этого мотора на масляном выключателе главного мотора. Контакты разрываются при выключении масляного выключателя, и подача прекращается. Из многочисленных систем отметим жидкостную подачу (масло или вода), где подача производится турбиной, а регулировка поступления жидкости в турбину осуществляется через вентиль, управляемый электрическим регулятором. Однако, для освобождения от сложной гидравлической системы масляная турбина со всей сетью труб и фильтров заменяется электромотором или постоянного тока со включением по системе Леонарда (смотрите ниже привод бумаге“ деяательных машин), или от асинхронного двигателя с использованием быстродействующего регулятора Тома (Thoma), который вводит и выводит сопротивление в цепь ротора мотора подачи. Схема всей системы регулировки изображена на рисунке 3. Регулятор Тома (3) поворачивает вал реостат (4)
(!) на общей схеме, якорекЩ, подымаясь или опускаясь, передвигает золотниковый (5) поршенек и освобождает выход маслу на полости (Л) или (В) масляного серводвигателя (10), питание которого производится масляным насосом (8) с асинхронным двигателем (М). Разница в давлений в полостях А и В заставляет подвижную перегородку, разделяющую полости, перемещаться вокруг вала серводвигателя (И), соединенного с валом; реостата (4) мотора подачи (смотрите общую схему). Точность р е г у и и р о в к и колеблется dz 2°/о.
Мощное т и, потребляемые другими машинами для получения древесной массы, подготовленной для подачи на бумагоделательную машину, приведены в таблице 1.
Рио. У. Схема электрической регулировки тдачн баланса от асинхронного двигателя с регулятором Тома.
мотора подачи (8). Питание основной; катушки регулятора Тома производит-1 ся от трансформатора тока (1), включен, ного первичной обмоткой в цепь двигателя дефибрера (5). Реостат (2) устанавливает пределы зависимости работы j регулятора от нагрузки главного дви-1 гателя дефибрера. Двигатель подачи) защищен максимальным автоматом. (7), | после выключения которого замыка-j ются контакты Кх и тем самым включается добавочная катушка (С2) регу-лятора. Действие этой катушки при-; водит к установлению реостата (4) в начальное положение и, следова-: тельно, к полной разгрузке дефибрера,; при этом контакты (к >) замыкаются,; включают соленоид автоматического! выключателя, выключая катушку С2, и вся система вновь входит в работу.; Принцип действия регулятора Тома; показан на рисунке 4. Здесь катушка Qx обозначена цифрой (2) и вспомогатель-; ная катушка (С ) цифрой (14). При j изменениях в силе тока в катушке €t; (2), питаемой от трансформатора тока !
л
i ( Аb/
Рис“. 4. Устройство быстродействующего рвгудитора. Тома.
Таблица 1.

Название

Производи!ель-

Скорость вра-

Производственные

Необходимая

Конструкция

щеп и я (или

механизма

НОСГЬ

движения)

параметры

мощность, кпт

Корообдирки .

Дисковые.. .

6 скл. ж3/час.

I велич.

Диаметр

4.4 — 7,4

ю,

г 1.200 об/мин.

И „

диска

7,4 — 12

13 „

III „

450—5U0 миллиметров

9 — 13,5

Диаметр: i

Длина:

!

Корообдирки .

Барабанные .

35—45 мп1 чао

3050 миллиметров

01511 миллиметров

50

45-60 „

I 7,5 об/мин.

3050

3 22(30

Си—70

3660 „

10<25 „

92

Щеподовкп. .

С автоматнч.

Для 1 поп ре-

1 оборот

2 ’50 миллиметров

2410 миллиметров

7.4

выгр.-бсм щепы

рывн. дефибрера

в 6—7 мин.

2050 „

3SS0 „

35

010 kw

2о:о „

5000, 1

| 20

1

Сортировки. .

Центр обеление

-10—60;л/24часа

375 об/мин.

Сетчатый барабан J

Г

| оО

системы Берда

дпам. —

длина—

!

6з5 миллиметров

7.0 миллиметров

Диаметр:

Рафинеры. .

С горизонт.

0,5—0,7 772/24час.

350—150 о 6/.М U И.

700 миллиметров

I велич.

9—11

валом

1,0-1 5

2nU—:;50 „

10JU „

и

1S— 26

2.0—2,5 „

240- Г, Г» .

1250 „

ш „

30 -44

0,0-4,0 „

204—230 „

15U0 „

IV „

44—“5

Диаметр:

Длина: миллиметров

Пацц-машины.

С сетчатым

1,3 — П,5/72/24 час.

4—5 обор.

StiO миллиметров

110J—2200

3—3,7

цилиндром

2,2—5.2

цилиндра в мин.

1060 „

1450—2640

3,7—4 4

3,1—6,6

1260 „

1600—2600 i

4,4—5,2

i_________

Шнек-прессы .

Спиральные

I вел. Ю/гс/244.

28 об/мип.

! 1 1 — |

| у“

И - 20 „

20

— !

! - |

; i4,8

III величина

Обычно не

!

употребляется

для древесной массы j

Машины для изготовления целлюлозы приводятся обычными трехфазными асинхронными моторами без регулировки числа оборотов, за исключением пресс-потов и роллов, где электричество берет на себя производственные функции.
Роллы,ъшголландеры{смХХХ[1,22$). Наиболее простой передачей от мотора к роллу является ременная. Установка барабана производится от руки, хотя возможно применение вспомогательного мотора для этой цели. Сам ролл не требует изменения числа оборотов, имеет значительные колебания в нагрузке, следовательно применение группового привода более целесообразно, чем одиночный привод. Однако, с точки зрения интересов производства одиночный привод дает значительныепреимущества: раз установленныйрежим размола фиксируется измерительными электрическими приборами, и последующий размол массы получается в строгом соответствии с поставленными требованиями, причем потребная мощность регулируется давлением барабана на планку. Установка барабана может быть автоматизирована при помощи реле, включенного в цепь главного мотора и регулирующего работу вспомогательного мотора, изменяющего положение барабана.
При давлении барабана на планку, или слой волокна, ок.10—12 килограмма/сме получается „жирная“ масса, при давлении около 12—18 килограмм/см2 получается „садкая“ или „тощая“ масса, при увеличении давления волокна будут раздавливаться, дробиться на волоконца с тупыми концами. При укорачивании волокна до крайнего предела получается негодная для бумаги „мертвая“ масса, при расщеплении волоконца до крайнего предела получается также негодная слизистая“ масса. Отсюда видно, какую роль играет правильно выбранное давление барабана на планку и стремление автоматизировать процесс. Одна из схем такой автоматизации приведена на рисунке 5. Эксцентрик (9), обладающий сложной, специально для данного режима работы построенной кривой, регулирует работу мотора барабана путем изменения сопротивления (б).
Мощность мотора для роллов теоретически трудно поддается расчету. Предпочитают готовые типы роллов подвергать испытанию при различных условиях работы, устанавливая мощность моторов к ним колеблется в пределах от 10—75 квт. Применяется чаще всего асинхронный мотор с ременной передачей, устанавливаемый внизу
ность опытным путем. Потребная мощ-
Т а б и и ц а 2.
т;од роллом для сбережения места. Противоскросткая изоляция обязательна.
Мощности, потребляемые машинами для производства целлюлозы, сведены в таблице JM 2. В табл. № 3 указаны

Название

1

| Нроизводитель-

Скорость

| Производственные

Необходимая

механизма

Конструкция

I ность

вращения,

j иарамеч

1.Ы, миллиметров

мощность, кит

_

1

1______________

об/ман.

!

! !

[

j Диам. диска

Наиб, диам.]

Древсрубкя. .

С 3 ножевыми

До 2г> лЦ/чае

1 150—300 I

j 2100

баланса 3601

: зо

дисками

„ 35 „ i

| 150—250 !

I 250U

45!)!

44

1

» и> - !

| 125-225 j

! 2йи0

55uj

1 92—150

|

Бараб. I

1

j 11—12

1ДНьМ.) 1

Длина:

Сортировка

Барабанные

3—4 лг’/час

950 — 110 :

5200

1 0,74

щепы

10-12 „

1 14

l.OO—1S00 ;

8500 j

i

1

Диам. — OKI г

I

С подвижными

15 лг/час !

; 970—1150

ширина 6 VJ;

1 велич. 1

«—7,5

Дезинтегра

баллами типа

25 я 1

f 970-150

S000!

И „ j

7,5-11

торы

Ломбарда

35 ” |

| 970-1 НО

1250! Ш „ j

11—15

[Длина ящ.:[

:

„ г

С одним взлом

15—20 m!U ч.

! 90

i 6500

II велич. .

15—33

Сепараторы

С двумя валами

20—35

—

6500 I

И » i

22—48

и выше

! 1

!!

!

I

i

Диаметр:

Длина: j

Сучколовитель

j Варабапные |

10—15 mj-24 ч. !

1 23-30

500—&вО j

1500-000 |

0,75—1,5

f !

Диам. иил.:

Длина: j

Сгустители. .

— :

7 — 10 т; 21 ч. ;

| 9—14

125Э |

1200-3000

0,75—2,5

Шнек-преесы. 1

Спиральные

10—12 т 24 ч. !

23—30 j

i 1 ьелнч.

1

6—7,5

i

1

24 -20 ‘ „ ;

1

1.11

1

13,5

Загрузи. ири8|,;0|

- Км ко ель j

Диаметр

Отбельные

зарядке (/с>

е {-ЯГ)

Пропел.!.: ;

роллы.. .

Двухходовые

1000

1

20

i

6

4000

180 j

1 1

600-700 ;

1Б

8800

L. J

| 110

i

32

Отбельные ]

1

I 1

I

роллы. .. !

Трехходовые !

9600

1

120

I

33

14400

ISO

180

930--1100 1

45

32000

} ;

400 !

45-103

Таблица 3.

Названиемеханизма

j

| Конструкция

Производитель-;

ность

Скорость,

об/мин.

Производственныепараметры

Необходимая мощность, КВТ

Волк-машины

Многобарабанные

! 300— 5и0 ьт/час ! 500— SCO „ j S00 -1000 „

j 1

100—1J0 об/мин.

| Колич. барабанов; 2 I велнч.

! з и

j 4 III

!

! 3.7-6 6—8

j 6,5—11

Отпыл о вечные барабаны

Деревянные

j 1

300 — 400 лгг/час j ! 1

12 об/мин.

Диаметр Длина; 8,5—4 м 1,8 м

Тр япкорубка

Барабанные

Гильотинные

j

1 450—750 лгг/чае | i 250—600, |

i i

60—SO разрез.

в МОН.

Длина ножч: 270—370 миллиметров 3—5 ножей, длиной 200—ЗОо миллиметров

2,2-4,4 2,0-6,6

От ПЫЛ ИТ»‘ЛК

Железнодо рол:

1 7oo—1300 ьт/час!

200-215 об/м.

4—S валов

; шириной 600—ЮОО.илс

1.5-3,7

ТрлпЕовароч-; вые котлы ;

Шаровые

!

: Загрузка ]

; 800—2500 килограмм ! 1,0-0,5 об/мин. | тряаья j

! j

Диаметр: Емкость: 2200—3000 5400—13700л.

i

! 1,1— 2,2

Полу массные ! роллы !

I

Нормальныеоткрытые

1

j Загрузка грн j 5°;0 зарядке |

1 15j м j

ш 1 I

! 400 „

; _ !

14S об/мин.

т

108

08

i

Диаметр Ширина-барабана: Емкость:

1100 миллиметров Ю00 миллиметров. ЗЮОл. 1350 „ 1250 4500 „ 1500 „ 1400, 6000 „ li»50 „ 1500, 8000 „

11—18,5

18,5—26

26—37

29-44

f

Отбельные | ролле: i

Пн оно и легшие ординарные

| Загрузка при ‘ 1 8% зарядке j 16( 0 килограмм 2SOO »

160 об,мин. 160 „

Диаметр j Емкость: пропел.: j 20,;г 000—7(0 лш! 35 „ ООО—7w0 „ ;

10,3

Переработка бумажного брава.

Бе: уны | ) 1

Базальт-гранит

Цилипдрич.

бегунки

2500 килограмм;21 чеса j

5Г.00 „ I

юооо. !

j 57—75 об/мин.|

Загруз, возд. сух.массы: 150—200 килограмм 450—500 „

1000 „

11—15 26—20 37—52

i

Бракомолка i (измельчитель)| i

Непрерывного :

Д».‘НСТЬНЯ

! 2“о av/24 часа 1 1 600 „ ]

|

L70—250 обмпн.! 120—160 „ j

Диаметр бил: 330 миллиметров 380 „

9-18,5 IS,5—44

Размол и подготовка бумажной массы.

Масонкероллы ;

Обычная со временна я

j

Загрузка при i 7°/0 зарядке ! 210 ке 315 „ 1 4 20 „ ! ТОО „ j

142 об/мин. 127 „

116 „

106 „

Вместимость: Велич. В 3000 л. „ С 4500 „ „ D 60U0 „ „ Е 10000

11—20»

18.5—37

26-60

29—75

i

Мельница для; За 24 часа рернппропапи я; Коническая ! 3— 8 т.

300 об/мин.

Размеры конуса:

В ел. Д .и а м. Длина: 0 350/ 600 миллиметров 900 миллиметров

7,4—18.5

10- 30 „

300 Д

I 350/ 690 „ 1243

22—94

20— 70 „

2оО

II 550/ 970 „ 1600 „

60—125

80-365 „ 1

! 250 „

Ш 600/1300 „ 2050 „

110-220

мощности моторов машин для производства тряпичной полумассы.
Следующим основным этапом является производство самой бумаги. Электрический привод бумагоделательных машин делается полностью функциональным, что вызывает необходимость в сложных схемах при очень большом разнообразии их.
Привод бумагоделательных машин (ср> XXXII.; 231/ ел.). Малейшеее изменение в скорости влечет изменение в толщине бумаги, обстоятельство, вызывающее ряд электрических схем для достижения постоянства скорости.Тонкая регулировка скоростей —основное требование бумагоделательных машин, в зависимости от сорта бумаги и неравномерности вытягивания ее в секциях. Обыкновенно на машине изготовляются два-три сорта бумаги; тогда регулировка остается в пределах 1:3; но как только машине ставится задача выделки бумаги от тонких сортов до картона, пределы регулировки расширяются до 1: 25 с предельным колебанием числа оборотов ± 1%. Если принять во внимание требование тихого хода при чистке сит, то получаем три основные требования, предъявляемые бумагоделательными машинами к электрическому приводу: }) широкая регулировка (до 1:25), 2) постоянство числа оборотов (не свыше ±: 1°/о, а для высших сортов даже;0,5%), 3)возможность медленного хода для осмотра и чистки сит.
Наиболее употребительными являются двигатели постоянного тока с включением по системе Леонарда и вольто-добавочным схемам.
Приблизительная величина моторов для переменной части при наибольшей скорости получается из следующейформулы: Р=k b + 0,55 ) v f 1 + gfg)
квт, где Р —мощность мотора в киловаттах; k — фактор, зависящий от рода выполнения машины, особенно от числа прессов, сушильных цилиндров, вальцов для придания глянцевитости и так далее
Для выбора системы привода и определения мощности мотора необходима знать: 1) систему бумагоделательной машины с плоскими или цилиндрическими ситами (сетками); 2) сорта и вес бумаги q в зр/.«3 и соответствующие им скорости бумаги; 3) максимальные и минимальные скорости бумаги; 4) рабочую ширину бумаги; Ь) минимальную скорость для осмотра и чистки сеток; 6) данные о размерах рабочих шкивов и оборотах их в минуту; 7) заводские данные о машине; 8) должно ли быть предусмотрено кнопочное выключение мотора.
Схемы электрических приводов бумагоделательных машин, как было указано, очень разнообразны. Остановимся на более типовых.
Регулирование числа оборотов мотора в широких пределах, включая реверсирование, осуществляется в принципе просто при включении по схеме Вард-Леонард а (рисунок 6). Мотор постоянного тока М, приводящий в движение
Рисунок fi. Привод бумагоделательной машинысхема Леонарда.
машину,питается от динамо-машины L, находящейся на одном валу с асинхронным мотором JK Питание обмоток возбуждения и мотора и динамо происходит от постороннего источника, если таковой существует на заводе, или от возбудителя: Е, находящегося на оси того же асинхронного мотора. Напряжение, передаваемое от главной динамо-машины мотору, заставляет последний вращаться с числом оборотов, если пренебречь падением напряжения и реакцией якоря:
(£=0,18—0,26 для легких сортов бумаги | _, Оу __
до 40 ер1м~ при скоростях до 120лцмин.,j и — ф ~ 0 >
£=0,26-0,33 для бумаги свыше 40гр/л£ j т. к. для шунтового мотора магнитный, при скоростях до 250 .«/минут); г — поток Ф является величиной достоян“ скорость бумаги в лс/минуту,5—рабочая j ной для дайной нагрузки. Следова-ширина бумаги в м, д—вес бумаги гр/.ад“-‘.; тельно, и е“ f (F), и с изменением напряжения мотор будет соответственно менять число оборотов.
Изменяя направление тока в обмотках возбуждения главной динамо, можно заставить мотор вращаться в обратную сторону, т/е. реверсировать его, без применения тяжелой аппаратуры.
Вольтодобавочный аггрегат для прямого или встречного включения (рисунок 7) состоит из трех машин на одном валу: двух шуитовых динамо-машин постоянного тока и асинхронного мотора, приводящего в движение обе динамо. Динамо включены последовательно с тем, чтобы на клеммах шунтового мотора постоянного тока, работающего на бумагоделательную машину, можно было установить любое напряжение, а, след., и любое число оборотов, путем вычитания и добавления эдс одной динамо к эдс другой динамо. Возбуждение динамо и мотора поддерживается одной из динамо (К). Для поддержания постоянного напряжения у питающей динамо
Рио. 7. Схема привода бумагоделательной машины—прямое и встречное включение.
в ее цепь возбуждения включены железные сопротивления, находящиеся в стеклянных колбах в атмосфере водорода. Такие сопротивления обладают свойством поддерживать постоянный ток в своей цепи при широких изменениях вольтажа, т. к. при возрастании вольтажа возрастает нагрев нити и, след., сопротивление самой железной нити (рисунок 8), Если напряжения V обеих динамо равны между собой, то область регулирования лежит в пределах от 0 до 2F. При малых напряжениях вольтодобавочная машина становится чувствительной (при слабых насыщениях магнитов) к реакции якоря и омическим потерям в якоре, т. к. процентуально они быстро растут по мере приближения напряжения к нулю; для компенсации этих влияний динамо {К) снабжается ком-даундной обмоткой. Обе динамо имеют
».оР
адаз
0,7
0.6
0.5
0.4
0.3
ад
ОТ
ао J О £Э SO 40 60 СО 70 SO 90 100 U0 120 130 140 Ш lols
Рисунок 8. Характеристика зкетезо-водородного сопротивления.
обыкновенно одинаковую мощность. При наличии сети постоянного тока аггрегат состоит из мотора и вольто-добавочной машины.
Показанная на схеме компаундирующая обмогка (S) вольтодобавочной динамомашины необходима при напряжениях на клеммах мотора, близких к Y} т. к. это время по якорю слабо возбужденной вольтодобавочной машины проходит большой ток и реакция якоря может привести к резкам колебаниям напряжения и, след., числа оборотов.
Многомоторный привод бумагоделательных машин. Регулирование числа оборотов при помощи конических передач с большим количеством шкивов и ремней не только требовало большого времени, не менее двух трех часов при переходе от одной скорости к другой, но и было связано с излишним расходом энергии. Прогресс конструкций бумагоделательных машин, допускающий скорости до 450ж/мин.и выше, выявил несостоятельность системы ременных передач поддерживать одинаковое натяжение в листе бумаги по мере прохождения ее через многочисленные части машины. Упругая игра ремней, хотя бы из самого лучшего материала, приводит к разнице в скоростях бумажной ленты, а, след., и к ее разрыву, при огромной скорости самой бумаги. Разница в скоростях между ведущим и ведомым ремнями из-за эластичности ремня не может быть

X

7

<

к

Ж

/

$

£

/

j

1

J_L_

доведена менее чем до 1—1,5°/о. К это ‘торами и сохранении таким образом му необходимо прибавить сколь же-1 постоянства числа оборотов, нне ремня на шкивах, суммирующееся | Более точным приспособлением -для при последовательно соединенных ре-1 сохранения синхронности в работеменных передачах — величина неопре-! отдельных моторов является еинхрониделенная в зависимости от расположе-1 зирующин вал системы Варбуртоиа, кие ремня, влажности воздуха, катя- [ соединенный с одним из зубчатых женил и так далее, однако, не меньшая чем | колес дифференциальной передачи 1,5—2°/о. | Харлянда; вторая зубчатка еседп-
Отсюда возникла необходимость по j пена,с мотором постоянного тоса. возможности освободиться от последа-1 При равном числе оборотов рукоятка вательно включенных ременных пере“ I шунтового регулятора, соединенного дач, и от идеи одного электраческо-1 с дифференциальной передачей,остает-го мотора пришли к многомоторной j ся в покое; при наличии разницы системе, при которой отдельные части j тело дифференциала начинает врадолжно быть точно синхронно
J
J /
е ‘ ж о 1 и о
! г“ j j
Т1
машины приводятся от собственного s щ&тьея вместе с ручкой реостата в ту мотора. Число оборотов таких моторов или другую сторону. Преимущество’
между! такой системы перед системой синхронных моторов заключается в том, что якорь вспомогательного синхронного мотора имеет игру в пределах =£ 90 электрических градусов, не .выходя из синхро-
___________ низма, тогда как механическая
==р=:с дифференциальная передача имеет h более узкие пределы угловых колебаний.
В последних схемах роль механического дифференциала выполняет т. иаз. реактивный синхронный двигатель, который отличается от асинхронного короткозамкнутого мотора наличием выраженных полюсов, что достигается путем выемок на окружности ротора:
<е!
1Г
!3j
1=Ь
!Й
ЬЙ:
ды:

i j

i

f

!

чГ

Jij;
i
Рисунок 9. Схема многомоторного прим» такой двигатель легко впадает впои машины— синхронизация добавочными сиихронаыыа
моторами. синхронизм. Статор этого моторасделан подвижным, на специадь-собой. Это достигается целым рядом ных подшипниках, и соединен с руч-схем, среди которых одной из основ-! Коп регулировочного реостата мотора, ных является схема Леонарда, где j Проводя сравнение между преимуще-регулирующая динамо (2) питает ряд j ствами и недостатками одномоторного отдельных моторов. Однако, колебания I д многомоторного приводов, надо от-в нагрузке отдельных моторов могут | метить: 1) большую точность в под-вызвать расхождение скоростей в от- j держании правильного натяжения будельвых частях машины. Это компенсируется различными путями: введо-нием трехфазной (4) синхронизирующей линии (рисунок 9), которая питает синхронные вспомогательные моторы, связанные ременной передачей с основными моторами (5). Задача этих вспомогательных моторов, работающих то как генераторы, то как моторы, заключается в выравнивании изменений нагрузок между отдельными момаги и в силу этого возможность больших рабочих скоростей, а, след., и повышение продукции; 2) экономию в потреблении энергии; опыт показывает, что при трансмиссионной пере-, даче в лучшем случае потери неизбежны в размере 20°/о, при неблагоприятном устройстве в старых приводах потери доходят до 50°/« и выше. Разбивка одного большого мотора на 8—12 моторов при многомоторном при“
воде понижает общий кпд на 3%; сюда нужно добавить потери на зубчатые передачи отдельных моторов— еще около 3“.о; однако, в результате применения многомоторного приводаимеем около 14 —19°/о экономии в расходе энергии (американцы дают значительно большие цифры экономии); 3) экономию в месте, занимаемом всей установкой, большую доступность к отдельным частям машины, возможность включений и регулирования отдельных частей бумагоделательной машины. Применение означенных систем позволило осуществить производство самых тонких сортов бумаги при больших скоростях.
Система быстродействующей регулировки скорости. Для достижения постоянства скорости употребляются различные схемы, большинство которых основано на принципе Тирилль или регулятора напряжения Вроун-Бовери. В этих схемах в цепь возбуждения регулирующей динамо схемы Леонарда включено сопротивление, включаемое или выключаемое путем замыкания реле в зависимости от напряжения на клеммах мотора. Действие реле усиливается маленькой динамо, посаженной ка один вал с мотором и питающей реле. Задачи этого реле—приближать или удалять пластинку от замыкающих контактов и тем самым увеличивать или сокращать время включения сопротивления в цепи регулирующей динамо. Эта система допускает регулировку, скорости в пределах ± 0,5%, хотя для равномерности движения большинства сортов бумаги было бы достаточно =Ь 1 %.
Каландры. Электрический привод каландра должен давать возможность регулировки скорости для различных сортов бумаги в пределах 1:3 (в большинстве случаев). При остановке каландра стальной валик вдавливается в бумажный, и при пуске в ход это требует большого начального момента (до тройного нормального). Но повышение начального усилия влечет также выдавливание масла во время останова между валом мотора и подшипником, что влечет увеличение коэффициента трения. Для заправки бумагив каландр требуется скорость не свыше ( 1
U5 ’ 5) н°Рмальн°й скорости, то есть 8—
12лг/мин. Из других особенностей нужно отметить необходимость быстрой остановки каландра, т. к. в случае обрыва бумаги лист может накрутиться на валик и вызвать поломку машины. Этим определяется характер электрического привода. Шунтовой двигатель постоянного тока с питанием от трехпроводной сети с двумя напряжениями обычно удовлетворяет указанным требованиям, равно как и трехфазный коллекторный двигатель типа Шраге, позволяющий регулировку в пределах 1:3. В производстве находят применение схемы Леонарда и вольтодоба-вочиые машины. Применяется также система двух асинхронных двигателей, включенных в каскад, причем малый вспомогательный мотор приключается к ротору главного мотора. Этим небольшим вспомогательным мотором (мощность около 10—12%) от основного мотора пользуются для заправки бумаги. Для быстрой установки употребляются специальные приспособления: например,
| одновременно с выключением якорь мотора постоянного тока замыкается накоротко с введением некоторого сопротивления.»При трехфазном токе для торможения применяется тормозной магнит. Мощность мотора каландра ориентировочно определяется по формуле: Р — k-w-v-b квт, где k — 0,015 —0.026, w — число валов каландра, v — максим, скорость в л%шн., b— рабочая ширина валов в метров.
Для накатки бумаги на валик необходимо непрерывное автоматическое возрастание числа оборотов пропорционально увеличивающемуся диаметру рулона бумаги по мере процесса накатки. Обыкновенно это достигается
механическим путем с помощью фрикционной скользящей муфты. Hartweger
| применил электрический способ асин-, хронной машины, имеющей подвижной статор и ротор. Коротко замкнутый 1 ротор непосредственно соединен с кол-i лекторным сериясньш мотором с пре-
делом регулировки 1:2, характеристика
которого подобрана так, чтобы сиответ-[ ствовала заданному изменению числаоборотов по мере намотки бумаги в рулон, а сдвиг щеток от руки только подрегулировал бы скорость. Когда ротор изменяет свою скорость в пределах от скорости синхронного поля до двойной синхронной скорости, статор меняет число оборотов в пределах от нуля до синхронного (рисунок 10).
Рве. 10. Схема Hartweger’a для регулировки скорости каландра.
Бумагорезательные машины также требуют регулировки скорости в пределах, которым вполне удовлетворяет шунтовой мотор постоянного тока или мот- р типа Шраге. Мощность мотора лежит в пределах 1,5-7 квт.
Для мощных бумагоделательных фабрик вопрос подачи сырья (бревен) из реки на производство может быть решен только механическим способом. Рисунок 11 дает представление о самотаске
sonderheft (№ 5, 1927); В. В. Ilonas, „Электрик
СКЫ& Привод на бумажных фабриках“ (12Щ.
М. Евреитв,
XIX. Электропривод в металлургической промышленности. Электрическое оборудование металлургической промышленности обладает наиболее крупными единицами и наиболее сложными схемами. Распределение энергии производится обычно трех фазным током 3.300 или 6.600 вольт в зависимости от размеров территории завода. Крупные моторы (свыше 250 квт) питаются непосредственно от шин станции. Широкое регулирование числа оборотов, реверсирование хода валков, ряд сложных автоматических приспособлений требуют использования постоянного тока, который получается от синхронных двигатель-генераторов, или ртутных выпрямителей, или от аггрегатов Леонарда-Ильгнера с асинхронными двигателями. Технологический процесс исключает возможность останова без значительных убытков, потому к электрическому приводу предъявляются требования особой надежности, наир, моторы для подъемников дом к устанавливаются в двойном количестве (I запасный), на складах завода хранятся запасные якоря, части машин ш аппаратура.
Характер нагрузки наиболее ответственных моторов — повторно - кратковременный, с большим числом включений в час. Повторяемость, процесса на данном стане, машине или подъемниках позволяет построить диаграмму на основе технологических данных и определить указан-части главы о (смотрите выше, стб“ 58 сл).
Блейхерта, применяемой Сяеъсгшм[мощность могора по методам, комбинатом. Мощность мотора для такой ным в теоретической самотаски определится из формулы: электроприводер_ g V k (у. cos g + sin q) r
60-102 11 ’
где а—угол наклона лесотаски, <2—суммарный вес движущихся частей само таски и бревен, г- — коэффиц. трения 0,3. -ге - скорость цепей в ~ ко-фф.
запаса, обычно принимаемый равным 2.
Литература; Siiel, „Eieetrische Р. pier mas< liicuen. ntrk-b“; A. E. Q. „Eleetrizitat in der Papier-Industrie“ (1933); Siemens Zeitsohnft, „Papier-
При оборудовании доменных печей непрерывность процесса и связанность во времени и в последовательности операций выплавки чугуна остро вы-! двигает потребность в автоматизации.. При загрузках домны бадьей, необходимо избегать качания бадьи, перехода, ее через определенные скорости, переходабадьи через установленное поло- женив и так далее — отсюда вытекает необходимость точной регулировки, что достигается применением модифицированных схем Леонарда и рядом блокирующих приспособлений, освобождающих электрический тормоз или ограничитель скорости. Важно, чтобы при подъеме бад$ и коло сниковый затвор был плотно закрыт Для этого в каждой стороне .колошникового затвора имеются электрические контакты, не позволяющие сразу спустить бадыо обратно. Специальный замыкатель на ограничителе хода позволяет сработать мотору на очень коротком отрезке пути— бадья немного поднимается, останавливается, мотор переключается на обратный ход, и бадья вновь опускается на колошник. Таким образом происходит как бы встряска, застрявшие куски угля или флюса проскальзывают вниз, колошниковый затвор плотно закрывается, возобновленные контакты восстанавливают питание мотора. Преду преждеяпе столкновения бадьи с подвозящей руду, уголь и флюс вагонеткой и неправильной посадки бадьи на вагонетку осуществляется также с помощью блокировки и реле, регулирующих движение бадьи, включение которых происходит по мере движения вагонетки, так как контакты для включения реле помещаются на рельсах. Переградуированный на, метры вольтметр (обычно два—регулирующий и простой) показывает высоту шихты в зависимости от величины сопротивления, включаемого в цепь с помощью штанг, опускающих в домну до поверхности шихты.
Для осуществления перечисленных операций и автоматизации всего процесса существует много схем. Советская практика показала, что большинство заграничных схем, особенно германских, обладают излишней сложностью и могут быть упрощены. В ближайшие годы практика наших новых заводов дол лена под i вердить правильность прорабатываемых в настоящее время советских вариантов. Электрическое оборудование рудного .двора очень различно в зависимости от производительности домн и системы их загрузки. Мощноеib двигателей специальных опрокидывателей для разгрузки вагонов — около 20 квт, желательны двигатели с сериэсной характеристикой, хотя применяются и асинхронные. Если домны обслуживаются катучям краном, томощность двигателя зависит от производительности крана; например, кран 600 т час, способный обслуживать две домны, имеет пять моторов: 150 квт.—для подъема. 70квт.=— для тележки, дга по 25 квт.—для моста, 4.5 квт.—для торможения. При скиповом подъемнике подача руды от амбаров к подъемнику производится электрическими вагон-весами. Вагон-весы на 26 т снабжены двумя двигателями по 30 квт. при скорости движения 200 .«/мин. Один из важнейших металлургических процессов, мартеновский, автоматизируется в значительной степени. Типовая для СССР мартеновская печь на 150 т чугуна имеет единый пост управления 13 ю моторами.

х

Л101ЦН.

Название механизма

о н

ED

ПО<‘Т. 1

то. а I

дерем, t тока

3

квт.

1 0 ВТ.

Подъем заслонок. -

5

25

4

0,5 (к. з.)

Шибера для газа. .

2

15

6

9 п

„ ч воздуха. в котельн. бо

2

15

0

9

рове

1

3 5

6

9

И В Д1.ШО .

1

15

(3

9

Вептилятор дутья

в печь

1

100

13,3)

14,7 „

Эксгаустер в котель

ной ..

1

100

105)

Моторы для шиберов имеют повторно - кратковременный режим работы 8—10 сек. через 20—30 мин.; вентилятор для дутья в печь имеет жесткое соединение с мотором. Все моторы, кроме вентиляторов, реверсивные.
В современном т->масовском цехе с миксером имеется большое электрическое оборудование с 40 — 50 мо горами с общей мощностью до 900 квт. без воздуходувок. Однако, оборудование крайне разнообразно, равно как и электрические схемы, и должно служить объектам специального проектирования.
В доменном цехе вопрос измерений и контроля играет очень важнмо роль. Задачей контрольных измерении служит взвешивание количеств, измерение количеств газовых и жидких
) Шун!Ов«й с регулировкой.
) С к. хольц. регулируемый.
средств, измерение давления, температуры, влажности, состава газа всякого рода, измерение времени (длительность процесса, простои pi так далее). Большая часть приборов устанавливается непосредственно у обслуживаемого аггрегата. В этом случае ко-жуха приборов должны быть непроницаемы для пыли, грязи и влаги, а шкала хорошо освещена. Особо следует отметить электрические регистраторы 00, СО + Н и N.
Электропривод в прокатном деле позволил совершенно перестроить это производство
Электропривод в прокатном деле позволил совершенно перестроить это производство. Впервые электродвигатель для прокатных станов был использован в Швеции в 1894 г. и в НЮ5 г. в Америке. В Европе в 1906 г. был пущен в ход первый реверсивный стан с двигателем мощностью в 750 квт. с тройным якорем. Современное прокатное производство требует более мощных моторов и более сложных схем электропривода, чем другие отрасли индустрии, - реверсивные моторы в настоящее время доходят до 35.000 квт. в одном аггрегате.
После выхода железа и стали из литейной они подвергаются обработке молотом, прессом или валками, выпуская частью конечный продукт (рельсы, кровельное железо, броневые плиты) или промежуточный фабрикат, который может быть использован непосредственно (сортовое и фасонное железо в постройках) или подвергнуться дальнейшей обработке на токарных, фрезерных, строгальных и др. станках (ср. XX, прил. к сто. 151,52, 46ел.).
За 200 лет существования обработки металла методом прокатки не разрешен достаточно точно вопрос определения мощности мотора теоретическим путем в силу сложности процесса, сущность которого состоит в том. что металл, силой трения увлекаемый валками, под их давлением на поперечное сечение, вытягивается и при повторной прокатке принимает ну ясное сече вне но размерам и форме, в зависимости от поетеп иного уменьшения расстояния между Башами или умень шения калибров или размер..» румы н. Процесс деформации сонрово-ждается процессом трения металла в калибре-таким образом потребная мощностьмотора должна покрыть деформацию металла и трение, связанное с деформацией, а также все потери в прокатном стане, моторе и приводе.
Такие виды проката, как, наир., проволока. требуют непрерывности производства на так называемых непрерывных станах. В зависимости от стана нереверсивного, реверсивного или непрерывного модифицируется метод расчета мощности мотора, пусковых и регулирующих приспособлений и способы коммутации.
Во всех трех случаях необходимо определить мощность для покрытия статических сопротивлений (деформация, трение). Формула Прейслера позволяет вычислить работу, связанную с деформацией металла:
А=pv In JEi- ) кг-м,
H-l V лп /
где V—объёмдеформируемоготелавсл» Ями!е! - максимальные высоты сечения до и после пропуска через валки в см, 1г1т и hom — средние высоты сечения до и после пропуска в см, давление истечения для данного сорта и температуры в килограммах 1мм2.
Для определения работы трения в калибре пользуются формулой Н. С. Верещагина:
Атр.=F (Z2— Zj) =
= (20 -т- 30) (1 + е!) (Ь-адтуТ;
где Т—величина поверхности соприкос-
„ U—2 b
новения металла с валком, С=—2~Ь~9
где Я—длина полного периметра калибра, Ь—ширина цилиндрической поверхности соприкосновения с металлом, Я
l=коэф. р для железа <2; когдабоковое давление отсутствует, (3=0. Добавочные потери на трение падают главным образом на шейки валков и в шестеренной клети:
Лал=2 pTfl-p,
где Z—длина полосы после пропуска, d и Я—соответственно диаметры шейки и валка, коэф. 0,075 при хорони и смазке. Потери в шестеренной клети принимаются за 5°/о от полной чистой работы прокатки.
Приведенные формулы дают ориентировочное знание, которое должно проверяться на основе опытных данных удельных расходов энергии при прокатке различных сортов и данных потерь холостого хода. Задаваясь временем одного пропуска, получаем необходимую Мощность.
Суммируя опыт прокатки, Тиме дает формулу для определения энергии на валу главной соединительной муфты: А=G (л — 1) Д квч,
где G — вес прокатки в га,×— полная вытяжка металла, Д —коэф. прокатки,
Род готового материала ! а
Примечание
Заготовка пз крупных елит-ков(больше.:ОоХ200лм<). Загот <вка из мелких слитков (200Х-00 миллиметров) Квадратное средне- и крупно-еорт ое.
Круглое и полосовое крупно- и средне-сортное.. Рельсы,тавровое, угловое,
шпалы
Двутасроьое и швеллерноежелезо
Мелкосортное круглое и квадратное
Мелкосортное тавровое иуглов; е
Мелкосортное двутавровоеи швеллерное
Проволока и к.углов железо

0,6—1,01

0 со

_ °

ближе к 1,0

0,7—1,0|

0,7—1,4

1,4-1,6

1,6-1,9;

1,6-2,4|

ми я им. рес 0,7b кг м

1,8-4

2.2- 4 ;

1.2- 2, б!

1 мннвм. вес j 4 килограмма м

Д=зД0, значение а приведено в таблице, Д0=0,4 — 0,00044 (X—80) при Х>80, при α= 60 Д0 =0,5, при Х=40 Д0=0,7, при Х=20 Д0=1,1, при 1 — 10 Д0 =1,7. Зная время каждого пропуска и промежутки между пропусками, строим диаграмму мощности, откуда и определим средне - квадратичную мощность для нереверсивных станов. Если стаи имеет ряд клетей, нужно знать их число,! диаметры валков и их шеек, произво- j дительность стана за смену и число | смен в сутки, материал—вес и размеры болванок, сортамент прокатки и расположение стана. Для смягчения толчков, получаемых двигателем вначале пропуска, особенно болванок, а также для уменьшения толчков в электрической сети, применяют маховик, работающий параллельно с двигателем при понижении числа оборотов двигателя в моменты наибольшей нагрузки.
Запас кинетической энергии в массах, вращающихся с угловой скоростью <о, равен:
(О
А=I - кг-м,
где / — приведенный момент инерции. Заменяя момент инерции через махо-# вой момент GD- (приведенный к числу
„ 2-щоооротов мотора) и «> через где щ—
число оборотов мотора, получаем выражение А=0,137. GD-щ2 10~5 квт. сек., где G вес вращающихся масс или, при ориентировочных подсчетах, вес маховика. D — приведенный диаметр инерции. Понижение оборотов мотора с щ на щ заставляет маховик отдать энергию, равную:
ДА=0,137 GDnе — п“ 10~° квт. сек.
2 2
Д А и п2 Пг—По
__=—5— =2s s2, где
П1
На основании этой зависимости | можно построить кривую отдачи j энергии маховиком в процентах от максимальной энергии. При относительном падении скорости (скольжение) $=10°/о, маховик отдает 19,/о запасенной энергии.
Динамическое равновесие системы мотор-стан выразится уравнением:
стат. == мах. “t“ -мот.
стат. -прок.
где -3/прок. момент, равный моменту сопротивления прокатке, If о—момент холостого хода стана. 3fMax. определится после дифференцирования с1А по dt
GD2 dn GDз ds
Muax. — 375 at “ 375 Ul dt ’
где %-синхронное число оборотов асинхронного двигателя или число оборотов холостого хода шунтового мотора, если бы не было потерь..
Так как для моментов мотора имеем соотношение:
И Ж Ж
“пом. мот. -ш-мот. их<.тат.
яом. отат.
где $стат> соответствует скольжению, которое имел бы мотор, преодолевая моментЖстат. без помощи маховика, то, подставляя найденные выражения вуравнение динамического равновесия, | наличии индукционных двигателей получаем: | контакторными или жидкостными, ем.
иом. мот. s ~ r. ®s 4_яомлт-х. 0 ! рисунок ij. Время действия регулятора
~sE0M> стат 375 Hf 1 ’ 1 0,5—1 сек. Центральным звеном являет-
__Жном. мот. О О
стат. &£)· Щ
или после интегрирования:
стат. — S — Жв,
постоянная интегрирования
ii «5СТат. ’0,
где so — скольжение при холостом ходе; тогда
откуда получаем выражение для вру-! тлщего момента двигателя за время пропуска (прокатки):
Хмот. стат. С-- ‘ / “Ь
Изменение крутящего момента после пропуска во время паузы происходит по формуле
_ х
Жмот.=(Жа-Ж0)е f + Jf0,
где 3£а — динамический момент, иду-
ГЛ П2
ищи на ускорение системы Мα= а,
ь 5
при замедлении 1£а переходит в J£b и ускорение а замедляется замедлением 5. Т имеет измерение в секундах аналогично постоянной времени нагрева мотора и носит название постоянной, инерции двигатель-маховика, хотя правильнее ее назвать постоянной времени разряда энергии маховика: т== &D“n
375 М вок.
ЛХЙОМ. мот.
При построении нагрузочной диа-(< граммы моментов молено пользоваться шаблоном для шунтовых и асинхронных моторов, как то имело место при проверке мотора на нагрев. При работе мотора с маховиком выбирают 10—15°/о скольжения при 100% перегрузке двигателя. Для уменьшения веса маховика необходимо, чтобы мотор проявлял известную чувствительность к нагрузке. Однако, естественного скольжения бывает недостаточно. Приходится прибегать к компаундированию регуляторами скольжения (прися мотор В включенный в цепь главного мотора через трансформатор. Крутящий момент дшгателя Dt и момент, создаваемый противовесом С при малых, нагрузках, не в состоянии поднять электроды реостата, однако при перегрузках главного мотора напряжение на клеммах мотора i>, растет, момент возрастает в квадрате напряжения и становится достаточным для подъема электродов и увеличения сопротивления слоя жидкости. Схемы компаундирования шунтовых двигателей очень разнообразны, одна из них, наиболее простая—снабжение возбуждения компауядсой обмоткой. По мере увеличения нагрузки сила тока в якоре и, следовательно, в компаунд» ной обмотке, растет, обороты мотора; падают, и маховик принимает на себя ! инк нагрузки, так как
V—ЫЕ и — ° ф
Если на одном стане приходится прокатывать различные профили, необходима регулировка числа оборотов, причем в зависимости от сортамента регулировку приходится доводить до 45% изменения скорости. При выборе системы регулироват-шя должно учитывать, с каким моментом и каком мощностью должен работать стан. Если требуется постоянная мощность, т“ крутящий момент, очевидно, будет падающим с увеличением скорости.
G
Для регулирования нереверсивных станов практическое значение имеют главным образом компаундные двигатели постоянного тока и асинхронные трехфазные двигатели.
Двигатели постоянного тока шунто-вые с компаундной обмоткой с добавочными полюсами и компенсационной обмоткой позволяют осуществить регулировку в пределах 1:2,5. Для регулировки скорости в более широких пределах употребляется вольтодобавочный аггрегат. Схема Леонарда применяется только в случаях широкой регулировки. Выбор рода тока производится обычным способом путем сравнения капитальных затрат и эксплуат.х расходов при различных вариантах. Однако, при одинаковых расходах постоянный ток имеет технические преиму щ е-ства, равно как при переходе области регулирован и я свыше предела 1:2 или при наличии нескольких регулируемых систем. При трехфазном токе наиболее простая регулировка достигается введением сопротивления в це пь ротора асинхронного мотора с контактными кольцами. Из экономических соображений, так как часть энергии теряется в регулировочном “реостате, этот способ применяют для изменения скорости в пределах 12—15% от максимальной.
Регулировка достигается также переключением числа полюсов. Экономически она выгодна, так как не сопровождается потерями в роторе. Тех же результатов можно достигнуть каскадным включением. Однако, число ступеней скоростей очень невелико, a cos <р низок (ок. 0,5). Большое количество комбинаций достигается переключением полюсов и каскадным включением. Здесь имеется очень много схем: Orlikon Wust, и др.
Возможно применение трехфазных коллекторных моторов, но только для легкой прокатки, так как мощность этого типа моторов ограничена (ок. 600 квт.), и только с шунтовой характеристикой типа Шраге. При сериесной характеристике в конце каждого проката мы имели бы резкое повышение числа оборотов, что противоречит в основе диаграмме скорости проката.
Стремление уменьшить потери на тепло при регулировке скорости, добиться более точной регулировки и постоянства скорости на данной ступени привело к широкому распространению на практике схем с дополнительными машинами к главному прокатному мотору, в частности получили распространение схема Кремера с одноякорным преобразователем, с пределом регулировки до 35°/о ниже синхронной скорости, и схема Шербиуса с коллекторной машиной Шербиуса, с пределами регулирования Д= 25% выше и ниже синхронной скорости, или около 45% от максимальной. Схема Кремера дает нам систему с постоянной мощностью, система Шербиуса обладает постоянным моментом. Каскадное включение по схеме Кремера превращает электрическую энергию скольжения в механическую энергию второго мотора, соединенного с валом основного мотора через одноякорный преобразователь, к кольцам которого подается энергия скольжения. На схеме рисунок 2 одноякорные преобразователи питают моторы постоянного тока для вспомогательных целей. Преобразователь и
ТрехфазнЬш moV 2200v 60 Mpjceit
моторы имеют возбуждение, питаемое от постороннего источника, обычно добавочного аггрегата. Запуск производится следующим образом: после того как асинхронный мотор достиг нормального числа оборотов при холостом ходе, дается возбуждение преобразователю и включается рубильник, соединяющий ротор главного мотора с к. кольцами преобразователя. Последний начинает медленно вращаться пропорционально числу периодов тока ротора, которое очень мало при холостом ходе главного (прокатного) мотора. Устройство демпферных обмоток в башмаках магнитов преобразователя облегчает вхождение в синхронизм якоря преобразователя уже при 1 °/о скольжения ротора прокатного мотора, что при 50 пер./сек. в сети будет соответствовать скорости вращения преобразователя при Vs пер./сек. Давая мотору пост, тока заранее определенную величину возбуждения, начинают питать последний от преобразователя. Если главный мотор асинхронный и мотор постоянного тока на одном валу, то при определенном возбуждении устанавливается определенное число оборотов аггрегата, причем индуктированное напряжение в моторе постоянного тока находится в равновесии с эдс преобразователя с поправкой на падение напряжения в цепи мотор-преобразователь.
Регулировка числа оборотов главного мотора производится изменением возбуждения мотора постоянного тока. Увеличивая возбуждение, увеличиваем индуктированное напряжение в моторе пост, тока, которое перевешивает эдс преобразователя и вызывает в нем ток, обратный генерируемому. Следовательно, крутящий момент, создаваемый током ротора асинхронного мотора, увеличится. Якорь преобразователя получает ускорение, напряжение растет в цепи ротора, в силу чего начинает увеличиваться скольжение главного мотора, то есть уменьшается число оборотов. Со своей стороны, мотор постоянного тока с увеличением ззозб у леденил снижает число оборотов. Равновесие возобновляется, когда эдс преобразователя достигает величины индуктированного напряжения моторапост, тока прн новом числе оборотов всего аггрегата. Для увеличения числа оборотов аггрегата уменьшают возбуждение мотора пост, тока; эдс преобразователя получает перевес над индуктированным напряжением в моторе, в результате в мотор посылается добавочный ток. Это увеличение отдаваемой преобразователем энергии может быть покрыто только за счет махового момента преобразователя, вследствие чего число оборотов, число периодов и напряжение преобразователя начинают убывать—главный мотор устанавливает свое число оборотов соответственно меньшему скольжению. Одновременно мотор постоянного тока увеличивает с уменьшением возбуждения число оборотов, и весь аггрегат увеличивает число оборотов. Чем больше скольжение главного мотора, тем больше энергия скольжения. Обозначая мощность, заключенную в воздушном зазоре асинхронного мотора, через Р0» через s — скольжение в °/0. определяем для механической мощности на валу асинхронного мотора 100-5
iex. “ 100
Получаемая через преобразователь мотором пост, тока электрическая мощностьр _р Jе—
ЭЛ. 100
Вся мощность, отдаваемая аггрегатом прокатному стану:
&мех. +
откуда следует, что кремеровский аггрегат работает с постоянной мощностью независимо от числа оборотов и что число оборотов убывает обратно пропорционально возрастанию крутящего момента, если мотор пост, тока непосредственно соединен с валом асинхронного мотора. Аггрегат будет работать с постоянным моментом, если преобразователь отдает ток в сеть для питания ряда вспомогательных моторов, как это показано на схеме (рисунок 2).
Преобразователь обычно строится на 25 пер./сек. с тем, чтобы при 50 пер./сек. в сети имелась бы возможность регулирования на половинное число синхронных оборотов. Если запускать асинхронный мотор при вкщрченном к ротору преобразователе, то последний пойдет в разнос, для предупреждения чего устанавливают центробежный выключатель на валу преобразователя. Аггрегат защищают максимальные и нулевое реле, сигнальные и блокировочные устройства, препятствующие неправильному включению.
Перевозбуждением преобразователя можно добиться улучшения cos 9, так как асинхронный мотор начинает компенсироваться конденсаторным током, однако в пределах не свыше 0.9.
В принципиальной схеме Шербиуса энергия скольжения ротора асинхронного мотора передается коллекторной трех фазной машине, тогда необходимость в преобразователе отпадает. Если регулирование должно происходить при постоянной мощности, то коллекторная машина помещается на одном валу с асинхронным мотором; при регулировании с постоянным моментом машина устанавливается отдельно и через генератор переменного тока отдает энергию скольжения в сеть. Изменяя коэффициент трансформации регулировочного трансформатора, включенного между контактными кольцами аекнхр. мотора и статором коллект. машины, регулируем по заданию скорость главного мотора. Рисунок 3 дает схему Шербиуса с регулировкой ниже синхронной скорости путем компаундирования машины Шербиуса и схему „квадратичнойЛ системы Леонарда, где возбудитель д} питает возбудитель двигателя д2, возбудитель генератора <73 и машины дй, задача которой — ускорить процесс возбуждения. В 1917 г. эта схема была усовершенствована американцами так, что получилась возможность не только подсинхронной, но и сверх-синхронной регулировки.
В ©том случае обмотка возбуждения коллекторной машины получает питание, с одной, стороны, от колец асинхронного двигателя через регулировочный трансформатор, а другие концы обмотки соединены с преобразователем частоты, который соединен е валом асинхронного мотора.
Метод Гейланда позволяет достигнуть регулирования скорости асинхронного мотора путем каскадного включения с преобразователем частоты. Ротор двигателя соединяется с коллектором преобразователя, кольца преобразователя частоты соединяются через регулирующий трансформатор с сетью, с помощью трансформатора меняется напряжение на кольцах а следовательно и на коллекторе преобразователя, а следовательно и на кольцах асинхронного мотора. В ре
зультате скольжение меняется, и устанавливается требуемая скорость. Выключив трансформатор, уничтожим напряжение на коллекторе и кольцах преобразователя частоты. Асинхронный двигатель получит нормальное своей нагрузке скольжение, то есть приблизится к синхронной скорости. Переключая концы обмоток преобразователя на 180° и постепенно увеличивая напряжение путем включения трансформатора, заставим асинхронный двигатель повысить скорость -выше синхронной. Преобразователь частоты или соединяется с асинхр. мотором через зубчатую передачу, или приводится в движение от особого быстроходного асинхронного двигателя.
Компаундирование, так же, как и в схемах Шербиуса, достигается с помощью сериесного трансформатора, j быстроходным. Число реверсов в еоот-меняющего напряжение на кольцах : ветствии с числом пропусков обжимае-преобразователя с изменением нагруз-1 мого материала (обычно 10—20 в мин.) ки гл. двигателя. Улучшение cos доходит до 30 в мин. Диаграмма ско-достигается передвижением щеток на j рости должна быть подобрана таким коллекторе преобразователя частоты. ! образом, чтобы захват болванки про-Для приводов с постоянной мощно-i ходил при со 0.4, а выход болванки при стью добавляется синхронный двига-1 0,7—0,8 от скорости пропуска, так как тель на ьал привода, который и пре“ i слишком большая скорость при захвате вращает энергию скольжения, получав-1 болванки дает большой толчок в сети мую через преобразователь, в меха-j и требуетувеличения мощности мотора, ническую энергию. Изменяя возбужде-! Большие скорости выбрасывания болние синхронного двигателя, достигают нужной скорости привода; в этих схемах преобразователь частоты пропускает через себя энергию скольжения, поэтому при больших мощностях они не применяются, так как с увеличением мощности преобразователя хорошая коммутация трудно достигается. При наличии на предприятии постоянного тока регулирование скорости путем применения моторов постоянного тока является наиболее рациональным и технически и экономически. При наличии только трех фазного тока для регулирования скорости нереверсивных станов применяют как схемы Шербиуса, так и схемы Еремера. Однако, в СССР получила распространение схема Кгемера, окончательно же выбор решается путем подсчета вариантов в зависимости от местных условий. Для привода реверсивных станов применяется почти исключительно система Леонарда—Илынера, которая преобразует переменный ток в постоянный, дает возможность регулировать число оборотов от нуля до установленного предела, реверсировать двигатель и,кроме того, принимать на себя толчки нагрузки, выравнивая тем самым диаграммы нагрузки сети в зависимости от величины маховика. Отличие этой схемы от схемы Леонарда заключается в маховике, устанавливаемом на умформере. Одним из основных условий реверсивности является уменьшение маховых моментов вращающихся масс, которые должны реверсироваться. В этих целях прокат-1 ный мотор делается при больших! мощностях с двойным якорем, чтобы | уменьшить его диаметр. Для уменыие-1 ния веса маховика и машин весь I умформер мотор-генератор делается j
| вашей после прохода через валки ведут I к перенапряженной работе моторов I рольгангов.
| Диаграммы моментов и мощности, необходимые при выборе мощности главного мотора и всех остальных единиц ильгнеровской системы, даны на рисунке 4, где Ж — результирующий момент при основной скорости, if — с поправкой на повышенную скоростьппроката М!=М —, Р и Р — мощно-
71 d
сте двигателя соответственно моментам М и М. Результирующий момент И является суммой моментов: Мр — момент холостого хода стана, М —момент, создаваемый процессом прокатки, моменты ускорения МА и замедления MR. Индексы у МА и М% показывают, что эти моменты различны при различных ускорениях и замедлениях. Величины слагающих определяются по способам, указанным в разделе нереверсивных двигателей. Мощность определяется обычным путем, как произведение средне-квадратичного момента на основную скорость, и проверяется на Бремя разбега, перегрузочный момент при различных скоростях и на нагрев. Характеристики реверсивного двигателя 5.200 квт, показаны на рисунке 5. Кривые 1 и 1 соответствуют моменту и мощности при продолжительной работе, кривые 11 и 2 — наибольшие допустимые момент и мощность, III и 3 — перегрузочные момент и мощность, при которых должно происходить отключение мотора.
Основной или номинальной скоростью называется скорость при полном возбуждении двигателя, номинальной мощностью и моментом называются таковыеври полном возбуждении двигателя и при основной скорости- Для блумингов основная скорость не велика и не
м.
Jf
1 j :t4i
я-: и 1 pZvz-9.
Рисунок 4.
превышает 40—60 об./мин. Перегрузочный момент прокатных двигателей должен не менее, чем в 3,5 раза превышать номинальный момент.
Мощность генераторов пост, тока, соединенных с прокатным мотором, должна равняться мощности последнего с учетом его кпд. Мощность асинхронного мотора, приводящего в движение аггрегат Леонарда-Ильгнера:
1 i Р
прок. мот.
над. мот. Чарок, мот. Чнер. Чгенер.
Коэфф. 1,1 учитывает потери в регуляторе скольжения. Различные модификации и усложнения в основной схеме Леонарда связаны в первую очередь с необходимостью компенсировать энергию электромагнитных полей ге
нератора, меняющихся с каждым пропуском по величине и направлению, а также изменение полей двигателя. На схеме рисунок б метод быстрого возбужде-ения применяется“ дважды: и в цепи возбуждения возбудителей, и в цепи главных машин путем шунтирования введенных в эти цепи омических сопротивлений. Давая обмоткам возбуждения при реверсировании напряжение больше нормального, уменьшают его введением омического сопротивления. Трансформатор Тг через последовательное реле действует на контакты управляющего реле, регулируя скольжение. Для регулировки скорости =fc (10°/о) вы- ше и ниже синхронной применяется также система Kozisek‘a (рисунок Эта система проще системы Шербиуса, но. пределы регулировок меньше, не пере- ., ходя d= 15°/о синхрон, скорости. При. механическом каскаде компенсирова ;
ная машина Koziseka находится на одном валу с двигателем группы Леонарда-йльгнера. Подбором фазы эдс
Рисунок в.
заставляют машину работать в режиме мотора или в режиме генератора. Недостаток системы, кроме узких пределов регулирования, — трудности в коммутации, в силу чего напряжение на коллекторе должно оставаться в пределах 100 вольт, что увеличивает размеры коллектора.
Для защиты прокатного двигателя от коротких, но больших перегрузок применяется компаундирование двигателя и противо-компаундирование генераторов группы Ильгнера. Во избежание уменьшения средней скорости проката протяво- и компаундирование рассчитывается на значительные перегрузки, почти не оказывая влияния при малых перегрузках. Так как при реверсе компаундная обметка двигателя должна переключаться, а это при больших токах потребовало бы тяжелой аппаратуры, то компаундируют возбуждение прокатного двигателя от особой динамо, возбуждающейся от рабочего тока реверсивного двигателя. Защитааварий, коротких замыканий и опасных перегрузок устанавливаются автоматы, обесточивающие возбуждение генераторов и двигателя; для этих же целей устанавливается в цепи прокатного двигателя автоматический выключатель с ограничителем тока размыкания (добавочное сопротивление). Все управление двигателем и аггрегата-ми производится контакторами е поста управления. В 1931 г. в СССР были построены первые два электропривода для блумингов по схеме Леонарда-Ильгнера.
Становой (прокатный) мотор пост, тока 750 вольт имеет мощность 7.000 л.с.,число оборотов регулируется от 0—50 и 120 сб./м. Предельная мощность при 46 об./м.—19.000 л. с. Аггрегат Ильгнера состоят из трехфазного двигателя мощностью 5.000л.с., 375 об./м. и непосредственно соединенных с ним двух генераторов постоянного тока мощностью по З.ООо л. с. и стального маховика диам. 4,4 м, весом 62 т, который и принимает на себя все перегрузки.
Привод непрерывных станов возможно осуществить, если при прокатке сохраняется определенное соотношение скорости по мере изменения профи ля прокатки. В зависимости от сорта прокатки эти соотношения должны меняться. На черновой прокатке это почти не отражается. Промежуточные клети уже требуют регулировки, которая легко удовлетворяется шунтовым мотором. Отделочные клети уже требуют регулировки скорости до 1:5; в этих случаях регулировка осуществляется по схеме Леонарда. Поскольку для различных сортов регулировку екоот перегрузок при неумелом управлении станом осуществляется путем ] рости приходится осуществлять в раз-электромагнитной блокировки рычага личных пределах, на различных стадиях управления. На случай серьезных I проката к. кроме того, непрерывностьпроцесса требует строгого синхронизма в соотношениях скоростей, то в данном случае электрический многомоторный привод является наиболее рациональным. Схема рис, 2 дает пример из американской практики электрического привода непрерывных станов, где особенностью системы постоянно-переменного тока является использование энергии скольжения асинхронных моторов одних клетей для привода других клетей моторам:: постоянного тока. Мощности двигателей для 9 клетей около 11.000 квт. Промежуточные клети имеют регулировку по системе каскадов Кремсра, отделочные клети— по системе Леонарда.
Для бандажных и трубопрокатных станов требуются моторы 200—450 квт., для прокатки дисковых колес 400— 800 квт., для трубопрокатных станов последнее время стали применять отдельные двигатели постоянного тока на каждом валке, при этом особенно важно постоянство скоростей обоих двигателей. Это достигается дополнительной обмоткой в каждом якоре. Эти обмотки соединены через кольца между собой. Разница в скоростях якорей вызывает уравнительные токи, которые и создают синхронизирующие силы.
Электрический привод рольгангов обычно осуществляется для группы рольгангов
Электрический привод рольгангов обычно осуществляется для группы рольгангов. Режим работы моторов рольгангов черезвычайно перенапряжен: 1.50G—2.000 включений в час. Мощность мотора для реверсивных рольгангов определяется по формуле:
Р~0,3(6’ — Сх ) г—0.6 [Gюр-} ~гр квт.,
где О—вес слитка в т, G1 - суммарный вес вращающихся частей в mf v—скорость подачи в mi сек., G—вес роликов в шу Т—время ускорения всей Практически считают на один ролик от 2,2 до 3,7 квт. Наиболее подходящий тип дви-, гателя—серпесный постоянного тока.; Эа границей выпущены двигатели мощ-1 костью до 0,55 квт. для каждого ролика, причем ротор мотора соединен с роликом, а статор—с неподвижной осью ролика. Мощность двигателя для подъемных столов определяется:
G
где (т—вес слитка в m, Т—продолжительность подъема в сек.
Мощность двигателей (ориентировочно;: а) кантователя—75 квт.; б) для установки валков при .D— 900—1.000 миллиметров— 15-26 квт.: в) для опрокидывания болванки—до 75 квт.; г) для транспортных проволочных лент длиной 6—8 м, шир. I 250—300 миллиметров—4.5 — 7,5 квт.; д) для мотовил: для проволоки — 3.7 квт., обрезков прозол.—И квт.. нагрет, провод.—5 квт., шинного и обручного железа —10 — 15 квт.; е) для выталкивания болва-! но:: — 11 — 30 квт.; ж) для волочения ! проволоки по эмпирической формуле
!, Q
j Р— 1.100 k2 GJR lg--~ квт.,
где k2 — предел упругости до волочения в килограммах/мм”, Q и # —сечение проволоки до и после волочения, G — теоретическая производительность установки в m/мин., R — коэфф., равный:

Уменьшение сечения в % .

!-!

! 18 !

26

34

42

50

Величина R. .

!°Д2|

1

0,105

0,097

0,092

0,0845

Р~ 2,2 -
квт.,
В современном листопрокатном цехе рабочий остался только у пультов управления. Процесс автоматизирован, начиная от печи для нагрева до охладительных стеллажей для готового листа. Эта механизация и автоматизация черезвычайно повышают производительность, заменяя тяжелый физический труд: нажим кнопки открывает дверцы печи, к транспортирующая установка подает пакет или слиток к рольгангам первой клети. Печь автоматически закрывается. Рольганги подают слиток, на передний стол прокатного стана, который автоматически опускается и подает слеток_ самодви-жущимися цепями к валкам. После прокатки валками слиток наталкивается на конечный выключатель, в результате чего столы поднимаются,цепи транспортеров реверсируются, слиток вновь попадает на передний стол и цикл возобновляется. Установка валков в новое положение автоматизирована, равно как и все дальнейшие операции, вплоть до работы ножниц, мотовил, охладителей и так далее Холостой пробег мотовил сводится к минимуму с помощью фотоэлемента, так как последний включает мотор в момент, когда конецпроволоки затенит электрический глаз, и выключает мотор в момент ухода второго конца проволоки из поля зрения фотоэлемента. К этому добавляется автоматический контроль на всех стадиях производства. Контроль продукции производится при централизованном дистанционном контроле электрическим контактом, первичным элементом и электромагнитным счетчиком (мощность около 20 ватт). Механические контакты во многих случаях оказывается возможным заменить олтическирудование прокатных станов44; СЗТ, т. IV, от it, Д. Е. Ефремов, Д. А. Завалишин, В. К. Попов; И. Fiomm, „Tranaportanl.igen in Siemens-Martin. Anlagen“ (1922); В. Sot ken, „Stahl und Eisen“ (1934, № 11); F. Muller,Ausge viihUe Kapitel aus dent Anwendungsgefciete der Electr .tecrhnik in Hiittenwer-ke:i“ („Stahl und Eisen“, c 1907 r.); /. Puppe, „Ver-sucbe zur Ermitiluag des Kraftbedarfs an Walzwer-ken“ (1909 и 1910).
ILL Еереиное.
XX. Электрический привод в нефтяной промышленности применяется в самых широких размерах с использованием главным образом трехфазногоасинхронного мотора; выбор двигателя происходит обычным способом с учетом правил взрыва и огнестойкости согласно норм ВЭС и требований горного надзора. Некоторые особенности представляет выбор двигателя для
ЮН
2/0.0

1— }—

i ! i Бурение (_

! Г

! j j i ! I

i r

j 1

i ! i l i;i.,

,; i j

J: i !,

ми контактами в соединении с фотоэлементами и реле. Контроль размеров легко достигается с помощью источника света фотоэлемента, усилителя с реле и регистрирующего прибора: на бумаге регистратора получается отображение длины проката в определен-1 бурения (рисунок 1) и откачки нефти, ном масштабе. Советские заводы изготовляют прибор „сельсин“, основной частью которого являются два индукционных моторчика, роторы которых стремятся занять симметричное друг другу положение. Это свойство позволяет регистрировать на расстоянии различные движения измерительных приборов, в частности — измерителей длины. Показания взвешивающих механизмов передаются в диспетчерский пункт рядом электрических импульсов. Контроль температуры осуществляется с помощью электрических или оптических пирометров и регистраторов. Измерение усилий на валках фиксируется изменением электрической емкости с помощью пьезо-кварца.
Для измерения скорости употребляются тахометрические динамомашины, где использовано свойство шунтовой машины изменять направление на своих зажимах пропорционально изменению числа оборотов. Вольтметр, который показывает напряжение, в этих случаях переградуируется на число оборотов или линейную скорость.
Литература: Н. И. Карегин, „Система загрузки доменных печей“ (1927); „Hiitte“ металлургический (1927); А. Зеневич, „Электрическое оборудование доменных подъемников“ (Изв. ЭТЦР, 1924, « г 7—9); Сборник ВИО под ред. Сорокина, „Контрольно-измерительные и регулирующие установки з металлургической промышленности44 (1935); Д. Д. Гольдбергу „Современные прокатные станы в СССР“ <1983); нале. Е. Г. Жарквардт, „Электрическое обо-
/-4(7 U2Q ПОб №0 1360 /44-0 1510 i€00 163 СеН, -
Рас. 1. Нагрузочная кривая мотора, приводящегофрикционную установку вращательного бурения.
При ударном бурении используется явление резонанса между колебаниями балансира и системы; достижение резонанса на разных глубинах возможно, если мотор допускает плавную регулировку в широких пределах. Характер работы: опускание долота, уменьшение нагрузки, увеличение скорости; подъем долота, увеличение нагрузки, уменьшение скорости; все это требует регулировки скорости. В некоторых случаях необходимо быстрое реверсирование. Мотор должен иметь перегрузочный момент 2,5 — 3 раза от номинального. Огромный советский опыт показал, что наиболее рациональным является асинхронный мотор с числом оборотов 750 в мин. с контактными кольцами. Регулировка осуществляется введением реостата в цепь ротора. Определение мощности мотора см. таб. I. Зная технологический процесс, строят диаграмму мощностей как функцию времени проходки скважины на более глубокой части и отсюда
Табл и и а I.

Число

Высота

Среди, мощн.

Род бурения

ударов,

ИЛИ

подъемабалансира.

во гремя долбления,

Мощность

Электродвигателя

Замечания к электроприводу

об./МЛН..

см

kw

Ударное бурение:

i .

канадское буре-

до 700 м—55 квт.

пне

25-60

30— 60

7,5 15

СВ.7 Общ—74—92 КВТ.

бакинское удар-

от 44 м — 88 квт. в

кое

15-30

СО—100

7,5-15

зависимости от

глубины

пенсильванское

Требуется очень тонкая регу

канатное.. .

20 -4о

20—100

7.5—15 до 1.060 .и —55 КВт.;

Ьыстроударпое бу

св. 1.0з0 м — 74 кве.:

лировка скорости вращения.“

рение:

а) баланс, отанок

: 50—120

S— 2и

5-10 j

до 700 щ —55 квт. |

Регулировка на 50°/о вниз ври

б) канатно-удар

CB.7ep.if—74—92 ЕБТ.:

помощи 10 — 11 ступенчатых

ный станов .

| 30—80

10— 20

5—ю ;

контроллеров.

Враш&тельвое бурение

Бурение амери

канок. способом:

aj неавтоматиче

j

j

Регулнр. на £0% вниз от 2-х

ское

; 40—80

для ер. г и .55—74 кв т. |

б) бурение по

: ;

„ бодьш.гл.—93ку:.|

контроля. ;мощн. мотора грязев.

с нет. НШГа. .

; 4и-SO .

двух-/кор. MOT«..p‘l»!j

насо.-ов 36,S квт.

в) бурение но пр.

И 25.8 квт. и выше ;

Регулир. на 50°/о; мощн. мото

Скворцову. .

| 45-90 j

для глин —

75 квт. !

ра па-оса 11/25,8 квт.

1

i5,5 кз.

Мощность на чистое бурение

для сесч — :

1

15—ЗЬ 1дт., мощн. на долост.

2» кз.

ход инстр. — 29 квт. ври 1.300 .к

глубины и 60 сб.миа.

Комб. бурение:

комбижиров.. .

I 40—80 :

для ср. гл.- 74 квт.!

ударно-врашател.

j

бурение. .. .

20—100

п „ я —92 E3T. I

I
I
определяют средне-квадратичную мощ- j ность, на основании которой и подои- j рается мотор. Так как при вращатель-1 ном (рисунок 2) бурении большую роль играет правильная подача долота, то j является целесообразной автоматиче- ская его подача. В системе KiicTa одна | коническая шестерня дифференциала! соединена с буровым мотором, другая— | с регулирующим мотором; ось дпффе-1 ренциала составляет одно целое с бара-: баном лебедки, на который навивается j канат. Штанга подвешена на другом | конце этого каната. Если оба двигате-1 ля работают с равными скоростями, но | в разные стороны, барабан остается неподвижным; при равных скоростях в одну сторону вращения барабан работает на подъем; при вращении в одном направлении, но с разными скоро-стями, ось дифференциала, а следовательно и барабан, вращается со скоростью, равной полусумме скоростей обоих двигателей; при вращении в разные стороны с разными скоростями
2. Схема американской установки электрооборудования для вращательного бурения: 3—линия 2.000—l.ouu в.; 2— I ранеформатор 2.00и—1. ЮО «./220 в.; U и 4—маел. выел.; 5 - насоси, мотор 50 HP, 22) в.г об.лин.; (‘.--контроллер; 7—мактм. реле; 8—ам-, перметр; 9—т-р тока; 1о—буровой w.v; р 57 ИР, 220 в.,
| 75о об./.мнн.; 11—добавочный контроллер; 12—главный | контроллер; 13—соединит, муфта: 14—редуктор; 15 —
I весь Галли; 16 — лебедка вращательного станка;
! 17—традсммееионньш вал; 18—барабан; 19—малая ! скорость; 20—большая скорость; 21—цепь Галгля;
1 22—ротор.
скорость барабана равна половине раз» нести скоростей обоих моторов. Таким образом достигается любая скорость, необходимая для бурения и вспомогательных работ. Мощность двигателя рассчитывают по сопротивлениям, связанным вспомогательными работами— подъем инструмента и колонны обсадных труб, — и проверяют в условиях реверсирования.
Система Скворцова (рисунок 3) принадлежит к автоматам с регулировкой по
_______ д
I—
#6=
JJCJEJ J
~-=аз|7I
гята li
i
“ ! Oе
I |:
V!
bjp-jSzL t
i г - aе
rrr/f,i ЙЕ:
<
u>
<fC>1 4
Li,
ГГ
t logo тонкий uomop
Рио. 8. Упрощенная электрическая схема автомата Скворцова.
крутящему моменту, так как способность, мотора к трехкратному моменту при черезмерном нажиме на долото может привести к аварии (скручивание инструмента и прочие). Автомат состоит из: а) подати много электромотора..; б) червячного редуктора, соединенного с мотогром через скоростную коробку; в) амперметра - реле и магнитных контакторов сборки. По даточный мотор через редуктор приводит барабан лебедки, подавая инструмент или, после реверса, поднимая его. Между работой по-даточного и бурового мот.оров—электромагнитная связь.осуществленная трансформатором тока, первичная цепь ко-торого включена в одну из фаз бурового мотора, а вторичная замкнута через амперметр-реле. В зависимости от величины нагрузки, а следовательно силы тока(с), стрелка амперметра замыкает то одно, то другое реле контактора, заставляя податочный мотор то поднимать (при избыточном давлении), то опускать долото.
Для определения эквивалентной мощности желоночного мотора строят диаграмму, состоящую из трапеции, (подъем) и прямоугольника (спуск). Большая сторона трапеции — начало.: подъема—определится по формуле:
{(х -4- (тj —у (A) v
м&ке ~102 КВТ-,
где (г—вес нефти в килограммах, бгф- вес желонки в килограммах, Се2—вее каната, в килограммах, v — скорость подъема в м-1 сек., 2ф—потеря в системев квт., составляя 10 — 30% от 1:>&акс. Меньшая сторона трапеции—конец подъема — определится по той же формуле, но с соответствующим изменением IQ. Величину динамических усилий при тро-гании с места или определяют обычным способом, или оценивают ориентировочно в 10% Рмажс. Высота ординаты прямоугольника — потери во время спуска — оценивается в 4—6 квт.
Применяемые типы двигателей для желонки — обычно асинхронные 30 — 80 квт. При мощностях до 50 квт. е
1 якорем Бушеро или глубоким пазом, напряжение 2—3 кв., защита — максимальные и нулевые реле на масляных выключателях.
При откачке нефти глубокими насосами применяются двух-ступенчатые асинхронные моторы 1.000/500 об./мнн., 5,5/12 квт., 220 в и 9/22 квт., с герметически закрытыми кольцами, вынесенными на конец вала, с контроллером для регулировки и реверса, а также коротко замкнутые моторы 3,5 квт.
За последние годы получены благоприятные результаты опытов с центробежным насосом, непосредственно соединенным с мотором. Такой аггрегат погружается в скважину. При компрессорном способе мощность доходит до 85 квт.
Литература: .7, И. Слонам, „Электрификация американской нефтяной промышленности“ <1927); : JL Штейнер, „Электротехника в нефтяной про“
зкьшленности“ (192е); А. И. Ларионов, „О выборее мощности электродвигателя в уем ановках глубоких насосов на нефтяных промыслах“ (192е“); А. М. Станулис, „Автомат Скворцова44 (1935); Л. И. С.ю-ним, „Основы нефтепромысловой электротехника“ (1932).
li. Евреиное.
ХХЗ. Электрические нагревательные приборы и установки. Электронагревательными называются такие приборы и установки, которые служат для нагревания е помощью электрической энергии, то есть такие, в которых происходит полезное превращение эл. энергии в тепловую.
Впервые в история нагрев с помощью эл. тока был применен В. Франклином, который плавил тонкие металлические проволоки. Франклин не имел еще в своем распоряжении источника непрерывного тока и пользовался кондекса- торами. Изобретение в 1800 г. Вольтой вольтова столба позволило сначала Петрову и затем Деви получить эл. дугу. Пользуясь батареями гальванических элементов, Депре создал миниатюрный прообраз эл. печи, применив угольное сопротивление. В 1853 г. настоящую эл. печь с вольтовой дугой сконструировал Пишон. В 1859 г. был изобретен (американцем Симпсоном) первый эл. нагревательный элемент в современном понимании этого слова. После того как в 1870-х гг. Сименс построил динамомашину было положено начало промышленному применению эл. тепла. Последовавшее затем развитие производства эл. энергии на эл. станциях и постепенное удешевление тарифов позволили эл. нагревательным приборам и установкам получить широкое распространение.
Основные преимущества электрич“ нагревательных приборов и установок перед огневыми: 1) легкость осуществления нагрева (в соответствии е любыми, выдвигаемыми практикой, условиями времени, температуры, распределения тепловых потоков); 2) воз-молсность широкой и легкой автоматизации работы; 3) постоянная готовность к действию; 4) отсутствие пожарной опасности; 5) экономия на площади специальных помещений; 6) гигиенические условия работы; 7) возможность осуществления приборов и установок, положение которых легкоможет быть изменяемо (путем переноса или передвижения), не внося расстройства в их функционирование.
Составные части эл. нагревательных устройсгпв. Важнейшими составными частями (кроме строительных деталей, кожухов и прочие) являются: 1) нагревательные приспособления, 2) электрическая изоляция, 3) тепловая изоляция, 4) теплоаккумулирующие тела, 5) контрольная аппаратура, 6) аппаратура автоматического управления. На практике эл. нагревательные устройства необязательно содержат все из перечисленных частей. Нередко также бывает, что одна и та лее часть выполняет несколько функций.
Нагревательные приспособления. Основной эффект, на котором основывается в конечном счете всякий из применяемых на практике способов эл. нагрева, состоит в превращении эл. энергии в тепловую при прохождении эл. тока через некоторое сопротивление, которое может быть твердым, жидким или газообразным. В качестве сопротивления служит или сам объект нагрева (непосредственный нагрев), или специальный нагреватель, от которого тепло передается к объекту нагрева (косвенный нагрев). Обычные достоинства устройств непосредственного нагрева: относительная простота конструкции, возможность получения практически неограниченно-больших мощностей. Недостатки: трудность подчинения режима нагрева наперед заданным условиям; непостоянство мощности; ограниченная сфера применения.
Достоинства установок с косвенным нагревом: относительно легкая возможность создания любых режимов нагрева; универсальность; постоянство мощности (большей частью). Недостатки: некоторая сложность устройства, ограничения в выборе мощности (в направлении ее увеличения).
Все существующие, нашедшие практическое применение, типы эл. нагревателей можно отнести к одному из следующих четырех основных способов электрического нагрева: 1) косвенный нагрев твердыми сопротивлениями;
2) электродный нагрев электролитов;
3) нагрев вольтовой дугой; 4) индукционный нагрев.
Нагреватели с твердыми сопротивлениям и. Отдельные нагревательные единицы, называемые нагревательны“ ми элементами, делаются, как правило, относительно небольшой мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт) и относительно небольших габаритных размеров. Когда :ке это бывает необходимо, берется ряд отдельных элементов и электрически и механически соединяется в одно целое. Преимущества такого метода построения нагревателен: удобство изготовления, о мтегчемие конструктивных задач, возможность обойтись минимальным количеством запасных частей. При построении элементов стремятся к выполнению следующих требовании: долгий срок службы, механическая прочность, компактность, удобство встраивания в прибор и смены, отсутствие выделения вредных газов или запахов, способность выносить некоторую перегрузку, незначительное отклонение пускового тока от номинального, неизменность эл. тепловой характеристики с течением времени работы, возможность серийного и притом механизированного производства.
Основные детали, из которых составляются эл. нагревательные элементы, таковы: сопротивления, эл. изоляция, контакты или контактные приспособления и кожухи.
Сопротивления. Характеристика сопротивления должна удовлетворять следующим общим требованиям: высокая температура плавления, способность длительное время выносить высокую рабочую температуру, причем не только при непрерывном, но и при прерывном режиме работы; высокое удельное эл. сопротивление; малая величина температурного коэффициента изменения электрического сопротив-1 ления; механическая прочность; стойкость против действия химических агентов, с которыми сопротивление нормально приходит в соприкосновение, малая изменяемость свойств с течением времени работы: возможность надежного и легкого соединения с контактными устройствами; распространенность исходных материалов; возможность получения больших партий фабриката, однородного по свойствам и качеству.
Существующие твердые сопротивления разделяются на 2 группы: металлические сопротивления и не металлические.
Мет аллические сопротивления довольно хорошо удовлетворяют перечисленным общим требованиям и, кроме того, легко допускают придачу желаемой формы. Удельное электрическое сопротивление—р — колеблется от 0,017
Qcf.if2
до 1.45 ——. Температурный коэффициент всегда положителен и составляет от 2 -10“° до 5 10~3. Допустимая рабочая температура доходит до 2.УОХ. физические свойства с течением времени работы меняются мало, не вызывая практических неудобств. Основными процессами, которыми сопровождается работа сопротивлений и которые в конце концов приводят их к разрушению, являются: окисление и перекристаллизация. По способу получения металл, еоср. могут быть классифицированы следующим образом: 1) полученные путем протяжки и прокатки (проволока, фольга, ленты, шины); 2) штампованные из листового металла: 3) полученные путем отливки; 4) полученные в результате металлизации диэлектриков.
Первая группа является основной, охватывая практически все случаи применения металл, coup. Фабрикаты 2—4 групп имеют ограниченное применение в специальных случаях. Для получения металл, сопр. применяют как чистые металлы, так и сплавы. Характеристические данные различных материалов металлических сопротивлений представлены в таблице I; ниже даем необходимые пояснения к таблице
Чистые металлы имеют общий недостаток в виде большой величины температурного коэффициента и малой величины уд. эл. сопротивления (при наличии примесей о повышается, а «. уменьшается). Кроме того, чистые металлы (кроме благородных) в обычных условиях легко подвергаются коррозии. В виду этих недостатков применение чистых металлов ограничивается рядом более или менее специальных случаев.
Таблица I.
Свойства материалов металлических сопротивлений

1

Темиер

viура (°С)

Химический

! Удельное

1 Темпегат.

---------------------

Металл,

сплав

состав

(типичный)

! электрическое сопротивл. j 2mm2

коэфф. j измен, ул.; сопсотявл.

Макс.

Плав

в °/о°/О

! mt

1 _ _

) % > 1

рабочая

ления

Железа

0,1C; 0,2Si; 0,1Ма

! 0,14

46

500

1.500

Никель

не менее 990о Ni

| 0,09

50

500

1.450

Платина

! 0,0953

36,7

1.5и0

1.770

Молиолен

0,048

63

2.010

2.550

Вольфрам

!

0,054

60

3.000

3.400

Никелин

Си—54,6} Ni ™е4,о;

0,44В

3,3

350

1.140

Zn—20 4;Ке—о,6;Мп~0,а

О

!

Константин.. .

Ni~40;Cu—(Ю

! 0.49

0,2 |

500

1.250

Ферроникель. .

Ni—30

! 0,87

10

550

1.490

Нихром

Ni-ЬО; Сг— 20

| 1.06

0.7

1.110

1.375

Ферровихрои. .

Ni—65; Сг—IS; Fe—20

: i,os

2,0

850

1.400

Мега пир

Fe—г5; Сг— 30; Al- 5

1 1,4

0,2 :

1.350

1.Б0У

Хантал

Fe—72.1; Сг—21,5;

1.45

0,6

1.350

1.660

Al—3,7; Со—2

Медь и никель применяются в нагревателях с низкой t, например в нагревательных подушках и тканях.
Железо. В виду легкости окисления почти не может применяться в незащищенном виде. Защитные покрытия достигаются путем оцинковки, лужения, алитирования, паркеризации. Оцинкованная проволока допускает температуру до 250° С; паркеризован-ная—примерно до 500° С. В зависимости от количества примесей р=от 0,09 до Q миллиметров2
0,14—, а 0,0046 при наличии примесей (для электролитической Fe
I=0,006).
Платина, не подвергаясь при нагреве на воздухе окислению и выдерживая температуру в 1500° С, является хорошим материалом сопротивления для печей с высокой температурой. Но ее применение сильно ограничивается ее дефицитностью.
Молибден, тантал и вольфрам, имеющие очень высокие температуры плавления, используются в высокотемпературных печах. Но при нагревании на воздухе эти металлы быстро окисляются и поэтому требуют применения защитных средств, каковыми являются: вакуум, инертная атмосфера, вмазывание в специальные цементные массы, покрытие защитными пленками.
Сплавы металлов имеют значительные преимущества перед чистыми металлами в виде большего удельн. -ад. сопротивления, меньшего температурного коэффициента и большей стойкости против окисления. Сумма положительных свойств и качеств сопротивлений, изготовляемых из металдо-сплавов, в равной мере зависит как от надлежащего подбора химического состава сплавов, так и от совершенства технологического процесса. Наиболее употребительны следующие компоненты сплавов: никель, хром, железо, медь, цинк, алюминий, кобальт. Технология изготовления материалов сопротивлений сложна. Существующие сплавы для изготовления сопротивлений по величине удельн. эл. сопр. и одновременно по величине максимальной рабочей температуры естественным образом делятся на 5 основных групп.
Первая группа образуется системами из трех компонентов: меди, никеля и цинка. Типичные сплавы имеют названия: нейзильбер, никелин, реотан.
Р=от 0,80 до 0,5, причем р увеличивается с увеличением относит, содерж. Ni; α= от 0,0002 до 0,0004. Температуру сплавы выдерживают лишь умеренную до 309—850° С и тем меньшую, чем более в сплавах цинка. При более сильном нагреве интенсифицируется избирательное окисление цинка,и материал становится хрупким.
Вторая группа представлена сплавами меди с никелем. Основной сплав— константан; α= 2 — 5ХЮ-5; а повышается с увеличением относит, содерж. никеля. Максимальная рабочая температура колеблется от 850 до 500° С.
Константап гибок, легко обрабатывает- j в сплаве. При высоких рабочих тем-ся, допускает пайку мягкими и твер1 пературах нихромовые сопротивления дыми припоями. На воздухе не оки-! не должны соприкасаться с вещества-сляется. Искусственно образованная 1 ми, содержащими силикаты и щелочи, оболочка эл. изолирующей окиси поз-1 так как поверхностный слой окиси воляет наматывать спирали сопроти-i легко дает с ними шлаковые соедине-вления виток к витку. | нпя.
Третья группа образуется ферро-никелями, то есть сплавами ;келеза с никелем. Содержание никеля обычно составляет 25—307о- Слегка ржавеет в атмосфере паров. В виде тонких проволок применять не рекомендуется.
Четвертую группу составляют сплавы никеля с хромом—нихромы и тронные сплавы железа, никеля и хрома— ферронихромы. Материалы сопротивления, изготовленные из этих сплавов, отличаются весьма высокими качествами и нм принадлежит в настоящее время главная роль при построении эл. нагревательных приборов и установок с металлическими сопротивлениями. Только благодаря изобретению нихрома (Маршем в 1906 г.) техника эл. тепла смогла получить современное разностороннее развитие. Для нихрома Qmm
Р=0,85 — 1,10 —г,α= 6Х10-28Х
ХЮ~°; V раб. ферронихрома р:
= 850 — 1100 Сс. Для
12 миллиметров-
1,05—1,11 ——; з =
= от 16×10~° до 36×Ю“°; to раб. — 850—1150° С. Роль хрома и железа в сплавах такова: с увеличением содержания хрома увеличивается р, уменьшается я и растет стойкость против окисления. Введение железа увеличивает р и придает большую вязкость при высоких температурах. В первое время работы на проволоках и лентах сопротивления из NiCr или из FeXiCr образуется тонкая пленка окисла, обладающая большой прочностью. Эта пленка предохраняет материал сопротивления от дальнейшего окисления. Сплавы типа нихрома хорошо свариваются с другими металлами, но не паяются обычными припоями. Механическая обработка нихромов связана с большими затруднениями. Металл быстро получает наклеп и должен часто! нагреваться. Обработка тем затрудни-1 тельнее, чем более хрома содержится;
Пятая группа сплавов представляет собой последнее достижение металлургии. Еще 15 лет тому назад были известны двойные сплавы железа с хромом. Ко их механическая обработка представляла большие затруднения, и их качество было невысокое. В последние же годы была проведена работа по феррохромам с присадкой алюминия, а ташке алюминия и кобальта. В результате были получены прекрасные сплавы, главные из которых получили название „мегапир“ и „кан-там. По величине удельного эл. сопротивления, сроку службы и величине максимальной допустимой рабочей температуры новые сплавы превосходят нихромы и частично ул;е вытесняют последние. Мегапир в холодном состоянии хрупок, может свариваться. Данные кантала: обрабатывается хорошо, позволяя тянуть проволоку диаметром до 0,02 миллиметров. В холодном состоянии позволяет свивать спирали из проволоки диам. до 6—6,5 миллиметров. Сваривается особыми способами, например вольтовой дугой.
Неметаллические сопротивления. В зависимости от состава массы сопротивлений величина о изменяется в весьма широких пределах. С течением времени работы о, как правило, заметно изменяется. Температурный коэффициент отрицателен. Выдерживают длительно температуру 1500 — 3000сС. Механическая прочность невелика. Возможность выбора формы ограничена. Доставляют затруднения с устройством контактов.
Классификация твердых неметаллических материалов сопротивления: 1) угольные трубки и штабики; 2)трубки и штабики из масс, имеющих в основе углерод; 3) порошки сопротивления; 4) пасты сопротивления.
Угольные сопротивления имеют то достоинство, что способны работать при температуре порядка 3000°0 и при этом дешевы. Но их крупными недоетатками являются: сгорание при накаливании в воздухе и малая механическая прочность, а отсюда —и малый срок службы. Сопротивлсп и я из карбидов выдерживают меньшую температуру. чем чистый уголь, но зато отличаются значительно большим сроком службы, почему и имеют довольно большое применение в про-мкшл екно сти. О ищи й, суще ствен и ы и недостаток карбидных штибиков сопротивления состоит в том, что они испытывают с течением срока службы большой прирост уд. эл. сопротивления, доходящий до 80°/о. Известно применение двух групп карбидных материалов, состоящих в основном из карбида силиция и из карбидов металлов. Представителями первой грунты являются силит и глобар. Силитовые штаиики выдерживают температуру до 1400°С. Сопротивление разрыву — 100—200 килограмм см- Коэффициент и пн рас-шир.нри800сС0,4о;о,при 1200°СО,Ьб();о. Сопротивления из карбида металла известны под названьем „кварцилит“. В зависимости от состава, относительная величина р кварцилитовых шта-биков может меняться от 1 до нескольких миллионов. С возрастанием напряжения р кварцилита уменьшается. Длительно кварцилит- выносит температуру до 1200°С и кратковременно до 17оО°С. Но при t раб. >1С00°С требуется применение добавочного металлического сопротивления, ибо при отсутствии такового происходит непрерывное возрастание тока вплоть до разрушения штабика. Коэффициент лин. расширения весьма мал, так что сопротивления выносят резкие колебания температуры. Слабое место нагревателей с керамическими штабиками -контактные устройства, от выполнения и действия которых е значительной степени зависит срок службы нагревателей. Контактное устройство должно быть эластичным, чтобы допускать свободное тепловое расширение штабика, и оно должно иметь достаточно малое переходное сопротивление. Последнее требование означает, что всегда должно сохраняться плотное соприкосновение копна штабика с контактом. Для этого необходимо, чтобы конец штабика всегда оставался отно-1
сительно холодным. Поэтому концам стараются придать возможно большую электропроводность. В случае штабиков из карбида силиция это достигается, например, пропиткой концов силицием, алюминием или никелем.
Порошки сопротивления. Применяются порошки из угля или графита или из смеси проводниковых и непроводниковых материалов, например из графита и окиси металла. Недостатки порошков: необходимость применения низкого напряжения, трудность получения однородной массы, выгорание, значительные колебания электрическо-10 сопротивления в зависимости от разных факторов.
Паста сопротивления. Обычные компоненты пасты: силикат металла,
графит, жидкое стекло. Возможности применения паст достаточно не изучены. Недостатки материала: невысокая допустимая рабочая температура, трудность устройства хорошего контакта, трудность получения больших партий однородной по качеству и свойствам продукции.
Поддержки и эл. изоляция. Общие требования к материалам поддержек и эл. изоляции: 1) высокая электроизолирующая способность и эл. прочность при повышенных температурах; 2) способность выносить резкие колебания температуры; 3) малая теплоемкость; 4) жароупорность; 5) механическая прочность; 6) химическая инертность по отношению к материалам эл. сопротивлений; 7) отсутствие гигроскопичности; 8) удобство придачи желательной формы.
По характеру выполняемых функций эл. изоляция делится на изолирующие поддеряски и внешнюю изоляцию. Поддержки могут или должны обладать теплоизолирующими свойствами. Внешняя изоляция, окружающая со всех сторон тело сопротивления, служит передатчиком тепла от сопротивления к нагреваемому телу, поэтому к ней предъявляется добавочное требование хорошей теплопроводности. Природа эл. изолирующих тел такова, что перечисленные требования оказываются, на практике, противоречивыми“ и поэтому приходится довольствоваться удовлетворением лишь некотрых из них, являющихся в рассматриваемом случае наиболее важными. Особенно трудно подобрать такое вещество, которое было бы одновременно хорошим эл. изолятором и хорошим проводником терла.
Поддержки. Формы поддержек бывают самыми разнообразными. Типичные—таковы: кирпичики с крючкообразными выступами для подвешивания проволок; трубки гладкие и с винтовой нарезкой; ребристые изоляторы, надеваемые на металлические рамки („наездники“); держатели крестообразного сечения; плитки с канавками. Большая часть применяемых держателей представляет собой керамический черепок, то есть изделие, полученное путем обжига из керамических материалов. Чаще всего применяются т. наз. пористые черепки:шамотный,стеатитовый имарк-вардовский. В шамотный черепок входят: сырая огнеупорная глина и глина предварительно прокаленная(„шамот‘).
Кроме того, делаются добавки каолина, корунда, стеатита. В стеатитовый входят: глина и стеатит (тальк). В марквардовский — глина, каолин, корунд, дающие до 80(,/о АПО« в массе.
Некоторые свойства пористых черепков. Сопротивление сжатию-500—3.000 ‘KdjcMJ. Среди, коэфф. расширения в пределах 20—650°С — 1,25 — 4Д×ДО““6; удельное эл. сопр. при 500°С - 6ХЮ5-8×10е и см, при 700 С —5 10- 6-105 см. Температура размягчения—1400— 1700°С. Пористость в °/о к объёму — чаще всего от 10 до 30. Объемный вес — 1,8 — 2,3 гр/см3. Представитель „спе-чекых черепков“ —фарфор может применяться лишь при умеренных температурах—до 300°С.
Внешняя изолягия. Применяются следующие группы материалов: слюда, миканит, цементообразные массы, эмали и порошкообразные массы. Свойства основных материалов представлены в таблице И.
Таблице И-
Некоторые свойства материалов электрич. изоляции

j Дм электрич. СВ

йегьа

T e

р и и ч е с

Е. С В (

> и с т в а

Материал

Ойb<-Л1Я. эл. i с и рот.

;J робиВ.

Tводопроводя ость

Теплоемкость

Жароупорность Т макс, прим., °Ц

ь

It Q CAi j

градиент,

БВ/ЛШ

t° Д

ПЛОТНО-ТЬ,

гр/сме

!

ватт/сл:-

! А

i

t° Ц

джоуль

1

; 2

1 з I

4

~r~

! 8

! 7

8

9

10

Слюда

! 20

|

5.1X5 053-

-~4,9ХЮ13

80—2001

300

2,С-3.2

0,0045

20

0,86 |

550—750

Миканит.. .

j

j

20

—

О,0«1— — 0,004

—

— !

450-К0

АЛУЖД.. . ;

j 1С00

I

l.sxio“

650— 1200

каж. 2,6

НСГ11НН.

8—4

0,035

j

О—800

0.07

Шамот

—

—

__ i

200—

1000

—

0,0077

—

:

—

Кварцев, песок

; |

1

— i

20-

160

1,52

0,0035

20-100

0,8

Азбест. j

j —

36X1 j

2,5-4 i

200

0,47

0,002

0,046

i

—

—

50

Магнезит.

плавленыйвыоокосортк.

CZ

оо

ДО 29X106 j

1—2 i 3U0-- 700

каж. 3 истина. 8,6

0-800

1,1

1 >1000

Добавления к таблице II. Слюда. Дефицитность и плохая теплопроводность слюды заставляют стремиться к замене ее другими материалами. Цементообразные массы. Связывающим % веществом масс является высокосортный цемент. Затем берутся компонентами: жароупорная глина, тальк, азбест, прибавляют еще жидкое стекло. Применение азбеста и в особенности азбеста с жидким стеклом, вообще говоря, не рекомендуется, так как получающаяся масса имеет невысокую эл. изолирующую способность, весьма гигроскопична и при повышенных температурах действует разрушающим образом на проволоку сопротивления. Эмали. По своему соетаву и виду являются стеклообразными массами. Алунд. Исходный материал весьма распространен в природе, во изготовление аду нда стоит дорого. Окись магния,
Может быть получена в нескольких физических состояниях. Продукт сгорания на воздухе металлического магния— жженая магнезия—плохо проводит тепло и в качестве наполнителя нагревательных элементов применяться не может. Минерал магнезит, на 95°/о состоящий из MgC03, хорошо проводит теплоту, но не обладает жаростойкостью. Уже при нагреве до нескольких сот °С MgC03 разлагается на MgO и С02. Окись магния с небольшим количеством примесей, получаемая в результате разложения магнезита, или т. наз. каустический магнезит, будучи спрессована, довольно хорошо проводит тепло и при средних температурах имеет довольно хоро-шую эл. изолирующую способность. Поэтому ’ может применяться в элементах с умеренной температурой. При относительно высоких температурах (600°С и выше) эл. изолирующая способность, вследствие содержания примесей, резко падает. Недостаток материала—активность по отношению к воде. Ценными свойствами наполни теля обладает порошокпериклаза—кристаллической разновидности MgO-получаемый следующим образом: минерал магнезит, отобранный так, чтобы он содержал возможно меньше примесей, подвергается сплавлению. Слитки разбиваются. Хорошо сплавившиеся и относительно чистые от примесей куски дробятся и размалываются. Частицы металла от мельниц удаляются магнитным сепаратором. Лучшая разновидность окиси магния получается в результате процесса, предложенного в 1921 году норвежским инженером Пакером. Сущность процесса такова: чистый металлический магний подвергается обработке водяным паром при высоких давлении и температуре. Получается кристаллическая гидроокись магния, которая при дальнейшей тепловой обработке переходит в кристаллическую же окись магния. Кристаллическая структура и плотность сообщают бакеровой окиси магния хорошую теплопроводность, а химическая чистота—прекрасную эл. изолирующую способность при высоких температурах.
Существующее типы эл. нагревательных элементов. Элементы с металлическими сопротивлени ями. А. Открытые элементы. Xаракте ри зуются тем, что сопротивление остается совершенно открытым. Отличаются относительной простотой изготовления. Имеют тот недостаток, что сопротивление подвергается беспрепятственному действию окружающей среды и тел, случайно приходящих с ним в соприкосновение. Теплопередача от элементов осуществляется большей частью излучением и конвекцией.’
1. Плиточный элемент. Элемент составляется из керамической плитки с канавками и из проволочной, обычно нихромовой, спирали, закладываемой в канавки. Применяется в кухонных плитках, плитах и в разных печах.
2. Плиточный элемент на низкое напряжение (6—12 вольт) получает питание током от понизительного трансформатора, иногда с несколькими выводами для получения разной мощности. Сопротивление применяется в виде толстых шин, штампованного листа или отливки, изготовляемых из нихрома или чугуна. Элемент совершенно безопасен в обращении. Сопротивление, благодаря большому сечению, имеет большой срок службы. Низкая величина напряжения делает достаточным для эл. изоляции сопротивление образующегося поверхностного слоя окиси. Недостаток- системы — необходимость до полннтельных затрат на трансформатор.
3. Элемент с сердечником. Образуется продолговатым, чаще всего керамическим сердечником обычно кольцевого или крестообразного сечения, на который наматывается проволока, лента или проволочная спираль сопротивления. Применяется в печах, в эл. фенах.
4. Рамочный элемент (рисунок 1). При первом, более универсальном варианте устройства берется металлическая рамка (каркас), снабжается изоляторами типа „наездник“ и по изоляторам обматывается проволокой или лентой сопротивления. Подобная конструкция применяется в печах, сушильных установках, инкубаторах. При втором варианте на каркасе укрепляются изоляторы, посредством которых подвенгаваются проволочные спирали. Конструкция подходит к эл. калориферам.
Рисунок 1. Рамочный элемент.
У нас изготовляются элементы открытого типа для подогрева воды с погружением в нее. Подобные элементы должны быть признаны чисто кустарными. Они небезопасны в обращении (вода оказывается при работе под напряжением) и недолговечны.
B. Полузакрытые элементы. Сопротивление более или менее изолируется от внешней среды, но остается в соприкосновении с воздухом.
1. Плиточный элемент. Сопротивление в виде проволочной спирали располагается вканавках :
плитки, делаемых’не! с верхней I
стороны, как в открытом элементе,
а с нижней.
2. Гильзовый. Проволочная спираль вводится в металлическую гильзу, от которой изолируется |
керамическими изоляторами. I
3. Трубчатый. Берется многока- валовая керамическая трубка, и проволочная спираль протаскивается последовательно через все каналы. Концы проволоки закрепляются в контактах с торцов трубки.
C. Закрытые элементы. Имеют ео-жротивленне герметически закрытое при помощи эл. изоляции ж кожуха. При этом сопротивление защищается от действия разрушительных агентов. Кроме того, если материал изоляции хорошо проводит тепло, то условия теплопередачи улучшаются по сравнению со случаем открытого сопротивления.
1. Элементы со слюдяной и мика-ттювой изоляцией (рисунок 2) Принцип устройства: .берется слюдяная илимиканитовая поддержка, обертывается проволокой или лентой, и сопротивление закрывается той же изоляцией. Затем все запрессовывается в металлический кожух (нагреватели жидко-; степ.) или же плотно прижимается I к воспринимающей тепло метал ли-; ческой поверхности (плитка, чайник, j утюг). Тщательность запрессовки или ! прижатия слюдяного элемента оказы ! вает большое влияние на срок его | службы. Наличие воздушных прослоек, I плохо проводящих тепло, способно сильно повысить температуру сопротивления и вызвать его быстрое пере-; горамие. По сравнению с жароупорным, миканитом слюда обладает более высокими электрическими и тепловыми свойствами, но миканит облегчает сборку элемента.
2. Слюдяной элемент с тонкослойным сопротивлением. Элемент образуется листиком слюды, на который наносится тонкий слой платины, и вторым листиком, закрывающим сопротивление. Элемент получает хорошие
СМ НЛ О},.
лис лг сгеоНсто $-у-
HJ7 - Ым&м j;.Tt ‘га
А- г. Л -; -<к .г<МИЮ кългрЛнА
Рисунок 2. Элемент со слюдяной изоляцией.
условия теплопередачи и отличается долговечностью, но вследствие дороговизны платины распространения не получил.
3. Элементы с цементообразным наполнителем. Делаются пластинчатые, гильзовые и плиточные. В 2-х первых случаях берется соответственно плоский ила круглый сердечник, обматывается проволокой, или лентой, и вводится в металлический кожух.,3атем пространство между сердечником и кожухом заполняется цемент-массой. Сердечники изготовляктакте между пружиной F и винтом S, электромагнит размагничивается, и
Рисунок 5.
пружина F возвращает якорь А в первоначальное положение; но тут вновь замыкается цепь тока у винтаческой жизни. Для подачи сильных сигналов, а также в телефонных установках применяется поляризованный звонок (рисунок 5). В этом звонке сердечники электромагнита привернуты к сильному постоянному магниту, благодаря чему они сами намагничиваются постоянным магнетизмом; катушки двух сердечников электромагнита намотаны в противоположном направлении, поэтому при питании переменным током последний попеременно усиливает постоянный магнетизм то одной, то другой половины электромагнита; в результате, связанный с молоточком якорь попеременно притягивается то к к правому, то к левому сердечнику электромахчшта, а молоточек стучит по двум колокольчикам.
Т. к. напряжение звонковой установки относительно мало, то провода звонковой установки изолируются
А электромагнит вновь притягивает якорь, и от удара молоточком колокольчик вновь звучит, и так далее Действие второго типа дребезжащего звонка (рисунок 4) основано на том же принципе, только вместо прерывания тока электромагнита здесь притягивание якоря замыкает ток помимо электротолько хлопчатобумажной пряжей и прокладываются прямо по стене, без роликов, но в ответственных случаях для проводки применяется освинцованный кабель.
Один и тот же звонок может быть приведен в действие из нескольких различных пунктов. В этом случав намагнита и тем самым вызывает раз- жимные кнопки включаются параллель -магничивание электромагнита и отпа-: но, как это показано на рисунке 1. Однако, дание якоря. Дребезжащий звонок в подобных установках с несколькими может питаться как от батареи элемен- кнопками важно знать, откуда подан тов, так и от сети переменного тока; | сигнал; для этой цели такие установки, в последнем случае необходимо при-; часто снабжаются нумераторами с менять звонковый трансформатор, по- отпадающими клапанами- Построен нижающий напряжение до 3-8 врарЁгкщшератор следующим образом: та до напряжения безопасного длy4e1Ioвe- Гукреплено несколько эдехтро“
считается для светильников прямого света от светового центра светильника до рабочей поверхности, а для светильников полуотраженыого и отраженного света от потолка до рабочей поверхности. Расстояние светильников от стен должно равняться приблизительно 0,5-т-0,75 высоты подвески светильников. В некоторых случаях для получения большей равномерности освещения приходится отступать от вышеуказанных правил размещения и подвески светильников. Необходимый световой поток можно создать небольшим числом мощных источников света или, наоборот, большим числом маломощных источников света. В первом случае достигается меньшая равномерность
в освещении, но и меньшие расходы по эксплуатации, во втором случае получается лучшая равномерность в освещении, йо увеличивается стоимость эксплуатации.
Существует несколько методов расчета Э. о. Как более простой и быстрый способ расчета, дающий практически достаточные результаты, можно рекомендовать метод коэффициентов использования. Необходимый световой поток для одной лампы, создающий освещение в помещении в соответствии с вышеприведенными нормами, определяется по следующей формуле:
„ Е8с F- —,
rjZ
где Е-световой поток в люменах для одной лампы осветительной установки,
22—требуемая освещенность по нормам (смотрите табл. 8, 9, 10, 11), S-площадь пола в кв. метрах освещаемого помещения, я—число ламп; с— коэффициент запаса, учитывающий уменьшение светового потока со временем; для чистых помещений его величина принимается 1,2 —1,3, для средних 1,5 и для пыльных и грязных— 2; —коэффициент использования осветительной установки (отношение величины используемого для создания определенной освещенности на определенной площади светового потока ко всему излучаемому в помещении световому потоку). Коэффициент использования в большой мсфе зависит от окраски помещений, от рода выбранных светильников и от геометрических размеров помещения (индекс помещения г).
Чтобы рассчитать освещенность в какой-либо точке А, находящейся на горизонтальной поверхности М или на вертикальной поверхности Р (рисунок 15), можно воспользоваться следующими формулами: для горизонтальной освещенности
Е =
2а la Я
“тг~ С038α= —„г-: - ;
н- у(я» + v->у>
для вертикальной освещенности я.=-Jr cos3 о sin α= г; ИЛИ
Еч=Eh tga,
где 22—горизонтальная или вертикальная освещенность в люксах; 1а —сила света источника под углом «; Я—высота в м светового центра источника света над освещаемой точкой; Z—горизонтальное расстояние в м от светового центра источника света до освещаемой точки.
Для подсчета освещенности точечным методом нужно знать распределение силы света источника в продольной плоскости (смотрите рисунок 14). Точечный метод подсчета освещенности дает возможность сделать более точную поверку освещенности на местах работы. Освещенность в действительности может быть несколько выше, так как при подсчете этим методом не учитывается световой поток, отраженный от окружающих поверхностей. При помощи
Е
ряд

Мини

маль

ная

Раз

Наввание работ и помещений

осве

щен

ряд

ность.

Люксы.

Название работ я иомещенлй
Минимальнаяосвещенность. Люксы.
б Те же работы, что в разряде I, но рабочие поверхности преимущественно оветловатых и светлосерых цветов. Тонков ткачество, ватера, шитье на швейных машинах, тонкие слесарные,
Iтокарные, столярные и инструмента.] - !ные работы, крашение я отделка, кручение, счетные и проектные работы,
живопись. 75
VII
Раздевальни: 1) горизонтальная осве-щ яность на полу.
2) вертикальная освещенность на стенах на высоте 1,5 м от пода
УШ
Проходы впомещениях между стан- I
15
в Те же работы, что в разряде I, но о рабочими поверхностями светлых цветов, а рассматриваемые на них предиеты светлосерых ж темных цветов. Чтение, отсчет на измерительных приборах,кабинеты и конторы, светлое ткачество, пряденье, каландры, сборка машпн, распиловка дерева, отолярно-плотницкие я малярные работы, апре-туриые работы, машинные валы, кондитерское производство, хлебопечение, обработка кож.
59
II а
Равличенже несколько более крупных деталей по сравнению о указанными в разряде I а преиьп яротвежно на темных поверхностях.’ Более крупное прядение я ткачество, средние токарные, слесарные и столярные работы, трансформаторные помещения, распределительное устройство, сборка мелких машин.
60
к&ми:
1) горизонтальная освещенность як полу.. ! 10
IX
2) вертикальная освещенность на стенах и боковых поверхностях станков па иротяж-ним | 2 м от пола|
Входы, выходы, лестницы и иные по-мегцегня для пребывания я прохода людей: I
1) горизонтальная осве- щенность на полу
2) вертикальная освещенность на стенах на протяжении 1,5 м от пола 8
I Х
Дворы, проезды (на земле)
об Работы, что в разряде I б, но о рабочими поверхностями светловатых и светлосерых цветов. Более грубые слесарные работы, жестяночьые, кровельные и штамповальные работы.
в Работы, что в разряде I в, но с рабочими поверхностями светлых цветов. Грубое прядение, прокатка, куанечные и малярные работы, кардное и ленточное производство, промывка, сушка, отбелка, перегонка, дубление, краско-варочкые работы, помол, водокачки, вагранка, склады инструментов и мелких частей.
Ша
Работы, при которых не требуется различать мелкие предметы, хх части и какие-либо подробностио темными поверхностями о светловатыми и светлыми.
80
20
! Примечание. Рабочими поверхностями считаются поверхности предметов, на к >торые доджея смотреть глаз во время работы. Если не указаны рабочие поверхности, то освещение измеряется на высоте 1м от пола. Опыт применения норм показал,
I что для тонких работ минимальная освещенность в 100 лк недостаточна.
Для более тонких работ, чем указанные в I разряде, НКТ утвердил 14 мая 1е3 г. в обязательном поряди© 0 разряд, по которому освещенности принимаются для темных рабочих поверхностей 200 дк, средних —150 лк и светлых — 100 лк.
На II Всесоюзной светотехнической I конференции в Москве в 1929 г. были; приняты проекты правил освещенияб Чесальные машины, грубая упаковка, склады.
учебных и лечебных заведений, а также впервые для нашего Союза были при-
IV
Работы, не требующие рассматривания близлежащих поверхностей. Топочные помещения, бункера, зольное помещение и проч.
15
V
Работы, связанные с примененном доступных для соприкосновения опасных режущах инструменте“, ре.щоз, сверл, фрезов z пр. размером: мёьсе б×б ел:, более 5×см.
3 i.O
50
Уборные, умывальники, ванны (горизонтальная освещенность на поду).
S5
няты правила искусственного освещения улиц, цреездов и дорог.
Особенно нужно тщательно относиться к освещению школьных помещений Гем. школьная гигиена, L, 208/09). В учебных помещениях школ должно применяться общее освещение. Освещенность не должна быть ниже принятых на конференции норм, приводимых в таблице 9.
Светильник „Люцетта” преимищ. отраженного света
/
N

/ /

Ч J

/

А

/

/1

[

/ i

/ i

1

/

90аярких источников света в поле зрения ной линией и линией, соединяющей глаза. В настоящее время органами глаз с источником света, допускается охраны труда в СССР совершенно помещать светильники, у которых светящееся тело или вовсе не видно, или заслонено густой светорассеивающей оболочкой. Общее освещение должно создавать достаточно равномерную освещенность всего помещения. Отношение наибольшей освещенности к наименьшей не должно быть больше 3:1. Должны хорошо освещаться как горизонтальные места работ, так и вертикальные. В соседних помещениях не должна быть большая разница в освещении, так как при переходе из слабо освещенного помещения в помещение сильно освещенное и наоборот глаз в начале плохо приспособляется к таким резким переменам. Освещение не должно создавать мешающих при работе теней и не должно создавать слепящего отражения от рабочих поверхностей.
Осветительные установки должны быть легко доступны исправлению и чистке. На уход за осветительными установками, особенно в промышленных предприятиях, должно быть обращено-самое серьезное внимание. Своевременная смена ламп и чистка арматуры может повысить освещенность на 40 -- 10 °/о.
8. Светильники. При устройстве Э. о. всегда применяется арматура. Осве-т и тел ьн о и а рматуро и называется приспособление, служащее для перераспределения светового потока источника света, предохранения глаз от ослепления, защиты источника света от механических повреждений и действия непогоды. Осветительная арматура в совокупности с источником света и некоторыми другими деталями называется светильником. За последние годы в СССР были проведены большие исследования по изысканию типов рациональной арматуры для промышленного освещения. В настоящее время в Союзе изготовляется в большом количестве типовая арматура для прямого, полу отраженного и уличного освещения, а по специальным заказам и всякая другая арматура.
Осветительная арматура характеризуется: коэффициентом полезного действия (отношение светового потокао°_
светильник
—~— голая лампа кривые построены дляцелобной лампы в ЮОО люменов
Рже. M.
запрещается применять для освещения голые электрические лампы или лампы с плоскими абажурами. В пределах угла 30°, образованного горизонталь-
) Сила свзта па 1 м д.-шни г<1убки.
Эмиалэаэо эонэаьис1х>]Э£1
16 раз! (ср. излучение). На основании закона Вина следует, что с увеличением температуры излучателя максимальная энергия излучения перемещается в область более коротких воли: Хтах Т==2.885, где лтах — длина волны в микронах, несущая максимальную энергию излучения, а Т — абсолютная температура. Планк установил зависимость величины лучистой энергии для определенной длины волны от температуры излучателя:
_..С!
Pxt—CiA”5 е и ватт на 1 сме,
где Сг=3,72 10 “ 12 ватт - сантиметров ~2; С2== 1,43 сантиметров — градус;×— длина волны в сантиметрах; е — основание неперовых логарифмов; Т—абс. температура.
На основании последней формулы на рисунке 1JL построены кривые излучения для разных температур площади, ограниченные кривыми пропорционально полному излучению; заштрихованная часть для каждом площади представляет собою лучистую энергию, воспринимаемую глазом (она очень мала!); вся остальная часть лучистой энергии не воспринимается глазом. Другие накаленные тела, как, например, платина, вольфрам тоже следуют законам температурного излучения абс. черного тела, но их энергия излучения еще меньше.
Приведенные краткие соображения о процессах излучения дают ясное представление, в каком направлении надо итти, чтобы получить более экономичный источник света. История развития и усовершенствования ламп накаливания показывает, что каждые последующие, вновь выпускаемые типы ламп имели более высокую температуру, большую световую отдачу и большую яркость, как это видно из табл. 5.
Продолжительность горения ламп и световая отдача зависят от напряжения сети, при котором горят лампы, так как при повышении напряжения возрастает температура нити лампы и световая отдача, но сокращается продолжительность горения. Для приближенных подсчетов служат следующие формулы:
Т_г
Т3=1(ШЖ) ’
Т а б л. 5. Характеристика электричг. ламп накаливания.

Наименование лама

Темпер&ура накаланити

Световаяотдача

Яркость

Град. Цель-

ЗЕЯ

лм/вт

стильбы

Игольная лампа.. .

! 1850

!

55

Вакуумн. лампа о воль

!

фрамовой нитью £0 ватт.“.

2200

ю,о

150—200

Газосолные лампы:

1

!

„. 50 затт

2Ш

10,0

460

„ 100 „

2 ISO

12,9

570

бои „

2660

18,1

1000

п 1.000 „

2700

20,1

1200

Кино - проекциомпая

лампа ЗОу, 1000 вт. .

2900 j

2 ДО

2050

где Тх и Т2 — время продолжительности горения ламп при световых отдачах (Lm/Wi) и (.LmjW2), Ь — показатель степени, который может быть принят равным 7;
где 2 и Т2 — также продолжительность горения, a Vx и V2 — соответствующие напряжения. На рисунке 12 представлена зависимость процентного изменения силы света (1о), световой отдачи (F/vr), мощности (IF), удельной мощно-(W
стя у~jj и продолжительности срокаслужбы (Т) от напряжения.
К люминеецярующим источникам света относятся: вольтовы дуги с эффектными углями; ртутные дуги из кварца и стекла; светящиеся трубки с разреженными газами (углекислотой — свет Мура, с неоном —рекламное и сигнальное освещение). В настоящее время в практику вводится аргоно-ртутная лампа высокого давления с трубкою из стекла с оксидным катодом и содержанием аргона при давлении в несколько .мм ртут. столба. Такая лампа может быть включена в обычную сеть с напряжением 220 F. Световая отдача лампы ~ 40 лм/ьт, яркость средины трубки ~ 200 стильбов. Лампы изготовляются на 250, 500 и 1.000 вт. Изготовляются лампы такого же типа с парами натрия и кадмия. По световойляется при помощи действительного эталона, помещаемого в И на место испытуемого источника света. Окончательная формула, определяющая силу света 1Х источника в зависимости от угла измерения:
где /э — сила света эталона, расстояние от К до фотометрической головки при измерении с эталоном, а 1„ — расстояние тоже до головки при
| поток Fa эталона, или световой поток I Fx испытуемого источника света. Отверстие О должно быть защищено экраном Э от прямых лучей. Фотометрическое равновесие устанавливается для эталона и испытуемого источника света при помощи промежуточной лампы Л9 горящей при строго одинаковом режиме; тогда справедливо следующее равенство:
где /9 и 1Х—отсчеты на фотометре при фотометрическом равновесии для эталона и испытуемого источника света.
Для измерения освещенности применяются очень простые и удобные для переноски люксметры. Имеется большое количество различных конструкций люксметров. В настоящее время у нас, в СССР, получил большое распро-
Рнс. G.
измерении испытуемого источника под углом а. По полученным на распределительном фотометре кривым распределения силы света можно вычислить световой поток {F и среднюю сферическую силу света (/0), на которые почти всегда и ведутся всякие светотехнические расчеты.
Из табл. 1 следует: F=<о/, а для полного телесного угла ш=4 имеем F=z4kI0; чтобы вычислить световой поток какого-нибудь источника, следует брать по продольной кривой средние значения силы света через равные линейные углы (не больше 5“ или 10°) и это значение множить соответственно на величину телесных углов для каждой зоны, все произведения сложить, что даст полный световой поток источника света. Разделив световой поток F на 4к, получим среднюю сферическую силу света источника (/0).
Световой поток и среднюю сферическую силу света молено получить непосредственным измерением при наличии соответствующих эталонов в шаро“ вом фотометре (рисунок 6). Шаровые фотометры изготовляются диаметром 1-8 внутренняя поверхность матово-белая, через отверстие О направляется на фотометрическую головку Ф световойстранеаие люксметр, изготовляемый е Ленинградском государственном опти“ песком институте (ГОИ).
Схема, люксметра представлена на рисунке 7. Внутри деревянной коробки помещается матовый экран (1), изменяющий свой наклон при помощи экс-I центрика (2); экран 11) освещается эта-| лонной лампой (3). При включении лампы (3) при помощи кнопки (5) на экране
‘12—I
ю—ijl 7 у
&
Рисунок 7.
(I) создается некоторая освещенность. Световой поток экрана (1) благодаря зеркалам (6 и 7) попадает в окуляр (8). Экран (9) помещают на место, где должна быть замерена освещенность. Световой поток экрана (9) также попадает через отверстие (10) в окуляр (8). Глаз наблюдает два поля освещенных экранов (1 и 9). Экран (1) вращается до тех пор, пока оба поля не будут иметь одинаковую яркость; тогда стрелка, соединенная с головкой эксцентрика, покажет величину освещенности в лю-
Источники света ПОЧТИ всегда излу- Таблица 4. Соотношения между различными единицамичают неодинаковый световой поток и имеют неодинаковую силу света в раз-; личных направлениях. Необходимо! иметь представление о том, какой; именно световой поток или сила света | принимается во внимание. Направлен- j пая сила света !._> или 1а есть сила!
освшценностп.
Переводный козф {шци»‘нт
Наименование Люко | лм/ма
==“:
Фтт-свр’ма
Хефнер-люк«
НЬш т2 лмкв. футсвета источника, измеренная в каком-
Люкс (метр-све-; яа) j
1,17
0,0929
0,0794
либо одном направлении, и соответ- j ствует ЛИШЬ ТОЛЬКО одному этому на j Хефнер-люкс. j 0.8.55 правлению. Средняя поперечная сила j Фут-свеча.. ю,7в ! глво : i света lh ) есть среднее арифметиче-; i
ское из значений силы света источника :
по всем направлениям в плоскости, 5. Светотехнические измерения ивы-поперечной оси симметрии псточ- числения. Для измерения светового по-ника света и проходящей через; тока или силы света различных ламп и его световой центр. Средняя сфериче- i светильников служат разной системы ская сила света 1С есть средняя сила j фотомет ры. Сила света и световой поток света источника, одинаковая по всем! вычисляются по найденной яркости направлениям; она равна величине j экрана фотометра (сл. XLIV 382/84). полного светового потока источника j Измерение освещенности чаще всего света, деленного на 4- Соотношение J производится специальными прибо-между полным световым потоком и; рами — люксметрами разных систем, средней сферической силой света: j дающими показания непосредственно
| в единицах освещенности — люксах.
| Прежде, когда источники света ириме-Лижняя {верхняя) полусферическая | пялись весьма малых мощностей (10 сила света есть средняя си-|100 вт>’ онп обытао измерялись только
i ! на среднюю поперечную силу света Jh
ла света источника, одинаковая по»g настоящее время, с применением всем направлениям в нижней (верхней) j источников света больших мощностей полусфере; она равна величине свето- j (д0 до квт. и больше), измерение силывого потока, излучаемого в эту полусферу, деленного на 2~. Точно так лее установлено понятие о полном световом потоке FQ источника света и о1
потоке Fy в нижнюю и о потокесвета или светового потока в одном каком-нибудь направлении не может i характеризовать источника света как е точки зрения распределения силы света, так и со стороны общего излув верхнюю полусферу. Если при свете- i чення, а поэтому источники света чаще J F J j всего характеризуются кривой распревых-измерениях применяется между- j деления нсплы света, т..е. сило„ све‘танародная свеча, а расстояние изме-1 ПОд различными углами, гл. обр. в ряется в метрах, то практическая еди- j продольной плоскости относительно ница освещенности называется просто оси симметрии источника света, так „люкс“. Если же за единицу силы j как в поперечной плоскости, за неко-света принимается свеча Хефнера, j торым Исключением,они излучают при-тогда единица освещенности назы-; близительно симметрично. Для полувается „Хефнер-люкс“. В Англии и Америке расстояние измеряется в футах, единица освещенности называется „ фут-свеча“.
) Прежде «ила света“.
называлась „средняя горизонтальнаячения кривой распределения света ведется измерение через определенное число градусов (5° —10°), значения силы света откладываются в полярных координатах под соответствующими углами, и конечные точкивекторовевды света соединяются кривой. На рисунке 2 изображена поперечная кривая распре“
Таблица 2. Стандартные определения и обозначения световых единиц.
Наименование единиц
Сокращенное обозначение (шрифт)
Определения

вностр.

русск.

Единицы светового потока Люмен

! 1т

ЛМ

Единяца светового потока, точное значение ко

Килолюмен.

j

klm

КДМ

торой для СССР определяется по эталонным электрическим лампам накаллваяпя, выверяемым Воес. научно-исслед. имст. метрологии и стандартиаамии | Всесоюзного комитета по стандартизации цря СТО.

1000 1га

Единицы поверхностной плотности светового потока:

Фот

ph

Ф

Поверхностная плотность светового потока в один

Миллифот.

mph

“Ф

i

люмен, равномерно распределенного на площади в одяя кв. сантиметр.

дна тысячная Фота (0,001 ph).

i

Примечания. К Для единицы светимости допуе» кается :аки;в применение наимемованил „рад фот““, сокращенное обозначение rph-рф.

II. При измерения освещенности допускаетоя применение единицы 9люксравной 0,0001 ph. Сокращенное обозначение 1х—лк.

Единицы оветовой энергии:!

i

i

Люмен-секунда. !

lm-з

ЛМ-0

Световая анергия, которая при световом потоке

ЛюмеНЧас.1

Im-h |

ЛМ-Ч 1

в одпн люмен расходуется в течение одной секунды. 8.6001т-з.

Килолюмен-час.. . j

klin-li

|

KIM-4

8.600.СОЭ 1т-я.

Единицы поверхностной

i

плотности светов. анергии, испускаемой или получаемой (количестве освеще

1

ния):

Фот-секунда

i

ph-s j

ф-с

Поверхностная плотность световой энергии, пе

Фот-час..

ph-h

Ф-Ч

лучаеыой иди отдаваемой поверхностью при ее освещенности в один фот в течение одной секунды.

3.600 ph-s.

Единицы силы овета: Сеча (международная).
Примечания. I. Для единицы поверхностно“ плотности испускаемой световой анергии допускается так г в применение наименования радфот-се-4:унла (с»кр. о сзн. rph-в, рф с).
И. При измерении поверхностной плотности получаемой световой анергии доаускетг-я прямике вне единицы люкс-чао (оокр. обоая. 1х-Ь, лк-ч), равной 0,35 ph-s.
Снла света точечного источника в иапрр.веняях равномерного испускания одного люмена внутри телесного угла в один етраднан. Эта единица установлена международны ми соглашениям“.
ются или из той же массы, или из естественного материала. В случае нагревательных плиток нижняя часть металлического диска снабжается спиральной или зигзагообразной канавкой, куда и закладываются последовательно слой цемент-массы, спираль сопротивления и снова слой массы. Качество подобного элемента определяется, в основном, качеством массы-наполнителя.
4. Эмалевый элемент. Для образования элемента тепловоспринимающая металлическая поверхность заливается тугоплавкой эмалью. На эмаль накладывается соответственно отформованная проволока сопротивления, которая заливается эмалью же, но менее тугоплавкой, чем первая.
5. Элементы с порошкообразным наполнителем.
a) G механическим наполнением.
I. Плиточный элемент. Устройство аналогично устройству элемента с цементной массой. Для удержания порошка канавка замазывается сверху слоем специального цемента. Сборка заканчивается наложением (с помощью болта) прижимного диска. Лучший наполнитель-порошок плавленого магнезита.
II. Пластинчатый элемент. Состоит из проволочной спирали сопротивления, заключаемой в плоский кожух и изолируемой порошком наполнителя. Спираль располагается в несколько рядов но длине элемента. По окончании сборки элемент сильно спрессовывается. Основное применение элемент находит при подогреве воздуха.
III Трубчатый элемент „калрод“ (рисунок 8 и 4). Принцип утсройства
М ОМ
wc/v Устрожто тру&члтого
Н/ГГРёВ. АЛЕМёНГЛ (Ji&flPQA).
Н - НИХРОМ. СПИР/9/lb, О.Ре. -оАжд
МЯГНИЯ; Т. - ЗЯи&НТИЛЯ METJOSiJ г г> у s h/9.
Рае. 8. Устройство трубчатого элемента „калрод“.
заключается в том, что внутрь металлической трубки вводится располагаемая коаксиально с трубкой проволочная спираль сопротивления, жостающееся свободным пространство равномерно и плотно заполняется наполнителем. В качестве последнего лучше всего брать специально приготовленный порошок плавленого магнезита. Наполнение трубки с введенной
Рисунок 4. Нагреватель с элементом „калрод“, залитым в чугун.
водится с помощью станочков, действующих на принципе удара или вибрации. После наполнения элемент подвергается операции уплотнения порошка, для чего он пропускается через волочильный стан или (что лучше) через ротационную ковочную машину. Элемент принадлежит к числу самых лучших из существующих. Он имеет следующие достоинства: простота конструкции; хорошие условия работы сопротивления; механическая прочность; компактность способность принимать любую форму, изгибаясь подобно сплошному металлическому стержню; долговечность. Элементы могут служить для нагрева воздуха и жидкостей, могут заливаться в металл.
IY. Гильзовый элемент „калрод“. Построение аналогично трубчатому элементу „калродл, но трубка берется большего диаметра, и спираль наматывается на керамический сердечник. Изгибу элемент подвергаться не может.
D. Элементы Вакера. Изготовляются .в форме трубок и плиток. По конструкции аналогичны описанным элементам Д, III). По качеству являются лучшими, из существующих, так как изготовляются с лучшим из наполнителей— с окисью магния, получаемой по способу Вакера. Превращение металлического магния в плотную кристаллическую окись магния производится в самих элементах, которые загружаются для этого в автоклав. При снаряжении элементов металлический магний берется в форме трубок и стержней.
Эл
Эл. лампа накаливания, как -нагревательный элемент, может применяться в некоторых случаях, когда ее форма и испускаемый ей свет не представляют неудобств для пользования.
Нагреватели с неметаллическими сопро7пивлениями. В случае угольных, силитовых и др. штабиков и трубок элементы образуются сопротивлениями и контактными устройствами, которые обычно служат и поддержками. Порошки сопротивления использовались до этих пор главным образом в т. наз. криптоловых печах. Принцип устройства этих печей заключается в том, что берутся 2 металлических пластинчатых контакта, опускаемых в кожух из эл. изолирующего материала, и пространство между ними заполняется порошком сопротивления. Паста сопротивления наносится прямо на тепловоспринимающую поверхность нагревательного прибора. При эл. изолирующем материале паста наносится непосредственно на поверхность материала, при эл. проводящем же—применяется промежуточный слой изолирующей эмали. Для образования контактов делаются, путем шоопирова-ния, металлизированные полоски.
Электродный нагрев электролитов
Электродный нагрев электролитов. Способ нагрева заключается в том, что эл. ток пропускается непосредственно через электролит, который и служит эл. сопротивлением. Основное применение способ нашел в эл. паровых котлах, которые используются главным образом для отопления помещений и для получения технологического пара. Достоинства электродных котлов: 1.) легкая возможность обеспечения постоянного давления пара; 2) возможность получения быстрого действия;
3) малый объём на единицу мощности;
4) высокий коэффициент полезного действия (до 96—98°». Основной недостаток электродного котла—непостоянство мощности. Этот недостаток, как и прочие, коренится в свойствах воды, как эл. сопротивления. В зависимости от количества растворенных солей уд. эл. сопротивление воды—о —колеблется в пределах 300—10.000 Q см. С увеличением температуры и значительно уменьшается, причем тем более, чем менее в воде содержится растворенных солей. При нагреве воды некоторые соли выпадают. С другой стороны, при питании котла свежей водой происходит постепенно концентрация невыпадающих солей. При образовании пара часть воды вытесняется вверх, что увеличивает сопротивление рабочей цепи котла. Осаждение накипи на электродах у селичивает переходное сопротивление и тем самым общее сопротивление рабочей цепи.
По условиям питания водой различаются 2 способа работы электродного парового котла. 1-й способ. Котел питается свежей водой. При этом требуется систематическая очистка или продувка котла для удаления воды, слишком сильно насыщенной солями. Для поддержания мощности на постоянном уровне требуется специальное регулирующее устройство.
2-й способ. Котел питается конденсатом (р — 80.000—10.000 &см) с добавкой (если требуется) раствора соды. При этом мощность котла с необходимостью изменяется лишь в период установления нормального парообразования. Присоединяя к котлу бачек, куда может вытесняться вода из котла при увеличении в нем давления пара, получают простое средство регулировки мощности котла в зависимости от условий теплоотдачи пара.
Электродные паровые котлы строятся как на низкое
Электродные паровые котлы строятся как на низкое, так и на высокое напряжение, как на малую мощность, так и на большую, доходящую до нескольких десятков тысяч киловатт. Кроме нагрева воды, электродный нагрев применяется с успехом при пастеризации молока.
Нагрев вольтовой дугой. Как способ превращения эл. энергии в тепловую, вольтова дуга получила широкое применение при построении эл. печей с развитием высоких температур.
Основные процессы, при которых применяются эл. дуговые печи, таковы: выплавка чугуна, плавка различных металлов, плавка кварца, получение карборунда и карбида кальция, ш лучение азотистых соединений из воздуха. Существуют 3 группы дуговых печей: с косвенным нагревом, с прямым нагревом и с комбинацией нагрева дугой и нагрева по методу сопротивления (смотрите рисунок 5). В печах косвенногонагрева (или иначе отражательных) дуга образуется между электродами над поверхностью расплавляемого материала. Чтобы достигнуть при этом равномерности нагрева, печи делаются с вращающимися барабанами или с качающимися ваннами. Основное применение находят в металлургии не железной группы металлов. В печах прямого нагрева дуга образуется между электродами и поверхностью расплавляемого материала. Основное применение печи получили при плавке металлов группы железа. В комбинированны печах, помимо нагрева дугой, производится нагрев посредством пропуск.ния тока через набойку пода печи, составляемую проводником второго класса. Основной материал электродов дуговых печей —уголь. Для образования жаростойкой обмуровки применяются обожженый магнезит, шамотовый камень, доломит, динас. Так как при работе электроды постепенно сгорают, то печи снабжаются механизмами для их пода-± х чи, действующими или ав-
“ “ тематически, или от ручного привода. Питание печей эл. током производится от специальных трансформаторов, Индукционный нагрев, Индукционный нагреватель по существу представляет собою трансформатор, вторичная цепь которого составляется телом, непосредственно получающим нагрев. В случае электропроводного объекта нагрева индукционные токи и е ними тепло возбуждаются в нем самом (прямой нагрев), в случае же не проводящего—в специальных металлических телах (обычно в форме сосудов или трубок), от которых тепло передается объекту нагрева (косвенный нагрев.) На практике пользуются нагреванием как чистыми вторичными токами, так и токами Фуко. Индукционный нагрев применяется главным образом в металлургических печах и при нагреве жидкостей. Основные преимущества способа: возможность получения равномерного нагрева при прямом нагреве и возможность получения малых перепадов температур между нагревательным телом и объектом обработки при косвенном нагреве.
Металлургические индукционные печи строятся на питание токами низкой (нормальной) или высокой частоты. Низкочастотные печи имеют замкнутый железный магнитопровод. Высоко-
л
Put. b. Схемы устройства электрических дуговых печей: 1—электрод; 2—металл; 3-кладка. А—косвенный нагрев; прямой нагрев - 1-м вариант и В—2-й вариант; Г— комбинированный нагрев.
частотные же делаются обычно без железного магннтопровода (рас. 6). В низкочастотных печах получают на ряду с равномерным нагревом хоро
Рас. 6. Схема устройства индукционной печи высокой частоты I—завалочное отверстие; 3— возбуждающая обмотка; З—соед. шин; 4—под; о—свод.
шее перемешивание металла за счет возникающих в нем эл. динамич. усилий. Но эти печи пригодны лишь для термической обработки металла, поступающего в у лее расплавленном состоянии. Затем они имеют низкий cos % заставляющий, при большой емкости, применять специальный умформер для питания током пониженной против нормальной частоты. Преимущества печей высокой частоты: могут загружаться как жидким, так и твердым металлом; развивают большую мощность и соотв. большую скорость плавки; позволяют получить cos <е=1 при использовании явления резонанса; отличаются компактностью. Помимо эл. печей, индукционный нагрев получил применение при нагреве жидкостей, например в водогрейных и парообразовательных установках и в пастеризаторах молока. Делаются попытки применения в бытовых приборах (печки для отопления, утюги).
Тепловая изоляция. Требования к материалам теплоизоляции: 1) малая величина теплопроводности; 2) малая теплоемкость; 3) малый объёмный вес; 4) жароупорность;
5) достаточное сопротивление сжатию.
Вообще говоря, допустимая рабочая температура теплоизоляции уменьшается с увеличением теплоизолирующей способности. Поэтому в случаях относительно высоких температур приходится прибегать к многослойной изоляции. Для внутренних слоев берутся материалы с большой теплостойкостью, но с умеренной теплоизолирующей способностью—материалы, которые можно назвать теплозащитными. Для внешних же слоев берутся материалы с тем более высокой теплоизолирующей способностью, чем ниже получаются их рабочие температуры. При невысоких температурах хороший эффект дает теплоизолирование с помощью тонких прослоек воздуха. При этом почти не происходит переноса тепла конвекцией и слабо еще проявляется действие излучения. В результате тепло передается путем почти одной лишь теплопроводности, которая для воздуха весьма мала. Так, для поко-ющегося воздуха при 100Х1 >.=0,023 Г к кал I _
— —OQ- При высоких температурах, когда интенсивно действует
Свойства некоторых материалов теплоизоляции
Табл и да 11 Г.

Коэффициент

Теплоем

! 1

Т макс

j С«-аротквл.

теплопроводн.

кость

| Объемн. вес i

Материал

ГЦ

ж кал

к кал °°С кг

1 i кг мА i

прюаея.

°С

i сжатью Kifcji

чао

i i

1

!

Пробковая мелочь.. 1

0

Торфанал мелочь.. .|

0

Азбеет, “.. |

0

Шлаковая вата

0

Кизельгур. .. j

0

Кристобалит !

500

Диатомит. ;

500

0,035 !
0,07 0,11 0,06 0,05 0,185 0,28
0,5
0,4
0,2
0,18
0,2
j

150

100—150

—

250

I 150 ;

—

500

| 700

300

—

350

S

—

ООО

: 1.160

12—15

700

3500

80—40

лучеиспускание, с успехом иногда может быть применено теплоизолирование с помощью экранов или ряда экранирующих поверхностей, расположенных одна за другой. Значительное уменьшение потерь на теплоизлучение наружных поверхностей нагретых металлических тел достигается приданием им блеска с помощью соответствующих покрытий (никелирование, полирование, покрытие алюминиевой бронзой).
Теплоаккумулирующие тела. Примем нение эл. нагревательных приборов и установок, действующих на принципе теплоаккумуляции, имеет двоякий смысл. Во-первых, при этом возможно пользование эл. энергией исключительно в ночные часы или вообще в часы малой нагрузки эл. станций.
Для последних же выравнивание графика нагрузки представляет такие выгоды, что они могут устанавливать на ночное время льготный тариф, как это за границей в большинстве случаев и делается. Во-вторых, теплоаккуму-лирование позволяет распределить процесс нагрева на долгий промежуток времени и, благодаря этому, пользоваться нагревателями относительно малой мощности. Это опять - таки выгодно эл. станциям и, с другой стороны, упрощает и удешевляет присоединение прибора к сети. К материалам теплоаккумулирующих тел предъявляются следующие основные требования: большая удельная теплоемкость, большая теплопроводность, большой удельный и объёмный вес и жароупорность.
Таблиц“ IV.
Свойства основных теплоаккумулируювдих материалов

1 Уд. техшоемв.

Материал и !Lajl

1 килограмм сС 1

Коэфф. тепдопров.. к кал м час.°С

Объемн. вес ! Макс, рабоч. кг мг ! темпер.°С

Чугун..1 0,13

Железобетон 0,20

Лесок ..; 0,10

I

40 1 7.250 1,3 ! 2.200 0,33 1.520

| 500 ж более

Для отбора тепла от аккумулирующих тел пользуются или их естественной теплоотдачей, или искусственно создаваемыми токами воздуха.
Примером электронагревательного устройства с аккумулированием тепла может служить электрическая кухонная плита Seeha-nsra, схема устройства которой дана на рисунке 7. Зарядка плиты тепловой энергией производится в ночное время. Энергия запасается гл. обр.чугунными плитами. При пользовании плитой пускается в ход вентилятор, и в соответствии с желаемой степенью нагрева приоткрываются регулирующие вентили. Поток воздуха проходит через слой песка, нагревается и .затем отдает тепло реб-
Рие. 7. Схема устройства, электрической плиты с теяяоакхуму-лированием: 1 —нагреватель; 2 — теилоаккумулятор т чугунных плит; 3—крупныйпееок; 4—регулирующие венчики; б — рабочие плитки; 6—водоподогреватвдь; 7—вентилятор.
ристым поверхностям плиток. После плиток воздух отдает еще тепло в змеевике водоподогревателя. Тепловые потери плиты в нерабочее время невелики, так как теплоаккумулирующее тело хорошо изолировано.
Контрольные приборы. Основной величиной; наблюдение за которой бывает необходимо для контролирования режима работы эл. тепловых установок; является температура. В некоторых специальных случаях большое значение приобретает также влажность воздуха. Для контролирования температуры употребляются ртутные термометры, термометры сопротивления, термопары, оптические и радиационные пирометры. Для контролирования влажности служат психрометры и гигрометры. Некоторые типы эл. контрольных приборов выполняются самопишущими.
Аппаратура автоматического управления. Цель применения аппаратуры залючается в достижении следующих эффектов: 1) ограничение расхода энергии минимальной величиной, достижимой при данной установке; 2) экономия на рабсиле вплоть до полного упразднения обслуживающего персонала; 3) точное регулирование процессов нагрева в соответствии с условиями, выдвигаемыми практикой;
4) предохранение установок от аварий;
5) обеспечение условий техники безопасности.
Важнейшими приборами автоматического управления являются: регуляторы температуры, термореле, выключатели с часовым механизмом, регуляторы влажности.
Чаще всего задача регулятора температуры состоит в поддержании температуры в некоторых постоянных и узких границах. Иногда же требуется, чтобы температура менялась по некоторой заданной кривой, как функция времени („программное регулирование“). Работа установок, снабженных регуляторами температуры, в отношении условий регулирования характеризуется показателями точности, эффективности и устойчивости Точность определяется максимальной величиной отклонений температурных условий от заданных, получающихсяпо достижении установкой ее нормального рабочего состояния. Под эффективностью разумеется скорость восстановления нормальной температуры после того, как по некоторой причине произошло понижение температуры. При достижении установкой, во время разогрева, ее рабочего состояния, как правило, наблюдается период неустойчивости, когда амплитуда колебаний температуры превосходитнормальную. Чем этот период и амплитуда получаются меньшими, тем большую установка имеет устойчивость (рисунок 8).
7 стационарное о режима
Времяпериод нздэеба период приведения устойчивоеот 7в C1opacoirii термостата £ состояниетемпературы 0» устойчивому состоят /«
Рисунок 8, Диаграмма изменения температуры нагревательной установка в период пуска.
Существуют 3 основных способа воздействия на мощность установки для регулирования температуры: 1) способ „все или ничего“, или регулирование полной мощностью. Способ состоит в том, что по достижении рабочей температуры вся мощность выключается, затем, по охлаждении установки на некоторое число градусов, вея мощность включается вновь и так далее 2) Регулирование частью мощности. При этом способе часть мощности остается действующей постоянно, а другая часть включается и выключается, как при 1-м способе. 2-й способ по сравнению с 1 -м дает большую точность. 3) Реостатный способ. Дает возможность весьма плавного регулирования, но связан е потерями энергии в реостате, поэтому имеет значение лишь для лабораторных установок.
Основные требования к терморегу-лирующим устройствам: чувствительность, устойчивость, надежность, постоянство характеристики. В общем случае в терморегулирующие устройства входят: собственно регулятор или термокоммутатор, промежуточное реле, и реле рабочего, тока (нагревателя).
Для построения термо-коммутаторов используются следующие эффекты нагрева: 1) расширение металлов, жидкостей и паров жидкостей; 2) увеличение давления газов; 3} изменение магнитных свойств; 4) изменение электросопротивления; 5) генерация термотоков; 6) испускание лучистой энер гии с возбуждением фотоэффекта.
Схемы устройства отдельных типов термокоммутаторов. Диласион“ ные термокоммутаторы (рисунок 9). Беру-тся два твердых ~ тела удлиненнойформы, из которых одно термоактивное, а другое термоинерт-
Рнс. 9. Схема дидасионного НОв> И ПРИВ0-ЭЯТ терлюк »ммутатпра: Т. А. — ИХ В МвХаНИЧб-Тв1 М08К1 явное тнло; Т. И.— СКую СВЯЗЬ МвЖ-термоинертноетело: У, В.— J
установочный винт; Р−ры- ДУ СОООЙ. НОЛЬ-чажок; Kj и Ка — юнтагс-ш зуСb раЗНИДвЙ электрического контура. J Т
в величинах абсолютных удлинений, получаемых этими телами при нагревании, приводят в действие контактный рычажок. Термоактивные тела делаются из меди, латуни, железа, никеля, цинка. Термоинертные—из инвара, фарфора, кварца. Диласионные регуляторы применяются обычно при Траб «= 400—500°С, но известны конструкции для Траб=120СГС.
Биметаллические т.-к. (рисунок 10 и 11). Применяемый в термокоммутаторах
Рисунок 30. Схема биметаллического термокоммутатора: А— ермокс миллиметрову та-тор с работой на включение:
1 — биметалл: 2—контактная стойка.
Ь
термический биметалл ес“ 11 Сземаг . биметалл и чепредставляет собой меха- ского термокомническое соединение с наложением друг на друга чение: 1—биме-двух металлических ПО- талл;3и4 —
E0HT8iS><Iblt
лоеок, обладающих разными коэффициентами линейного расширения. При нагревании в биметалле возникают внутренние напряжения, заставляющие его изгибаться по форме сферической поверхности (при равномерн. нагреве). Пользуясь зтим, берут биметаллическую пластинку (иаи спираль) и, закрепляя один из ее концов неподвижно, другим заставляют производить при нагревании замыкание или размыкание контактов регулятора. Материалами активных компонентов биметалла (с большим коэфф. лин. расшир.) служат: латунь, константан, ферроникеля с содержанием от 22 до 27% Ni. Для инертных компонентов берутся ферроникеля с содержанием Ni от 36% (инвар) до 46%. Максимальная рабочая температура доходит до 550° 0. При инваре tMaKC=150-200° С-Т.-к. с расширением жидкости (рисунок 12 и 13). Делаются в виде термометров.
Рисунок 12. Простои ртутный термокоммут&тор.
у которых в капилляр вводятся 2 платиновые проволочки. Поднимающийся при нагревании столбик ртути мент замыкает проволочки, которые вводятся в электрический контур регулятора. Применяются при t до 250—
зоо° а
Т.-к. с расширением паров жидкостей (рисунок 14 —16). Делаются термометрического типа, с упругой диафрагмой или с «мехом4“.
В первом случае берется трубка с глухим коленом увели-
Рисунок 13. Ртутный контактный термометр.
в известный мо-
Рисунок 14. Схема газотермического термокоммутатора; 1 — у стан- воч-ный винт; 2—контактная платинойая проволока; 3 — ле! котпаряющаяся жидкость; 4—ртуть; 5— платиновый контакт.
чанного против трубки диаметра. В колено вводятся небольшое количество
Рисунок 15. Схема термокоммутатора с диафрагмой.
схемы мостика, в которую включается контактный гальванометр. При отклонении температуры установки от нормальной мостик выходит из равио-
+
ртути и поверх нее легко испаряющаяся жидкость. Ртуть служат для замы
Рнс
16. Схема термокоммутатора с мехом.
кания контактов, образуемых, как и в пре-дыдущем случае.2-мя платиновыми проволочками. Работа коммутатора с д и а ф раг-мой основывается на быстром переходе упругой части диафрагмы из положения вогнутости внутрь в положение выпуклости наружу под действием паров, интенсивно образующихся по достижении точки кипения жидкости.
TV к. с изменением давления жидкости или газа. Использование эффекта достигается с помощью трубки Бурдона, которая с повышением температуры разгибается (рисунок 17).
Гис. 17. Схема тер-моко.м мути тора о трубкой Бурдона: 1— трубка Бурдона; 2—неподвижная трубка.
TVk. с сопротивлением. Используется влияние температуры на величину электр. сопротивления проводниковых или полупроводниковых материалов, В 1-м случае схема коммутатора такова (рисунок 18): специальное сопротивление или сопротивление самой нагревательной установки вводится в одно из плечгис. 1Ь. ъхема термокоммутатора____
К—контактный гальванометр.
весия. Стрелка гальванометра отклоняется и действует на контактное устройство. Т.-к. применяется при темн, до 1500° С.
Т.-к. е генерацией термотоков. Коммутатор составляется из термопары, горячий спай которой вводится в рабочее пространство установки и контактного гальванометра. Используется при температурах до 1500° С.
Т.-к. с использованием фотоэффекта. Применяется при температурах интенсивного испускания лучистой энергии -Импульсатором служит фотоэлемент. Развиваемый им эл. ток усиливается электронной лампой и служит для возбуждения реле нагревателя.
Общие схемы действия регуляторов температуры. При незначительных мощностях выключение рабочего тока может производиться непосредственно термокоммутатором. Выключаемая мощность существенно по-вышается, если термокоммутатор снабжается приспособлением для мгновенного размыкания тока. При мощности в не
рпе. 19. Схема соединений нагревательного устройства с термине миллиметровутатором, работающий на размыкание тока: В— цепь нагреватели; К, и К. — контакты.
сколько киловатт требуется уже применение реле рабочего тока. Термокоммутатор производит в этом случае размыкание и замыкание цепи магнитной катушки реле (рисунок 19, 20). При особенно больших выключаемых мощностях иля при слишком малых силах тока,
Рисунок 20. Схема соединений пропускаемых нагревательного устрой- твРМО-КОММУТаТО-чтт с термокоммутагорем, г ~
работающим на замыкание рОМ, Применяется тока: R — вспомогательное прОМвЖУТОЧ-
сопротивление. ное реле (РИС. 21).
В качестве реле рабочего тока берутся обычно эл. магнитные контакторы (рисунок 22).
Гяс. 21. Схема промежуточного реле с соленоидом и ртутным прерывателем: 1 — к реле нагревателя—к термокоммутатору.
Рисунок 22. Схема электромагнитного контактора.
Термо-реле. Задача термо-реле со-шюитвтом, чтобы выключать установку но завершении проводимой термической операции. О бычная сх ема дей ствия реле такова. При пуске установки заряжается приводное пружинное устройство реле. По достижении установкой конечной температуры процесса усилием, развиваемым термочувствительным органом реле, освобождается задержннк пружины, и последняя производит работу выключения. Применяемые термочувствительные органы аналогичны тем, которые применяю гея и в регуляторах температуры.
Выключатели с часовым механизмом употребляются для автоматического включения и выключения установок в заранее назначенное время.
Регуляторы влаоюности строятся по принципу психрометра. Термочувствительный орган регулятора поддерживается все время в увлажненном состоянии. В зависимости от влажности воздуха изменяется скорость испарения влаги чувствительным органом, а вследствие этого и его температура. С изменением же последней изменяется деформация чувствительного органа, которая и используется для приведения в действие контактного устройства.
Существующие эл. тепловые приборы и установки. Проводя наиболее общую классификацию, существующие эл. тепл, приборы и установки можно разделить на оборудование: .1) для пром. предприятий тяжелой и легкой индустрии, 2) для сельского хозяйства, 8) лабораторное, 4) для предприятий, обслуживающих бытовые нужды, и для индивидуального быта.
Индустриальное оборудование. Операции, выполняемые с помощью эл. теплового оборудования, по отдельным отраслям промышленности таковы: а) металлургия: выплавка чугуна, плавка и рафинирование железа-и стали, выплавка не-железных металлов, изготовление различных сплавов, в том числе особо высокого качества, б) Металлообрабатывающая промышленность: прокаливание, закаливание, отжиг, отпуск, сварка, пайка, в) Керамическая промышленность: плавка и пеюеработка кварца; получение тугоплавких окисей и их синтез; искусственное изготовление драгоценных камней; получение извести, цемента; получение шамота, стеатита и пр, обжиг изделий из шамотовой, фарфоровой и прочих масс; покрытие глазурью, г) Химическая промышленность: проведение реакций в различных конденсированных системах; синтетическое получение нитросоединений, проведение реакций между газами и твердыми или жидкими веществами (окисление, восстановление, кальцинирование, нитрирование, гидрирование); получение карбидов силиция, кальция и различных тугоплавких металлов.
Для осуществления отдельных операций нагрева пользуются эл. энергией в текстильной и бумажной промышленности, в типографском деле,. в производстве обуви, в пищевой промыншенности. При получении техно логического пара и при сушке сырых материалов и готовых изделий эл. нагрев имеет универсальное применение.
Из отдельных видов эл. тепловых установок наибольшее значение для промышленности и наибольшее распространение имеют различного рода эл. печи. Нужды металлургий обслужи вают печи с вольтовой дугой и индук ционвые. В прочих отраслях промыт, ленности применяются» главк. обр.. печи с сопротивлениями. Чаще всего пользуются металлическими сопротивлениями из сплавов типа нихрома-Сопротивления обычно располагаются в самом пространстве печи, наир, подвешиваются посредством керамических поддержек с внутренней стороны вертикальных стенок. Употребительные формы нагревательных сопротивлений таковы: открытые, горизонтально подвешиваемые проволочные спирали; секции из шин, изгибаемых зигзагообразно.
Эл
Эл. тепловые приборы и уста- г теки для сельского хозяйства. Список основных электрифицированных операций нагрева в сельском хозяйстве таков: запаривание и силосование корма;подогреЕ воды; пастеризация молока; инкубация и бру-дерация птицы; стерилизация яиц, сушка плодов, овощей, зерна, чая, табака, травы, дерева; обогрев помещений с животными; обогрев почвы и культивационных помещений; стерилизация почвы (подробнее см. t электротехника в сельском хозяй- < стве).
Бытовые установки и приборы. Основное применение находят при ледующих операциях: выпечка хлеба, приготовление пищи; приготовление горячей воды; стирка, глажение белья, отопление. Эл. хлебопекарные печи (рисунок 23, 24) работают без аккумулирования эл. энергии (на дневном токе) или с аккумулированием (на ночном токе). Делаются с неподвижным подом, е выдвижным и вращающимся, затем люлечные и т.ельные. Последние 3 типа—конвеерные- Печи с аккумулированием складываются из кирпича. Новейшие печи без аккумулирования имеют стальные стенки: Для теплоизоляции применяются шлаковая вата и азбест. Нагревательные элементы применяются: с заделкой проволоки в цемент (печи с аккум.), открытые ра-
Рес. 23. Внешний вид люлечной электрическойхлебопекарной печи.
ночные, трубчатые калрод закрытые плиточные. Регулирование температуры ведется вручную или автоматнче-
Рисунок 24. Внутреннее устройство люлечной электрической хлебопекарной печи.
ски Температура рабочего пространства берется 200—275°С. Выпечка, в зависимости от вида изделий, длится от 10 минут до 2 часов. Удельный расход энергии составляет от 0,2 до 0,5 квч на кг хлеба. Оборудование кухонь. Важнейшими предметами эл. теплового оборудования больших (обществ, значения) кухонь являются; большие плиты, варочные котлы и духовые шкафы. Еще применяются: кондитерские печи, Bain-Marie, кастрюли, сковороды, кипятильники, машины для мойки посудыи др. Рабочая поверхность плиты образуется рядом круглых плиток, каждая из которых питается эл. током самостоятельно. Плитки имеют обычно 3 ступени нагрева. Нагрев в варочных котлах производится или элементами, или электродным способом. Оборудование индивидуальных кухонь составляется из небольших плит, настольных плиток, кастрюль, сковородок, духовок, чайников и прочие Водоподогреватели. Известны 3 системы водоподогревателей: проточные (в которых вода нагревается, протекая через нагревательное устройство), быстродействующие наливные (без аккумуляции) и т. наз. аккумуляторы горячей воды. Последние наиболее интересны. Основные части эл. -аккуммуляторов горячей воды следующие: резервуар для воды, кожух, тепловая изоляция, эл. нагреватель и регулятор темпера“уры. Приборы делаются „низкого давления-, и тогда резервуар всегда сообщается с наружным воздухом, и „высокого давления“, тогда вода в резервуаре всегда находится под полным давлением линии. Прибор устраивается так, что разбираемая горячая вода вытесняется из него действием поступающей холодной воды. Для удобства получения воды любой температуры применяется смеситель. Вода нагревается нормально до 80—85° С. Время нагрева берется порядка 8 чао. К-п.д. получается порядка 95%. Нагреватель образуется элементами, вводимыми в резервуар через фланец. Элементы берутся трубчатые „калрод“, слюдяные или гильзовые—излучательные. М щность прибора получается небольшой, составляя 11-13 ватт на 1 литр емкости, что облегчает его присоединение к сети. Благодаря свойствам термоса прибор позволяет вести нагрев исключительно ночью и весь день иметь горячую воду. Стиральные машины. По способу стирки различаются машины е неподвижным бельем, или гей эерные, и с движением белья, или механические стиралки. В гейзерных аппаратах промывка белья осуществляется путем периодического интенсивного разбрызгивания кипящего щелока гейзерным устройством. В механических—пу 1 ем трения. В гейзернойстиралке стирка продолжается 7 час. Автоматичность ее действия позволяет использовать для стирки ночное время, Механическая—стирает около часа. Для привода требуется мотор.
Эл отопление
Эл. отопление (ер. XLY, ч. 3, 326). Имеет применение главным образом в качестве добавочного к огневому отоплению и в случаях сравнительно кратковременного действия. С точки зрения гигиены наиболее совершенной является система с излучением тепла большими поверхностями нагревательных панелей, устраиваемых под потолком или в самом потолке помещения. На практике же пользуются чаще всего переносными отопительными приборами. Наиболее употребительны конвекционные печи с аккумуляцией тепла и без тагсовой, излучательная печь с рефлектором, радиатор с водой, в которую вводятся закрытые элементы сопротивления (рисунок 25).
0чт
-k;
!!“>.
п;
STTff
г:»
Рио. 25. Электрический водяной радиатор: R—нагревательный элемент; А — кожух; Т — контакты элемента.
О распространении применения эл. тепла. Основная предпосылка распространения-экономичность —создается главным образом за счет дешевого тарифа на эл. энергию (ср. электрификация. LI, 658). Соответственно этому наибольшее развитие применения эл. тепло получило в таких странах с дешевой эл. энергией, как Швеция, Норвегия, Швейцария, Канада. Однако, способность эл. нагрева к конкуренции с огневым не определяется еще простым сравнением стоимости единицы
Энергии в обоих случаях. Во внимание должны быть приняты отмеченные выше особые преимущества эл. тепловых установок перед огневыми, который делают применение эл. тепла рациональным даже и тогда, когда затраты на эл. энергию несколько превышают соответствующие затраты на топливо. Кроме стран с особо благоприятным:е условиями отпуска эл. энергии, эл. тепловые установки и приборы получили значительное распространение в США, Англии, Германии, Японии, затем во франции. Голландии к др. странах. В СССР применение эл. тепла получило пока заметное развитие лишь в тяжелой промышленности. В быту эл. тепло применяется слабо и в с.х. почти совсем не применяется. Производство основных материалов и фабрикатов, применяемых в технике эл. тепла, еще ждет у нас своего развития.
Эл
Эл. тепловой расчет приборов с металлическими сопротивлениями. Коэффициенты теплопроводности материалов и тепло перехода,—величины, которые почти целиком определяют собой тепловой режим прибора,—претерпевают значительные изменения в зависимости от целого ряда факторов. Высокая степень способности тепловой энергии к растеканию во все стороны ограничивает возможности управления тепловыми потоками. Передача тепла тремя путями: кондуктив-ностью, конвекцией и излучением ведет к очень большому числу комбинаций в условиях теплопередачи. В результате этого расчеты эл. тепловых приборов носят приближенный характер, требуя для уточнения постановки специальных экспериментов, и для их выполнения не существует универ сального метода. Ниже ограничиваемся, поэтому, описанием расчета по методу коэффициента монтажа
Расчет прибора в челом. Обычно задача ставится так: требуется построить прибор, который некоторое тело весом Р кг с удельной теплоем-к калкостью С -g0Q- нагревал бы с начальной температуры 60 (3С) до конечной 0 за время в ь час. Необходимо опре-
! делить мощность нагревателя IV, | удельный расход энергии Ек) и коэффициент полезного действия--| материал, форму, сечение и длину металлического сопротивления. Для определения мощности прибора, необходимо знать энергию потерь, но последняя зависит от первой. Для выхода из затрудмен ия при и редваригельном расчете величиной к. н. д.~ прибора надо задаться. Тогда мощность найдется из ф-лы:
TF:
СР (е.—во) 860 ч t
квт
Ш
I (860—коэффициент перехода от кило-i калорий к кнловаттчасам; 1 квч --! =ьб0к/кал.). Исходя из фо| мы и объёма | объекта нагрева, устанавливаются I форма и размеры рабочего простран-Iстеа (рабочей поверхности) прибора.
| Выбираются способ расположения и j топ эл. нагревательных элементов, j Устанавливаются число отдельных : сопротивлений (элементов)—ее, мощ-
! w
I ность единичного— w
п
-и спосои эл.
! соединения элементов между собой.
; Фиксируется величина напряжения на клеммах элементов—г.
I Расчет сопротивления (элемента), j Длина I и сечение s сопротивления не могут быть непосредственно определены из теоретических ф л.Существует лишь формула, устанавливающая взаимозависимость I и 5, которая может быть написана в следующем виде:
1 =
V-S
[2]
Р [1 ~та (Гс — Т{})]
(здесь Тс — темпер.сопротивленияв°С; !Г0—температура, к которой относится р; а—температ. коэфф.) Необходимо поэтому одну из величин / или —определить косвенным путем. Практически определяют s. Существует ряд таблиц (вылущенных фирмами, поставляющими материалы сопротивления), дающих связь величин: диаметра проволоки сопротивления cl, силы тока—I и температуры — £с, составленных для случая проволоки, расположенной горизонтально в спокойном воздухе и свободно отдающей тепло. Извлечение из одной из подобных таблиц дается ниже.
Таблица V. Взаимозависимость диам. проволоки, силы I р в завНСИМОСТИ ОТ ОТНОШеНИЯ
тока и ДпТМ фирмы ! ширины ленты а к ее толщине Ь даются
: |след, таблицей:

d пров. миллиметров

Сила

тока при

тем i ер ату ре

200»С |

400 1

600

8.;0

7,2 !

16 »

27

39,5

5 |

И

25.7

V

8.8

8,8

13

1К,7

1

6,3

10,1

14.3

0,8 ;

-Д !

Г)

7.8

10,8

0,6

1.7

8.6

5.5

7,5

(.,4

1 !

2,1 !

:.;,з

4,4

Таблица VTT.

аЬ | 2 3

4

о

7

10

25 и более

р 1,15 j 1,2 |

1,25

1.3 1

1,35 1

1.4 |

1 Ц5

Чтобы воспользоваться таблицами в том случае, когда условия охлаждения проволоки не совпадают с табличными, нужно вместо той температуры
Задавшись отношением и получивзначение V по выбранной Тс, находятиз таблиц величину d и по ней сечение т.Ф
ленты: s — ab —, Наконец, находятся стороны сечения: авзять фиктивную температуру Тс ~=mTr Здесь „еп“—т. наз. „коэффициент монтажа“, учитывающий специфические условия охлаждения проволоки. Величина его для некоторых случаев дается след, табличкой:
Таблица VI.
-/(
“) }
А
а
Род конструкции
Приборы без тепловой изоляция (проволочные спирали в спокойном воздухе) 0,8
Приборы со слабой теплов. изол. (проволока, навитая яаогнеупорный держатель в воздухе)0,6—о,7
Приборы со средней теплов. изол. (еопро-тлв Юнне между 2-мя изолирующимислоями) 0,5
Прнбоиы о мощной тепловой изоляцией (трубчатке печи со слоем изоляции в несколько раз большим диаметра j рабоч. п; осгранства). .| 0,3—0,4
Т. обр., остановившись на определенном материале сопротивления, выбрав температуру Тс и установив примерное значение коэфф. монтажа т, находят диаметр проволоки d и далее по ф-ле
(2) длину L В случае, когда берется не проволока, а лента, способ расчета остается тот же, но вводят еще т. наз. коэффициент профиля —р, учитывающий разницу в условиях охлаждения проволоки и ленты. Лента охлаждается лучше проволоки, поэтому при той же температуре получает большую нагрузку.
Соответственно этому в случае ленты исходят не из действительной силы тока I, а из уменьшенной, фиктивной, I / W
силы тока Г=-- J Значе-
Расчет тепловой изоляции. Один из возможных способов расчета таков: выбирают материал изоляции и устанавливают толщину слоя, исходя из конструктивных соображений. После этого высчитывают для проверки достаточности толщины среднюю мощность теплопотерь в окружащую среду, поль
КМ
зуясь ф-лой вида: Wnor=-щ- [кв]
где К—всеобщий коэффициент теплопередачи и ДГ— средняя разность температур рабочего пространства и внешней среды за время нагрева. Выражение для К получается разным для различных типовых условий теплопередачи.
Уточненный расчет прибора. Установив на основе предварительного расчета форму и все основные размеры нагревательного прибора, вычисляют и затем суммируют: 1) полезную затрату энергии и 2) энергию потерь в окружающую среду, энергию, аккумулируемую конструктивными частями прибора (если рассчитывают на пуск с холодного состояния) и энергию всех других видов потерь. Деля сумму на выбранную длительность процесса нагрева в часах, получают уточненную мощность нагревателя, после чего можно соответственно уточнить и размеры сопротивления.
Л итератора. Материалы сопротивлений: Жемчужный и Погодин: „Сплавы для эл. измерит, к нагреват. приборов“1, Л., 1928; „Zeitschr. V. D, I,“, 1994, 2<s 20; „Е1. Wirtsch.-, 1932, № 25. Эл. изоляция: „World Power-, 1928, &7; „Е1. Warme-, 1934, №2;
„Gen- El. Review“, 1933, Mi 9; „The El. Review“, 1926, Ms от 18/VI. Построение элементов: „L’El»ctricien“, l»3l, фев.; „Gen. El. Rev “, 1983, Vs 8; „The El. Rev..
1933, стр. 217; „The El. Times“, 1934, V 2212. Электродной нагрев воды: „Электричество“, 1935, Me S: „В. В. С.—Mitt.“, 1935, март. Hurj еге вольтовой дугой ц индукционный: М. Piram, „Elektrolhermie“, „El. Warme“, 1934, V: 7. Тепловая изоляция: Макаров, „Теория и практика тепловой изоляции“; „Е1. Warme“, 1934, Ws 2 и 6; „Iron Age“, 1934, Me 16. Кон-! трольная аппаратура: Кулъбуш, „Электрические пирометры“; Лахтин, „Приборы для измерения температуры в тепловых у-таповках“. Аппг.ра ура автоматического управления: „Siemens-Ze;tschr.“, 1931, Vs 10; „Е1. Warme“, 1934, Ms 10; „Gen. El. Rev.“,
1934, Ms 5; „Электриф. c. 1935, Ms 2; „Электричество“, 1935, Vs 5. Эл. тетовые приборы и установки: а) промышленные: Сибилев, „Эл. печи“; Pirani, „Elektrothermie44; Kratochwil, „Elektrowarnie-verwertuig“; „Е1. Warme“, 3924,Ms 5; б) селы“ко->.оз.: „Энергетическое обозрение4, 1931, Ms 8; „С. R. E. A. Bulletin14 (Chicago), 193!, нгябрь; „Электрификация сельск. хозяйства44, 1933, Ms 1;,Z. V. D. J“, 1932, Vs 15; „Е1. Verwertung“, 1932/33, V 4/5: „Е1. Yerw.“, 1934/35, Ms 2; в) бытовые: „Т. Inst. El. Eogrs.44, 1931, сент., и 1935, май (отопление): Harry, „Е1. Gross-kiiche in dor Schweiz“; „Е1. Wirtsehaft“, 1931, ноябрь (кухни); „Г. Inst. El. E.“, 1928. Ms 378 (хлебопечьние)» „Электриф. с. x.“, 1932,Ms5/3 (содоподогрев); Драбкин, „Электрификация быта за границей“. Расчет эл. нагревателей: „Bull. Schweiz, El. Ver.“, 1923, Ms 9; „L4EleotnVien“, 1929, Vs 1461; „Электричество“, 1930, Ms 19; „Schweiz. Tethn. Zeitschr.44, 1919, W 39 и 40;,L‘Electricien“, 1933, Vs 1578. _
В. Смирное.
Электротехника в сельском хозяйстве
Электротехника в сельском хозяйстве. Электрификация промышленности и сельского хозяйства представляет одну из крупнейших областей современной техники, где электричество применяется в самых разнообразных формах, являясь всюду, как правило, фактором, позволяющим рационализировать и упрощать производственные процессы. Электричество обладает необычайной по сравнению с другими видами энергии гибкостью и многообразием форм применения, простотой распределения и подачи энергии в определенное место, потенциальной способностью в нужный момент выделить строго необходимое количество энергии и сравнительной простотой включения и выключения приемников ] тока и их обслуживания (ср. электри- j фикация, LI, 658 с л.). ;
Эта простота управления и возмож- ‘ ность передачи энергии в любых ко-: личествах представляют большую вы-j году даже на малых пространствах | завода, на огромных же пространствах I усадеб и полей совхозов и колхозов! они сыграют еще большую роль и дадут еще больше преимущества перед другими способами механической передачи и распределения энергии. Электричество используется в сельском хозяйстве в основном в качестве механической силы, как источник тепла и света, как химический фактор и как мощный фактор биофизических и биохимических процессов.
В настоящее время область использования электричества значительно расширяется в сторону применения высокочастотных электро - магнитных колебаний для связи между МТС-мн, в борьбе с вредителями сел. хоз., в области селекции и генетики. Однако, все это далеко не исчерпывает возможностей, заложенных в электричестве,—новые открытия в строении атома, нахождение положительных электронов намечают новые гигантские сдвиги в области прикладной электротехники. Пройденный этап дает оскохание для этого предположения. Процесс электрификации, который в промышленности зашел необычайно глубоко, в сельском хозяйстве еще только начался, оставаясь по количеству потребляемой энергии в наиболее электрифицированных странах в пределах 5—7°/0 от всей суммы вырабатываемой электрической энергии.
За последние годы наступил поворот в сторону электрификации сельского хозяйства. В Советском Союзе это диктуется интересами развития народного хозяйства и улучшением материального и культурного благосостояния трудящихся города и деревни. Другое дело— в капиталистических странах. Несоизмеримо мелкий масштаб сельского хозяйства капиталистических стран по сравнению с гигантскими промышленными предприятиями заставляют электротехнику идти по узкому руслу мелкого индивидуального хозяйства. Поэтому за границей многие достижения электричества в области промышленности не могут быть перенесены в сельское хозяйство. Капиталистическая техника изощряется в искусственном уменьшении масштабов машин и методов для удовлетворения такого мелкого крестьянского хозяйства, как, например, в Германии, где
59% крестьянства имеют менее 2 га обрабатываемой площади.
По статистике 1923 г. общая мощность установленных в сельском хозяйстве моторов достигла в Германии
3.770.000 л. с. при количестве моторов около 1.046.000 шт. В Германии электрические моторы составляют почти 85% всех механических с.-х. двигателей.
Таблиц а 1.
; Устало-; Средняя : военная ! мощность

Род токоприемника Количество;

МОЩНОСТЬ, :

квт. |

тока приемника, квт.

лампочки какали-:

i

!

вания

21.3oO.OCO ;

727.000,

0,034

моторыI

1.016.000

3.770.000:

3,595

запарники вартоФе-

S.7S0

9.9S0:

1.113

нагреватели воды.

2.9йо ;

2.910!

0,99

нагреватели и бы-

T:iBue приборы .

561.000

417.500

0,435

доильные установ- i

Элек гроенлоз.тыэ

4.4SO :

5,170.

1.154

установки

135

3.100

23,00

д о к; д е в а льн ы о

установки

394 ;

2.90О;

7,30

Общая мощность в сети токоприемников, установленная в сельском хозяйстве, достигала в 1928 г. 4.910.110 квт, причем средняя величина токоприемника выразилась в 3,11 квт. Таблица 1 дает характеристику типичных для Европы потребителей электрической энергии в сельском хозяйстве, получивших за исключением электро-сплос-ных установок массовое применение.
К установкам, получившим широкое применение, нужно отнести инкубаторы, брудеры и другое электрифицированное оборудование для птицеводческих ферм Америки, где инкубатории достигают емкости до 1.200.000 и более яйцемест, мощные электрокасоеные установки Калифорнии и Италии и
| хозяйства. Замена электромотором | трактора при наличии электрических; сетей рациональна, так как в этом случае: 1) нестационарный двигатель заменяется стационарным по свойствам (амортизационный срок более 10 лет), хотя электродвигатель может быть сделан передвижным; 2) уменьшаются потери в зерне в связи с более равномерным числом оборотов электромотора; 3) освобождаются трактора для | пахоты под зябь; 4) облегчается даль-| нейшая механизация молотильного; тока путем замены ручной подачи I снопов к барабану транспортером; ло-|шадп и люди, занятые оттаскиванием; соломы, заменяются электролебедкой 1 с двумя тросами и сеткой, полова : убирается пневматическим транспортером от специального мотора (поло-воду в), а переноска зерна в мешках к веялке и весам заменяется шнеком и ковшевым элеватором.
На электрифицированном таким обра-i зом молотильн. току с молотилкой типа I ME 1100 освобождаются 7-8 лошадей | и около 20 человек рабочей силы. Такой | ток может обслужить без передвиже-| ния на другое место до 400 га. Потреб-I нал мощность для отдельных моторов ! дана в следующей таблице:

I

Назначение | мотора

Мощность

(квт)

о в |

VO S3 ;

Ч ® 2 j

; О я |

Примечания

Молотилка. .

13—14,5

S 1.500

Лебедка.. .

4.5

Г 1.000

крановый мотор при ED — 40°,0

Половодув. .

1,0

оо

Л

при длине труб около 75 м и наличии

Снопоподава-

двух отводов

тель

1.3

! 1.ооо

Веялка со шпе

1

ком

! 0,8

I 1.000

i
полностью электрифицированные шем | Подача электрической энергии от ководческае предприятия Японии, j высоковольтной сети производится Разнообразные виды электрпфициро-1 через понизительный (на тележке) ванного транспорта, злектрифициро-1 трансформатор мощностью около 30 квА. ванные мощные сушильные уста-1 Упрощение системы подачи тока с ковки для сушки сена, электрона- j переходом на двухпроводную систему, соевые установки для дождевания, кр“; причем земля служит обратным про-ригацпи и мелиорации получили также ! ведом, в настоящее время может быть достаточно широкое распространение, j рекомендовано. Однако, намечается Электромолотьба играет зиачитель-! дальнейшее упрощение с переходом к нуго роль в электрификации сельского j однофазной системе (земля и один воздушный провод). В этом случав необходим переход к однофазному мотору с конденсатором, включаемым при запуске для получения достаточно большого пускового момента. Возможно использование и трехфазного мотора при однофазной системе, если в одну из двух заземляемых фаз ротора включается конденсатор.
Широкое распространение комбайнов ограничивает с каждым годом применение молотилок. Однако, сам комбайн, приводимый в движение от двигателя внутреннего сгорания с механическим распределением энергии, вероятно, перейдет на дизель, соединенный с электрическим генератором, и все распределение энергии по отдельным’ узлам (хедер, молотильный, механизм, cal мопередви женив и так далее) будет производиться электрическим путем, то есть комбайн перейдет на, многомоторный элек-т р ический привод, питаемый от собственной “электрической станции. Эта станция и моторы комбайна в течение почти Юмес. могли бы быть использованы для нужд колхозов и совхозов в осветительной и моторной энергии.
Мотор для молотилки обычно устанавливается на деревянных салазках, связанных в раму сзади молотилки; при этом нижний ремень оказывается ведомым, провисает, требует подтягивания сверх допустимых пределов, что ведет к быстрому износу подшипников мотора, Попытки расположить мотор на самой молотилке наверху позволяют сделать нижний ремень ведущим и более коротким без ущерба для работы мотора.
Электричество в птицеводческих ха* зяйствах Западной Европы и особенно Америки играет чрезвычайно большую роль
Электричество в птицеводческих ха“ зяйствах Западной Европы и особенно Америки играет черезвычайно большую роль. Это объясняется в значител; ной мере удельным весом птицеводств в Европе и Америке. Представление о масштабе и значении птицеводств дает соотношение между продукцией пшеницы и продукцией птицеводства. В Америке в 1919 году стоимость годовой продукции тг:ицеводства превышала на 38% стоимость пшеницы, в Германии в 1927 г. соответственно на 23%. Поставляя один из основных продуктов питания в Америке, птицеводство получило наиболее современную техни-
Рисунок 1. Электрический инкубатор.
, ческуюТбазу в виде электричества, что позволило ввести и. совершенные тех-; нические способы в производство.
В крупных хозяйствах Калифорнии электричество выполняет инкубацию и выращивание цыплят. Для этого служат инкубаторы емкостью до 50.000 яыцемест (рисунок 1) е электрическим обогревом от тепловых элементов из нихрома или никкелина, электровентиляторы для смешения воздуха, электрический регулятор температуры (ем. ЫН, 209 ел.), позволяющий регулировать температуру в пределах 0,5°, сигнальная лампочка, которая при перерыве! является зонтичным типом. По амернтока погасает, и электрический звонок, сигнализирующий об остановке вентиляторов и неполадках в вентиляции. По сравнению с инкубаторами с обычным неэлектрическим подогревом электровентиляторы занимают меньше места, в несколько раз менее требуют металла» дают более точную регулировку температуры, сохраняя все преимущества электрифицированной системы по простоте обслуживания. Поканским данным потребная мощность колеблется от 1,9 до 1,3 ватт на цыпленка при расходе энергии за 42 дня от 0,47 до 1,55 квч. на цыпленка, в за-| висимости от внешней температуры и типа брудера. Обычно брудер делается на 500 цыплят из расчета 40 сме на голову. Американский зонтичный брудер на 635 цыплят имеет диаметр около 1,8 м. Брудер снабжается терморегулятором на том же принципе, как иамерик. данным расход энергии колеб-1 терморегулятор для инкубатора. Снаб-лется в пределах 23 квч. на 1.000 яиц j жая брудер занавесками, закрывающи-для инкубаторов мшцы. около 15.000 яйце-1 ми щель от пола до нижнего края мест и 123 квч. на 1.000 яиц для инку-1 брудера, можно значительно снизитьрасход энергии, для цыплят занавески не создают затруднений.
Цыплята, инкубированные во внесезонное время, особен“ но предназначенные для воспитания в б атарейных брудерах (рис.
2),погибают отбаторов на 600 яйцемест. Большое j рахита и истощения организма, если значение играет климатическая зона, j им не дать облучения ультра-фиолето-температура внутри инкубатория, тип; выми лучами от ртутно-кварцевых roil степень теплопроводности стенок редок. Обычно облучение дается на 6-й инкубатора. Электрический инкубатор | день жизни цыпленка, начиная от 1 мина 41.600 мест впервые был построен ! нуты с повышением до 10 минут, еже-в ССОР в 1932 г. по проекту инж. j дневно при расстоянии кварцевой го-К. И. Четыркина. Длина этого инку-j редки на один метр от пола. С выпуском
Рке. 2. Электрический батарейный брудер.
батора около 6 м, ширина около 2,4 ж и высота 9,8 м. Установленная мощность инкубатора около 6 кв., удельная мощность 135 ватт на 1.000 яиц, расход энергииболее простых и дешевых источников ультра-фиолетовых лучей этому способу принадлежит большое будущее. Хорошие результаты дает добавление вза 21 день инкубации 68 квч. на 1.000 | корм сухих пивных дрожжей (1—2%), яиц при тарифе 8 коп. за квч., стой-1 также облученных ультра-фиолетовым мост энергии на выведенного цып-1 потоком от ртутно-кварцевой лампы, ленка обходится около 0,5 коп. | Интенсивностьпотокахарактеризуется
Инкубированное стадо цыплят требует | расстоянием тонкого слоя дрожжей в течение 42 дней повышенной темпера-j (0,5—1лш) от лампы обычно 350 шь и туры, по степенно понижающей ся-обыч- продолжительностью облучения (ок. но 35°, 30е и 25е. Это достигается б руде-; 20 мин.). Действие такого препарата рами с электрическим., подогревом от на рахит может сравняться е действиемниккелиновых нагревательных эле ментов или просто угольных ламп. Брудера имеют разнообразные конструкхорошего рыбьего жира, добавляемого в кормовой рацион.
Большое значение может иметь петавжм® формы. Тип советского брудера j ренесение носкости кур на внесезонноенал всего 175 шт.
время. Это достигается комбиннро-! количество действующих установок ванным действием ультра-фиолетово-: сократилось до 135, хотя в числе их го облучения и добавочного освещения имелась установка на 4.000 м“ силосной утром и вечером от обычных газопол- j массы с 31 силосной башней. В 1930— ных ламп накаливания в целях удли-j32 гг. в ряде стран пробудился вновь нения дня приблизительно на 4 часа j интерес к электросилоеованню. В СССР для увеличения времени покдева. По : за последние годы исследовательские опытам Всесоюзн. исслед. и-та электр и-! институты провели большое количество фикации с. х. в 1932 г. группа, облу-1 опытов с электроеилосованнем, в ре-чаемая от ртутно-кварцевой лампы, | зультате которых пришли к заключе-дала с 26 февр. по 20 апреля 430 шт. | нию о целесообразности применения яиц, а группа контрольная необлучен- j электричества в процессе горячегосилосования отходов в х-ве, как то: ржаной соломы, кукурузного бодылья,. гуза-пои, пелевы, сорных трав, осоки и древесных веток. Го-у: рячее электросило-% сование сочных кор- мов(клевера,подсол-Ц нуха и др.) вера-ционально, так как; обычный холодный : способ силосования дает без добавочных ц,; затрат достаточно д: надежные результа-Ф ты; исключение возможно при ранних холодах для силосования 2-го укоса сочных кормов или ботвы свеклы, картофеля, турнепса и других при дождливом лете. Выгодность холодного силосования с применением электричества осталась спорной. Сущность электрического силосования заключается в следующем.
Обычный способ консервирования-силосования, широко применявшийся за границей, электротехника попыталась ускорить и придать процессу закономерный регулируемый характер, дающий в конечном итоге корм с определенными питательными свойствами. В основном способ сводятся к тому,
Рисунок 3. Машина для сортировки и штемпелевания яиц.
Электричество в птицеводстве
Электричество в птицеводстве, кроме форм тепловой и лучистой энергии, применяется в качестве механической силы для вентиляторов, кормо-подготовительных машин, электрокар для развозки кормов в больших хозяйствах, для рыхления почвы на выгулах электрофрезами (т. к. трактор пугает птицу шумом), для подогрева воды, для привода машин для ощипывания птиц и сортировки пера и пуха. Рисунок 3 представляет одну из машин для просвечивания яиц, их сортировки, взвешивания и штемпелевания номера сорта. Производительность машины около 600 яиц в час,! что свеже-скошенную траву пропу-мощность мотора 1/у л. с. Операции скают через соломорезку и набивают начинаются от ящика иа“, куда по- плотно в обычные силосные банши или ступают яйца. | траншеи. Пропуская электрический
Электрическое консервирование кор-1 ток через траву (смотрите схему, рисунок 4), вы-мов получило практическое приме-! зывают нагревание травы и тем самым нение в Германии, где в течение создают благоприятные условия для 1920—25 гг. находилось в эксплуатации развития микроорганизмов, вызываю-ок. 600 установок. По переписи 1928 г. I щих молочно-кислое брожение, в результате чего получается стерильный корм в силосных помещениях. По окончании процесса помещения закрываются герметически до момента по-
Рио. 4. Схмга электрокормпвой установки, состоящей в“ трех помещений емкостью около 1.000 м3 каясдое (по Швейцеру). 1 —местный трансформатор LOkvAj 2 —предохранитель; 8—рубильник; 4—переключатель; 5- силосные камеры; 6—напряжение 220 v тре-фазного тока.
лучения из них корма для зимней кормежки скота. Электрический ток является в этом процессе исключительно генератором тепла, причем возможность регулировки для получения нужной температуры играет основную роль. В процессе силосования при постепенном нагреве силосной массы в зоне 18—В0°С развиваются сначала микроорганизмы, производящие уксусно-кислое брожение и погибающие около 40°С при развитии микроорганизмов, производящих масляно-кислое брожение. Масляно-кислое брожение получает максимальное развитие около 35—37°С. В 3-м этапе, при достижении температуры около 50°С, начинается бурное развитие микроорганизмов, производящих молочно-кислое брожение, в результате чего молочная кислота выделяется в таком количестве, что погибают все бродильные ферменты, в том числе и сами микроорганизмы, производящие молочно-кислое брожение. Трава становится стерильной, и процесс силосования окончен. Развитие молочных бактерий, имеющих несколько разновидностей, начинается уже с первого этапа—ок. 8°0 (Вас. lactis acidi), но наиболее энергичное развитие получают тепломолочные бактерии (Вас. Delbrucki) при оптимуме около 45—50°С. Наличие около 0,5% уксусной кислоты уже портит корм; масляной кислоты могут быть только следы в корме, т. к. в противном случае корм получает отвратительный вкус и запах. Преимущество электрического силосования заключается в первую очередь в том, что можно быстро пройти опасные зоны образования уксусной и масляной кислоты, т. к. весь процесс длится 30 — 60 часов вместо недель при обычном силосовании. Расход энергии на т.у сочных кормов составляет 10—20 квч. и на т.у древесных веток —15-30 квч. Установленная мощность соответственно колеблется от 0,6— 0,8 квч. для сочных кормов, доходя до 3—4 кв. для веточного корма. При наполнении силосных помещений необходимо достигнуть известных границ электропроводности, т. к. свежесрезанное растение имеет большое поверхностное электрическое сопротивление,создаваемое слоем волос, воска,тонкой кожицы и т.п. Слой неповрежденной травы начинает пропускать ток только при напряжении около 8.000 вольт. Чтобы увеличить проводимость, надо повре- дить наружный покров и обнажить сочные части. Этим объясняется необходимость разрезать траву на куски длиной от 1 до 6 см. Для этих целей применяется силосорезка, обычно с воздушным транспортером от вентилятора. Если корм недостаточно влажен, то для увеличения электрической проводимости и улучшения условий процесса его смачивают водой. Свеже скошенную траву, во избежание потерь в пищевых свойствах, обычно укладывают в силосы в тот же день. Один куб. метр содержит около 800 килограмм зеленого корма. Процесс силосования производится слоями около 1 м толщиной, так что при закладке нового слоя ток проходит через все заложенные уже ранее слои. По советским опытам подходящими являются сетчатые электроды из железной проволоки диаметром
3—5 миллиметров при величине стороны ячейки 75—100 миллиметров. Электроды не должны доходить до стенок не менее чем на 20% от толщины слоя между электродами. Силосование может производиться сразу в несколько слоев в зависимости от мощности трансформатора. Сетки в этом случае остаются в силосе.
Для упрощения способа консервирования путем теплового процесса инж. ном способе шелководства на инкуби-Фитце былисконструированыспециаль-1 роЕании грены, на получении хорошего ные нагреватели в виде спиральных тутового листа для корма червей и т.д.
б!ЙоП!!еРХК0СТЬ10, дли“: В настоящее время применение эдекнои 1,/5 м, весом вместе с проводкиками около 7 килограмм (смотрите рисунок 5). Их преимутричества, как показывает нижеследующая таблица, черезвычайно широко.
Пт» пиененг е
1. Хранегпе яиц шелко-
; ВЯЧЯЫХ Червей В ХОЛОДНОМ состоянии..
Рж.‘. 5. ЕНТОВОЙ ЭЛ.ЛРОДСРУЧЕОЙ.
щество заключается в том, что они могут быть ввернуты в любое место загруженного силоса, поэтому тепло распределяется очень равно мерно.
Кроме непосредственной задачи, эти подогреватели могут подогревать пойла для скота, защищать плоды или овощи, собранные в кучи, от внезапных морозов и так далее
Обычно подогреватели этой системы включаются по несколько штук параллельно, равномерно распределяясь на три фазы. Потребление тока одного подогревателя—400 ватт, его радиус действия от 0,75 до 1 м- поверх-;
ности силоса. Весь про-j ’!°мп.аты. для насосцесс силосования мож-; ------
но вести с перерывами
Так, ЧТОбы ИСПиЛbЗС-; Регулирование влажностивать провалы в графи-
j Электрическая апаара-| тура
2. Искусственное в ыхп-щнвапне яиц шелковичных червей:
1) метод электрическойразрядки
2) высуши ванне после образования в разбавленной хлорной кислоте
3) способ трения
Освещение па тутовых по- : лях:
1) культпвкроьаппе с ос- 1
в еще Fin ем
2) убивание вредных насекомых .. ♦
Отапливание комнаты, где происходит разведение. Раз ведение с помощью электрической лампы. Вентиляция в комнате разведения.
Компрессор е приводом от мотора
i ректификатор, разряд-i ши: высокого вольтйысушпватель (сушилка]. вентилятор и нагреватель моторлампа я рефлектор лампа к резервуар нагреватель лампа вентиляторке электрических станций (в ночное j Сохранение ксгдщоз
! 1) высушиванием
2) охлаждениемвремя). ;
Электричество в шелковичной про- ;г мышленпости играет такую же роль | по количеству обслуживаемых процее-1 сов и значению его в этих про-1 Отбор коконов.. цессах, как и в птицеводстве. Этот вид ра3мотка коконов: применения электричества получил!
наибольшее распространение в Японии I КОтелЛек.тг.вч.еег“. na0BJ.1, и:отчасти в Италии. ; ov .. !
Электричество не ТОЛЬКО пнтенсифи- шечньг4 резервуар. ..
с приводом от мотора, труба для ох-i лаасдеиия и камератруба сушилка (мотор, : вентилятор, нагрева-| тель)
; автоматический траче-: портер (мотор, Есата-! дятор, нагреватель)
аммиачный компрессор
!
ртутная дуговая лампа ! для ультра-фполетовыл | лучей.
нагревательцирует производство, но и улучшает j продукцию как в конечном выходе, так I и на промежуточных стадиях. Возмож-; ность электрического подогрева, эдек-; трической вентиляции, добавочного; освещения позволяет улучшить Клима-: тические резкие колебания в свете, | влажности и температуре, неблагоприятно отражающиеся при естествен-;
нагревательетаттерме.
Глазная движущая дла прядения“..
мотор
]родохранлтель разрыва 4 uiivTSCBU4!ioii пятки Л. С. ’ еле
Слеипалыюе освещение для прядеппл ..
лам и а т.убчатой фор-

П р и м е и е и и е

Электрическая аппаратура

Сортировка

Отбор шелка-сырца

ртутная дуговая лампа или огра;кенн<е высокосаечное мощное освещение

Работа испытуемой аппаратуры длл сырого Шелка .

мелкие моторы

Инкубация шелковичных червей .. .

нагреватель

Сохранение яиц (грены) требует прохладного места с постоянной низкой температурой около 1,ГС. Старый японский способ хранения в снежных погребах и пещерах значительно усложняет производство в условиях теплого климата, который требуется для шелководства. Электрические рефрижираторы решают этот вопрос наиболее простым способом, позволяя регулировать температуру в любых пределах, понижая расходы до одной трети по сравнению с естественными ледниками.
До начала инкубации яйца погружают в раствор соляной кислоты, температура которой поддерживается постоянной, около 51ДСЭ, с помощью электрических подогревателей.
После этого необходима быстрая сушка, т. к. медленная сушка задерживает рост шелковичных червей. Для этой цели применяется электрический вентилятор, засасывающий воздух через поглощающий влагу слой негашеной извести, земли или специальный какой-либо другой поглотитель влаги.
Другой метод состоит в пропускании пульсирующего тока высокого напряжения через яйца. Оборудование состоит из трансформатора, выпрямителя и разрядника с пусковыми приспособлениями. Обычный для Японии переменный ток напряжением в 100 вольт повышается до 25.000 вольт и с помощью механического выпрямителя преобразовывается в пульсирующий ток. Сила тока, разрываемая разрядником, в среднем составляет около 100 миллиампер.
Одна единица выпрямителя состоит из полого металлического статора и концентрического ротора с множеством игл. Разрядник в 24 единицы может обслужить в день от 1.500 до
2.000 листов с яйцами. Докладчик на 2-й Энергетической конференции в 1930 г. инженер Tada считает этот способ простым и не требующим для обслуживания работников большой квалификации. Процент вывода личинок очень велик, достигая до 91-97°/о, что значительно выше, чем от способа погружения в кислоту; мощность уста“ новки с выпрямителем на 24 единицы— около 7 киловатт.
Шелковичные черви развиваются при температуре от 17,8J до 20,6СС, тогда как весенняя погода имеет резкие колебания в температуре, которая падает иногда ниже нуля. Примитивный подогрев инкубационных комнат древесным углем, дающим углекислоту и углерод, заменяется электрическим подогревом, при котором и воздух остается чистым, и регулировка температуры достигается автоматически. Нагревательным телом в комнатах, где развиваются личинки, является электрическая лампа, которая дает тепло, а кроме того благотворно влияет на шелковичную личинку. Tada различает три основных вида лучистой энергии:
1) Тепловые инфракрасные лучи, составляющие большую часть в балансе тепловой энергии лампочки накаливания. Температура шелковичных червей и их ложа повышается на одну десятую градуса Фаренгейта на каждые десять единиц освещенности (люкс). Эти лучи отрицательно влияют на развитие личинок, если воздух перегрет или пересыщен влагой.
2) Видимую часть спектра, гл. обр. желтые лучи цвета кобальта; считается, что они больше других поглощаются телом шелковичного червя. По наблюдениям их действие всегда устойчиво благоприятное.
3) Ультра-фиолетовые лучи внешней части спектра длиной волны короче
3.20D А несколько задерживают рост червей. Ультра - фиолетовые лучи внутреннего спектра с длиной болеео
3.200 А ускоряют рост шелковичных червей. Считается, что лучшая глянцевитость шелка и хорошее разматывание кокона являются результатом действия этих лучей.
Для целей освещения применяются:
1) газонаполненные лампы с матированным стеклом; 2) газонаполненные лампы : с некоторым содержанием урана в сте- j кле, которое получает желтую окраску;;
3) газонаполненная лампа со стеклом,! окрашенным в желтый кобальтовый; цвет—т. н. лампа дневного света. Лампа с урановым стеклом считается даю-1 щей наиболее благоприятные резуль-! таты. Электрическое освещение в этом случае, по японским данным, дает со-! кращение времени весенней разводки до 1-3 дней (обычно оно длится 30—35 дней).
, Летняя и осенняя разводка продолжаются обычно не долее 20 дней из за высокой температуры. Этот срок, наоборот, чересчур короток для нормального развития шелковичных червей. Электрическим светом можно удлинить этот срок. Экономия в топливе (например, угле) при электрическом освещении достигается около 30%. В результате электрического освещения достигается увеличение веса коконов. Опыты, произведенные 34 экспертами совместно со школами шелководства ь 1929 году по заданиям О-ва электрических станций в Токио, дали такие результаты. Вес коконов превосходного качества: освещенных —2.740 килограмм, неосвещенных—2.450 килограмм. Увеличение веса при электрическом освещении 290 килограмм, то же увеличение в %%—11,85; по другим опытам, увеличение веса высушенного кокона достигало 22,7%. Аппетит и здоровье червей улучшается при электрическом освещении, которое также необычайно укрепляет куколки, кладка яиц делается обильнее, и улучшается порода. Освещение желательно j делать каждую но ь с конца инкуба- j ции до конца прядения коконов, пре-! кращая освещение на десять часов j после каждого пробуждения, во избе-1 жание переутомления червей, т. к.; электрический свет необычайно их j возбуждает.
Электрическое освещение употреб-: ляется также на плантациях тутовых деревьев для ускорение роста и полу- j чение большого количества листьев
Электрическое освещение употреб-: ляется также на плантациях тутовых; деревьев для ускорения роста и полу- j чения большого количества листьев, j которые идут для питания шелковичных червей. Освещение с северной стороны лампами в 200 ватт увеличиваетурожай листьев от 20 до 70%. Лампочки служат и для уничтожения насекомых, для чего внизу под лампой ставится тазик с водой с добавкой керосина.
Электрический вентилятор применяется самым широким образом ь шелководстве
Электрический вентилятор применяется самым широким образом ь шелководстве, как для вентиляции, так и для просушивания. Вентиляция помещения особенно необходима во время прядения коконов и для подсушивания мокрых тутовых листьев до степени нормальной влажности, т. к. при избытке влаги шелковичные черви забо-I девают.
Под действием ультра-фиолетовых I лучей от кварцевой ртутной лампы ! коконы в темноте начинают флуорес-I цировать желтым или фиолетовым цве-| том или имеют оба оттенка. Желтый | цвет связан с лучшим сортом, что по-! зволяет делать сортировку коконов с ! помощью установки в 200 ватт.
Убивание куколки в коконах, иду-; щих в производство, начинает произ-I водиться с помощью электрического j подогрева; советские опыты дали удо-: влетворительные результаты от при-: менения ультра-коротких волн. Для ’ высушивания коконов употребляется специальный сушильный аппарат с; автоматическим транспортером для I коконов и электрическим подогревате- лем в 20 квт., а в новейших конструк-i циях—до 7 квт.
При собирании коконов, кроме метода ! высушивания, употребляется метод, охлаждения коконов путем хранения в специальных камерах, охлаждаемых с помощью рефршкиратора до 40° Ф или 1,1СС при влажности менее 80%. Последний способ имеет место на крупных государственных фабриках Японии, так, например, Tukyushe в Matsu-moto. с производительностью 1.500 т коконов в год. Мощность установленных на ней рефрижератора, вентилятора и насоса достигает 82,3 л. с.
Кроме подогрева воды е бассейне при разматывании коконов и в качестве двигательной силы на прядильных фабриках, электричество применяется для предохранения от разрыва шелковой нити при разматывании коконов с помощью реле. Нитка, которая тянется через маленькое отверстиев фарфоровой бляшке, застревает, если неровность или узел на нитке слишком велики, слегка подымает бляшку, которая при этом движении выключает контакты и реле постоянного тока, останавливает движение катушки, пока рабочий не уничтожит узелок без разреза нитки, что сопряжено с потерей времени. Нет сомнений, что наши новые шелковичные совхозы должны обратить самое серьезное внимание на опыт Японии в этом новом для нас деле и с помощью исследовательских институтов электрифицировать производство.
Электричество в пчеловодстве
Электричество в пчеловодстве, судя по опыту Германии и Англии, может найти широкое применение, главным образом в виде тепла и лучистой энергии. В принципе многое, о чем упоминалось при обзоре шелководства, относится и к пчеловодству, однако полукустарный характер пчеловодческого хозяйства сильно меняет технические формы применения тепловой и лучистой энергии. Повидимому, перед наиболее передовыми пчеловодами стоит задача реконструкции ульев, т. к. их карликовые размеры и теснота внутри затрудняют введение электротехнических аппаратов.
По наблюдениям С. Schaohinger а в { Германии, рой пчел представляет единственный в своем роде пример резкого увеличения продукции; в связи с увеличением рабочего коллективав мире насекомых—продукция растет в геометрической прогрессии от увеличения роя (в известных пределах). Поэтому задача усилить рой является первоочередной. Пчелы имеют огромную потребность в тепле, особенно в этом нуждается матка во время кладки яиц, а также во время вывода детвы. Матка начинает класть яйца только при достижении температуры от 32° до 34° G. Необходимость раннего вывода связана с возможностями максимального сбора меда во время цветения плодовых деревьев и лугов, т.е, май, июнь и до середины июля. Следовательно, с февраля до мая необходимо дать тепло для кладки яиц и вывода детвы в добавление к теплу, развиваемому самими пчелами. Первые опыты были проведены с лампочками накаливания, которыми облучались домик с маткой и рамки сяйцами; впоследствии лампочки заменялись нагревательными элементами в форме медицинских нагревательных подушек (рисунок 6). Этим достигался не только ранний вывод, но и значительно экономились силы пчел для сбора
Рисунок 6. Обогревание нагревательной подушкой домика о маткой.
взятка. Применение тепловых элементов более удобно при низких и широких рамках, чем при высоких и узких. Период подогрева длится около 80 дней при расходе энергии в среднем на рой в день около 0,2 кв/часа, или за весь период—ок. 16 кв/часов. Мощность тепловых элементов колеблется в зависимости от величины роя от 7 до 10 ватт.
На основании английских опытов рекомендуется помещать тепловой элемент для подогрева улья в зимнее время мощностью около 1 ватта. Добавочное’тепло безусловно экономит расход меда пчелами в зимнее время, однако нужно быть осторожным, чтобы не дать такое количество тепла, которое излишне повысит жизнедеятельность пчелы и вызовет действие кишечника, зимой бездействующего. В последнем случае могут создаться неблагоприятны© санитарные условия, и“ рой погибнет.
Электричество в борьбе с насекомыми
Электричество в борьбе с насекомыми. Последнее десятилетие отмечено в области техники усиленной борьбой с потерями. Источники потерь обнаруживают непрерывно и с ними ведут систематическую повседневную борьбу. В области сельского хозяйства это течение пока проявляет себя слабо, т. к. по существу большинство сельскохозяйственных процессов, даже меха-1 низированных, недостаточно совершен-! ны и служат источником потерь,’совер-; шенно недопустимых в промышленно-! сти. Одной из самых больших областей, где непосредственное уничтожение урожая на всех стадиях его развития принимает катастрофический размер, является мир насекомых вредителей. Энтомологи ведут настоящие бои, с применением аэропланов, удушли- j вых газов и химических средств унич- тожения, как, например, опрыскивание ! ядами. За границей от стадии откры- j тых сражений перешли к системати-j ческому повседневному уничтожению 1 вредных насекомых. В этом налравле- i нии электрические методы дают ряд простых и ценных решений. Наиболее распространенным в Японии является аппарат, состоящий из лампочки накаливания и тазика. Лампочка несколько прикрыта так, чтобы резче всего выделялось отражение светящейся нити на поверхности воды, налитой в таз. Ночные насекомые-вредители, в огромном большинстве, привлекаемые отраженным светом нити, ударяются о водяную поверхность и тонут.
Калифорнийский тип несколько усовершенствован. Обычно прибор состоит из 100-ваттной лампы, подвешенной над усеченным конусом, к узкой нижней части которого привинчивается банка емкостью около 2 литров. В банке помещается сосуд с цианистым калием. Насекомые, привлекаемые светом лампочки, убиваются ядовитыми! парами цианистого калия. Результаты 1929 г. оказались настолько благо-; приятными, что на 1930 г, предполага- лось введение таких ловушек в широ-; ком масштабе. ;
В Калифорнии был произведен опыт ! с одним из наиболее опасных для пло-! дов вредителей, Carpocapsa pomonell&, j который откладывает яйца, главным !
образом, в сумерки, в период апрель-июнь. Опытный участок с 15 яблонями освещался 500-ваттными лампочками. Лампы находились на высоте 6 над землей и зажигались на 2г/2 часа за полчаса до захода солнца в течение около 35 дней. Количество поврежден-: ных плодов уменьшилось приблизительно на 25°,о.
Во франции выработаны специальные приборы для борьбы с насекомыми с помощью электричества. Типовой прибор состоит из вертикальной железной трубы, на которой расположена ртутная кварцевая лампа в качестве источника ультра - фиолетовых лучей. Внизу помещен засасывающий вентилятор. Насекомые, привлекаемые светом, втягиваются вентилятором внутрь в сетчатую металлическую камеру, где их умерщвляют или водой, или ядовитым газом (сернистый ангидрид). Существуют три модели: для участков в 10, 20 и 40 га с соответствующей мощностью в 2, 3 и 4 квт. Успешность борьбы с помощью описанных ловушек проверена на опыте, и ее можно рекомендовать нашим хозяйствам.
| По советским опытам проф. М. Г. Ев-| реинова противень размером около 11 кв. м, наполненный наполовину во-s дой, с подвешенной над ним лампоч-| кой в 50 свечей на расстоянии около I 300 миллиметров над водой, затененной глубоким ! абажуром сверху, помещался на под-; ставке невысоко над землей. Неда-| леко от противня находился столб I с лампочкой в 25 свечей на высоте; около 6 м. Жесточайший враг урожая—
I бабочка совка-в течение нескольких : часов заполняла таз настолько, что верхние слои бабочек садились на трупы своих товарищей,как насухое место.
В Германии еще в 1903 —10 гг. применялись пробные передвижные установки, состоявшие из мощного вентилятора, сильной электрической дуговой лампы и печи. В рейнской долине, где ранее было много заболоченных мест, комары, оводы и слепни имелись в огромных количествах. Привлекаемые светом лампы, насекомые засасывались вентилятором и сжигались в печи.
Имеется много попыток борьбы при помощи ультра-короткнх электромагнитных волн, создаваемых с помощью катодных трубок, но пока эти опыты не вышли на огороды, поля и сады.
В советских лабораториях получены удачные результаты в борьбе с амбарным долгоносиком и амбарным клещем, С помощью волны в 4-т-5 м длиной при градиентах около 4.000—5.000 вольт вредители погибают в течение нескольких секунд. На этом принципе в Америке пущена в ход установка на элеваторе, через воздушный конденсатор которого проходит поток зерна, извлекаемый конвейерной лентой. Конденсатор состоит из двух металлических пластин, расположенных сверху и снизу ленты конвейера, мощность установки около 20 кв. Ультра-коротким волнам в этой области предстоит большое будущее с того момента, когда будет производиться достаточно долговечная катодная лампа.
Электричество в огородном и тепличном хозяйствах также находит широкое применение
Электричество в огородном и тепличном хозяйствах также находит широкое применение. Использование электричества и отбросного тепла электрических станций в этих отраслях хозяйства представляет, несомненно, огромный интерес. Перспективы, которые открылись перед обеими отраслями с момента объединения самого совершенного по технике производства электрического тока и самого отсталого по технике трудовых процессов производства—овощей и зелени, поразительны даже для электротехника, привыкшего к масштабам и темпам применения электричества за последнее десятилетие. До этих пор лучшие электрические станции имели кпд в пределах от 20 до 25°/о, считая от котла до сборных шин станции, так как превращение тепловой энергии в другие виды сопряжено с большими потерями для образования нужного перепада энергии. Источники потерь лежат в воде для охлаждения конденсатора паровых турбин, в лучеиспускании, выхлопе и дымовых газах. Если бы удалось использовать эти потери, можно было бы значительно увеличить кпд районных станций. Как только это было осознано, электрические станции в первую очередь нашли потребителя в лице близко расположенного города для целей отопления. Теплофикациягородов в значительной степени позволяет использовать отбросное тепло. Для районных станций, несколько удаленных от города, еще более универсальным потребителем является сельское хозяйство, так как там в качестве удобрения (питания растений) может использовываться не только отбросное тепло, но и углекислота отходящих дымовых газов. Германская районная станция Wiessmoor имеет уже не теплицу, а целое застекленное поле в 12 га (120.000 ме). Подогрев такой гигантской теплицы производится частью с помощью электричества в провалы графика, в значительной степени в ночное время, частью путем утилизации отбросного тепла станции. Так как станция работает на торфу, то отходящие дымовые газы, содержащие углекислоту, подводятся под стекло для усиления питания растений. Опыт Висмоора показал, что растения развиваются лучше и значительно увеличивается урожай. В темные дни дается добавочное освещение, обычно „ночным“ током, в целях упомянутого заполнения графика. Следует обратить внимание на возможность непосредственного использования воды, идущей на охлаждение конденсаторов. Необходимая минимальная температура 37° получается путем ухудшения вакуума до 92%. Прогоняя эту воду по секциям специальной конструкции, подогре-! ватот воздух в калориферах. Подогре-; тый воздух подается вентиляторами по; системе труб в различные местазастек- ленного поля и затем вновь засасы-I вается в калориферах. Турбина мощ-| ностью в 50.000 квт. при таком способе сможет обогреть отбросным теплом застекленное поле в 70 га. Из этого примера мы видим, что по существу на очень малых площадях можно развить интенсивное хозяйство очень большого размера с точки зрения тепличного хозяйства.
С переходом к овощному хозяйству | масштаба целых полей в десятки и; сотни га под стеклом, вопрос механиза-I ции трудовых процессов является | основным, так как иначе огромное энергетическое хозяйство чисто фабричного масштаба станет в явное противоречие с характером трудовых процессов,
выполняемых вручную. В первую оче-: для полива и углекислоте дымовых редь это отразится на себестоимости газов для питания растений и для продукции. Это относится не только! пользования электрической энергией к тепличным хозяйствам, но и вообще к | на первое время хотя бы в моменты огородным и садовым хозяйствам боль-! провалов в графике нагрузки, шого масштаба, где в большинстве елу- j Электричество в качестве тепловой чаев господствует рутина и кустарщи- j энергии может применяться при у слона. Между тем техника наметила уже I вии, что стоимость энергии не превы-пути частичной механизации огород-j шает 4—7 коп. за киловаттчас, во всех ных и овощных хозяйств на электриче-i остальных случаях должен быть про-ской базе и выпустила ряд машин, при-; изведен точный подсчет эксплуат-годвых для немедленного их введения.! онных расходов и капиталовложений
В первую очередь механизации ждет ! для различных видов топлива и прообработка почвы. Это можно выполнить; ведено сравнение о электрическим по-отчасти с помощью электро-фрезы, I догревом.
отчасти с помощью специальных плуж-1 Основные виды потребления электриков и культиваторов с электрической; ческой энергии в этой области, заисклю-тягой. По теоретич. расчетам, расход | чением указанных ранее, охватывают на га определяется в 30 квт/ч. Расход! подогрев воды, молока, запарку кормов этот нужно значительно увеличить,; подогрев воздуха в помещениях для принимая во внимание, кроме пахоты, молодняка, например поросят. В качестве посев, окучивание и полку. ; тепловых элементов могут с большим
Следующий процесс,который требует j успехом применяться трубчатые иагре-механизацни — это полив тепличных и j ватели типа „колрод“ (ель ЫН, 199 ел.), огородных культур. Механизация поли-1 Такие элементы монтируются на дне ва может быть легко достигнута с помощью вышеупомянутых разбрызгивателей. Расход воды, а следовательно и электрической энергии значительно увеличится по сравнению с полевым хозяйством в виду отсутствия атмосферных осадков. Германия в настоящее время имеет около 4,3 млн. мг застекленной поверхности, а Голландия— свыше 23 млн. м2 при необычайно быстром росте этой отрасли. Из этих двух цифр видно, что огороды итеп-личные хозяйства в теперешнем виде могут стать крупными потребителями электрической и тепловой энергии.
Поскольку, в результате такого симбиоза электрических станций степличным хозяйством, по герман- ----—..—j--------------------------
СКИМ ДаННЫМ, вид станции НОВЫ- рпс. 7, Электрический запарит: корнеплодов. А— шается на 100°/о, возрастая С сред- крышка; В-оороглдывадащийся чан; С—вставка для ней цифры 20°/о до 40э/ш выше,ясно, «“р® » D “ Елемма;
что наше будущее строительстворайонных станций должно быть связано, запарной установки или подогреватене только с теплофикацией городов и; ля воды с выводом концов спирали населений, но и с производством овощей.1 ружу. Тип запарного котла с плоскими Существующие районные станции СССР I нагревательными элементами для кар“ должны быть использованы для целей е тофеля (в колит, около -1С0 килограмм) или корнесельского хозяйства, для удовлетворе- i плодов представлен на рис, 7. Регулирск ння потребностей в тепле, теплой воде : ванне температуры производится cm
I
циальным электрическим регулятором. Типы этих регуляторов крайне разнообразны. Наиболее простой тип регулятора состоит из манометрической трубки, соединенной о ртутными контактами (к), которые разрывают электрическую цепь при наклоне их. Этот наклон вызывается изгибом трубки, когда в ней разогревается воздух под действием тепла нагретой воды или корма“ При остывании трубка выпрямляется, и контакты опять включают тепловые элементы. Такой регулятор реагирует на колебания температуры в пределах 2—3° от 85 — 90°С. Запарные котлы и подогреватели воды покрываются теплоизоляционным слоем для уменьшения потерь тепла. Кпд таких подогревателей очень высок, доходя до 95% в горячем состоянии. В целях удешевления котлы могут делаться из дерева.
Электроплуги до сих пор не получили широкого распространение главным образом по следующим причинам:
Электроплуги до этих пор не получили широкого распространения главным образом по следующим причинам:
Основные типы плугов:
1. Свободно двигающийся электроплуг с аккумуляторами теоретически должен был бы явиться наиболее совершенным орудием, совмещая в себе свободу передвижения обычного трактора и все преимущества электрифицированного орудия. Однако, современная техника не располагает достаточно легкими аккумуляторами. Предельное количество энергии, запасаемое одной т.ой аккумуляторов, не превышает 30 киловатт-часов, практически значительно ниже. Поэтому французские опыты с электротракторами, снабженными аккумуляторами, оказались нерентабельными. Можно предполагать, что практическое применение этого типа электроплугов осуществится при условии повышения количества запасаемой энергии до сорока пяти—шестидесяти киловатт-часов на т.у веса аккумулятора.
2. Электротрактор представляет из
1. Связанность плуга с сетью и, еле- себя в основном обычный трактор, гдедовательно, необходимость наличия электрических сетей.
2. Отсутствие конструктивно совершенной передвижной подачи тока от сети к электроплугу.
8. Высокая стоимость электроплуга сравнительно с трактором.
4. Отсутствие широко развитой электросети в земледельческих районах.
Однако, за последние годы в связи с развитием электрических сетей были произведены в различных странах опыты с электроплугами, показавшие выгодность применения электроплуга там, где потребная мощность достигает, хотя бы и кратковременно, от 150 до 200 л. с.—при глубокой запашке на тяжелых почвах (вродедвигатель внутреннего сгорания заменен электромотором, но только с частичной свободой в движении; он может производить круговую запашку, как и обыкновенный трактор. Такой трактор питается током от гибкого кабеля или гибкой ленты провода, протянутой от постоянной или передвижной магистрали на особую катушку на мачте трак-
Рио. 8. Электротрактор спет. инж. Форсбяад.
прерий Виргинии) или на твердых ка-; тора. Образцом такого рода является пенистых почвах Армении при глубо-j шведский электротанк системы Форсб-кой запашке под плантаж. 1лада (рисунок 8) о обыкновенным аоиш
хронным мотором мощностью в 24 л. с. j на га при глубине запашки 200 мл 500 вольт и с отдельным мотором для на1 Ширина борозды 1.020 миллиметров. мотки ленты или гибкого кабеля в 3 л. с. j На рисунке 9 изображен электротрактор Значительные трудности возникают I последней советской конструкции при сматывании кабеля с барабана, по-J (1935 г.). Первый советский трактор неценного на шасси трактора, по мере j был сконструирован инж. Прехтом в продвижения последнего,так как скорость сматывания кабеля изменяется по мере уменьшения числа витков кабеля на барабане, тогда как скорость трактора остается более или менее постоянной. Это может явиться причиной повреждения кабеля или ленты при натяжении, преждевременного износа кабеля от трения о зем-в лю и образования петель при наматывании кабеля на барабан при движении трактора в обратную сторону. Упомянутый мотор в 3 л. с. включен таким образом, чтобы поддерживать постоянное беле и наматывать
Рисунок 9. Советский электротрактор (1935 г.).
натяжение в ка-1 Ленинграде в 1922 году в виде мотори- его на барабан»; зированного плуга с проектной npo-как только кабель ослабнет. При сма- изводительностью 1 га!час. Второй тывании кабель заставляет вращаться | тип был сконструирован проф. Димотор в сторону, обратную ыаправле- дебулидзе и Амирадждби в Тбилн-нию вращающегося момента мотора, j си, В основу конструкции была лоло-Вее электротрактора 4.000 килограмм, цена около ! жена тележка трактора Фордзон с 20-9.600 шв. крон. Подвижная трансформа-1 сильным электродвигателем. Произво-торская будка с трансформатором 30 ква ! дительность его равнялась 2 га в деся-6.000 или 3.000 вольт на 500 в сбараба- тичасовую смену при глубине 18 см. ном для намотки кабеля и приборами В Средней Азии был построен в 1933 г. весит около 800 килограмм, стоит 1.500 шв. кр.! электротрактор системы инж. Данидь-Трактор снабжен трехлемешным плу-1 ченко с вертикальной осью кабельного гом, имеет производительность 0,25— I барабана, внутри которого помещался 0,3 гектара в час, то есть за 1С0 дней при; тракторист. Несмотря на сравнительно трехсменной работе в течение года | благоприятные результаты испытаний может запахать до 220 га. При длине I для первых моделей, типы этих элек-гибкого кабеля около 400 м электротрак-; тротракторов сохраняли общие для тор в состоянии,. не переменяя места I электропахотных орудий недостатки приключения к магистрали, охватить; принцианального характера и облала-16 га. Такой элвктротанк может вы пол- s ли специфическими для электротрак-вять и все другие работы. Плуг имегг j торов с индивидуальным питанием не- .; две скорости: 66 м и 80 м в минуту. j достатками, как то: тяжелый барабан Нормальный расход, энергии 60 квч. I с кабелем 300-500 м длиной, износоболочки кабеля при трении о землю, челночное движение электротрактора при запашке, необходимость в силу этого применения специальных прицепных орудий балансирного типа. Поэтому они не могут конкурировать с тепловым трактором. Указанный на рисунке 9 трактор предназначен для работы в колонне трех-четырех таких тракторов с групповым питанием электрическим током. Подача энергии к головному трактору производится воздушным кабелем длиною около 40 ль от кабелевозки, которая следует за группой тракторов. Кусками кабеля длиной около 20 ль от головного трактора подается энергия следующему трактору на барабан, укрепленный на короткой мачте, от 2-го к 3-му и так далее Ка-белевозка рассчитана на длину кабеля“до 500 ль; в этом случае кабель может обработать до 8 га без передвижения на другое место передвижной трансформаторной подстанции. Натяжение воздушных кабелей регулируется автоматически с помощью гидравлической муфты, приводимой в движение вспомогательным мотором мощностью 0,8 кв и соединенной с кабельным барабаном с помощью троса. Вращающий момент этой муфты всегда направлен в сторону намотки кабеля на бара-бан трактора. Эта система электротракторов уменьшает количество кабеля на тракторную единицу, дает возможность использовать обычные прицепные орудия, однако требуется длительный период испытаний, без которого нельзя пока судить о фактических достоинствах этой принципиально остроумной системы (А. А. Краснова).
3. Лебедочный электроплуг имеет много конструктивных вариантов. Наиболее рациональный—тип плуга с двумя медленно двигающимися электролебедками. между которыми стальными тросами тянется балансирный плуг попеременно то в одну, то в другую сторону. Первые опыты электропахоты на свекловичных полях для глубокой запашки были организованы во франции в 1879 г. с электролебедками системы Кретьен и Феликс. Такой элек-, троплуг имел две скорости 0,8 ль и 1.3 ль в секунду, производительность с пре-1 делилась около ОД2 га в чае. В настоя-:
щее время франция выпустила мощные лебедки весом около 20 т. каждая с производительностью около 8 га в день. Мощность электрического мотора—100 л. с. при напряжении 1.500 вольт. Самый мощный тип такого рода лебедок достигает веса до 25 т. каждая, имеет моторы мощностью в 125 л. с. при 970 об. в минуту и 5.000 вольт напряжения. Оба типа аггрега-тов снабжены бензиновыми моторами в 50 л. с., предназначенными для самостоятельной передвижки аггрегатов и для пахоты на маленьких скоростях в случае перерывов подачи тока. Лебедки снабжены стальным тросом диаметром в 22 мль, длиной в 650 ль. Лебедки питаются от передвижной трансформаторной подстанции гибким трехфазным кабелем сечением 3X6 кв. льль, длиной 1.000м,рабоч. напряжение кабеля в 5.000 вольт. Передвижные трансформаторные подстанции имеют мощность 125 ква при 15.000 вольт и весят около 6—7 т.
Наиболее оригинальной конструкцией, отразившей в себе специфические особенности тяговой лебедки для целей электропахоты, является сравнительно легкая система электролебедок Эстрада. Лебедка находится ниже над землей, чем другие типы, т. к. диаметр ее колес равен одному метру, что дает ей большую устойчивость в отношении опрокидывания или сдвига под действием каната. Барабан с тросом имеет горизонтальную ось и снабжен особым плечом или „стрелой Эстрада“ (смотрите рисунок 10) с роликом, по которому дви-
А
Рисунок 10. Схеиа „стрелы“ лебедки Эстрада.
жется трос, сматываемый с барабана при движении плуга между лебедками
Нижние концы стрелы опираются на масляные амортизаторы (смотрите рисунок 11) особой конструкции, lio мере увеличения натяжения троса стрела опускает
ся, уменьшая опрокидывающий момент относительно шпор, насаженных на колеса лебедки. Это приспособление и более низкая посадка лебедки позволяют получить очень благоприятное соотношение между весом лебедки (ок. 4 т) и силой тяги троса от мотора (в 35 кв.). В то время как обычно это соотношение остается в пределах 3:1, то есть вес лебедки в 3 и даже в 4 раза должен превышать силу тяги, у Эстрада это соотношение равно 1:1. Производительность лебедки Эстрада за 10-тичасовой рабочий день достигает 10 га при глубине запашки 15 см; при глубине запашки 25—30 сантиметров производительность 0,3—0.4 га в час при скорости 1,2 м/сек. Электрическая энергия подается от трансформаторной тележки к мотору на лебедке гибким кабелем 20 лш- при напряжении 500 вольт.
Одним из видоизменений системы лебедочного типа является система круговой пахоты. Сущность ее видна из рисунка 12. Вместо двух лебедок с моторами в круговой системе имеетсяодна лебедка с мотором, две якорные тележки и два анкерных блока. Путем переключения мотора через круговой трос сообщают балансирному плугу то лее челночное движение. Эту громоздкую систему итальянские т инженеры Амати- Киавачи пытались упростить заменой толстого троса двумя тросами - тонким тросом диаметром 4 миллиметров (круговым) и более толстым (9 м=d), - который тянет плуг между лебедками. Тонкий трос имеет скорость в 10 раз большую, чем толстый, двигаясь со скоростью 10 -w/сек. с тяговым усилием. 150— 200 килограмм и приводит в движение редуктор скорости, приводящий в движение рабочие барабаны лебедок со скоростью 1 м1 сек., но зато с десятикратной силой тяги. Постоянство натяжения тонкого троса поддерживается особым грузом, оттягивающим блок. Мощность мотора лебедки системы Аматн-Киавачи составляет 25 л. с., длина тонкого троса 2.000 м, размер охватываемого с одного места участка достигает 25 га. Однако, даже и эта улучшенная система круговой пахоты является более сложной, чем пахота от двух моторных
лебедок. Поэтому в СССР остановились на последней системе (смотрите рисунок 13). Первые опыты с электро пахотными а гг регатами советской конструкции были сделаны в 1922 24 гг. по инициативе В. И. Ленина. В течение пахотного сезона удалось довести количество запахиваемых гектаров до 600 на один аггрегат при производительности в час около 0,5 га при глубине запашки ок.
ц»
250—300 миллиметров на черноземной почве Украины. Расход энергии составлял около 60 квч. на гектар. Коэффициент использования лебедки за период пахоты составлял около 60%.
Рисунок 13. Двухлебедочная система пахоты.
В 1931 г. было построено 15 пахотных аггрегатов новой советской конструкции двухлебедочного типа. Вес лебедки 17,5 т при общей длине 7,35 м, ширине 2,70 м и высоте 3,17 мя Диаметр задних колес 2,29 м, диаметр передних колес 1,3 м. На лебедке установили трехфазный асинхронный мотор в 75 hw, способный работать с нагрузкой 90 lew при ED=40%. Коэффициент полезного действия лебедки при силе тяги около 4.000 килограмм доходит до 80%. Лебедка может сообщать плугу четыре скорости: 1,1; 1,22; 1,5 и 2 ле/сек. Мотор питается трехфазным током при напряжении 400 вольт от трансформатора в 100 kvA, установленного на самой лебедке. Со стороны высокого напряжения трансформатор имеет6.000 вольт. Ток к трансформатору подается гибким кабелем длиной 300 м от воздушной линии. Кабель накладывается до смотки петлями на особое седло, укрепленноена лебедке. Питание мотора второй лебедки производится тоже гибким кабелем, состоящим из двух кусков в 500 и 300 м. Все управление лебедкой сосредоточено в одном месте.
Для самопередвижения лебедки имеются два рычага и один для пахоты. Тут же расположены маховички для затормаживания колес лебедки и торможения барабана с тросом. Поворот ротора мотора для сцепления шестерен перед включением на работу производится особым диском, расположенным около мотора. Около контроллера на полу находится аварийная кнопка для нажатия ее ногой при аварийном останове мотора. Передача движения мотора барабану с тяговым тросом происходит через зубчатые шевронные передачи. Реверсирование мотора производится специальными контакторами при повороте контроллера в ту или другую сторону. Производительность такой лебедки достигает 1,4 га в час при глубине запашки иа 20 сантиметров на почвах Немреспуб-лики. Сопротивление лебедки в среднем составляет 0,45 килограмм!см2. Длина борозды около 450 м. Применение таких лебедок в Армении для глубокой пахоты до 70 сантиметров под виноградники (плантаж) показало возможность обработки одного гектара в 5 часов при расходе энергии 260—280 квч. Обычно в данной местности для обработки под виноградники одного гектара требуется около 800 человеко-дней.
В 1935 г. была разработана новая конструкция электролебедки В-1 (смотрите рисунок 14 и 15), обладающая большим своеобразием—лебедка не имеет рамы. Литой чугунный кожух машины заменяет раму. Внутри стальной полой оси барабана лебедки диаметром около 280 миллиметров проходит вал для самопередвижения лебедки. В передней части корпуса находятся зубчатые передачи. Около передней оси расположен мотор и магнитный тормоз. В противоположнойчасти корпуса помещен аппарат для намотки троса, тормоз задних колес, дифференциал и кабельный барабан. Центр тяжести и точка приложенияпри тяговом усилии 4.500 килограмм против 12 т. германской лебедки с тяговым усилием 4.000 килограмм. Асинхронный двигатель лебедки имеет 65 кв. при ЕД~
Рас. 14. Электролебедка В—1. Общи! вид.
силы тяги расположены ниже, чем у; =40°/о 1.000 об./мин. при ширине бороз-лебедок старой конструкции, что де-1 ды около 2,3 м9 глубине запашки до 20 сми производительности 1,2 га/час Плуг может иметь две скорости; 1,36 м/сек. и 1,8 м/сек. при тяговом усилии 4.500 килограмм и 3.400 килограмм. Максимальное перегрузочное усилие троса диаметром 19,5 миллиметров лежит в пределе 19.500 килограмм. Наиболее выгодное напряжение для мотора определено в 1.000 вольт, так как это значительно облегчает кабель, допуская сечение 3×25 миллиметрове. При напряжении 500 вольт, кроме затруднений при раскатке кабеля и переброске его с места на место, количество меди увеличивается на 67%. Опыт показал, что использование пахотных аггрега-тов достигает 1.000 часов в год и более, коэффициент использования только для пахоты при расчетах можно принимать рав-~ и iP -, _ „ г, ньш 0,8. Дальнейшее использо-
Рио. 15. Электролебедка В—1. Вид спереди.
вание мотора лебедки во вне-дает всю лебедку невысокой и устой-1 сезонное время на других работах по-, чивой при уменьшенном весе—10 т. высит годовое число часов использо-
вания. Защита мотора и троса от внешних условий намечена в виде жалюзи, а защита лебедочника — брезентом. Двухколесная кабелевозка рассчитана на 500 м кабеля с намоткой от колес через фрикционную муфту.
В проекте Камышинской станции с намеченной мощностью около 1,8 млн. квт такие лебедки предполагается использовать не только для пахоты и всех процессов по обработке почвы и посеву, но и для ирригации путем дождевания. В этом случае рентабельность электро-лебедок стоит вне сомнений даже но сравнению с наиболее простым и эффективным нл данном этапе способом механизации полевых процессов-тракторным.
Электромоторизированные орудия
Электромоторизированные орудия, то есть орудия для обработки почвы, посева и уборки урожая, на которых непосредственно устанавливаются электродвигатели, до этих были представлены только одним типом—электрофрезы. Электрофреза появилась впервые в Германии. Вместо режущих и переворачивающих пласт земли лемехов, фреза имеет барабан с укрепленными на нем крючками, фрезерующими землю, Подача энергии происходит гибким кабелем. Обычно фреза снабжается электромотором в 3 л. с. или 5 л. с. при 1.440 об./мин. Включение, выключение и торможение происходят от рычагов, расположенных около рукояток. Пробные образцы были выпущены с моторами до ЗОл. с. Электрофреза будет использована в огородных и крупных тепличных хозяйствах.
Электропривод в усадебных процессах колхозов и совхо <ов
Электропривод в усадебных процессах колхозов и совхо <ов (в первую очередь животноводческих) имеет огромные перспективы: моторы для кормоподготовительных машин, для насосных аггрегатов (для водоснабжения и откачки навозной жижи), для вакуумных насосов доильных машин, вентиляторов, зерноочистительных машин, транспортеров, пил ленточных и циркулярных, стиральных машин и цен-трофуг для отжимания белья, мясорубок, шинковальных машин и мельничных поставов, для стрижки и чистки животных и так далее Переносные моторы двух или трех типов помогут в значительной мере увеличить годовое число часов использования моторов и уменьшить сумму капитальных вложений.
Таблицы потребных мощностей с.-х. машин:
Таблица I.

Завод

Наименованиемашины

Производительность кг! час

Потребная мощность в квт

Примечания

1. Гомель

Соломорезка приз, IY

1.200

3-4

По заводок, данным

2. Им. Шевченко

Соломорезка марки С

500

1,5-2,2

-

п

S. „ „

Зернодробилка

200—600

3-4

„

п

4. „

Зерноплющилка

120

0,2

»

»

6. „Красный металлист“,

Корнерезка

200

0,1

-

и

Витебск..

Жмыходробилка

2.000—3.000

3-4,5

ft

7. Им. Шевченко

Силосорезка Универсал. марки Т

6.000 (си ioca)

13

-

»

8. Гомсельмнш

Силосорезка

Универсалка“

5.000

(силоса зелен.)

18

» г-

Таблица И.

Наименование машины

Производительность кг/час

! Мощность j в КВТ.

I

j

| П р и м е ч а и и я

1

1, Веялки .

1.700

0,25

2. я

2.500

0,85

2. Сортировки ..

1.700

0,25

4., ..

2.500

0,45

5. Трпеьы

з;о

0,85

6. «

7. Электромагнитный сепара

1.200

1,1

Для очистки кормов от желез

тор

8. Сл лен я зерноочиститель

Г

оо

ОД

ных примесей

ная ма ыша..

500

2 2

Для льна

9. Слжн.чя зерноочиститель- |

пая машина..>

5.000—5.500

1,1

Для струн новых

10. Для стрижки овец. 1

50 голов в смену

100—250 ватт

11. БЭ I стиральная машина (Ярославе. эав.»д бы < овых j

Электроприборов)1

5 килограмм сухого белья

I 200 ватт

При стирке

20 — 40 МИН.

I !

400 „

, центрофугирсвании

Литература: „Электрификация с. х-ва“ под редакци“ и преф. ЛЛ Г. Евреинова (том I и II, 1933); Ю. В. Скобельцын, „Остовы электрификации сел. х-ва“: журнал „Электрификация сел. х-ва“ за 1932— 19::5 п.; „Труды 2-й мировой энергетической кон-ферепшш“ (1930, Берлин, доклады отпечатаны па языке докладчиков); Б. Мэттьюсе, „Электрификация сел. х ва“ (перевод с англ, с дополнениями проф. М. Г. Евр инова, 1931); Lanoy, „Guide de l’electri-fication rurale“ (1935): С. П. Смирнов, „Электропахота“ (1932); Г. M, Назаров, Г. В. Саенко и Л. Я. Цивьян, „Элек1ро.олоть а“: „Ультракороткие волны в сел. х-ш>“ /труды Всесоюзной Академии с.-х. наук им. В. II. Ленина, выговаривается 8, под редакцией проф. 31. Г. Евреинова; „СЭТ отд. 20, Я. 11. Щедрин и Ю. В. Скобельцын, „Electrofiirinirig4 (периодическ. издание Департамента земледелия США).
21. Верейное.
21еханизагщя сельского хозяйства. После империалистической войны и в период гражданской войны сельскохозяйственное машиностроение в Союзе ССР сильно сократилось и по годам выражалось в сумме:
годы млн. руб.
1917 9,1
1918 . - 0,3
1919 5,2
1920 2.8
1923 6,8
Годом перелома надо считать 1922/23 годах, когда с.-х. машиностроение было объединено трестом Главсельмаш и начался рост производства, выразившийся в суммах:

годы

МЛН. руб.

1922/23

12

19-8/24

1924/25

40

1У15/20

1920/27

09

1927/28

10

! За период первой и второй пятилеток I производство выразилось в:

годы

МЛН. рубл. :

годы

млн. рубл.

1928 29 .

. 127

I 1933 .

. 352

1929/30 .

216

j 19 U .

. 339

1930 .

246 !

1935 .

. 597

1931 .

. 31S

1 1936 (по плану) 980

1932 .

328 ;

| Производство сложных с.-х. машин и I орудий механической тяги, обеспечи-! вающих с.-х. производство совхозов и | колхозов, все время сильно возрастало, | на что указывают цифры:

Годы

1..Г

Общ. произвол.| j В МЛН. руб.

машин мех. тягив °.о %

1927/28

93

5,4

1928 29

127 ;

5,7

1929.30

216 j

32,5

Особ, кварт.

30

27,1

1931

318

47,6

1932

328 ;

74,0

! Зависимость от иностранного капитала сильно сокращается и, с развер-; тыканием крупных тракторных заводов в Харькове, Сталинграде, Челябинске и ! заводов комбайнов в Саратове, Ростове; б Запорожья, теперь совершенно ликвидирована. Так, можно указать, что в : 1913 г. импорт выражался в 51,1 млн. руб., в 1930 г.—101 млн. р., в 1931 году; начинает снижаться до 97 млн. р., а в ! следующем 1932 г. импорт прекращается для целого ряда машин, каковы: i тракторные плуги,сеялки, снсповязал-; кн, сложные молотилки, комбайны,
! триеры, самоуборочные машины, кормообрабатывающие машины и сепараторы; продолжался еще ввоз с-х. машин для специальных культур. Вместе с тем экспорт советских машин непрерывно растет и выразился в 1928/29 г. в сумме0,580 млн. р., в 1930 г.—0,962 млн. р. и в 1981 г.—2,077 млн. рублей.
Ежегодное производство тракторов и комбайнов (в 1.000 шт.):
годы тракторов комбайнов
1931 40 3,5
1932 50 0.9
1933 80 8,5
1934 96 8,2
1935 106,7 25,0
1936 — 61,0
В связи с применением механической тяги в сельском хозяйстве конструкция с.-х. машин резко изменилась, а в зависимости от социально-экономических условий работы в колхозах и совхозах и необходимости увеличения продукции сельского хозяйства появились комбинированные с.-х. машины, производящие одновременно целый ряд разнообразных операций по обработке с.-х. продуктов (например, комбайны). Точно так же вследствие большей величины скоростей, на которых могут работать с.-х. машины, приводимые в работу от механической тяги, значительно большей ширины захвата с.-х. машин, работающих в поле от механической тяги, а также условий работы сложного машинного аггрегата, подсчет практической производительности следует производить по формулам:
A=0,36&Ьге£, или А=k---- -, где А—число га за рабочий день; b—
ширина захвата рабочей машины в и“ V—скорость машины в «м/сек.; w—еко-рость машины в км!час; t—число часов работы в день; практический коэффициент, характеризующий собою потери, вследствие чего практически обработанная площадь будет всегда меньше полученной из теоретического расчета. По данным Зернотреста считалось, что к для орудия обработки почвы было равно 0,9 (то есть 10% потерь); для сеялок к равно 0,75, для жатвенных машин 0,80—0,85; для зерновых комбайнов 0,75—0,80 и так далее Коэффициент к зависит от многих условий и равен произведению целого ряда коэффициентов, например: к=к кг к2, где кх —коэффициент потери скорости трактора от буксования, k2—коэффициент потери при работе не полной шириной захвата машины, к3—коэффициент потери вре- : мени, происходящий: 1) от холостых проездов из одной борозды в другую и от одного участка к другому; 2) от остановок, например, для засыпки зерна в сеялку, выгрузки зерна из комбайна и так далее; 8) от несвоевременной заправки I трактора и прицепной машины (на- I ливки горючего, воды, смазка); 4) при I замене запасных частей; 5) от простоев и плохой организации работ, а также [ при плохом выполнении работ и так далее f В результате стахановского движения коэффициент к3 значительно повысил- ся вследствие рациональности исполь- I зования машины и улучшения ухода I за нею. Рабочие скорости тракторов | различных марок видны из таблицы 1, [ а рабочая ширина захватов с.-х. ма- f шин—из таблицы И:
I. Таблица рабочих скоростей тракторов.

Тр акт о р

Мощность в л. с.

Тяговое усилие на крюке при средней рабочей скорости в килограммах

СКОрОС1 И

1-ая | 2-ая

в км]ч at 3-ая

Заднийход

3. „Фордзон- и „ФП..

10/20

600—530

3,4

4,5

11,8

4,3

2. „Интернационал-

10/20

650—ь00

3,2

4,8

6,4

4,0

8. „Интернационал44, „СТЗИ и „ХТЗ44 .

15/30

1.050—900

3,5

4,5

7,4

4,2

4. „Интернационал-

22/36

1.080-950

4,0

5,0

6,0

3,6

Ь. „Фармол“ и „Универсал44

9/18

540—460

3.4

4.8

7,2

4,0

6. „Катерпиллар“ и „ЧТЗ44

48/60

3.400—3.100

3,0

4,2

5,9

2,2

7. „Коммунар44

35/50

1.900

1,8

4,7

7,0

3,0

8. „К.четрак“

40/55

2.100

3,2

5,6

8,8

3,2

9. „Ойль-Пуль-

40/60

2.800

3,2

3,8

4,8

4,0

10. „Джон-Дир

15/27

950-750

4,0

5,2

_

3,2

11. „Кейс“..

26/40

1.400-1.000-900

4,0 ;

5,2

6,4

4,4

Примечание. Меньшая цифра тягового усилия относится к большей скорости трактора, а боль, шая—к меньшей первой скорости.
II. Таблица тяговых сопротивлений при работе с.-х. машин и орудий.
Машины и орудия.
Ширина раб. |0бщ. сопроти- | Производи-захватав.и. : влен. в килограммах [тельп. i: за/час
1. Тракторн. трехкора, плуг: при глубине 15 сантиметров
„ „ 20 сантиметров
2. Тракторн. 4-кор п. плуг: при глубине 15 см. ..
„, 20 см.
8. Тракторн. S-корпусный лущильник при глубине 10 см.. 4. Диск. 4-корпусн. плуг на тяжелой почве
5. Диск. 3-корп. плуг при глубине 20 сантиметров на тяж. почве. ;
(». Ишеничн. 16-диск, плуг
7. Канатн. 6-корпусн. плуг при пубине 2,0 см
8. Борона зпг-заг от тракт
9. Зубовая борона, 30 зуб
10. „ „ 90 зуб. ..
11. Борона 40-дисковая
12. Культиватор-экстирпатор
13. Свеклокопатель 3-кораусн
14. Сеялка 24-дисковая
15. Сеялка 19-рядная сошников
16. Сеялка хлоаково-кукурузная 4-рядн;1я.
17. Известков. сеялка♦
18. Картофелесажалка 2-рядная..
19. Косилка конная..
20. Косилка тракторн. 8-футовая..
21. Грабли боковые 8-футов..
22. Сноповязалка тракторн. 8-футовая
23. Сноповязалка тракторная 10-футовая. ..
24. Лобогрейка
25. Виндроуэр 16-футовый
26. Комбайн 16-футовый
27. Комбайн 20-футовый
28. Кукурузный пиккер 2-рядный.. . ..
0,90
0,90
1,20
1,20
1,20
0,80
1,00
0,00
0,75
2.50
2.40 2,10 1,30
4.00 3,10
3.50
1.50
3.60
2.40
3.60
2.50 1,20 1,37
2.40
2.40
2.40
3.00 1,56
4.80
4.80
6.00
1.60

675800 !

0,35

1 .ооо ;

(

900

0,5

1.ооо~1.2оо :

0,45

200—300 ;

0,5

о

/5

1-

I

О

о

0,25

1.000 |

0,25

50:)-550 !

0f2O

750 !

0,20

1.000—3.100 |

0,8

3.500 1 11

l,o—1,2

о

1 Of

0,7

240 |

0,4

500 |

1,3

800 !

1,0

500—700 !

1,2

600—700 |

0,4

300—400 1

1,0

120—140 ;

0,75

300 1

1,2

160 j

0,6

SCO—400

0,35

320—140 |

0,15

240 |

0,8

240 !

0,8

360

0,8

450 j

1,0

140—180 j

0,45

450 - 500 I

1,5

900

M

1ЛОО I

1,6

500

0,6

III. Таблица затраты мощности для различных с.-х. машин и их производительности.
Машина
Затрата мощности в HP
Произодительность в т/чао или кг/час
1. Сложная молотилка МО 900
2. Сложная молчтилка МК 1100
3. Сложная молотилка В до 34
4. Сложная клеверная молотилка..
5. Клевротерка простая
6. Кукурузная молотилка
7. Веялка-сортировка с элеватором
8. Зерноочистительная машина „Колхоз4
9. „ „ „Союонаркомзем“.
10. „ „с пневматическ. транспортером
11. Магнитная машина.
12. Машина для сухого протравливания зерна..
13. Си )осорезка ярл работе на резании
14. Силосорезка при раигге на дроблении
15. Американская молотилка 22 > 2
16- » 24 ×38.
17. „ 30 V 48.
18. „ „ 36 ×48.
19. Сенной пресс
20. Зерноэлеватор
21. Ипевматический стогометатель..

15

1 3,5 т;час

20

j 2 m чае

10—12

j 3,2 m ч-лг

30

300 /ту чае

2-3

80 лгу чае

12

2,4 т чт:

0,5

1 2—3 т ча -

5—6

! 3,6—2,6 тп ае

5—6

5— ш т! >ас

12—15

5 -10 тп чае

5

120 xviae

3

10 глчас

32—16

4 От; я ас

38-25

1—3 m чае

18-20

1,8 — 2 П7 чае

25

2—3 тп ч и

40

2,5—4 гл чае

60

3,5—С гл ч«с-

6

1,5—2 /л/чае

3

35 тп /чае

6-10

до €0 тп чае

Тракторные плуги. Конструкция тракторных плугов, принятых у нас е производстве, имеет следующие особенности (рисунок 1): 1)тип плуга—американский (ср. XXXIX, прил. сельско-хоз. машины и орудия, 11 сл.); 2) корпуса рассчитаны для вспашки на глубину до 20-25 cm Z) ширина захвата корпуса-30 см.) 4) рама состоит из массовых изогнутых крючкообразно грядилей, соединенных поперечными распорками; 5) для выемки из земли плуги снабжаю гея автоматически действующим подъемным механизмом; 6) число корпусов—3 или 4, причем один из них может быть отнят при работе на тяжелой почве или в случае применения маломощного трактора; 7) плуги опираются на три колеса: полевое, бороздовое и заднее опорное, идущее также в борозде. Отвалы плугов большей частью ставятся американского типа, так называется общего назначения, близкого по форме и характеру работы к отвалу полувинтовому, но также ставятся полувинтовые и культурные. Лемехасидящими на ней собачками (3), входящими в зацепление с зубцами первой действием пружинок (4). Криво
Рисунок 1. Тракторный 4-хкорпугный плуг: 1—корпус 2—дисковый нож; 3—предплужник; 4 - автомат; ообыкновенно ставятся европейские, но также применяются и американские с долотообразным носом. Нож ставится дисковый. В комбинации с вожен применяется американский предплужник, называемый джойытером. На зав. им. Окг. революции разработана форма дерноснима к отвалу культурного типа, соответствующая нашим почвенным условиям. Автоматический подъемный механизм (автомат) американского типа состоит из (рисунок 2):
1) храповой муфты, 2) двух колен, соединенных шарнирно, одного короткого—кривошипа и другого длинного— шатуна, и 3) включателя. Храповая муфта состоит из двух частей: одной— тарелкообразной, с внутренними зубцами (1), сидящей жестко на полевом колесе, и другой, в виде диска (2), с
Рисунок 2. Автомат американского типа: 1 — зубчатый диск; 2 — диск с собачками; 3 — ролаки-ообачки;
4—пружина; 5 — ролик выключающего рычага; б—рычаг; 7—пружина рычага; 8—кривошип; 9—шатун; 10—отросток собачки; 11—верейка; 12—рычаг для установки полевого колеса.
шип (8) соединяется жестко с диском муфты и поворачивается вместе с поворотом последней и, упираясь в свою очередь в шатун (9), передает движение при помощи него и колена оси раме плуга. Включатель состоит из рычага (6), снабженного пружиной (7), одни конец которого упирается в отросток (10) собачки (3), выключая ее из зацепления, а друплуга; ГОЙ КОНвЦ БМвеТ ВврвВКу (И),
-рама, идущую к трактористу. Действие автомата заключается в следующем: тракторист дергает за ве- ’ ревку, сжимая пружину (7) и освобождая собачку (3), которая упирается в зубцы храповой муфты; полевое колесо, вращаясь, будет поворачивать диск муфты, вследствие чего колено оси полевого колеса будет повертываться, а рама плуга начнет постепенно подниматься кверху и корпуса плуга выйдут из земли. Одновременно с поворотом колена полевого колеса посредством передаточных механизмов производится поворот колени осей бороздового и заднего колес, и от действия автомата таким образом плуг перейдет в транспортное положение.
Немецкие тракторные плуги отличаются в основном формой рамы и стойками корпусов, которые присоединиются к раме под прямым углом, к по- [ 16-тидиековые плуги, носящие назва-верхностью отвалов, которые большей ! кие пшеничных (рисунок 5). Диски вращают-частыо делаются культурными, а также европейской формой лемеха и наличием дерноснимов; автомат также имеет своеобразную конструкцию и состоит из зубчатого колеса, сидящего на ступице полевого колеса, и дугообразной зубчатой рейки.
Рисунок 5. Пшеничный плуг в плане,
Для лущения стерни и паровых по-1 ся около одной оси. Характер работы лей строился на заводе им. Окт. револ. | как дискового, так и пшеничного плугов 8-корпусный лущильник (рисунок 3), а в! значительно уступает в качестве по настоящее время—пятикорпусный. I сравнению с плугами лемешными, а потому дисковый плуг не может заменять собою плуг лемешный и применяется; только, в особых условиях. Пшеничный плуг обрабатывает почву на глубину : меньшую, чем дисковый плуг, но большую, чем дисковая борона.
Появление тракторных плугов в Аме- рике относится к 1908 г., когда был произведен в Канаде первый конкурс пахоты паровыми тракторами, мощностью от 75 до 120 лошадиных сил, и газолиновыми, мощностью до 30 лошадиных сил. В России тракторные плуги появились в Кроме лемешных плугов, строятся у. 1910 г., английских и американских нас также дисковые 4-х корпусные плу-: фирм; немецкие тракторные плуги нагиДрис. 4) для обработки почвы из-под i чали ввозиться после 1920 г.
Производство плугов на наших заводах началось после 1928 года
Е©
Рисунок 3. 8-микорпусный лущильник: 1 — корпус: 2—рычаг полевого колеса; 3— рукоятка для перестановки колес и выемки плуга на месте; 4— автомат; а—прицепка.
Рисунок 4. Дисковый плуг: 1—дисковый корпус; 2-скребок; 8 — рама; 4 — полевое колесо; 5 — бороздовое колесо; 6--заднее опорное колесо; 7—рычаг к автомату; 8 — рукоятка к полевому колесу; ® — рукоятка к бороздовому колесу; 10— прицепка.
на заводе им. октябрьской рево-люции. причем конструкции плугов приняты по типу американских. В настоящее время плуги строятся у вас на семи заводах.
Для обработки почвы от элев тротяги при помощи каната применяется ш ес ти гор и у сны и балансирный плуг (рисунок 6), строющииея леса, пронизанной корнями кустарни-1 на зав. им. Медведева. Схема работы ков и деревьев, а также почвы каменистой. Диски снабжаются скребка-ми, имеющими форму небольших от-вальцев, задачей которых является не только очистка поверхности дисков от.налипшей земли, но также и оборачивание пласта. Дисковый плуг оборудуется массивными косо поставленными -бороздовыми колесами, задачей которых является противодействовать повороту плуга вследствиедавления пластов на поверхность дис“ I от двух электролебедок видна на ков. Кроме того, для лущения строятся ! рисунок 7. В 1884 г. в Германии были про-:
Рисунок 6. Балансирный ш“стнвороуснм& канатный плуг для электротяги.
®
изведены первые попытки электропахоты, а с 1910 г. начали строиться две системы: одномашинная — Майера и двумашинная — Брутшке. Электролебедки у нас пока не строятся. Первый опыт постройки -у нас всего аггрегата был в 1921 г., но тогда он не увенчался успехом.
„ Кроме того, наши завис. 7. Схема рас- гположения машин ВОДЫ СТрОЯТ раЗЛИЧНЫвпри электропахоте ПЛУГИ, Применяемые от 2-х электролебе- з гдок: 1—провода то- Для разных задач обра-ка высокого напря- бОТКИ. Так, ДЛЯ ображения: 2 — мачты; ~
3 — трансформато- бОТКИ П0Л6Й, ПОКРЫТЫХ
ры; 4-провода тока куСТарНИКОМ ВЫСОТОЙ
Это “трок- до 2—3 м, применяетсябедки; 6 — канат; особый ПЛуГ С ПОЛу-7 плуг. ВИНТОВЫМ отвалом и черенковым ножем такой формы, что нижний конец его насаживается на носик лемеха, составляя с ним как бы одно целое. Плуг может работать на глубину 18 сантиметров от трактора СТЗ 15/80, давая производительность до 0,2 га в час. Другим специальным плугом является плуг, снабженный двумя корпусами, обращенными друг к другу своими отвалами, и идущими вслед за ними тремя каточками, применяемый в хлопковых хозяйствах для устройства валиков (пал) в поливных районах“
Для расчета сопротивлений, оказываемых плугом при работе на различных почвах и различную глубину, пользуются обыкновенно формулой Р=р-а-b, где Р—выражается в килограммах и носит название тягового усилия, р-~называется удельным сопротивлением почвы и выражается в килограммах, отнесенным к площади в 1 кв. см, и обозначается кг]см2; а—глубина борозды в см, Ь— ширина пласта в см, произведение .аЬ—площадь поперечного сечения пласта в см2. Эта формула дает среднее удельное сопротивление, но так как для передвижения плуга вхолостую требуется затрата усилия тем более значительного, чем тяжелее плуг, то при расчетах надо принимать во внимание вес плуга. Кроме того, для от-
! брасывания частиц почвы требуется усилие тем большее, чем больше рабочая скорость плуга. Это учитывается в формуле проф. В. П. Горячкина: P=f-Q + k-a-b + e-a-b‘V2, где /—коэффициент трения стали о почву, (>—вес плуга в килограммах, к — коэффициент сопротивления почвы в килограммах/см2, а—глубина обработки в см, Ь—ширина пласта в см, е—скоростной коэффициент, Г—скорость в ж/сек. Коэффициенты f, к и е определяются из уравнений, получаемых опытным путем при установке плуга на различную глубину и при работе на различных скоростях; решаются эти уравнения по способу наименьших квадратов. Для упрощения решения первый член формулы, то есть fQ, может быть получен непосредственным наблюдением, протаскивая плуг в борозде вхолостую.
Дисковая борона (рис.. 8). Бороны строятся в 32 и 40 дисков, которые располагаются в два ряда: две батареи
©—о
Рисунок 8. Дисковая борона: 1 диски; 2—пружинный зуб; 3—скребки; 4—рычаги к скребкам; б—рукоятка для установки дисков; б—прицепка; 7—платформа для груза; 8—транспортные колеса.
переднего ряда имеют диски, расположенные вогнутостью нар ужу, а батареи заднего ряда—вогнутостью внутрь. Между батареями переднего ряда устанавливается пружинный зуб для разрыхления получающегося гребня. С помощью винтового механизма тракторист может изменять угол постановки осей батарей, а следовательно и угол постановки дисков относительно направления движения; этим регулируется глубина хода и степень рыхления почвы. Для очистки дисков имеются скребки, передвигающиеся помощью рычага, от которого идет веревка к трактористу. Для транспорта борона устанавливается на колеса во избежание порчи дисков. Тракторные бороны впервые появились в Америке; на наших заводах строятся бороны по типу борон „Международной компании жатвенных машин“.
Тракторный культиватор - экстирпатор (рисунок 9) применяется для борьбы | ния бруса спые лапки для рыхления. Спереди мотыга имеет двухколесный передок, а сзади имеются две ручки для иередвигас сорняками на паровых полях. Он снабжается 17-ю ножевидными лапками треугольной формы или же пружинными лапками с наральниками. Глубина регулируется рычагами, снабжен-женными пружинами; рама имеет колесный ход.
Рисунок 11. Мотыжные лапки для подрезания сорняков
Рисунок 9. Тракторный культиватор-экстирпатор,
рабочими лапками вбок, приноравливаясь к направлению рядков.
Для облегчения при заездах подъема рамы с лемешками мотыга имеет противовес в виде груза, передвигаемого по рычагу. Мотыга построена по типу мотыги Зидерслебе-на в Германии.
Тракторные культиваторы строятся различных конструкций. Один из них, например (рисунок 12) Культиваторы для обработки меж-1 „ВИМЭ № 1“, опирается на три колеса дурядий. Конный культиватор из- и имеет два ряда рабочих лапок: в вестей под названием мотыги „Украин-1 переднем ряду ставятся односторон-кай (рисунок 10). К основной раме, опираю-1 ние ножички, а в заднем ряду междуними располагаются так называемые гусиные лапки. При работе передний ряд ножичков подрезает корни и корневища сорняков, а задний ряд разрыхляет почву. Положение лапок регулируется тремя рычагами. Для рабочего имеется сиденье. Эти культиваторы имеют конструкцию, сходную с американскими.
Рисунок 10. Мотыга „Украинка44; 1 — рама с колесами; 2—передок; В—брус с рабочими лапками: 4—лапки для рыхления; 5—диски; 6—рычаг с противовесом;
7—ручки для управления.
щейся на два колеса, присоединяются шарнирно поводки, снабженные рабочими лапками в виде двусторонних ножевидных лемешков. Лапки соединяются в группы для обработки отдельных междурядий, а между ними устанавливаются парные диски, подрезающие междурядие вертикально и защищающие в то же время рядки от повреждений (рисунок 11). Вместо ножевидных лапок могут быть поставлены ту
рне. 12. Культиватор для междурядной обработки.
Кроме вышерассмотренных, имеется целый ряд менее распространенных культиваторов, строящихся в некотором количестве на наших заводах. Таков, например, штанговый культиватор (рисунок 13 и рисунке 14). Рабочей частью его
Рул а.Г Шланговый культиватор: 1—рама; 2—ходовое колесо; 3—полевое колесо; 4-~транепортнов колесо; 5~ ры аг для установки на глубину; 6— зубчатый сектор; 7—цепная передача; 8—коленчатый вал; 9— штанга; 10—грядили.
является горизонтально расположенная штанга квадратного сечения, косорняки. При культивации широкорядных культур мотыгу следует пускать тогда, когда сорняки еще недостаточно укоренились и легко вытаскиваются; культурные же растения с прочной корневой системой будут мотыгой только слегка повреждаться, что будет способствовать даже лучшему их кущению. Мотыга американского происхождения и строится также у нас с введением значительных улучшений в форме рабочих лопаток.
Рисунок 14. Передаточньй механизм к штанге: 1—грядиль; 2—башмак с подшипником; 3 и 4—шарниры карданного вала; 5—штанга.
торая, вращаясь от ходового колеса, вырывает все встречающиеся на пути сорняки. Штанга может быть погружена на ту или иную глубину посредством наклона стоек, несущих штангу. Отрицательной стороной применения штангового культиватора является сильное распыление им почвы, В Америке эти культиваторы имеют распространение в Европе же — нет. У нас начали строить их, но производство теперь прекращено.
Для борьбы с сорняками на паровых шлях и при широкорядных культурах служит ротационная мотыга (рисунок 15), имеющая ряд звездообразных дисков; вращаясь при движении мотыги вперед, они вырывают своими изогнутыми лопастями встречающиеся на пути
Рио. 15. Ротационная мотыга.
Тракторные сеялки строятся на наших заводах двух типов: с дисковыми сошниками и с обыкновенными. Сеялки завода „Красная Звезда“ (рисунок 16) снабжаются 24 двухдисковыми сошниками; высевающие приборы—катушечные, устанавливаются на верхний и нижний высевы и имеют, кроме того, запасные шестерни, что делает их пригодными для высева разнообразных семян. Ширина междурядия 5—15 см; рабочая ширина захвата сеялки—3,6 м; вследствие возможности перестановки ( сошников, величина междурядий и ши-j рина захвата могут изменяться. Тя
Рпс. 16. 24 хрядвая дисковая сеялка.
говое усилие—400 килограмм; производительность—1,2 га в час.
Сеялка завода Ростовое льмаш является менее универсальной, так как постановка сошников является постоянной, а высевающие приборы не могут быть установлены на верхний высев; построена она по типу американской сеялки Мак-Кормика.
19-рядная тракторная сеялка завода им. Петровского, снабженная русско-американскими сошниками, является сеялкой универсальной (рисунок 17). Ши“
Рисунок 17. 19-ти рядна я сошниковая тракторная сеялка.
скован сеялка по типу американской Мак-Кормика. Однодисковые сошники приняты здесь потому, что позволяют уменьшить междурядия до 10 ель, что не достигается при других сошниках. Высевающий прибор ставится вну-треяне-реберчатый, позволяющий изменять количество высева в широких пределах.
У нас на заводах начали строить также сеялки для высева гашеной извести, мергеля и так далее; высев производится в разброс. Сеялка рассчитана на ширину захвата в 2,5 л«, на пару лошадей и дает производительность 0,6 га в час.
На заводе Арма лит строятся двухрядные хлопково-кукурузные сеялки (рисунок 19) со сменными для каждого рода серина захвата ее—2,4 «илиирина междурядия—12,7 см, но перестановкой сошников может быть изменена. Силатягя — 250 килограмм, производительность—0,75 га в час. Этот тип сеялок разработан на наших заводах.
Глубокобороздная сеялка (рисунок 18) получает все большее значение в засуш-
Рисунок 18. Глубокобороздная сеялка.
ливых районах, так как проводит особыми сошниками бороздки до 10 сантиметров глубины с заделкой в них семян на
Рис, 19. Две кукурузные сеялки в общей сцепке с маркером.
мян высевающими приборами. Двухрядная сеялка рассчитывается натягу двух лошадей. Для тракторной тяги сеялки соединяются попарно помощью специальной сцепки.
Для посадки картофеля на заводе „Рязсольмаш“ строится двухрядная картофелесажалка, которая высаживает клубни в лунки, пр >делываемые особыми совками (рисунок 2J и 20а). Карглубпну до 5 сми имеет идущие сзади каточки, уплотняющие бороздки. Такой способ посева имеет преимущество в том, что О господствующие ветра не вылувают посевов и корешки растений не подвергаются вымерзанию или высыханию; 2) снег задерживается в бороздках и 3) снеговая и дождевая вода задерживается в бороздках и увлажняет посевы. Сошники и каточки строятся на заводе „Красная Звезда“.
Для высева льна на заводе „Красная Звезда“ строится 42-рядная од поди-
Рисунок 20. Картофелесажалка.
тофелесажалка построена по типу немецкой системы Лессера с рядом улучшений в конструкции.
Длясадки
ПО-
рас
Рисунок 20а. Картофелесажалка в разрезесады завод „Кр а сная 3 в е з д а“ строит 6-ти-рядную машину (рисунок 21), снабженную: 1) сошниками, проводящи-бесконечной цепью сми бороздки, 2) автоматически открывающимися и за
вис. 21. Общий вид 6-тирядной посадочной машины.
крывающимися карманчиками, куда сидящие на машине рабочие вкладывают рассаду, и 3) идущими сзади прикатывающими каточками по типу американской машины Брюэра. Производительность машины составляет до ОД га в час; тяговое усилие—600 килограмм.
При установке сеялки на требуемый высев пользуются формулами:
10.000
1) и — go (кВ) (а т) ’ где и числооборотов ходового колеса на 3/зо за, D - диаметр ходового колеса, тс=3,14, а—ширина междурядия и т—число тсП
сошников; 2) t=где число секунд на 1 оборот ходового колеса, тсП—длина окружности ходового колеса, v — скорость сеялки в м/сек. 3) Для установки сеялки на ленточный посев ширина захвата будет равна: т
Ь=[% + (к — 1)]~~дг-, где Ь—шириназахвата, он—ширина междурядия между лентами, а2—ширина междурядия между сошниками в ленте, А—число сошников в ленте (число строк), т—общеечисло сошников (рисунок 22). 4) Расстояние между колесами передка равно: сс 2am — L, где ж-расстояние между колесами передка, am—ширина захвата
Рисунок 22, Схема расстановки сошников для ленючного посева.
сеялки и L—расстояние между задними колесами сеялки. 5) Длина маркера для
I
системы сеялок равна: у—и-b —, гдеи.Ь—ширина захвата системы и сеялок, //—расстояние между передними рулевыми колесами трактора и у—теоретическая длина маркера; практическая же длина будет равна: s=е/ — $, где z—действительная длина маркера и 5—расстояние от середины системы сеялок до места прикрепления маркера (рисунок 23).
Уборочные машины появились за последние годы в значительном количестве и в большом разнообразии.
Тракторные косилки строятся двух систем: прицепные и подвесные. Но подвесные косилки не получили у нас распространения, и на наших заводах строятся только прицепные по типу Мак-Кормика—Диринга. Конструкция этих косилок мало отличается от конных (ср. XXXIX, прил. сёльеко-хоз. машины и орудияя 28 сл.); ширина захвата тракторной косилки —2,1 м, тяговое усилие—240 килограмм; потребная мощность до
4-х HP. При прицепке к трактору нескольких косилок к задним косилкам присоединяется рулевое управление (ри<% 24), приводимое в действие рабочиМ с сидения косилки; производительность—0,7 га в час.
fit
uS-{
Jf

-е =ис

L tL.

Рисунок 23. Схема расстановки сеялок и маркера.

Тракторная сноповязалка мало отличается по конструкции от конной ма-

Из сеноуборочных машин можно указать на сенной комбайн, служащий для уборки сухого сена. Он состоит из сенособирателя, получающего движение от ходового колеса, и сенного пресса, приводимого в работу от карданного вала трактора. Работа прессования происходит на ходу, и в случае перегрузки пресса трактор останавливают, пока не будет спрессовано все поданное в пресс сено. Сеноуборочные машины строятся на О Тереком заводе по типу американских.

Для уборки картофеля применяется комбинация двух машин: элеваторного

Рже. 24. Рулевое управление для задней прицепной косилки.

Рисунок 25. Карданный вал на раме трактора, идущей к сноповязалке: 1—раздвижной вал; ::--храповая муфта; 3—шарнир Гука; 4—шарнир Гуки; 5—шарнир Гука.

шины и построена по типу Мак-Кор-1 картофелекопателя и подборщика, про мика. Механизм сноповязалки приво- изводящего собирание клубней картедится в работу от трактора при мощи карданного вала (power take рисунок 25 и 26); главное колесо уже не является ходовым и снабжается гладким ободом с ребордами, препятствующими боковому перемещению. Ширина захвата сноповязалки— 3 м; потребное тяговое усилие— 400 килограмм; необходимая мощность такова, что к трактору СТЗ могут быть прицеплены две сноповязалки; производительность каждой сноповязалки 1 га в час.

по-1 феля и ссыпку его в мешки.

off; | Для уборки свеклы, кроме специаль

Рисунок 26. Карданный вал на раме сноповязалки:!--раздвижной вал; 2—храповая муфта; З—пружины;4—шарнир Гука; 5—вал; 6—шарнир Гука; 7—вал на сноповязалке.

пых свеклокопателей и ботвосрезате-лей, разрабатывается конструкция свекловичного комбайна, который одновременно производит срезку ботвы и собирание ее в ящик, а также выкапывание, очистку от земли и собирание в ящик корней свеклы.

Для уборки льна строилась на Люберецком заводе льнотеребилка „Комсомолка“, а теперь строится широкозахватная льнотеребилка. Рабочей частью машины „Комсомолка“ является теребильный аппарат, состоящий из двух ременных лент, между которыми захватывается пучок стеблей льна. Машина снабжена вязальным аппаратом, как и в хлебной сноповязалке. Ширина захвата машины -0,4-0,6 ль. К трактору GT3 15/30 могут быть прицеплены 3 машины; производительность каждой машины до 2 га за 8 часов. Мащина построена по типу английской машины Сунеиа. Широкозахватная льнотеребилка сист. инж. Сиваченко (рисунок 27)

Рисунок 27. Общий вид широкозахватной льнотеребилки: 1 — деятели; 2 — теребильный аппа| ат;

3—главный транспортер; 4—добавочный съемный транспортер; 5—вязальный аппарат; 6 и 7—стойки; 8—рычаг подъемною вязального аппарата; 9-пре-дохранительная муфта карданного вала; 10 — рама; 11—прицепная серьга; 12—рычаг наклона; 13 — инструментальный ящик.

имеет шесть секций с теребильными аппаратами; она снабжена транспортером и сноповязальным аппаратом. Ширина захвата машины—.2,25 м; теоретическая производительность—1,1 га в час, практическая—0,86 га в час. К трактору СТЗ 15/30 прицепляется одна машина, приводимая в работу от „пауэр-тейк-офф“ трактора.

Для уборки хлопка применяются машины: 1) однорядный конный „слединг“, состоящий из 6-паль девой гребенки, счесывающей коробочки хлопка, и ящика для сбора их; 2) двухрядныйхлопко-уборочный комбайн, состоящий из гребенки для очесывания кустов, транспортера для передачи собранного вороха, приспособлений для дробления коробочек и отбора сырца, и транспортера, подающего сырец в подставленный для этого мешок (рисунок 28и 2ta); 3) хлопкоуборочная пневматиче-

Рисунок 28. Общий вид комбайна для уборки хлопка.е)

ская машина, называемая™„Турман-ва-куум“, снабжаемая насосом и шестью

Рисунок 28а. Комбайн’для уборки хлопка в работе.

шлангами, через которые хлопок засасывается из раскрытых коробочек в мешки; машина устанавливается на раме трактора Фордзон или Фармолл. Машины эти строятся по типу американских с целым рядом конструктивных изменений.

Для уборки кукурузы на заводе „Красный Акеай“ строится пиккер-хескер по типу американского (рисунок 29 и 29а).

Рисунок 29. Общий вид пиккер-хеекера спереди: 1—делители; 2—бесконечные йены; 3 — элеватор; 4—хес_ керн и аппарат; 5—раз рузочный элеватор; 6—кар“ данный вал; 7—приценка; 8—рычаг наклона..

Работа машины состоит в том, что с помощью валиков срываются початки, затем посредством элеватора передаются на хескерный аппарат, в котором с помощью валиков производится срывание оболочки, а очищенные початки элева-

Рнс. 29а. Общий вид пиккер-хескера сзади.

Г тором передаются в тележку, идущую | рядом. Производительность двухрядного пиккер-хескера около 0.7 га в час; тяговое усилие-от 400 до 500 килограмм.

Молотилки. На заводе „Серп и Молот“ строятся сложные молотилки двух размеров: МО 900 и МК 1.100, по типу молотилок английского завода Клейтон,.с целым рядом изменений в деталях. К молотилкам может быть присоединен барабанный или цепной самоподаватель; для измельчения соломы может быть присоединен саманный аппарат; к молотилке также изготовляется соломоподъемник. На том же заводе начали строить молотилки американского типа по системе Advance Ru-rnely марки AM 710.

Сложные молотилки применялись у нас с 1850-х годов; наиболее распространены конструкции английских за- водов; значительно позднее сложные молотилки начали строить и немецкие заводы. Заводы быв in. Эльворти в Кирове и Липгарта в Москве разработали оригинальные конструкции молотилок, в которых сказалось .американское влияние; молошлка Б ДО 34 строится на зав. „Краевая Звезда44 и в настоящее время.

Теория молотильного барабана уста.™ навлпвает.. следующие соотношения между мощностью двигателя, моменте:-:

, инерции молотильного барабана и уг-1

ловой скоростью его и массой снопов, пропускаемой черев барабан в 1 сек.:

где А—число лошадиных сил двигателя, /—момент инерции молотильного барабана, угловая скорость барабана,

(1мущ -угловое ускорение барабана, домасса снопов, v—скорость зуба барабана, f—коэффициент перетирания. Производительность сложной молотилки с бильным барабаном подсчитываетсяпо формуле: ==3775 где I—длина барабанавметрах, «—число оборотов барабана в 1 минуту, fc—число бил барабана, 1

g — отношение веса зерна к весу снопа,

б—нормальное число бил. Расход энергии на отдельные рабочие части сложной европейской молотилки распределяется так: барабан поглощает 40—50%, соломотряс до 15°/о, грохот также до 15%, вентилятор первой веялки 10—12%, вентилятор второй веялки до 5%, элеватор 2—4%, шасталка до 6% и сортировка до 4%. В сложной американской молотилке, снабженной эсгаустером для отвода соломы, последний поглощает около 400 о мощности, а остальные 60% распределяются так: на барабан 2)%, соломотряс 4%, решетный стан 2%, вентилятор 8%, колосопод-емыик 6%, зерновой шнек 2%, элеватор для .зерна 4%, битер 10%, самоподаватель 10%. Рабочий ход сложной молотилки требует в 2- 8, раза больше мощности, чем ее затрачивается на холостой ход.

Зерноочистительные машины за последнее время получили также вид комбинированных машин. Прежде всего у нас были разработаны быстроходные триеры, в которые внесены изменения: .уничтожены сгребал ки, укорочен цилиндр и установлен горизонтально, переконструирован желоб и так далее Тихоходные триеры имеют 10—оборотов в мин., быстроходные ручного действия—35 и приводные—50 оборот.; пропс боди тельность тихоходных—200 не в час, быстроходных -400—500 килограмм/ч. Другим типом триера, который у ластик-I же намечен к производству, являетсяамериканский триер Картера (рисунок SO). Он состоит из 15 ж более дисков с

Рисунок 30. Дисковый триер Картер.

ячейками, сидящих на общей оси и погруженных в лоток, по которому передвигается зерно. Работа его заключается в том, что диски своими ячейками вычерпывают мелкое зерно и примеси и отбрасывают действием центробежной силы их в боковой желоб. Триеры строятся как простого, так и двойного действия. Производительность в 3—4 раза больше, чем триера цилиндрического.

В совхозах были распространены у нас несколько конструкций зерноочистительных машин немецкого завода Ребера. Схема работы в них примерно одинакова. Так, машина „Колхоз“ имеет следующее устройство (рисунок 31). Из

Рисунок 31. Продольный разрез зерноочистительной машины „Колхоз01: А — ковш; 1—труба для пыли; В—осадочная камера; 2—желоб для крупных примесей; 3—желоб для мелких примесей; С—решетка; 4—вторая отстойная камера; D — лоток е триеру; 5—желоб триера; 6—желоб для чистого зерна.

ковша (А) зерно с помощью питательного валика передается на решетку, пересекающую два вертикальных канала. В первом канале зерно продувается струей воздуха от вентилятора, и все легкие примеси выгоняются черезтрубу (1). Когда ток зерна пересекает второй канал, то действием струи воздуха зерно прогоняется по каналу кверху и попадает в камеру (В), где : расположены решета. Решета в верхней камере имеют качательное движение. Для уничтожения забивания решет верхнее снабжено колотушками, а ниж-нее—щеткой. Крупные примеси с верх- I него решета поступают в желоб и вы- I водятся наружу (2). Мелкие примеси, прошедшие через второе решето, также выходят через желоб наружу (В). Очищенное зерно со второго решета попадет на решетку (С), пересекающую канал, по которому идет сильный ток воздуха, получаемый от того же вентилятора. Действием этой струи производится сортирование зерна по весу: более легкие зерна поднимаются вверх и попадают в отстойную камеру, где, теряя в скорости, оседают в желобе и выводятся наружу (4). Тяжелое зерно пересекает канал и выходит в лоток, по которому передается в триер (D). Из триера по желобу (5) выходит битое зерно и куколь, а в конце цилиндра выходит чистое семенное зерно (6).

К этой установке легко может быть присоединен протравитель для семян. Потребная для работы мощность двигателя — 5-6 HP. Производительность для получения семенного материала— 1.500 %г в чае.

На заводе „Красная Звезда“ сконстру- | ирована зерноочистительная машина под маркой „Союзнаркомзем“. Она состоит из системы камер, продуваемых вентиляторами, решет и триера. Производительность ее: а) при получении семенного материала пшеницы — 6-8 m/ч., овса—3-4 т ч., б) при обработке товарного зерна—пшеницы—10 т/ч. ж овса—5 m/ч. Потребная мощность 5—

6 HP; с присоединением пневматического транспортера—12-15 HP. Для очистки гороха строится интересная в конструктивном отношении машина под маркой „Темп“.

На конструкции наших зерноочистительных машин вложено много интересного и оригинального. (

Из новых машин по переработке кор- j мов надо указать на силосорезку, с приспособлением для дробления концентрированных и грубых кормов зав.;:“-

Гомсельмаш (рисунок 32). Рабочей частью ее служит диск, снабженный с боку тремя режущими ножами, а по окружности диска—шестью комплектами молоточков по 20 шт. Диск охватыва-

Ри< 32. Силосорезка в разрезе: 1—тр; вспортер;

2 — пит ател! иые вальцы; 8—дисе с ножами имолоточками; 4 — кожух; 5 — труа; 6 — шкив;

7—{ ама; 8—колеса.

етея кожухом с чугунными рифлеными секциями. Продукт подается к режущему диску при помощи транспортера и двух питательных вальцов. От кожуха идет труба для отвода измельченного силоса в башню.

Производительность при резке силосной массы—

4.000 згг/час., при дроблении сухого зерна — 800-1.000 яг/час., при дроблении жмыха —

3.000 кг/ч., при резке соломистых кормов, древесных веток и янта-ка—500 кз/ч. Потребная мощность на резку силосного корма—12-15 HP, на дробление— 1825 HP.

Комбайны. Зерновым комбайном называется сложная с.-х. машина для одновременной уборки и обмолачивания урожая; другими словами, комбайн представляет собой соединение в одно целое двух машин — жатвен-1 ной (хедера) и молотилки. На раме комбайна, над его передним коле-1 сом расположен двигатель, право- ‘ дящий в работу все части комбайна; для передвижения же его по полю он прицепляется к трактору. Ком-байн опирается, кроме переднего ко-1

леса, еще на три, два из которых служат для поддерживания молотилки, а третье расположено на продолжении той ж% оси и служит для хедера.

Комбайн (рисунок 33) состоит из следую-I щих р абочих частей, производящих; работу в таком порядке: стебли среза-I ются режущим аппаратом; для успеш-I ности подрезания стеблей очи пригн-I баются к ножам планками мотовила;

срезанные стебли падают на платформу,

I на которой движется бесконечное по-| лотно, снабженное планками; полотно ! имеет движение справа налево, смотря по ходу машины; захватив стебли, оно передает их особому элеватору, состоящему обыкновенно из двух полотен, также снабженных деревянными план-! нами; с помощью этого элеватора сте-; бли передаются во вторую часть ма-I шины, называемую молотилкой. Хедер

от комбайна, как увидим в дальнейшем.

На рисунке 34 и 34а еидны процесс работы молотилки и движение продукта по ее рабочим органам. С хедера стебли поступают через элеватор на транспортер (30), который передает их колосом вперед к молотильному барабану. Над транспортером перед барабаном расположен распределитель (28) в виде рамки с нишами, который продвигает стебли ровным слоем. В промежутке между молотильным барабаном (27) и декой (26) происходит вымолачивание колоса, но зерно не проваливается.

сквозь деку, а идет вместе с соломой на зерновой элеватор (24). Над элеватором расположены два барабанчика-битера (9), которые протрясают голому, выделяя зерно С элеватора зерно подается на скатную доску (21), а солома

30 28 г“ 27 26 е5 24 23 гг 21

Рисунок 34. Продольный разрез комбайна.

подхватывается двумя барабанчиками (11), перебрасывающими ее на соломотряс, где солома окончательно про-тряеается действием барабанчиков (14 и 15), продувается вентилятором (13) и передается двумя соломотраяспортера-

Рисунок 34а. Схема прохождения хлебной массы ч.»рез молотилку комбайна.

ми (16 и 12) к выходу. Зтесь солома выбрасывается из молотилки и может быть собрана в копны с помощью особого копнителя, присоединяемого к комбайну сзади. Зерно, вышедшее с зернового элеватора и выделившееся на полотнах соломотряса, идет на решето, называемое грохотом (20). Эго решето продувается ветром: от вентилятора (23), и вся мякина с грохота выдувается нарушу, в соломокопнп гель.

Сквозь отверстия грохота проскакивает все зерно и попадает па скатную доску (21). Выделившиеся на грохоте невымолочекнын колос сходитв конце его и попадает в желоб, где располагается ши ж (19). Шнек переда-етколое в поперечном направлении кко-лосовому элеватору, который, расположен с правой части молотилки (на рисунке не виден); колосовой элеватор поднимает колос и передает его через окно на транспортер, с которого он снова попадает в молотильный барабан. Зерно по сборной доске (21) скатывается в желоб со шнеком (22), который передает его в поперечном направлении вперед к зерновому элеватору. Зерновой элеватор в свою очередь передает зерно из

1-й веялки во 2-ю веялку, расположенную наверху. Здесь зерно сначала подхватывается шнеком (5), который и распределяет его по верхнему решету веялки (8). На решетах зерно окончательно очищается от всех легких примесей действием вентилятора (3) и, пройдя через отверстия, попадает по скатной доске (7) в желб со шнеком (6). Шнек передает зерно во второй зерновой элеватор (2) и далее оно ссыпается через рукав в бункер (82). При своем движении по трубе элеватора зерно очищается от песка и семян сорных трав, которые проскакивают через отверстия решетки, поставленной снизу вдоль трубы. Примеси эти через особый рукав высыпаются наружу в мешок, который ставится в ящик (29). Из бункера по мере его наполнения зерно выгружается в подъезжающую к комбайну тележку, для чего включается в действие -особый шнек, который распило-ложен внутри разгрузочной трубы (33).- Комбайн опирается обычно на четыре колеса: рама молотилки имеет два;; колеса, сидящие на общей: оси, и одно=.

переднее поворотное; хедер имеет одно колесо, располагающееся сзади платформы на продолжении колес молотилки. Рама хедера присоединяется к раме молотилки шарнирно. Высота платформы хедера может изменяться посредством наклона вперед и назад; для облегчения наклона к хедеру сзади присоединяется противовес в виде длинной штанги с насаженным на вей грузом. Наклон плата ормы, с целью изменения высоты срезания стеблей производится при помощи механизма штурвала, который состоит из вертикальной рейки, соединенной шарнирно е краем платформы, снабженной наверху отверстиями, захватываемыми зубцами колеса, и штурвального колеса, с помощью которого рабочий производит поворот зубчатки, а следовательно и подъем и опускание платформы.

Механизм комбайна приводится в работу от двигателя, устанавливаемого на раме комбайна; двигатели ставятся пц. преимуществу двух типов: керосиновый двигатель трактора СТЗ, мощностью 30 HP, и бензиновый „Форд -Нати“, мощностью 28 HP. Комбайн передвигается по полю от трактора СТЗ или ХТЗ 15/30. Ширина захвата комбайнов „Коммунар“ и „Оаркомбайн“— 4,8 ль, а комбайна „Сталинец11—6Д м. Производительность в час для первых двух считается — до 1,5 га, третьего-до 2 га.

Для сборки соломы в копны к комбайну присоединяется приспособление, называемое соломокопнителем. Оно состоит из платформы, укрепленной шарнирно на поперечном стержне так, что действием противовеса оно занимает горизонтальное положение; .от платформы идет веревка к комбаньеру, потянув за которую можно наклонить платформу, в тогда набравшаяся- копна соскальзывает с нее на землю. С боков платформы, устроены щиты из полотен, защищающие копну от действия ветра.

Преимущество применения комбайна по сравнению с другими машинами по уборке урожая заключается в следующем: 1) комбайн имеет большую про- j изводи те и ьно сть, убирая и обмолачивая хлеб с 1 до 1,5 га в.час, что дает!

возможность быстро реализовать урожай; 2) при уборке комбайном происходит меньшая потеря урожая, так как стебли с колосом, передаются в молотильный барабан внутри машины, при уборке же сноповязалкой происходит потеря при вязке снопов и установке их в поле, погрузке на повозки, при перевозке, при выгрузке и, наконец, при подаче в молотилку; :>) при уборке сноповязалкой требуется шпагат, приобретение которого является значительной статьей расхода.

Главным препятствием к широкому распространению комбайна является влажность зерна, делающая невозможным непосредственное обмолачивание.

Виндроуэр и подборщик. В тех случаях, когда надо приступать к уборке, а вследствие дождей хлеб еще сырой, применять комбайн затруднительно, иногда даже невозможно, так как убранное сырое зерно легко подвергается порче. Тогда приходится производить уборку в два приема при помощи виндроуэра, а затем подборщика.

Виндроуэр представляет собой жатвенную машину, хедер к которой может быть отделен от комбайна (рисунок 35),

Рисунок 35. Общий и ид виндроуэра в работе.

которая срезает хлеб и оставляет его в поле в виде рыхлого ряда, подвергающегося просушке от действия ветра; отсюда он и получил свое название: wind — ветер, row — ряд. Виндроуэр, строющнйся на Первомайском заводе, имеет платформу с шириной захвата 6Д м; снабжается режущим аппаратом и. мотовилом такой же конструкции, как и у комбайна; точно так же ставится ветровой щит и противовес. Вы-сота среза регулируется рукояткой, идущей к трактористу; установка делается не менее, как на 25 ем, но лучше оставлять стерню высотой до Ьbсм. Срезанный хлеб с платформы передается транспортером вбок и падает на стерню в виде ряда. Передаточный механизм состоит из системы зубчаток и ценнойпередачи и приводится в движение от ходового колеса. К виндроуэру может быть присоединен копнитель; тогда оставшиеся на поле копны обмолачиваются подъезжающим к ним комбайном.

Для уборки и обмолачивания оставленного виндроуэром ряда к комбайну вместо хедера присоединяется подборщик (рисунок 36 и 37), который со-

Рисунок 36. Общая вид подборщика.

стоит из следующих частей: междуе двумя боковинами (1) укреплена наклонно плоскость из листового железа (2); с внутренней стороны боковины

Ряс. 37. Грабельный аппарат подборщика.

имеются направляющие дорожки, по которым скользят ролики (6), связанные поперечными трубами (4), на которых сидят рабочие пружинные зубья

(3) подборщика; при движении роликов по дорожке зубья получают наклон, соответствующий моменту работы, то есть захватыванию стеблей с поля иля сбрасыванию их на платформу. Для изменения высоты на полозках (7 и 8) имеются стойки с отверстиями (9 и 10). Ширина подборщика—2 метров.

Первый комбайн появился в Америке в 1828 г.; комбайн Мура и Хэскола I в 1836’ г. имел уже все основные рабочие части современного комбайна; е затем появилось много конструкций в Америке, Аргентине и Австралии. Комбайны приводились в работу сначала от конной тяги, потом от парового; трактора, а теперь от тракторов с двигателями внутреннего горения, хотя и. до этих пор в Америке в холмистых местностях применяется конная тяга. Комбайны наших заводов строятся по типу американской системы Холт; на“ учно-исследовательские институты разрабатывают у нас конструкции ком- : байнов безмоторных, электрокомбайнов» вакуумкомбайнов и, наконец, в послед- нее время особого так называемого северного комбайна, который включен в ! программу производства. I

Тракторы, принятые у нас к произ- I водству, относятся к двум типам: ко-1 лесные и гусеничные. Первые строятся на Сталинградском и Харьковском тракторных заводах под марками „СТЗ“ в „ХТЗ“ по типу трактора „Интернацио“ нам 15/30 HP (смотрите трактор, ХЫ, ч.9, 51 сл., особ. 73 и рисунке 15, 16, 17). I

Гусеничный трактор строится на Челябинском заводе по типу трактора Катерпиллар и имеет название „Сталинец“ и „ЧТЗ“ (рисунок 38). Двигатель вертикальный, четырехтактный, четырехцилиндровый, керосиновый; пуск на бензине. Цилиндры отлиты каждый отдельно, без вставных гильз. Коленчатый вал на трех коренных подшипниках. Смазка комбинированная: под давлением и разбрызгиванием. Рабочая смесь приготовляется карбюратором типа Энсайн. Зажигание смеси электрической искрой от магнето типа Один-тилла. Муфта сцепления однодисковая. Ведущий механизм—две стальных гусеницы, состоящие из звеньев со шпо-; рами. Число оборотов коленчатого вала — 650 в мин. Мощность—на шкиве-60 HP, и крюке—50 HP; скорости: ЗД»

4,1 и 5,9. Вес трактора — 9.480 килограмм. Диаметр шкива — 406 миллиметров, ширина обода—254 миллиметров. По типу трактора Фармолл (Farmall) на Путиловском заводе-строится трактор-пропашник „Универсам.

Сцепки. При работе мощными тракторами прицепляются по нескольку машин и орудий вместе. В виду разнообразия с.-х. машин и их размеров нельзя обойтись одной какой-нибудь сцепкой, а потому заводы, а также мастерские МТС и совхозов дают большое разнообразие конструкций сцепок. Сцепка представляет собою сложный брус, состоящий из целого ряда распорок и тяг, и часто имеет вид довольно сложной фермы. Сцепка яв-яется достаточно тяжелой и весит от 50 килограмм до 1.000 килограмм и в последнем случае имеет опору на 4-х колесах. При расчете тягового усилия надо принимать во внимание сопротивление сцепки, которое колеблется от 20 килограмм для легких сцепок до 400 килограмм для тяжелых.

Примером конструкции сцепки для сеялок, для борон и культиваторов может служить сцепка зав. Ростовсель-маш (рисунок 39 и 39а). Сцепка для тракторных буккеров конструкции Укрсель-маш видна на рисунке 40 и 40а, сцепка для сенокосилок Люберецкого завода— на рисунке 41.

Рисунок 4-0. Схема вцешш для буккереи.

Iti35}j ироф. М. N. Летошнее, „С.-х. г.«шьз:ы“ (1935); проф. Л. Л. Крамаренко, „Уборочные нашины“ (1935); проф. В, А. Криль, »С.-х. кач.Ьл.и с орудия“ (1985); проф. В. П, Селезнев, .Alexin л.цья сельского хозяйства“ (1934); проф. В. С. /Коганов, „ Конструирование и расчет с.-х. машин“ (1934); К. И. Ко-порулин и 22. Г. Солтнич, „0.-х. машины и орудия“ (1985); С. Т. Коняев, „Эаеплоатацшг машиннотрак-торного парка“ (1934); июк.-мех, Б. С Свирш, веский, „Основы эксплоатацпи автотракторного и машинного парка“ (1936); яшк.-мех. Я. И. Поляков, „Молотилки“ (1935); вкзк.-мех. Я. И. Иващенко, „Комбайн“ (1935); В, Анохин и В. Розанов, „Учебник по тракторам“ (1934); С. Ж. Давидович и К. И. Тальвик, „Тракторы и автомобили“ (1935); проф. Е. А. Чудаков, „Как устроен автомобиль“ (1935); М. С. Ваш. и М. П. Дельное, „Принципы работы и конструкция автомобиля“ (1933); проф. В. Я. Го-

; ряякин, „Земледельческие машины и орудия“ (М.,

| 1923); ироф. Б. А. Криль „Сельск -хоз. машиноведе- ние“ (I ч., М., 1927); его owe, „Тракто ныв с.-х. нашиты а орудия МТС“ (М„ 1931); его же, „С.-х. ма-( яганы“ (пособие для школ,М., 1933); проф. Ю. А. Вейс,

: „Курс с-х. машиноведения “ (М., 1931 w Гаррис Пир- сон Смит, яС.-х. машины и оборудование“ (пер. о | англ, под ред. проф. Криль, М., 1931); А. А. Стон,

„С.-х. машины“ (пер. с англ, под ред. проф. Криль, i М., 1931); проф. Г, Юане’, „С.-х. машиностроение“

I (пер. с немеак. под ред. проф. Криль, М., 1931);

| Г. Шварцер, „С.-х. машиноведение“ (пер. с немецк.

Криль, М., 1932); Б. N. Усовсытй, j „Ci зьево - господарско - иашино - знаветво“ (Харшв, j 1931); Госмашметиздат, „Советское с.-х. машанострое“ j ние“ (М., 1933; проф. В. П. Горячкин, „Теория илу»

! га“ (М., 1927)-, его же, „Рациональная ф. рмула силы I тяги плугов“ (М., 1925); его же, „О силе тяги тракторных плугов“ (М., 1929); Я. Лучинский и М. Ордынский, „Справочник по корпусам трак iopim плугов“ (М., 1928); Я. Д. Лучинский, „Исследование американских тракторных корпусов“ (М., 1930); его же, „Схемы подъемных механизмов тракторных плугов американского типа“ (М., 1933j; С. П.Смир-! нов, „Электропахота“ (М., 1932); Г. Г. Бернис, „Ра-j бота уборочных машин с трактором“ (М., 1931); j Я- Я. Эсалнек, „Сноповязалки и комбайны (Ленинград, 1932); проф. Л. П. Крамаренко, „Комбайны. Теория, конструкция и расчет“ (М.Д938); Я. В. Васильев, „Комбайн (М., 1930); проф. С. П. Вострокнутов, „Изучение работы комбайнов Мак-Кормик-Днринг“ (М., 1932); проф. В. П. Селезнев, „Работа комбайнов Холт 38“ (М., 1932); Н. Ф. Миронов, „Тракторные молотилки и их использование“ (М., 1930); М.А. Юр-цевский, „Потерн зерна при уборке и меры борьбы ! е ними“ (М., 1931); М, И. Тихомиров, „Потери зерна при уборке комбайном и меры борьбы с ними“ (М., 1933); Я. В. Назимов, „Орг низация работ на уборке и молотьбе хлебов“ (М., 1932); проф. М. Я. Летошнее, „К стандартизации веялок, веялок - сортировок и млынков“ (Ленинград, 1929); Я. Я. Ульрих, „Задачи | и механические средства очистки и сортирования; зерна“ (М., 1931); проф. С. В. Полетаев, „Триеры“ (М.,.1982); А. М. Уваров, „Зерносушекае“ (М., 1932); М. И. Шлыков, „Силосорезки“ (М., 19 1); его же, „Машины для обработки льна“ (М., 3932); П. Я. Ар-лtime, „Расчеты силосных сооружений“ (М., 1932); проф. В. П. Селезнев, „Машины для уборки купу-! русы“ (М., 1;к«2); Е. Слупский, „Свеклоуборочные

| комбайны“ <М., 1933); Г. А. Кук, „Технические ! основы крупного молочного хозяйства“ (М„ 193.1); Бремер, „Расчет молочного сепаратора на (М., 1828); К. П. Шкловский, „Спра-тракторному инвентарю“ (чч. Г, II и ИТ, М., 1027; ч. IV—М., 1928); Сельхозимпорт, „Новейшие с.-х. машины Европы и Америки“ (Вып. I— 1931; гып. II—1981; вып. III—1932); про»!». Д. К. Карельских, „Тракторы и автомобили“ (М., 1982); его же, „Руководство по трактору .Интернационал“ (М., 1980); его owe, Тракте;-, его раб“.та и конструкция“ (М.. 1833); М. П. Серпухов, „Краткое руководство;1 для тракториста“ (М., 1980); Виктор Пажэ, „Современный трактор“ (пер. с англ. под. ред. проф. Вет-чинвина, М., 1981); И. В. Мецвет и Д. Е. Ерохов, „Тракторы СТЗ и ЧТЗ“ (Левин! рад, 19 3); С. А. Городков, „Сцепки для трактора..-посевн. инвентаря“ (М., 19.3); М. Л. Гусят ский, „Тракторная сцепка ТС-ЗК“ (М., 1931); С. А. Городков и В. Ж Шмелев, „Сцепки для трактиры, с.-х. орудий“ (М., 1930); ВИМЗ, „Справочник по механизации с.х. СССР“ (М., 1932— 1933). Журналы: „Механизация социалистического

j под ред. проф.

Рио. 40а. Схема соединения двух тракторных буккеров.

Ж

Л

,.-й-----1

V;тЖ<- ;

Р;:с. 41. Схема сцепки и ля косилок.

Литература: Акад. В. П. Горячкин, „Теория, < Г. И. конструкция и нрокзодстно с.-х. глпгш“4 (гош. 1, | обиздг up икание1

ВОЧИ’-iE ПО

сельского хозяйства“ (М.); „Сельско-хозяйственная машина“ (М.): „С1льско“госг:од ;рьска машина“ (Хар-EiB); „Die Lndmaschine“ (Berlin); „Die Technik in der Landwirfcschaft“ (Berlin; „Zeitsehritt fiir Landmsehinen“ (Leipzig): „Agricultural Engineering. Bridgman“ (Ллсb); „The Implement and Machinery Review“ (London); „American Threshernrn and Farm Equipment“;„Genie Rural et Agriculture Generale (Paris;; „Marchand de Machines Agricoles“ (Paris).

В. Криль.

Электротипия

Электротипия (гальванопластика, гальваностегия), см. фотомеханическое дело, XLIV, 395, и гальванопластика, XII, 464/65.

«
Предыдущая
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
Следующая
»

libslovar@mail.ru

Книги 2026

dEz	дЕу	1	1	дНх-
ду	~ dz	“Г	с	dt
дЕх	dEz	+	1	dHv
		+
dz	дх	с	dt
дЕу	дЕх	+	1	dHz
		+
дх	dy	с	dt

ные оси принимают dHz дНу 1		вид: дЕх
ду	dz	С	dt
дНх	dHz	1	дЕу
dz	дх	с~	dt
дНу	дНх	1	dEz
дх	ду	с	dt .

до —	4р	(20)
, -> 1 дЫ	—►
VlA— С2 Qtf — —	4 ~j	(21)
при дополнительном условии
1 dV -> с т +divA =	0,	(22)
которое выполняется в	связи	с со-

		Таблица	1.
Слои	К	L М	N	0	Р	Q
Первая постройка.. .	2	S 8	8	8.	8	не окончен
Первая достройка		— 18	18	18	не окончен	—
Вторая достройка	—	— —	32	—	—	—

К L		м
1 3		5
A Lh L2i	Lo,	Ми Щ М._,3 М.,ц
2 2 2	4	2 2 4 1
Индексы	(11, 21, 2	2, 32 и так далее) еле

Элем.	Z	А	Част. альфа (гР	Про-го-] нов (р) 1
N	7	и	3	2 ! 1
Net	11	2:1	5	> : 2
Р	15	31	7	3 2
Си	20	40	10	о; о
Ra	88	228	5 »	2 ! 28
и	Ш	23S	00	2 ! 28

Г2 Э dr=9- 1011		2 Q Г zlj п
		2 Q Г zlj п
Г
#i 2Q = 9 10 дг		in Г,

	£	Электрич. прочность
Воздух	1,0006	с“ £ <
Параффин	2,0	70—270 см
Стекло	5-16	180-320
Фарфор	6	100—20 »
Слюда.	6-8	600—1000
Трансформ, масло .	2,0	90—110
Вода.	81	—
Бумага	8,5—4,5	150 -200

=== Е. а >		Е“α= Е е>
2-		-> .Л, 2п
II йа 1		Е“„ =Е“а е 1 V+ 8 )
= Еае+“;		Е=Е Ф (-«) —> —> —> —>
Этом суммы:		Еа ф Еь ф Ес; Е’а ф

—> j жить Еь на е		’ -’ -> _ j ~ - 3, а Ес на е 3 и ело-
—> жить их с Еа .		, то мы получим:
о—> J —
Еа + ЕЬ е 3		+ Есе 7 3 =3Е’а,

5.1- siring	I— \|/ г + 1а + -г5+	+-С
		~
, а	/ ’’W ..111 У f 1 Ул I_„ / !_	V
/=о	- \| с	V
	1 /

«)=!-	X4 ос- i	Xs ос1
«)=!-
- 24- +2-	4--6--8-
Л Х-а	_1 - ..	х10аг’
2J	2-4-6 - 2--	4- 6- 8--

сРВ 1	clB	0,4™	clB
dx% ““l” х	’ dx	“P 10s	dt
(Pi, 1	dis	u -еr d	dis
(lx- X	dx ’	pio8	dt

0,0	1,0000	0,0000
0,5	0,999	0,0625
2,0	0,9844	0,2496
1,5	0,9211	0,5576
2,0	0,7517	0,9723
2,5	0,3999	1.4571
3,0	— 0,2214	1,9376
3,5	— 1,1936	2,2833
4,0	—2,5631	2.2927
4,5	—4,2991	1,6859
5,0	— 6,2301	0,1160
5.5	—7,9735	— 2,7902
b,0	-8,8584	—7,3848
8,0	20,9739	-35,0167
10,0	138,8405	56,3704
15,0	- 2969,79	—2952,33
20,0	47583,7	11500,8
CO	CO	CO

V	У., COS ft V l + I..	-> —> w sin h v l,
I —	l, COS ft V l + -	—> sin ft v l.
Здесь:	- > —> У, и /2 —напряжение и сила
тока в	—>- конце линии; v	у-- = v г у, а
	1 — так называемым „характе-
	У

		-V/, 1« -
		-V/, 1« -
F	- г
—►	F	— и
I =		в
К	~ W
ЭТОМ	на	конце

равным:	при	постоянном токе	св-
Е	-Гги	Я/	/Л
= - г е	L	при чем г=г[ 1 — е	L 1 h T7I
а при г	= 0;	iCB=oo и 1 — 00— v :	- t; ~ L ’

№№	Род прибора и система	Точность В °/о	Цена в германских марках
1	Электромагнитные А, V	1	ок. 40
2	Магнитоэлектрические А, У	1	50
3	Резонансные f	0,5	„ 100
4	Тепловые А, Y	1,5	» 100
5	Индукционные А,У	2,5	„ 125
6	Элек(родйпамические А	1	п 160
7	Индукционные W	2	юо
8	Магнитоэлектрические точ-	0,25	180
9	ные А, V Электростатические V	2,5	„ 200
10	Электродинамические W	1	„ 225
11	Электромагнитный вольтметр с измерительным трансформатором на 6 kv	1.5	„250
12	Стрелочные частотомеры	1	- 275
13	Электродинамические точные W	0,25	» 275
14	Электродинамические соз <е	1	„325
в	зависимости от целей измерения
Электроизмерительной системе		при-

	Си

Электролитическая	Твердотянутая	Мягко-тянутая	AI
Удельн. ьес . .	8,88—$,75	8,93—8,949	8,93—8,94	2,58	гр см3
Удельн. соирот.. . .	0,01724	0,01734,	0,0175	0,03	а миллиметров3/м
Гем пер. коэфф	0,0428	— I	—	0,039
Темпер, плав л.,.. .	1057	1057	1057	057	с
Со трот. разрыву.. .	—	43—45	22—23	2—25	кг/см2
Удлин, при разрыве .	—	1	ДО 40	3	“/о
Теплопроводы	3,48—3,92	8.48—3,Й2	3,48-3,92	1,43	BaTT/°C CMS

Н аз ванне	С о с т а в	Уд. вес гр/см3	Уд. с о и р. (2 миллиметрове!м	Темпер, коэф ф.
Нейзильбер	Си, Ni, Zn	8,77	0,3	0,0 02—0,0007
Никелин .	Си, Ni, Zn	—	0,5	0,00028
Константин	Си, Ni, Mn	—	0,5	0,00003
Круппин .	Ni, Fe, C	8,1	0,85	0,0007
Манганин	Cu, Mn, Ni	8,4	0,4	0,000008
Ферро манганин. .	Си, Mn, Fe, Si	—	0,502	0,0 0015
Монель ..	Ni, Cu, Fe, Mn, Si	—	0,568	0,0008
Реотан	Cu, Fe, Zn, Mn	: 8,5	1,0	0,(0028
Нихром.	Ni, Cr	—	1,4	0,00022

Энциклопедический словарь Железнова, страница 556

D

/:

R,

Потоки же рассеяния: iWj Ф.Я= Ф$2 = Вследствие этого w/ Bd4 Vi + R-Ю- (смотрите стр. 250). Rsz + w:- dt R |J. 10 8 — i dt R j- Ж,2 a di o=+jrfri° W, Wv s di2 -ю-8ж; или, иначе, Vi-hri+Bt Rp-dix R >- d4 dt di2 dt _о d%, 10 V+-

|>

/, »;2 __ 1

71

STTff

Марка		Название
X		Хромистая сталь
Б		Вольфрамовая сталь
К/Н		К. о б а и ь т о в а я ( до 10°/0 Со)
К/С		„ (10-20% Со)
к/в		, (выше 2о% Со)

	Сила поля II	Остаточнаяиндукция Вг	Коэрцитивная сила »с	Максимальная магнитная энергиив г -Нся. эрг
				Максимальная магнитная энергиив г -Нся. эрг
в	гауссах
	500	8.000	60	10.000
	600	10.500	55	11.000
	3.000	9.000	100	15.000
	1.000	9.000	360	25.000
	1.500	9.000	200	30,000.

чем для нагляд-
ности. верхние >„	i i	:89	1 1
провода показа-	16 j 28	40о	1 1
ны сплошной ли- А	X у		-----1-

Число фаз;	1	3 6
Е W Е	0.7О7	0,612 0,351

I W 1	1,41	0,943 0,472

О		О
аааааааа

о		о
i t КоюелЬп		ая -16 котлоб
О		О
J f Ktmttbhcf Ц МаглоЗ
О		О
4(Котельной-16 МоглоЗ
О		О

Название станции	Напор в м	Мощность в мгвт		Стоимость на квт.
Днепровская	37	558		307
		(372)		(423)
Земоавчальская	23	37		515
Рионская	60	40		565
Свирская	12	96		1.16)
Волховская	11	58		1.220
Северо - Американ-
с кие по докладу
Морроу па Берлин-
ской конференции
1930 г.
от				181
	(70	долларов за		лошадиных силу)
				1.050
	(400 долларов за		лошадиных силу)

Начальные параметры пара	Конечное давление пара	Число КВТЧ или мегаватчасов
25 ата 350°С	1,2 ата	0,186
	8,0	0,076
50 ата 450°С	1,2	0,218
	8,0	0,132
100 ата 400°С	1,2	0,275
	8,0	0,16 5
100 ата 50„сС	1,2	0,292
	8,0 .	0,178

Начальные параметры пара	Давление отбора пара 1,2 ата	Давление отбора 5 ата
20 ата 850°С	9,1	15,8
30 ата 400°С	7,7	12.1
60 ата 450°С (без промежуточного перегрева)	6,3	8,8
100 ата 450°С (с промежуточным перегревом). .	5,2	6,9

Напряжение в киловольтах	Число линий, число проводов и поперечное сечение.	Расстояние	Мощность
60	2ХЗХ 120 и!	100 км.	48 мегаватт
110	2×3×120 миллиметров“	200 „	81 „
200	2×S×210 миллиметров“	400 „	280 „
220	2×з х 400 ММ9	600 „	360 „
380	2XSX 400 ММ	800 „	800 „

я	Воздушная линия. Естественная мощность в млн. ватт		Кабельная проводка. Естественная мощность в млн. ватт

Л	однофазн. трехфазный		однофазн.		трехфазный
			однофазн.

о CQ вз	т	0 К		т		к
30	1,2	2,4		12		24
50	3,3	6,6		33		66
100	14	27		140		270
150	30	60		ЗСО		600
200	55	110		550		1.100
300	120	240		—		—
400	210	430				—
с	технической стороны единствен-