Файл: Материалы для подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию оборудования.pdf

11
Рисунок 1.2 – Узлы и ветви электрических цепей
Если в цепи есть несколько резисторов, то они всегда соединены между собой каким – либо способом. Рассмотрим последовательное, параллельное, смешанное и мостовое соединения двух и более резисторов (рисунок 1.3).
1 2
3 4
1 5
6
R1
R
2
R
1
R
3
R
4
R
5
R
6
Е

12
Рисунок 1.3 – Соединения резисторов а) Последовательное; б) Параллельное; в) Смешанное; г) Мостовое.
Для каждого из этих случаев можно определить сопротивление, эквивалентное группе резисторов, то есть группа резисторов может быть заменена в схеме одним – эквивалентным: R
Э
. Можно определить R
Э
и для
R
1
R
2
R
Э
= (R
1
× R
2
) / (R
1
+ R
2
) б)
R
1
R
2
в)
R
3
R
Э
= (R
1
× R
2
) / (R
1
+ R
2
) + R
3
г)
R
1
R
2
R
3
R
4
R
5
Для мостовой схемы наибольший интерес представляет случай
равновесия моста. Условием равновесия моста является равенство:
R
1
× R
4
= R
2
× R
3
При равновесии ток через
R
5
= 0.
Диагональ питания
Знак эквивалентности
R
Э
= R
1
+ R
2
R
1
R
2
а)

13 мостового соединения (рисунок 1.3г)), но это гораздо сложнее, чем для последовательного, параллельного или смешанного соединений и выходит за рамки нашего материала. Для мостового соединения наибольший интерес представляет случай, когда в ветви с R
5
ток отсутствует. В этом случае мост называют уравновешенным. Условием равновесия моста является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч: R
1
× R
4
= R
2
× R
3
Ветви в сторонах моста называют плечами моста, а диагонали моста – диагональю питания и диагональю измерения (ветвь с R
5
).
Первый закон Кирхгофа относится к узлам, он гласит: сумма токов, притекающих к узлу, равна сумме токов, утекающих от него. Или, по другому: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.
Второй закон – относится к контурам цепи. Его трактовка: в любом контуре алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений. Поясним сказанное на примере по рисунку 1.4.
R1
R5
R4
E1
R2
R3
E3
E5
R6
I1
I2
I3
I4
I5
I6 a b c d

14
Рисунок 1.4 – Узлы и контуры в электрической цепи
Для данной схемы: Число узлов N
У
= 4;
Число ветвей N
В
= 6.
Во многих задачах электротехники конечным результатом расчета является определение токов во всех ветвях схемы. При этом электрический режим схемы полностью определяется системой алгебраических уравнений в количестве, равном количеству ветвей N
В
с неизвестными токами. Из математики известно, что такая система имеет единственное решение. На схеме цепи проставляем предполагаемые положительные направления токов и составляем N
У
– 1 = 4 – 1 = 3 уравнений по первому закону Кирхгофа, а остальные N
В
– (N
У
– 1) = N
В
– N
У
+ 1 = 6 – 4 + 1 = 3 уравнений по второму закону Кирхгофа. По рисунку 1.4, например, уравнения для узла «a» и для контура II – таковы:
I
1
− I
2
+ I
3
= 0;
I
2
× R
2
– I
4
× R
4
+ I
3
× R
3
= E
3
В контурах обязательно нужно выбрать направления их обхода (по часовой стрелке или против). ЭДС, совпадающие по направлению с направлением обхода контура считаются положительными, положительными считаются и падения напряжения I × R на резисторах (падения напряжения направлены по направлению тока через резистор), совпадающие с направлением обхода.
Если в результате решения системы уравнений какие – либо токи получаются со знаком минус, это означает, что действительные направления этих токов противоположны предполагаемым.
Электрический ток, проходя по проводнику, нагревает его. Количество выделившегося тепла пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени:
Q [кал] = 0,24 ×I
2
[А] × R [Ом] × t [с].
Мощность, выделяемая в электроприемнике, зависит от напряжения и тока и равна их произведению. Основные формулы для мощности в цепи постоянного тока:

15
P = U × I; P = U
2
/ R; P = I
2
× R.
Электрический ток, проходя по жидким проводникам, вызывает изменение их химического состояния. Это явление может быть использовано с пользой. Например, гальваника – нанесение защитных и декоративных покрытий, электрохимическая обработка (ЭХО) металлов, обратимые электрохимические реакции в аккумуляторах. Есть и случаи вредного влияния электрохимических процессов при протекании электрического тока
(окисление и нарушение контактов).
Принципы работы электродвигателей
Существует немало различных по принципу работы электродвигателей.
Мы кратко рассмотрим работу трех наиболее распространенных типов электродвигателей: коллекторных, асинхронных с короткозамкнутым ротором и синхронных. Все эти типы электродвигателей в полном смысле слова можно назвать магнитодвигателями, так как вращение ротора в них происходит вследствие взаимодействия двух магнитов, один из которых расположен на неподвижной части двигателя – статоре, а другой – на вращающейся части, то есть роторе. Причем, это взаимодействие магнитов происходит в полном соответствии с известными для каждого с детских времен представлениями о магнитах: одноименными полюсами они отталкиваются, а разноименными – притягиваются. Здесь нужно сказать, хотя бы немного, о магнитном поле. Согласно теории академика В.Ф.
Миткевича, магнитное поле состоит из множества невидимых магнитных
силовых линий, обладающих рядом замечательных свойств, из них основными (ответственными за электромагнитные проявления) являются
продольное тяжение и боковой распор:
С магнитными явлениями люди были знакомы очень давно. Магнитный компас был изобретен еще в древнем Китае. Связь электрических и магнитных явлений была открыта значительно позднее – в первой половине

16 19-го века английским исследователем Фарадеем. Его идеи развил академик
Миткевич В.Ф. – первая половина прошлого века. Известно, что магнитных полюсов два: северный N (норд) и южный S (зюйд). Силовым линиям магнитного поля, свойственны неуничтожимость и непрерывность и, также продольное тяжение и боковой распор. Миткевич В.Ф. в своей работе [11] показал физическую реальность магнитных силовых линий.
[11. Миткевич В.Ф. Магнитный поток и его преобразования.
Издательство Академии наук СССР. М. – Л. 1946 г.].
Магнитная индукция – величина, измеряемая количеством элементарных силовых линий, проходящих через единицу площади поперечного сечения пространства. Элементарная магнитная силовая линия – вихревая трубка эфира. Встречающееся во многих книгах и учебниках выражение «по проводнику потек ток, в результате чего вокруг проводника возникло магнитное поле» неверно. Нельзя считать, что электроток – первичное явление, а сопровождающее его магнитное поле – вторичное. Также неверно и обратное утверждение. Ток и магнитное поле – две стороны единого
электромагнитного процесса. Магнитное поле стремящимися сократиться по длине, силовыми линиями старается «удавить» ток, а ток не «позволяет» им это сделать. Чем больше ток, тем шире раздвигается кольцо магнитных силовых линий и тем их больше. Все вещества, помещенные в магнитное поле, не остаются к этому равнодушными. Некоторые вещества немного увеличивают магнитное поле (парамагнетики), другие – немного уменьшают
(диамагнетики). И есть класс веществ, которые увеличивают магнитное поле в тысячи и десятки тысяч раз. Такие вещества называют ферромагнетиками.
Ферромагнетики – концентраторы магнитного поля.
Устройство коллекторного электродвигателя (ЭД) схематично показано на рисунке 1.5.

17
Рисунок 1.5 − Принцип работы коллекторного электродвигателя
1 – Подковообразный постоянный магнит;
2 – Полюсные наконечники;
3 – Магнит с полюсными наконечниками – это индуктор;
4 – Секция обмотки;
5 – Ротор с обмотками, он же якорь;
6 – Коллектор;
7 – Щетки.
На рисунке 1.5 показана только одна секция якорной обмотки, она расположена в пазах ротора (на рисунке не показаны). Концы секции обмотки присоединены к пластинам коллектора 6. В секцию через щетки 7 подается ток I. Магнитное поле не остается «равнодушным» к находящимся в нем проводникам с током, оно их «выталкивает». Усилия взаимодействия магнитного поля и проводников с токами по величине пропорциональны
N
S
1 2
3 4
N
d
F
F
S
5 6
7
N-N
N-S
S-N
S-S
I

18
величине тока, интенсивности поля (магнитной индукции) и длине активных проводников (той части проводников, которая расположена в магнитном поле), а по направлению – определяются правилом левой руки.
Правило левой руки: Если расположить левую руку так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, четыре вытянутых пальца показывали направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление усилия.
Усилие F действия поля на левые (по рисунку) активные проводники секции и такое же усилие F действия поля на правые (по рисунку) активные проводники секции образуют вращающий момент двигателя: М = F × d.
Для электромашин приняты две пары взаимосвязанных терминов: индуктор – якорь и статор – ротор. Статор – это неподвижная часть электромашины, ротор – это вращающаяся часть. Индуктор – это та часть машины, в которой создается основной магнитный поток, якорь – это та часть машины, в которой происходит основное преобразование энергии. В конструкции, показанной на рисунке 1.5, подковообразный постоянный магнит с полюсными наконечниками создает основной магнитный поток, а в роторе (он же в данном случае и якорь) электрическая энергия преобразуется в механическую (энергию вращения). Не всегда индуктор в электрической машине на статоре, а якорь – на роторе. Например, в синхронных генераторах индуктор расположен на роторе, а якорь – на статоре.
Правило левой руки вытекает из свойств магнитных силовых линий
(продольное тяжение и боковой распор), подробнее об этом можно прочитать в
[11].
Получение вращающего момента можно объяснить и взаимодействием магнита статора с магнитом ротора. На рисунке 1.5 показано отталкивание N – N и S – S, а также притяжение N – S и S – N.
Назначение коллектора 6 заключается в том, чтобы ставить под ток ту секцию обмотки, которая в данный момент проходит под полюсами, при этом получается наивыгоднейшее использование взаимодействия проводника с током и магнитного поля. После поворота ротора двигателя по часовой стрелке (по рисунку 1.5) показанная секция свое дело выполнила и в строй

19 вступает следующая (соседняя) секция.
Ток холостого двигателя постоянного тока составляет 7 … 15 % от тока при номинальной нагрузке на валу, пусковой ток – в 4 … 7 раз выше номинального. После разворота (набора оборотов) ток падает. Может возникнуть вопрос: Как же двигатель «узнает», что ротор набрал обороты, чтобы отреагировать на это уменьшением потребляемого тока? Дело в том, что в любой электромашине одновременно происходят два процесса: и
двигательный и генераторный. Эквивалентную схему электродвигателя можно представить следующим образом (рисунок 1.6):
Рисунок 1.6 – Эквивалентная схема электродвигателя
Е
ПР
– ПротивоЭДС двигателя;
Я – Якорь двигателя;
I – Потребляемый двигателем ток.
Генераторную сторону процесса представляет E
ПР
− ЭДС, наводимая в тех же самых активных проводниках ротора при их движении в основном магнитном поле (пересечении ими магнитных силовых линий поля).
Независимо от того, какова причина относительного перемещения проводников и поля, независимо от того, протекает ли по проводникам ток, и независимо от того, что неподвижно (поле или проводники) причиной возникновения ЭДС в проводниках является взаимное перемещение поля и проводников. ПротивоЭДС пропорциональна числу оборотов двигателя. При пуске двигателя число оборотов начинается с нуля и, соответственно, начинается с нуля противоЭДС (при этом двигатель потребляет большой
I
E
ПР
Я

20 пусковой ток). По мере набора оборотов Е
ПР
увеличивается и, действуя встречно по отношению к источнику питания, уменьшает потребляемый двигателем ток. Точно так же двигатель реагирует и при увеличении нагрузки на валу, при этом ротор несколько замедляется, уменьшается и Е
ПР
, способствуя увеличению потребляемого тока. Все это полностью соответствует закону сохранения энергии.
В качестве индуктора вместо постоянного магнита может быть использован электромагнит, его обмотка называется обмоткой возбуждения
(ОВ). Такой электродвигатель показан на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7 – Коллекторный электродвигатель с возбуждением электромагнитом. Вращающий момент М = d · F
Показано последовательное соединение индуктора (обмотки возбудителя) и якоря.
Оно широко применяется в электроинструментах, так как обеспечивает высокий крутящий момент при малых оборотах. ОВ разделена на две половины.
При этом ОВ может получать питание от отдельного источника питания
(такие ЭД называются электродвигателями с независимым возбуждением).
ОВ может питаться от того же источника, что и якорная цепь. Здесь возможны такие сочетания:
N
S
N
d
F
F
S
N-N
N-S
S-N
S-S
I
I
I
½
ОВ
½
ОВ

21
– ОВ и обмотка якоря включены параллельно (такие ЭД называются двигателями с параллельным возбуждением или шунтовыми);
– ОВ и обмотка якоря включены последовательно, как на рисунке 1.7, (такие
ЭД называются двигателями с последовательным возбуждением или
сериесными);
– часть витков ОВ включена параллельно обмотке якоря, другая же часть витков включена последовательно с нею (такие ЭД называются двигателями со смешанным возбуждением или компаундными).
В заключение по коллекторным ЭД можно сказать, что ЭД с постоянными магнитами требует соблюдения полярности при подключении к источнику питания (перемена полярности приводит к изменению направления вращения), то есть они способны работать только при питании от источника постоянного тока. Коллекторные ЭД с возбуждением от электромагнитов могут работать при питании не только от источника постоянного тока, но и на переменном токе, так как при этом ток одновременно меняет свое направление и в ОВ и в обмотке якоря и направление вращения сохраняется.
Недостатками коллекторных ЭД являются относительная сложность конструкции, ненадежность узла коллектор – щетки.
Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым (КЗ) ротором – это самые распространенные, самые простые и самые надежные двигатели. Их конструкция практически не изменилась с момента изобретения в начале 20- го века.
В пазах статора асинхронного ЭД с КЗ ротором расположена трехфазная обмотка, которая, будучи сама неподвижной, создает вращающееся магнитное поле (рисунок 1.8). Короткозамкнутая обмотка ротора представляет собой беличье колесо, выполненное из алюминия и залитое в пазы ротора без всякой изоляции (рисунок 1.9), она не имеет никаких выводов для внешнего подключения, чем обеспечивается высокая надежность двигателя.