книги / Электромонтер по обслуживанию буровых установок

Русский ученый Э. X. Ленц доказал, что э, д. с. индукции, в том числе э. д. с. самоиндукции, всегда направлена так, что она противодействует причине, вызывающей ее. Это определе­ ние называется правилом Ленца.

Э. д. с. самоиндукции в электрических цепях может во много раз превосходить напряжение источника тока. В связи с этим при размыкании цепей, обладающих большой индуктивностью, происходит пробой воздушного промежутка между контактами рубильников и выключателей и образуется искра или дуга, от которой контакты обгорают и частично расплавляются. Э. д. с. самоиндукции может пробить изоляцию проводов катушки.

Взаимоиндукция

Если две катушки находятся на некотором расстоянии друг от друга и по одной из них Ki проходит изменяющийся ток, то часть магнитного потока, возбуждаемого этим током, про­ низывает (пересекает) витки второй катушки Кч и в ней воз­ никает э. д. с., называемая э. д. с. взаимоиндукции (рис. 20). Под действием э. д. с. взаимоиндукции в замкнутой цепи вто­ рой катушки возникает электрический ток взаимоиндукции. Он вызывает появление магнитного поля, которое пронизывает витки первой катушки, в результате чего в ней также возникает э. д., с. взаимоиндукции. Такое явление называется взаимоин­ дукцией.

Величина э. д. с. взаимоиндукции, возникающей во второй катушке, зависит от размеров, расположения катушек, магнит­ ной проницаемости их сердечника, а также от скорости изме­ нения силы тока Al/At в первой катушке.

Эту зависимость можно выразить формулой

Знак минус в этой формуле показывает, что э. д. с. взаимо­ индукции противодействует причине, вызывающей ее.

На использовании явления взаимоиндукции основано дей­ ствие трансформаторов.

§3 . ОДНОФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

Переменным током называется такой электрический ток, ко­ торый периодически изменяется по величине и направлению. Для получения переменного тока используют электромашинные генераторы.

На рис. 21 приведена схема простейшего генератора пере­ менного тока. Магнитное поле генератора возбуждается маг­ нитом 1. В магнитном поле помещен виток 2, вращаемый

Приемник

каким-либо двигателем. Концы витка соединены с медными кольцами 3. К кольцам прижимаются неподвижные щетки 4, к которым присоединяется приемник электрической энергии.

Величина индуктированной э. д. с. е, возникающей в про­ воднике при пересечении им магнитного потока, зависит от магнитной индукции В , рабочей длины /, скорости v движения проводника в магнитном поле, синуса угла между направле­ нием движения проводника и направлением магнитного потока:

е = Blv sin а.

На рис. 22 показаны различные положения витка, вращаю­ щегося в однородном магнитном поле генератора с равномер­ ной скоростью. В положении 1 (рис. 22, а) виток перемещается вдоль магнитного потока. Следовательно, виток не пересекает магнитных линий, угол а между направлением движения про­ водника и магнитным потоком равен нулю, a sin 0°=0. Поэтому индуктированная в витке э. д. с. e = Blv sin 0°=0.

Виток, вращаясь по окружности, через некоторое время по­ вернется на угол а=90° и займет положение 2. При этом он пересекает наибольшее количество магнитных линий. Индукти­ рованная в нем э. д. с. будет наибольшей, sin 90°= 1 и е —

=Blv sin 90 °=Blv.

Впромежуточных положениях между 1 и 2 э. д. с., индук­ тированная в витке, будет изменяться по синусоидальному за­ кону. График изменения переменной э. д. с. в проводнике при­

веден на рис. 22,6. Под действием синусоидальной э. д. с. в электрических цепях течет синусоидальный переменный ток.

Переменная э. д. с., переменное напряжение, а также пере­ менный ток характеризуются периодом, частотой, мгновенным,, максимальным и действующим значениями.

Рис. 22. Схема получения переменной э.д.с.:

а — положение витка; б — график изменения переменной э. д. с. в про­ воднике

Период Т — время, в течение которого переменная э. д. с. (напряжение или ток) совершает одно полное изменение по величине и направлению (один цикл). Период измеряется в с.

Частота — число полных изменений переменной э. д. с. (на­ пряжение или ток), совершаемых на 1 с. Частота измеряется в герцах (Гц).

Т— 3 с совершает один оборот, то угловая скорость его враще­

ния за 1 с v = 360°/Т = 360°/3 = — яс-1. 3

При изучении и расчете цепей переменного тока удобно пользоваться векторными диаграммами, на которых синусои­ дальные э. д. с., напряжения и токи условно изображают с по­ мощью векторов. Применение этих диаграмм упрощает изу­ чение и расчет цепей и вносит наглядность в рассматриваемые соотношения. Сравнивать можно векторы, которые обладают

одной и той же размерностью. Равенство двух векторов ~АВ и СД обозначают так:АВ = СД. Векторы можно складывать. Сум­ мой двух векторов (рис. 24, a) АВ и АД называется третий век­

тор АС — диагональ параллелограмма, сторонами которого яв­ ляются слагаемые векторы.

Если два вектора Л и В лежат на одной прямой, то сумма таких векторов равна их алгебраической сумме, выраженной

вектором Сумма_ векторов не зависит от порядка сложения: А + В + С—С+ В+А. Складывать векторы можно по правилу треугольника. Для сложения вектора АВ с вектором ВС из точки А (рис. 24, б) строят вектор АВ, из конца этого вектора

строят вектор ВС. Тогда вектор АС, соединяющий начало од­ ного с концом другого, и будет суммой векторов. Это можно

Векторы можно вычитать. Чтобы из вектора АВ (умень­ шаемое) вычесть вектор АД (вычитаемое), надо прибавить к вектору АВ вектор АД в противоположном направлении. Если

два вектора АВ и АД имеют общее начало (рис. 24,в),то раз­ ность их геометрически изображается вектором, идущим от конца вектора вычитаемого к концу вектора уменьшаемого.

К активным сопротивлениям при промышленной частоте (50 Гц) относятся, например, электрические лампы накалива­ ния и электронагревательные устройства.

Рассмотрим цепь переменного тока (рис. 25,а), в которую включено активное сопротивление.

В такой цепи под действием переменного напряжения про­ текает переменный ток. Изменение тока в цепи согласно закону Ома зависит только от изменения напряжения, подключенного к ее зажимам. Когда напряжение равно нулю, ток в цепи также равен нулю. По мере увеличения напряжения ток в цепи воз­ растает и при максимальном значении напряжения ток стано­ вится наибольшим. Когда напряжение изменяет свое направ­ ление, ток также изменяет свое направление.

Это значит, что ток и напряжение совпадают по фазе. Век­

Среднее значение мощности, потребляемой активным сопро­ тивлением в такой цепи,

Индуктивность в цепи переменного тока

На рис. 25, г показана цепь переменного тока с катушкой индуктивности с малым активным сопротивлением г?»0.

Под действием переменного магнитного потока в такой цепи возникает э. д. с.

Согласно правилу Ленца ес всегда противодействует при­ чине, вызывающей ее. В нашем случае ес будет препятствовать протеканию переменного тока. При расчетах это учитывается по индуктивному сопротивлению, которое обозначается xL и из­ меряется в омах (Ом),

Так, ес препятствует по правилу Ленца протеканию пере­ менного тока, то когда значение тока достигает максималь­ ного, ес должна иметь минимальное значение и. наоборот, ми­ нимальному значению тока должно соответствовать максималь­ ное значение ес. При этом также следует иметь в виду, что в цепи с индуктивностью, не содержащей г, в каждый момент времени ес направлена навстречу напряжению генератора Ur.

Таким образом, в цепи с индуктивностью ток опережает ес по фазе на угол ф=90° и отстает от напряжения U также на

Имеется существенное отличие между индуктивным и актив­ ным сопротивлениями переменному току. Когда к генератору переменного тока подключена активная нагрузка, то энергия безвозвратно потребляется активным сопротивлением. Если же к источнику переменного тока присоединено индуктивное со­ противление при г=0, то его энергия, пока сила тока возрас­ тает, расходуется на возбуждение магнитного поля. Измене48

ние этого поля вызывает возникновение э. д. с. самоиндукции. При уменьшении силы тока энергия, запасенная в магнитном поле, вследствие возникающей при этом э. д. с. самоиндукции возвращается обратно генератору.

Следовательно, индуктивная нагрузка в отличие от актив­ ной не потребляет энергию, которую вырабатывает генератор, а в цепи с индуктивностью происходит «перекачивание» энер­ гии от генератора в индуктивную нагрузку и обратно, т. е. возникает колебание энергии. Такое свойство индуктивного со­ противления называется реактивным. В цепи, содержащей ре­ активное сопротивление, происходят колебания энергии от ге­ нератора к нагрузке и обратно.

Емкость в цепи переменного тока

Рассмотрим цепь переменного тока (рис. 25,ж), в которую включена электрическая емкость (конденсатор).

Активным сопротивлением этой цепи пренебрегаем (г = 0). Полярность зажимов генератора переменного тока, включен­ ного в цепь с емкостью, меняется с частотой со = 2я/. В первую четверть периода (рис. 25, и) конденсатор заряжается и на его пластинах появляются противоположные по знаку электриче­

тор с пластинами, перемещаются электрические заряды, следо­ вательно, протекает зарядный ток.

Как видно на волновой диаграмме, в первую четверть пе­ риода во время заряда конденсатора напряжение на пластинах конденсатора возрастает от нуля до максимального значения, сила тока, наоборот, в начале заряда будет максимальной, а в конце заряда, когда напряжение на конденсаторе (Uc) ока­ жется равным напряжению генератора (1)т), она станет равной нулю.

За вторую четверть периода напряжение генератора посте­ пенно убывает и становится равным нулю. В это время конден­ сатор разряжается. При этом разрядный ток, протекающий по проводам, имеет направление, противоположное направлению тока заряда. За третью четверть периода полярность на зажи­ мах генератора изменится и напряжение возрастет от нуля до наибольшего значения. В это время конденсатор вновь заря­ дится, но полярность на его пластинах изменится. На левой пластине будет отрицательный заряд, на правой пластине — положительный. По проводам пройдет зарядный ток, сила ко­ торого к концу заряда конденсатора, когда Uc = Ur, станет рав­ ной нулю.

Вчетвертую часть периода напряжение генератора убывает

истановится равным нулю. Конденсатор в это время вторично разряжается, и по проводам, соединяющим генератор с пласти­ нами конденсатора, вновь протекает разрядный ток.

Таким образом, за один период изменения переменного на­ пряжения дважды происходит процесс заряда и разряда кон­ денсатора и при этом в его цепи протекает переменный ток. Кроме того, при заряде и разряде конденсатора ток в цепи и напряжение не совпадают по фазе. Ток опережает по фазе напряжение на четверть периода, т. е. на 90°. Векторная диа­ грамма для этой цепи изображена на рис. 25, з.

Закон Ома для цепи с емкостью можно выразить так:

Так же как и в цепи с индуктивностью, в цепи переменного тока с емкостью происходит «перекачивание» энергии из гене­ ратора в конденсатор и обратно. По этой причине емкостное сопротивление как индуктивное, называется реактивным.

Цепь переменного тока с активным, индуктивным и емкостным сопротивлениями

На рис. 26, а изображена цепь переменного тока, в которую включены последовательно активное сопротивление г, индук­ тивность с xL и емкость с хс. Так как сопротивления соединены последовательно, то в них протекает одинаковый ток,

На рис. 26, б приведена векторная диаграмма для данной цепи, из которой следует, что

(35)

Разделив стороны треугольника напряжений АОБ на число

Рис. 26. Цепь перемен­ ного тока с активным, индуктивным и емкост­ ным сопротивлениями:

ник сопротивлений