Основы электротехники и электрооборудование судов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы электротехники и электрооборудование судов



1. Основные сведения из электротехники

1.1 Применение электроэнергии на морском флоте

электростанция магнитный резистор судно

Электротехникой называется учение о технике производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Современные морские суда характеризуются высокой степенью электрификации. Электрическая энергия используется для управления судном, для работы различных механизмов и устройств. При помощи электроэнергии приводятся в действие главные и вспомогательные судовые механизмы, электрорадионавигационные приборы, судно обеспечивается освещением, связью как внутри, так и с берегом и с другими судами, средствами автоматики и т.д. При помощи электрических приборов автоматизируется и контролируется работа различных агрегатов, устройств и механизмов.

Понять принцип действия и устройство всех перечисленных механизмов и приборов невозможно без знания основ электротехники. Поэтому каждый член экипажа, связанный с обслуживанием тех или иных агрегатов и механизмов, потребляющих электроэнергию, должен изучить основы электротехники и электрооборудования.

1.2 Электрический ток

Направленное движение электрических зарядов по проводнику под действием электрического поля называется электрическим током. Для возникновения тока необходимы два условия: наличие тока, т.е. э.д.с., и наличие замкнутой цепи.

Силой, или величиной, тока I называется количество зарядов q, протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени. За единицу силы тока принят ампер (А) - это сила тока, при которой через поперечное сечение проводника в одну секунду протекает 6,29 10¹⁸ зарядов, т.е. один кулон:

В электролитах прохождение тока связано с перемещением положительных (катионов) и отрицательных (анионов), т.е. вещества электролита.

1.3 Электрическая цепь

Электрической цепью называется путь, по которому проходит электрический ток. Чтобы по электрической цепи проходил ток, необходимо делать ее замкнутой. Электрическая цепь состоит как минимум из трех основных частей: источника электрического тока, приемника (потребителя) электрического тока и системы соединительных проводов со вспомогательными приборами (включатели и переключатели тока, измерительные приборы).

Источники электрического тока подразделяются на:

· механические - электрические генераторы, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую;

· химические - гальванические элементы и аккумуляторы, в которых химическая энергия преобразуется в электрическую;

· тепловые - термоэлементы, преобразующие тепловую энергию в электрическую;

· лучевые - фотоэлементы, преобразующие световую энергию в электрическую.

Часть электрической цепи, состоящая из приемников электрической энергии и соединительных проводов, называется внешней цепью. Токопроводящие пути самого источника электрической энергии называются внутренней цепью.

Если оборвать электрическую цепь на каком-либо участке, то ток по всей цепи прекращается. Замыкание и размыкание цепи осуществляется выключателем или рубильником.

Для измерений величин, характеризующих электрический ток, в цепь могут быть включены измерительные приборы. Все вещества обладают различной способностью оказывать сопротивление прохождению электрического тока. Эта способность веществ оказывать сопротивление прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением. Величина сопротивления измеряется в Омах и обозначается буквой R или r. За 1 Ом (Ом) принято сопротивление `проводника, между концами которого при силе тока 1А возникает `напряжение 1В. В практике применяются также единицы электрического сопротивления килом (1 кОм=1 000 Ом) и мегом (1 МОм=1 000000 Ом).

Для проводника величина сопротивления зависит от его длины, поперечного сечения и материала, из которого проводник изготовлен. Эта зависимость выражается формулой

,

где R сопротивление проводников, Ом;

p - удельное сопротивление материала проводника,

l - длина проводника, м;

s - поперечное сечение проводника, мм².

Как следует из формулы, чем длиннее проводник и меньше его поперечное сечение, тем больше его сопротивление.

Удельным сопротивлением материала называется сопротивление проводника из данного материала длиной 1 м и поперечным сечением 1 мм² при 0°С. Обычно различные проводники сравниваются по этому показателю. Например, серебро, медь, алюминий обладают небольшим сопротивлением, а такие сплавы, как константан (сплав меди, никеля и марганца), нихром (сплав никеля, хрома, железа, марганца), никелин, обладают сопротивлением значительно большим.

Помимо размеров и материала, на сопротивление проводника влияет его температура. Так, почти у всех металлических проводников при повышении температуры сопротивление увеличивается. И только вышеперечисленные сплавы: константан, нихром, никелии - практически почти не изменяют своего сопротивления при нагревании и способны выдерживать высокие температуры, благодаря чему эти сплавы и получили широкое применение в электротехнике.

1.4 Закон Ома. Соединение резисторов

Зависимость между величинами, характеризующими электрическую цепь, т.е. между э.д.с., током и сопротивлением, устанавливается законом Ома. Этот закон формулируется так: ток в замкнутой неразветвлённой цепи прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению цепи:

где 1-ток, А;

Е - э. д. с. источника электрической энергии, В;

R - сопротивление внешнего участка цепи, Ом;

r - сопротивление внутреннего участка цепи, Ом.

Эта формула может быть представлена и в таком виде:

Е=I (R+г)=1R+1r, т.е. электродвижущая сила, создаваемая источником электрической энергии, равна току, умноженному на общее сопротивление цепи, и складывается из двух слагаемых, из которых первое слагаемое 1 R представляет собой разность потенциалов на зажимах внешнего сопротивления (называется напряжением на зажимах внешней цепи) и обозначается через U, а второе слагаемое 1 r носит название падения напряжения на внутреннем участке цепи.

Для внешней цепи и для отдельных ее участков закон Ома обычно представляют в следующем виде: I=U/R т.е. ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению данного участка цепи. Различные резисторы в электрическую цепь: можно включить последовательно, параллельно и смешанным способом (рис. 1).

Рис. 1. Схемы соединений резисторов

Последовательным соединением резисторов называют такое соединение, когда конец одного резистора соединяют с началом второго, конец второго - с началом третьего и так далее, а конец последнего и начало первого резистора подключаются к зажимам источника тока (рис. 1, а). Основным свойством последовательного соединения является то, что при таком соединении сила тока во всех резисторах внешней и внутренней цепи одинакова и согласно закону Ома U= 1Х

X (R1+R2+R3+R4+…).

Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме всех соединенных резисторов, т.е.



R= R1+R2+R3+R4+…

Напряжение на зажимах источника тока при последовательно соединенных резисторах равно произведению тока на сопротивление внешнего участка цепи. Обозначив через U1, U2, U3, U4 напряжения на концах каждого резистора, получим: U1=IR1, U2=IR2, U3=IR3, U4=IR4 а следовательно, U=U1+U2+U3+U4.

Напряжение на полюсах источника тока при последовательном соединении резисторов равно сумме напряжений на отдельных участках цепи.

Параллельным соединением резисторов называется такое соединение, при котором начала всех резисторов соединяются в один общий узел, а концы - в другой. При этом зажимы источника тока включаются к узлам цепи А и В (рис. 1, б).

Если напряжение между точками А и В равно 0, то такое же напряжение будет между началом и концом каждого резистора. Тогда для каждого участка цепи по закону Ома можно записать:

и т.д.,

т.е. при параллельно соединенных резисторах ток будет больше там, где меньше сопротивление.

Основным свойством параллельного соединения является то, что в каждом разветвлении цепи устанавливается свой ток, обратно пропорциональный сопротивлению данного участка цепи.

В точке В ток разветвляется в нескольких направлениях (н - несколько ветвей), а в сумме он равен I. Поэтому при параллельном соединении нескольких резисторов ток, подведенный к этим резисторам, равен сумме токов во всех резисторах:

I=I₁+I₂+I₃+I₄+…

Для определения общего сопротивления параллельной цепи пользуются следующим соотношением: общая проводимость (обратная величина сопротивления) параллельной цепи равна сумме проводимостей отдельных разветвлений цепи, т.е.

Если в электрической цепи часть резисторов включена последовательно, а часть параллельно, то такое соединение называется смешанным. На рис. 1, в резисторы R1 и R2 соединены последовательно, а R3 и R4 - параллельно.

1.5 Работа и мощность тока

Работа А, совершаемая током, определяется произведением напряжения U на концах участка цепи на количество электричества Q, проходящего через этот участок, т.е.

A=UQ=UIt,

где А - работа, Дж;

Q - количество электричества, Кл;

t - время прохождения тока, с.

За единицу работы принят джоуль, равный произведению напряжения в вольтах на ток в амперах и на время в секундах (1 Дж = 1ВX 1А X1с)

Как известно, мощность Р - это работа, совершенная в одну секунду, поэтому



т.е. для определения электрической мощности на участке цепи необходимо напряжение на зажимах цепи в вольтах умножить на ток в амперах на этом же участке цепи.

За единицу мощности принят ват (сокращенно Вт) - мощность, которую развивает ток в 1 ампер при напряжении в 1 вольт (1Вт=1В1А).

В технической документации мощность обычно выражают в киловаттах (кВт); 1кВт=1000 Вт.

1. Закон Джоуля - Ленца

В проводниках, по которым проходит электрический ток, выделяется тепло. Русский ученый Ленц и английский ученый Джоуль независимо друг от друга установили, что количество теплоты, выделяемой в проводнике при прохождении по нему электрического тока, выражается формулой

Q=A=UIt=I2Rt Дж.

Соотношение, выраженное этой формулой, называется законом Джоуля - Ленца: количество тепла, выделяемого в проводнике током, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Тепловое действие тока широко применяется в технике. Так, на тепловом действии тока основано устройство многих электрических приборов и устройств, таких, как электронагревательные приборы и печи, лампы накаливания и дуговые лампы, электрические паяльники, плавкие предохранители, измерительные приборы. Тепловое действие тока учитывают и при расчете электрических цепей.



2. Электромагнетизм

2.1 Магниты и магнитное поле проводника с током

Магнитами называются тела, обладающие свойством притягивать железные предметы. Проявляемое магнитами свойство притяжения называется магнетизмом. Магниты бывают естественными и искусственными. Добываемые железные руды, обладающие свойством притяжения, называются естественными магнитами, а намагниченные куски металла - искусственными магнитами, которые часто называют постоянными магнитами.

Свойства магнита притягивать железные предметы в наибольшей степени проявляются на его концах, которые называются магнитными полюсами, или просто полюсами. Каждый магнит имеет два полюса: северный (N - норд) и южный (S - зюйд). Линия, проходящая через середину магнита, называется нейтральной линией, или нейтралью, так как по этой линии не обнаруживается магнитных свойств.

Постоянные магниты образуют магнитное поле, в котором действуют магнитные силы в определенных направлениях, называемых силовыми линиями. Силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный.

Электрический ток, проходящий по проводнику, также образует вокруг проводника магнитное поле. Установлено, что магнитные явления неразрывно связаны с электрическим током.

Магнитные силовые линии располагаются вокруг проводника с током по окружности, центром которых является сам проводник, при этом ближе к проводнику они располагаются гуще, а дальше от проводника - реже. Расположение магнитных силовых линий вокруг проводника с током зависит от формы его поперечного сечения.



Рис. 2. Магнитное поле вокруг прямолинейного проводника (а) и катушки (б)

Для определения направления силовых линий пользуются правилом буравчика, которое формулируется так: если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то вращение рукоятки буравчика покажет направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле прямого проводника представляет собой ряд концентрических окружностей (рис. 2, а). для усиления магнитного поля в проводнике последний изготовляют в виде катушки (рис. 2, 6). Магнитное доле катушки с током аналогично полю постоянного магнита, поэтому катушка с током (соленоид) имеет все свойства магнита.

Здесь также направление магнитных силовых линий вокруг каждого витка катушки определяется правилом буравчика. Силовые линии соседних витков складываются, усиливая общее магнитное поле катушки. Как следует из рис. 2, силовые линии магнитного поля катушки выходят из одного конца и входят в другой, замыкаясь внутри катушки. Катушка, как и постоянные магниты, имеет полярность (южный и северный полюсы), которая также определяется по правилу буравчика, если изложить его так: если направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением электрического тока в витках катушки, то поступательное движение буравчика направлено в сторону северного полюса.

Для характеристики магнитного поля с количественной стороны введено понятие магнитной индукции.

Магнитной индукцией называется число магнитных силовых линий, приходящихся на 1 см² (или 1 м²) поверхности, перпендикулярной направлению силовых линий. В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах (сокращению Т) и обозначается буквой

В (тесла)=

Рис. 3. Магнитное поле катушки при прохождении тока

Вебер - единица измерения магнитного потока.

Магнитное поле можно усилить, если вставить в катушку железный стержень(сердечник). Наличие железного сердечника усиливает магнитное поле, так как, находясь в магнитном поле катушки, железный сердечник намагничивается, создает свое поле, которое складывается с первоначальным и усиливается. Такое устройство называется электромагнитом.

Общее число силовых линий, проходящих через сечение сердечника, называется магнитным потоком. Величина магнитного потока электромагнита зависит от тока, проходящего по катушке (обмотке), числа ее витков и сопротивления магнитной цепи.

Магнитной цепью, или магнитопроводом, называется путь, по которому замыкаются магнитные силовые линии. Магнитное сопротивление магнитопровода зависит от магнитной проницаемости среды, по которой проходят силовые линии, длины этих линий и поперечного сечения сердечника.

Произведение тока, проходящего по обмотке, на число ее витков носит название магнитодвижущей силы (м. д. с.). Магнитный поток равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление цепи - так формулируется закон Ома для магнитной цепи. Так как число витков и магнитное сопротивление для данного электромагнита - величины постоянные, магнитный поток электромагнита можно изменять, регулируя ток в его обмотке.

Электромагниты находят самое широкое применение в различных машинах и приборах (в электромашинах, электрических звонках, телефонах, измерительных приборах и т.д.).

2.2 Действие магнитного поля на проводник с током

Если проводник с током поместить между полюсами магнита, то магнитные поля проводника и магнита будут взаимодействовать между собою. При этом силовые линии этих магнитных полей в тех местах, где они совпадают по направлению, будут сгущаться, а в тех местах, где они противоположны по направлению, - разрежаться.

Таким образом, с одной стороны проводника силовые линий будут гуще и они, как бы нажимая на проводник, будут его перемещать в сторону, где силовых линии будет меньше, как это схематично представлено на рис. 4 (перемещение проводника показано стрелкой). Если изменить направление тока в проводнике на противоположное, то сторона сгущения силовых линий также изменится и проводник будет перемещаться в противоположную сторону.



Рис. 4. Действие магнитного поля на проводник с током (ток направлен от нас)

Направление перемещения проводника с током под действием магнитного поля определяется правилом левой руки. Это правило формулируется так: если расположить левую руку так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление перемещения проводника с током (рис. 5).

Рис. 5 Правило левой руки

Если проводник изготовить в виде рамки и поместить его в магнитное поле так, чтобы одна из сторон рамки находилась под северным магнитным полюсом, а другая под южным, то в соответствии с правилом левой руки стороны рамки будут испытывать действие сил, направленных в разные стороны (одна - вправо, а другая-влево). Под действием этих сил рамка будет поворачиваться в магнитном поле. На этом свойстве взаимодействия магнитного поля и проводника с током основана работа электродвигателей, где электрическая энергия превращается в механическую.

2.3 Электромагнитная индукция. Самоиндукция и взаимоиндукция

Вокруг каждого проводника, по которому проходит электрический ток, образуется магнитное поле. Такая неразрывная связь между электрическим током и магнетизмом используется для получения тока при помощи магнитного поля.

Так, если замкнутый проводник поместить между полюсами магнита и начать его перемещать или, оставив неподвижным проводник, перемещать магнит, то по замкнутому проводнику пойдет электрический ток. Возбуждение в проводнике электрического тока под действием магнитного поля носит название электромагнитной индукции, а электродвижущая сила, возникающая в проводнике в результате этого явления, называется индуктированной электродвижущей силой.

На принципе электромагнитной индукции основана работа генераторов электрического тока. Величина индуктированной э. д. с. зависит от ряда факторов: магнитной индукции В, длины проводника 1 и скорости его перемещения в магнитном поле. Если магнитные силовые линии пересекают проводник перпендикулярно, то величина индуктированной э.д.с. подсчитывается по формуле

EL=BLV,

Где EL - индуктированная э.д.с., В

В-магнитная индукция, Т

L - длина проводника, м

V - скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с.

Направление индуктированной э. д. с. определяется по правилу правой руки: если расположить ладонь правой руки так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а отставленный большой палец указывал направление движения проводника относительно магнитного поля, то вытянутые четыре пальца укажут

направление индуктированной э. д. с.

Самоиндукцией называется явление индуктирования э. д. с. в замкнутом контуре (в проводнике или электрической цепи) под действием изменения собственного магнитного потока в контуре при изменении тока в нем. Индуктируемая при этом э. д. с. называется э. д. с. самоиндукции. Электродвижущая э. д. с. самоиндукции зависит от количества витков катушки или обмотки, наличия в ней стальных сердечников и скорости изменения магнитного потока. При этом э. д. с. самоиндукции всегда направлена навстречу причине, вызвавшей ее появление.

Так, согласно правилу Ленца, при увеличении тока э. д. с. самоиндукции препятствует его нарастанию; при уменьшении, складываясь с э. д. с. источника тока, препятствует его убыванию. Электродвижущая сила самоиндукции возникает в обмотках и катушках электрических приборов и машин.

Для сравнения различных проводников в отношении их способности возбуждать э. д. с. самоиндукции вводится понятие о коэффициенте самоиндукции, или индуктивности, которая измеряется в генри (сокращенно Г). Индуктивностью в 1 генри обладает такая цепь, в которой при равномерном изменении тока со скоростью 1 ампер в секунду возникает э. д. с., равная 1 вольту.

Явлением взаимоиндукции называется возникновение э. д. с. в какой-либо обмотке под влиянием изменения поля другой обмотки, расположенной рядом с первой. Электродвижущая сила, возникающая при этом явлении, называется э. д. с. взаимоиндукции.

Цепь, в которой подводится изменяющийся по силе ток, называется обычно первичной, а цепь, в которой индуктируется з. д. с. взаимоиндукции, называется вторичной цепью. Взаимоиндуктивность, так же как и индуктивность, измеряется в генри. Величина индуктируемой по вторичной цепи э. д. с. зависит от скорости изменения тока в первичной цепи.

Явление взаимоиндукции широко используется в электротехнике в тех случаях, когда необходимо передать электроэнергию из одной цепи в другую без проводниковой связи между ними или, как принято говорить, электромагнитным путем. На этом явлении основана работа трансформаторов.

2.4 Понятие о переменном токе

Переменным называется ток, сила и направление которого изменяются периодически во времени. В технике применяется переменный ток, изменяющийся по синусоиде. Получение переменного тока основано на явлении электромагнитной индукции.

На рис. 5, а схематично изображено получение синусоидального переменного тока. Слева на схеме а показаны: полюсы магнита (северный и южный 8), кружочками различные положения проводника в магнитном поле; при этом знаком плюс (+) обозначают, что в данном положении ток идет от нас за плоскость чертежа, а точкой (.), что ток идет от плоскости чертежа на нас.

На схеме рис. 6, 6 представлено изменение силы и направления тока по внешней цепи замкнутого проводника за один его полный поворот между полюсами магнитов. По горизонтальной оси графика отложено время, а по вертикальной оси - значения тока. Как следует из кривой графика, представляющего собой синусоиду, за один полный поворот в зависимости от угла, под которым проводник пересекает магнитные силовые линии, значение тока изменяется от нуля до максимального, а по знаку-от плюса до минуса.

Машина, служащая для получения переменного тока, называется генератором переменного тока, принцип действия которого можно уяснить из следующего.

Если выполнить проводник в виде витка, поместить его между полюсами (рис. 6, в) и вращать в направлении движения часовой стрелки, то в нем будет индуктироваться э. д. с., направленная при вращении его под северным полюсом от нас и при вращении его под южным полюсом - на нас. Так как стороны витка попеременно перемещаются то под северным полюсом, то под южным и пересекают при этом магнитные силовые линии под различными углами, то э. д. с., индуктируемая в витке, будет изменяться по значению и направлению. Присоединив концы витка к двум контактным кольцам, изолированным между собой и от вала, и наложив на кольца неподвижные щетки, соединенные с внешней цепью, будем получать переменную э. д. с., и во внешней цепи потечет переменный ток.

Рис. 6. Схема получения переменного синусоидального тока

Переменный ток характеризуется следующими величинами: периодом, частотой, амплитудой.

Под периодом понимают промежуток времени, в течение которого происходит полный цикл изменений тока по значению и направлению. Каждый последующий период тока является повторением предыдущего. Период обозначается буквой Т (см. рис. 6, 6) и иногда выражается не во времени, а в градусах.

Частотой называется число циклов изменений тока во времени (периодов в 1 с). Частота - величина, обратная периоду, обозначается буквой f, т.е. f=1/Т. За единицу измерения частоты принят герц (Гц). В странах СНГ принята частота переменного тока 50 Гц.

Амплитудой называется наибольшее из мгновенных значений тока, которого он достигает в течение периода. Как следует из рис. 6, 6, за один период переменный ток достигает амплитудного значения дважды.

Законы постоянного тока применимы к цепям переменного тока только в тех случаях, когда эти цепи состоят из активных сопротивлений в связи с применением ламп накаливания, реостатов. Однако во многих случаях цепь переменного тока, кроме активного сопротивления, содержит катушки самоиндукции, обмотки электродвигателей, конденсаторы и другие приборы, которые вносят в цепь так называемое реактивное сопротивление, влияющее на ток в цепи переменного тока, вследствие чего закон Ома в таком виде, в каком он применяется для цепи постоянного тока, не действителен для цепи переменного тока. Для того чтобы найти действующий ток в неразветвленной цепи переменного тока, нужно подсчитать полное сопротивление цепи с учетом всех входящих в нее резисторов. В общем случае при наличии в цепи активного R, индуктивного Х_L и емкостного сопротивлений Х полное сопротивление цепи переменного тока определяется по формуле

.

Тогда действующее значение тока в цепи переменного тока с последовательно включенными резисторами R, Х_L и Х_C при известном напряжении U определится по формуле



I=U/Z.

Эта формула имеет такое же значение, какое закон Ома для цепи постоянного тока. Если включить в цепь переменного тока амперметр, то он покажет значение, в 1,4 раза меньшее амплитудного тока. Это значение тока называют действующим, или эффективным, значением переменного тока. Для синусоидального переменного тока действующие значения напряжения U и электродвижущей силы Е будут также меньше амплитудных их значений в 1,4 раза. Измерительные приборы, включенные в цепь переменного тока, показывают действующие значения измеряемых величин.

В некоторых случаях требуется знать не действующее, а среднее значение переменного тока, которое, как показывают опыты и расчеты, равно его амплитудному значению, умноженному на 0.637.

Если между полюсами вращать цилиндр, на котором расположены не одна, а три обмотки, смещенные каждая по отношению к остальным на угол 120°, то наводимая в каждой обмотке э. д. с. достигает амплитудного значения не в одно время, а отличается по фазам на 1\3 периода (120°), как это показано на рис. 7

На рис. 7 слева схематично изображен магнит с полюсами и вращающийся между ними цилиндр с обмотками 1, 2 и 3, смещенными относительно друг друга на 120°, а справа представлен график синусоиды изменения э. д. с. тока в этих обмотках. Как следует из графика, синусоиды смещены относительно друг друга на определенный угол ср (рис. 7), называемый фазным. При вращении каждая обмотка (катушка) является самостоятельным источником однофазного переменного тока.



Рис. 7. Схема получения трехфазного. переменного тока

Трехфазным током называется совокупность трех переменных токов одинаковой частоты, сдвинутых на 1/3 периода (120°). Трехфазный ток вырабатывают трёхфазные генераторы переменного тока, соединение обмоток у которых делают звездой или треугольником (рис. 8).

При соединении звездой (рис. 8, а) начальные концы всех фазных обмоток идут во внешнюю цепь, вторые концы обмоток соединены между собой. Потребитель можно включить между любой парой любым линейным проводом и нулевым. При соединении треугольником (рис. 8, 6) конец первой обмотки фазы присоединяется к началу второй, конец второй - к началу третьей, конец третьей - к началу первой.

Рис. 8. Соединение обмоток генератора временного тока:

а - звездой; б - треугольником

Напряжение между началом и концом фазы называется фазным напряжением и обозначается Uф. Напряжение между концами фаз или проводами называется линейным напряжением и обозначается Uл. Соответственно, и сила тока называется фазной Iф или линейной Iл.

При соединении фаз генератора или приемника звездой линейный ток равен фазному. а линейное напряжение в 1,73 раза больше фазного напряжения. При соединении треугольником линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в 1,73 раза больше фазного.



3. Электрические машины

3.1 Принцип действия и устройство электрических машин постоянного тока

По роду тока все современные электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока и работают на основе явлений электромагнитной индукции.

Рис. 9. Принцип получения постоянного тока:

а и 6 - принцип действия коллектора;

в-график изменения э.д.с. во внутренней цепи генератора;

г - график изменения э.д.с. во внешней цепи генератора

Постоянным называется ток, протекающий по проводнику только в одном направлении. Получение постоянного тока может быть двояким: от генераторов постоянного тока или из переменного тока путем его выпрямления при помощи специальных устройств - выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.

Простейший генератор постоянного тока (рис. 9, а и б) имеет полюсы электромагнита N и S, между которыми вращается виток проволоки в виде рамки, концы которой припаяны к полукольцам А и Б, вращающимся вместе с витком. Полукольца А и Б изолированы между собой и от вала, и представляют собой в простейшем виде коллектор, служащий для выпрямления тока во внешней цепи. На полукольца опираются неподвижные щетки / и II, по которым ток с полуколец А и Б направляется во внешнюю цепь.

При вращении в магнитном поле рамки в ней будет индуктироваться переменная по величине и направлению электродвижущая сила. Как было рассмотрено ранее, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле. Направление э. д. с, индуктируемой в каждый данный момент в витке, определяется по правилу правой руки. В те моменты, когда ток в витке меняет свое направление, полукольца меняют щетки, поэтому во внешней цепи ток будет иметь все время одно и то же направление, но будет меняться по значению.

График изменения э. д. с. в витке можно изобразить кривой, показанной на схеме в (рис. 9), а график изменения тока во внешней цепи, соединенной с генератором, будет иметь вид, как на схеме г (рис. 9).

Как показывает последний график, э. д. с. во внешней цепи за полный оборот рамки не меняется по направлению, а меняется по значению от нуля до максимума, снова до нуля и т.д. Поэтому э. д. с. в таком виде имеет большую пульсацию, и ток, протекающий по замкнутому контуру, носит название пульсирующего.

Чтобы «сгладить» пульсацию, в генераторах устанавливают очень много витков, концы которых припаивают к коллекторным пластинам. При этом витки оказываются сдвинутыми относительно друг друга на некоторый угол и при вращении всех витков пульсация уменьшается.

Рис. 10. Устройство генератора постоянного тока



В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по значению. Обычно в генераторах бывает такое количество витков обмоток и коллекторных пластин, что получаемая на щетках э. д. с. имеет совершенно незначительную пульсацию (1% среднего значения э. д. с), и потому ее значение считается постоянным.

Основные элементы генераторов и двигателей постоянного тока конструктивно одни и те же.

На рис. 10 показаны главные части и компоновка генератора постоянного тока. Генератор состоит из следующих основных частей: станины с закрепленными в ней полюсами-электромагнитами, якоря с обмоткой и коллектором, токоснимающего устройства (щеткодержатели, щетки, траверсы), переднего и заднего подшипниковых щитов.

Станины у современных электрических машин отливаются из стали и в зависимости от типа электрической машины выполняются различной формы (прямоугольные, квадратные, восьмигранные, круглые и т.д.). К станине крепится магнитная система (создает магнитный поток), состоящая из полюсных сердечников с наконечниками, на которых находятся обмотки возбуждения из изолированной медной проволоки.

Полюсные сердечники с полюсными наконечниками образуют полюсы электромагнита, служащие для создания магнитного поля. Полюс генератора, как и всякий электромагнит, состоит из сердечника и надетой на него катушки, по которой проходит электрический ток, называемый током возбуждения. Этот ток создает магнитный поток. Катушки возбуждения составляют обмотку возбуждения машины, названную так потому, что при прохождении по ней тока она создает (возбуждает) магнитное поле генератора. Количество полюсов у генератора, как правило, четное и составляет 2, 4, 6 и более. При этом северные и южные полюсы чередуются между собой.

Якорь - вращающаяся часть машины - служит для несения обмотки, в которой индуктируется переменная

э. д. с; он состоит из сердечника и обмотки. В современных машинах сердечник якоря собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм, изолированных друг от друга специальной тонкой бумагой или покрытых изолирующим лаком. Отдельные листы сердечника якоря штампуются такой формы, чтобы после сборки их на наружной поверхности якоря образовались пазы, в которые затем укладывают секции обмоток якоря из изолированной медной проволоки. Секции обмоток соединяют между собой в определенной последовательности. Набранный таким образом якорь надевают на стальной вал машины, на котором его закрепляют шпонкой.

На одном валу с якорем насажены коллектор и вентилятор. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала машины. Количество пластин равно количеству секций якоря, так как к каждой коллекторной пластине припаиваются начало одной и конец другой секции. Пластины изготовляют из твердотянутой меди соответствующего профиля и изолируют друг от друга прокладками из миканита (склеенные под давлением листочки слюды). Для соединения коллекторных пластин с концами обмотки в углу каждой пластины вырезается углубление (шлиц), в которое вводят (вбивают) концы секций и припаивают их. Коллектор является одной из наиболее ответственных частей электрической машины.

Над коллектором укрепляется траверса со щеткодержателями. Щетки вставляют в гнезда щеткодержателей; они прижимаются к коллектору пружинами, натяжение которых можно регулировать. В современных электрических машинах применяют угольные, медно-графитные и графитные щетки.

Якорь с коллектором вращается в подшипниках, находящихся в подшипниковых щитах. Последние крепятся с боков болтами к станине. Между якорем и башмаками полюсных сердечников имеется небольшой зазор, называемый между железным пространством.

На корпусе машины обычно устанавливается выводная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы - выводы, служащие для соединения машины с цепью.

Основные неподвижные части электрической машины образуют статор, вращающиеся - ротор. В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система (иногда называется индуктором) - статором.

3.2 Генераторы постоянного тока

Для получения электрического тока во внешней цепи генератора необходимо, чтобы между его полюсами был магнитный поток и якорь генератора вращался каким-либо двигателем.

Магнитный поток в генераторе постоянного тока (в его магнитной системе) создается при пропускании тока через катушки возбуждения (обмотки полюсных сердечников). В зависимости от способа питания обмоток возбуждения генераторы делятся на генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением.

В первых питание обмотки возбуждения производится от постороннего источника тока, а в генераторах с самовозбуждением питание обмотки возбуждения производится током самого генератора. Поэтому в первом случае цепь возбуждения и цепь якоря электрической связи не имеют, а во втором случае цепи возбуждения и якоря соединены между собой. При этом в зависимости от схемы соединения обмотки возбуждения и якоря генераторы с самовозбуждением делятся на три группы: генераторы параллельного возбуждения, или шунтовые; генераторы последовательного возбуждения, или сериесные; генераторы смешанного возбуждения, или компаундные.

На судах морского флота генераторы с одной последовательной обмоткой возбуждения не применяются, так как у них ток возбуждения, а следовательно, и напряжение на зажимах в сильной степени зависят от режима нагрузки генератора.

В генераторах с параллельной обмоткой возбуждения с увеличением режима нагрузки во внешней цепи напряжение на зажимах генератора снижается, что является большим недостатком этих генераторов.

У генераторов смешанного возбуждения полюсные сердечники имеют по две обмотки: одна включена последовательно с обмоткой якоря, а вторая - параллельно. При такой схеме включения устраняются недостатки, присущие генераторам последовательного и параллельного возбуждения.

На судах морского флота устанавливают в основном генераторы со смешанным возбуждением, так как у этих генераторов обеспечивается постоянное напряжение на зажимах при изменении нагрузки.

3.3 Двигатели постоянного тока

В двигателе постоянного тока магнитные поля создаются полюсами обмотки возбуждения и обмоткой якоря, по которым пропускается ток. При пропускании через них постоянного тока якорь машины придет во вращение. Направление вращения якоря определяется правилом левой руки. Если изменить направление тока в якоре или в обмотке возбуждения, то направление вращения двигателя также изменится.

При работе электродвигателя его якорь с обмоткой, вращаясь в магнитном поле, создаваемом магнитами полюсов, пересекает силовые магнитные линии магнитного потока полюсов и, следовательно, согласно закону электромагнитной индукции в обмотке якоря индуктируется э. д. с. Направление этой э. д. с. противоположно направлению тока, текущего в обмотке якоря (определяется по правилу правой руки), ввиду чего она называется обратной з. д. с, или противоэлектродвижущей силой (противо-э. д. с).

Необходимо заметить, что во время пуска двигателя противо-электродвижущая сила равна нулю и ток якоря может достигнуть недопустимо большого значения, так как сопротивление обмотки якоря незначительно. Поэтому в момент пуска в цепь якоря последовательно вводят дополнительный резистор - пусковой реостат. С началом вращения якоря нарастает противо-э. д. с, снижающая ток в якоре, поэтому по мере раскручивания двигателя (с увеличением частоты вращения двигателя) сопротивление пускового реостата постепенно уменьшают и совсем его выключают, как только двигатель разовьет номинальную частоту вращения, так как в этом случае обмотка якоря перегрузки испытывать не будет.

Электродвигатели постоянного тока, как и генераторы, в зависимости от способа включения обмоток возбуждения и якоря подразделяются на двигатели: с независимым возбуждением; с последовательным возбуждением, или сериесные; с параллельным возбуждением, или шунтовые; со смешанным возбуждением, или компаундные.

На судах морского флота электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением с легкой параллельной обмоткой применяются для привода палубных механизмов (брашпилей, шпилей, лебедок, кранов), где требуется большой вращающий момент при пуске.

Электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением применяются для привода механизмов, у которых необходимо иметь постоянную частоту вращения независимо от их нагрузки и у которых не требуется большой пусковой момент (вспомогательные механизмы и насосы, обслуживающие главные двигатели и судовые системы, станки).

Электродвигатели постоянного тока со смешанным возбуждением применяются для привода механизмов, требующих большого пускового момента и сохранения 'постоянной частоты вращения, а также имеющих значительный маховой момент (палубные механизмы, рулевые приводы, валоповоротные устройства и др.).

Конструктивно электродвигатели выполняются с горизонтальным и с вертикальным валом.

По типу защиты от воздействия внешней среды электродвигатели бывают такие же, как и генераторы - открытые, защищенные, брызгозащищенные, водозащищенные, герметичные и взрывозащищенные.

Управление электродвигателями постоянного тока сводится в основном к выполнению следующих операций: пуску, остановке, торможению, реверсированию и регулированию частоты вращения. Эти операции могут быть выполнены вручную, автоматически или полуавтоматически при помощи соответствующей аппаратуры управления (пусковые и регулировочные реостаты, электрические и механические тормозные устройства и др.).

Частота вращения электродвигателя регулируется изменением напряжения на зажимах якоря или изменением магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, т.е. изменением силы тока возбуждения электродвигателя при помощи регулировочного реостата.

Для быстрой остановки электродвигателей необходимо применять торможение. Торможение электродвигателей постоянного тока может быть механическим и электрическим. Механическое торможение осуществляется при помощи колодочных, ленточных и дисковых тормозов. Электрическое торможение может быть произведено или в виде полезного торможения, при котором двигатель обращается в генератор и возвращает электрическую энергию в цепь, или же в виде реостатного торможения.

Изменить направление вращения электродвигателя постоянного тока можно двумя способами: 1) изменить направление тока в полюсных обмотках возбуждения, оставив направление тока в обмотке якоря без изменения; 2) изменить направление тока в обмотке якоря, оставив без изменения направление тока в полюсных обмотках возбуждения. Если одновременно изменить направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения, то направление вращения двигателя не изменится.

3.4 Обслуживание электрических машин постоянного тока

При подготовке к пуску электрические машины внимательно осматривают, обращая особое внимание на чистоту коллектора и щеток, а также на состояние внутренних и наружных контактов. Проверяют положение щеток в щеткодержателях и силу нажатия пружин. Обязательно проверяют, есть ли смазка в подшипниках, и в случае необходимости добавляют ее.

Затем, проверив положение рукояток регулировочных и пусковых реостатов, проворачивают агрегат вручную на 1-2 оборота, проверяя при этом, нет ли заеданий и посторонних шумов. Убедившись в отсутствии дефектов, пускают агрегат. После пуска агрегата наблюдают за его работой по показаниям контрольно-измерительных приборов и периодически проверяют нагрев отдельных частей, работу коллектора и щеток.

При нормальной работе нагрев машины вызывается прохождением тока через обмотки и выделением тепла, трением в подшипниках, трением щеток о коллектор и вращающихся частей о воздух. В инструкциях завода-изготовителя обычно указываются допустимые температуры нагрева отдельных частей машины. Если по обмоткам будет проходить ток большей величины (при перегрузках и коротких замыканиях), то нагрев обмоток возрастает, что может привести к порче изоляции машины. В случае отсутствия или недостаточности смазки в подшипниках они быстро нагреваются и изнашиваются.

Ни в коем случае нельзя допускать искрения между щетками и коллектором электрической машины. Искрение может возникнуть, если коллектор загрязнен или неравномерно выработаны его пластины, неплотно прилегают или дрожат щетки, ток, проходящий по обмоткам, превосходит расчетный и т.д. Работе коллектора уделяют самое серьезное внимание. Поэтому, когда машина не работает, загрязненный коллектор очищают тряпочкой, смоченной в бензине или керосине. При этом, если обнаружат царапины на коллекторе, его шлифуют стеклянной шкуркой. Для плотного прилегания щеток к пластинам коллектора щетки притирают стеклянной шкуркой, которую заводят между щетками и коллектором. Если щетки слабо прижимаются к коллекторным пластинам, необходимо отрегулировать нажимные пружины.

Изменение режима работы машины производится с помощью соответствующей аппаратуры управления. После остановки электромашин постоянного тока необходимо: осмотреть машину снаружи и внутри; удалить и протереть пыль, грязь и масло со всех доступных частей; измерить изоляцию и ощупать места контактных соединений для определения мест чрезмерного нагревания; устранить неисправности, замеченные во время работы и осмотра машины.

3.5 Принцип действия и устройство электрических машин переменного тока. Синхронные машины

Машины переменного тока по устройству немного отличаются от машин постоянного тока. Каждая машина состоит из двух основных частей: неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором. В отличие от машин постоянного тока, у машин переменного тока на статоре укладывают обмотку якоря, а на роторе - обмотку возбуждения. Вместо коллектора на роторе имеются изолированные кольца, по которым ток проводится в обмотку возбуждения. Машины переменного тока бывают синхронные и асинхронные.

Синхронными называются такие машины переменного тока, частота вращения которых определяется частотой тока. С изменением частоты тока у таких машин одновременно (синхронно) меняется частота вращения. Как правило, у синхронных машин по обмотке возбуждения проходит постоянный ток от постороннего источника. Синхронные машины обратимы, т.е. могут работать в качестве генераторов и электродвигателей. Конструкция синхронного двигателя почти не отличается от конструкции синхронного генератора.

Рис. 11. Схема и продольный разрез синхронного генератора:

1 - сердечники полюсов; 2 - катушка обмотки возбуждения; 3-якорь; 4 - 5 - контактные кольца; 6 - станина

Так как на судах морского флота цепи переменного тока питаются от трехфазных синхронных генераторов, то остановимся на их устройстве и принципе работы.

Обмотка якоря трехфазного синхронного генератора располагается в статоре и состоит из трех отдельных обмоток-фаз, сдвинутых относительно друг друга на 120° (1/3 периода) с таким расчетом, чтобы индуктируемая э. д. с. в каждой фазе достигала своего максимума спустя 1/3 периода после максимума э. д. с. соседней фазы. Обмотку возбуждения укладывают на роторе, и источником питания для нее может быть небольшой генератор постоянного тока (возбудитель), смонтированный на одном валу с синхронным генератором, или даже аккумуляторная батарея. Обмотки статора соединяются между собой звездой или треугольником, при этом во внешнюю цепь от обмотки статора отходят три провода (три контакта). На рис. 11 даны схема и продольный разрез синхронного генератора трехфазного переменного тока с возбудителем.

Ротор состоит из сердечников полюсов 1, катушки обмотки возбуждения 2, питаемой постоянным током через контактные кольца 5. Статор состоит из активной стали якоря 3, служащей магнитопроводом, и станины 6, служащей для крепления стали якоря и установки машины на фундамент. Активная сталь якоря набирается из листов специальной стали толщиной 0,5 или 0,35 мм. Листы изолируются с обеих сторон специальным лаком. Обмотка 4 укладывается в пазах, выштампованных в стали статора. На рис. 12, а показано размещение трехфазной обмотки статора (на одной четвертой его части), а на схемах б и в-соединение обмотки статора в треугольник и в звезду. При соединении в треугольник начало первой фазы I соединяется с концомII, начало II - с концомIII и, наконец, начало III - с концом I. При соединении обмоток статора звездой концы всех фаз соединяются в одну точку, называемую нулевой, а начала всех фаз остаются свободными, и к ним присоединяется внешняя цепь, в которую подается вырабатываемая генератором электрическая энергия.

Рис. 12 Соединение обмоток трехфазного генератора

Синхронные трехфазные генераторы являются в настоящее время основными источниками электрической энергии как на береговых, так и на судовых электрических станциях любой мощности. В настоящее время на морских судах получили широкое распространение синхронные генераторы, у которых обмотка возбуждения питается током статора, предварительно выпрямленным с помощью выпрямителей. Схема возбуждения этих машин обеспечивает такое 'изменение тока возбуждения, при котором напряжение на выводах генератора 'поддерживается практически постоянным. Такие генераторы называются синхронными генераторами с самовозбуждением и саморегулированием - напряжения.

Конструкция синхронного двигателя принципиально не отличается от конструкции синхронного генератора. Для того чтобы синхронный генератор заставить работать в режиме двигателя, нужно отключить первичный двигатель и к обмоткам фаз статора подвести трехфазный ток из цепи. В этом случае генератор станет синхронным электродвигателем, потребляющим ток. Проходя по обмоткам фаз, переменный трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с электромагнитом ротора, увлекает его в сторону своего вращения. В результате ротор будет вращаться с такой же частотой, как и вращающееся магнитное поле, при этом он не остановится, даже если дать ему нагрузку, соединив с каким-нибудь механизмом. В этом и заключается сущность работы синхронного электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора синхронного двигателя производится изменением частоты тока цепи, а изменение направления вращения ротора - переключением двух любых фаз, т.е. взаимным пересоединением двух питающих проводов. К недостаткам синхронных двигателей относится то, что при пуске их приходится разворачивать посторонним механизмом до частоты вращения, обеспечивающей вращающееся магнитное поле статора. Для устранения этого недостатка применяют асинхронный пуск синхронных электродвигателей, который заключается в том, что при пуске через специальные обмотки ротора перепускают переменный ток от цепи.

3.6 Трансформаторы

Трансформатором называется электромагнитный аппарат, предназначенный для повышения или понижения напряжения переменного тока. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника 1 (рис. 13), собранного из пластин специальной трансформаторной стали. На сердечник надеваются катушки 2 и 3 (обмотки) с различным числом витков изолированной проволоки. Одна обмотка, называемая первичной 2, присоединяется к источнику переменного тока. В ней создается переменное магнитное поле, намагничивающее сердечник. В другой обмотке - вторичной 3 (вторичных обмоток может быть и несколько) вследствие электромагнитной индукции возникает переменный ток.