- •Электрическая цепь и ее основные законы
- •Электромагнетизм и электромагнитная индукция
- •Электрические машины постоянного тока
- •Химические источники тока
- •Переменный ток
- •Трансформаторы и Реакторы
- •Электрические машины переменного тока
- •Физические основы работы электрических аппаратов
- •§1. Основные сведения о строении вещества и физической природе электричества
- •§ 2. Напряженность электрического поля, электрическое поле, электрический потенциал и напряжение
- •§ 3. Электрический ток и электропроводность вещества
- •§ 4. Электрическое сопротивление и проводимость
- •§ 5. Электродвижущая сила и напряжение источника электрической энергии
- •§ 6. Электрическая цепь и ее элементы
- •§ 7. Закон Ома
- •§ 8. Использование резисторов для регулирования тока в электрической цепи
- •Режимы работы электрической цепи
- •§ 10. Законы Кирхгофа
- •§ 11. Последовательное, параллельное и смешанное соединения резисторов (приемников электрической энергии)
- •§ 12. Мостовая схема соединения резисторов и ее применение
- •§ 13. Работа и мощность электрического тока
- •§ 14. Тепловое действие тока
- •§ 15. Передача электрической энергии по проводам
- •Электромагнетизм и электромагнитная индукция §16. Магнитное поле и его характеристики и свойства
- •§17. Магнитное поле проводника с током и способы его усиления
- •§18. Магнитные свойства различных веществ
- •§19. Магнитная цепь
- •§20. Электромагнитные силы, создаваемые магнитным полем
- •§21. Электромагнитная индукция
- •§22. Вихревые токи
- •§23. Самоиндукция
- •§24. Взаимоиндукция
- •Электрические машины постоянного тока §25. Процесс преобразования энергии в электрических машинах. Режимы их работы
- •§26. Принцип действия
- •§27. Основные части электрических машин и их назначение
- •§28. Обмотки якоря
- •§29. Реакция якоря
- •§30. Коммутация
- •§31. Основы работы генераторов
- •§32. Схемы генераторов и их характеристики
- •§33. Основы работы электродвигателей
- •§34. Схемы электродвигателей и их характеристики
- •§35. Пуск в ход электродвигателей постоянного тока
- •§36. Регулирование частоты вращения якоря электродвигателя
- •§37. Электрическое торможение
- •§38. Мощность и коэффициент полезного действия электрических машин
- •§39. Особенности работы машин постоянного тока при пульсирующем напряжении
- •Химические источники тока §40. Электрический ток в жидких проводниках
- •§41. Понятие о гальванических элементах
- •§42. Кислотные аккумуляторы
- •§43. Щелочные аккумуляторы, принцип действия и устройство
- •§44. Электрические характеристики аккумуляторов
- •§45. Способы соединения аккумуляторов в батареи
- •§46. Получение переменного тока
- •§47. Основные параметры переменного тока
- •§48. Векторные диаграммы
- •§49. Виды сопротивлений в электрической цепи переменного тока
- •§50. Активное сопротивление в цепи переменного тока
- •§51. Индуктивность в цепи переменного тока
- •§52. Конденсаторы, их назначение и устройство
- •§53. Емкость в цепи переменного тока
- •§54. Последовательное соединение активного сопротивления, индуктивности и емкости
- •§55. Параллельное соединение сопротивлений в цепи переменного тока
- •§56. Резонанс напряжений и резонанс токов
- •§57. Мощность переменного тока и коэффициент мощности
- •§58. Передача электрической энергии по проводам при переменном токе
- •§59. Трехфазный переменный ток
- •§60. Схема соединения «звездой»
- •§61. Схема соединения «треугольником»
- •§62. Мощность трехфазной системы
- •§63. Назначение и принцип действия трансформатора
- •§65. Режимы работы трансформатора и его характеристики
- •§66. Мощность, к. П. Д. И коэффициент мощности трансформатора
- •§67. Автотрансформатор и трехфазный трансформатор
- •§68. Трансформаторы для вентильных преобразователей
- •§69. Регулирование напряжения трансформаторов
- •§70. Реакторы
- •§71. Подключение трансформаторов и реакторов к источнику переменного тока
- •§72. Магнитные усилители
- •§73. Стабилизаторы напряжения
- •§74. Вращающееся магнитное поле
- •§75. Принцип действия асинхронного двигателя
- •§76. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
- •§77. Асинхронный двигатель с фазным ротором
- •§78. Режимы работы асинхронных двигателей
- •§79. Характеристики асинхронных двигателей
- •§80. Пуск в ход асинхронных двигателей
- •§81. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей
- •§82. Однофазные и двухфазные асинхронные двигатели
- •§83. Асинхронный расщепитель фаз
- •§84. Асинхронный тахогенератор
- •§85. Сельсины
- •§86. Назначение и принцип действия синхронной машины
- •§87. Устройство синхронной машины
- •§88. Режимы работы синхронного генератора и его характеристики
- •§89. Синхронный двигатель, принцип действия и устройство синхронного двигателя
- •§90. Назначение и классификация электрических аппаратов
- •§91. Контакты электрических аппаратов
- •§92. Электрическая дуга и методы ее гашения
- •§93. Приводы электрических аппаратов
- •§94. Основы работы плавких предохранителей
- •§ 95. Назначение и типы электроизмерительных приборов
- •§ 96. Магнитоэлектрические приборы
- •§ 97. Электромагнитные приборы
- •§ 98. Электродинамические и ферродинамические приборы
- •§ 99. Индукционные приборы
- •§100. Логометры и электронные приборы
- •§101. Измерение тока и напряжения
- •§102. Измерение мощности и электрической энергии
- •§103. Измерение электрического сопротивления
- •§104. Измерение частоты переменного тока
- •§105. Измерение электрическими методами неэлектрических величин
§104. Измерение частоты переменного тока
Частоту переменного тока измеряют частотомерами. Обычно применяют резонансные электромагнитные или ферродинамические приборы.
Электромагнитный резонансный частотомер имеет электромагнит 2 (рис. 344, а), в поле которого расположены стальной якорь 1 и соединенный с ним стальной брусок 5. Этот брусок укреплен на упругих пружинах 4 и на нем размещен ряд гибких стальных пластинок 3, площадь поперечного сечения которых подобрана таким образом, что каждая следующая пластинка имеет частоту собственных колебаний на 0,5 Гц больше, чем предыдущая. Сво-
Рис. 344. Устройство электромагнитного резонансного частотомера
Рис. 345. Принципиальная схема ферродинамического частотомера
бодные концы пластинок введены в прорезь, имеющуюся на шкале прибора. Катушка электромагнита присоединена к сети переменного тока так же, как и катушка вольтметра.
При прохождении по катушке переменного тока электромагнит создает магнитное поле, пульсирующее с частотой изменения тока. Находящийся в этом поле якорь 1 также начнет совершать колебательные движения и вызывать колебания связанных с ним пластинок 3.
Колебания пластинок обычно бывают настолько незначительными, что они не могут быть замечены глазом. Однако если частота собственных колебаний какой-либо пластинки совпадает с частотой изменения переменного тока, т. е. с частотой колебаний якоря, то наступит явление механического резонанса, при котором эта пластинка начнет колебаться с большой амплитудой. Белый квадратик на ее конце превращается при этом в белую полоску (рис. 344,б), против которой по шкале можно отсчитывать измеряемую частоту. Значительно слабее колеблются две пластинки, колебания же всех остальных пластинок обычно совершенно незаметны для глаза.
Ферродинамический частотомер (рис. 345) представляет собой логометр ферродинамической системы. Катушки логометра соединяются в две параллельные цепи, которые подключаются к двум точкам а и б, между которыми действует напряжение переменного тока U (так же, как и вольтметры). Последовательно с неподвижной 3 и одной из подвижных 1 катушек включены катушка индуктивности L и конденсатор С, а последовательно с другой подвижной катушкой 2 — резистор с сопротивлением R (могут быть и другие комбинации R, L и С). Поэтому ток I1 в первой параллельной ветви зависит от частоты f, а ток I2 во второй цепи не зависит от f.
В результате при изменении частоты f будут изменяться ток I1 и положение подвижной части логометра до тех пор, пока не наступит равновесие моментов М1 и М2, создаваемых его катушками. Показания такого прибора будут зависеть от частоты f.
§105. Измерение электрическими методами неэлектрических величин
Принципы измерения неэлектрических величин. В современной технике широко применяются измерения неэлектрических величин (температуры, давления, усилий и пр.) электрическими методами. В большинстве случаев такие измерения сводятся к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую величину (например, сопротивление, ток, напряжение, индуктивность, емкость и пр.), измеряя которую, получают возможность определить искомую неэлектрическую величину.
Устройство, осуществляющее преобразование неэлектрической величины в электрическую, называется датчиком. Датчики делятся на две основные группы: параметрические и генераторные. В параметрических датчиках неэлектрическая величина вызывает изменение какого-либо электрического или магнитного параметра: сопротивления, индуктивности, емкости, магнитной проницаемости и пр. В зависимости от принципа действия эти датчики подразделяются на датчики сопротивления, индуктивные, емкостные и др.
В генераторных датчиках неэлектрическая величина вызывает появление э. д. с. К этим датчикам относятся индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и пр.
Устройства для измерения различных неэлектрических величин электрическими методами широко применяют на э. п. с. и тепловозах. Такие устройства состоят из датчиков, какого-либо электроизмерительного прибора (гальванометра, милливольтметра, миллиамперметра, логометра и т. д.) и промежуточного звена, которое может включать в себя электрический мост, усилитель, выпрямитель, стабилизатор и др.
Электрические термометры сопротивления. Для контроля температуры воды, охлаждающей дизель, применяют электрические термометры, датчиком 3 которых (рис. 346) служат терморезисторы (термисторы). Термисторы выполняют из полупроводниковых материалов. Для предохранения от внешних воздействий датчик заключен в защитную арматуру. Указателем 1 служит логометр. Датчик 3 (R1) включается в одно из плеч неуравновешенного моста 2, три остальных плеча моста образуют резисторы сопротивлениями R1, R2 и R3. Катушки логометра включаются в измерительную диагональ моста последовательно с резистором сопротивлением R4.
Терморезисторы имеют значительный разброс в характеристике зависимости сопротивления от температуры. Поэтому для получения требуемой градуировки шкалы прибора приходится применять дополнительные добавочные и подгоночные резисторы сопротивлениями R8 и R9. С помощью этих резисторов осущест-
Рис. 346. Принципиальная схема электрического термометра с терморезисторным датчиком
вляют уравновешивание моста при начальной измеряемой температуре (градуируют нулевую точку шкалы).
Применение логометра в качестве указателя обеспечивает независимость показаний прибора при колебаниях питающего напряжения. Для уменьшения погрешности, обусловленной влиянием сопротивления проводов, соединяющих датчик с указателем, применено соединение их тремя проводами. Если бы они соединялись двумя проводами, подключенными к точкам Л и С моста, то сопротивления этих проводов складывались с сопротивлением датчика Rt и это создавало бы погрешность измерения. При наличии же трех соединительных проводов питание подается в точки а и С, в результате чего сопротивление R’л одного из проводов складывается с сопротивлением датчика, а сопротивление R”л другого провода — с сопротивлением R8. При этом в два плеча моста добавляются одинаковые сопротивления R’л и R”л, и ток в измерительной диагонали практически не будет зависеть от изменения сопротивления соединительных проводов. Резистор с сопротивлением R5 обеспечивает уменьшение напряжения, подаваемого на измерительный мост, до установленного для данного прибора значения.
Для компенсации температурной погрешности, которую вносит изменение сопротивления катушек логометра при изменении окружающей температуры, последовательно с катушками включены терморезисторы Rt1 и Rt2. При увеличении температуры сопротивление медного провода катушек увеличивается, а терморезисторов Rt1 и Rt2 — уменьшается, в результате чего суммарное сопротивление катушки и терморезисторов остается приблизительно постоянным. Для более точной подгонки суммарного сопротивления параллельно терморезисторам включают резисторы сопротивлениями R6 и R7. Резисторы сопротивлениями R1, R2, R3, R4 и R5 изготовляют из манганина, электрическое сопротивление которого мало меняется при изменении температуры, поэтому вводить температурную компенсацию изменения сопротивления этих резисторов не требуется.
Датчик помещают в среду, где требуется измерить температуру (например, в воду, циркулирующую в системе охлаждения дизеля). При повышении температуры воды нарушается равновесие моста и изменяется ток в его измерительной диагонали, куда включен указатель. Шкала указателя градуируется непосредственно в °С.
В логометрах подвижная часть при выключенном питании занимает произвольное положение. Поэтому в данном приборе применено принудительное возвращение стрелки в нулевое положение при выключенном питании с помощью так называемых безмоментных пружин. Создаваемый ими вращающий момент значительно меньше моментов, создаваемых катушками логометра, и не оказывает заметного влияния на показания прибора.
Электрические термометры с термоэлектрическими датчиками устанавливают на тепловозах для контроля температуры газов в цилиндрах дизеля. В комплект термометра входит термоэлектрический датчик (термопара) и милливольтметр, служащий указате-
Рис. 347. Принципиальная схема электрического термометра с термоэлектрическим датчиком
лем. Термоэлектрический датчик выполнен из двух сваренных вместе проволок или пластин из разнородны металлов или сплавов. Когда два таких проводника А и В (рис. 347) соединяются в какой-либо точке и включаются в замкнутую электрическую цепь, при изменении температуры места их соединения в цепи возникает электродвижущая сила, называемая термо-э. д. с. Спай 1 двух разнородных металлов термопары называют горячим спаем, концы 2 и 3 — свободными или холодными спаями.
Значение термо э. д. с. зависит только от разности температур t1 нагретого 1 и t2 холодных 2 и 3 концов проводников А и В и от природы материалов, применяемых в качестве электродов. Если температуру свободных концов поддерживать постоянной и одинаковой, то термо э. д. с. будет пропорциональна температуре горячего спая. Термопары развивают сравнительно небольшую термо-э.д.с, поэтому милливольтметры, используемые для ее измерения, должны иметь точную температурную компенсацию. Шкала такого прибора градуируется в °С.
На тепловозах применяют термоэлектрические датчики, составленные из следующих сплавов: хромель (89% Ni+10% Cr + 1% Fe) —копель (56% Cu + 44% Ni); хромель — алюмель (95% Ni + 2% Al + 2% Mn+1 % Si). Термопара из этих сплавов создает термо-э.д.с. 4—7 мВ. Если электроизмерительный прибор подключить к термопаре медными проводами, то возникнет большая погрешность измерения, так как при электрическом контакте свободных концов 2 а 3 термопары с соединительными проводами из-за разности температур t2 и t0 (в месте установки прибора) появятся добавочные термо-э. д. с. Для устранения этой погрешности соединительные провода С и D (их называют компенсационными) изготовляют из материалов, обладающих теми же термоэлектрическими характеристиками, что и электроды термопары. Следовательно, возникающие в месте контактов 2 и 3 термо-э. д. с. будут иметь такие же значения, как и в основной термопаре. Компенсационные провода изготовляют из тех же материалов, что и электроды термопары, но они имеют меньшую площадь сечения. В этом случае температура концов 2 и 3 может быть различной.
Электрические уровнемеры. Для измерения объема или уровня жидкости в баках и резервуарах применяют различного рода электрические уровнемеры. В качестве примера рассмотрим схему электрического уровнемера с реостатным датчиком (рис. 348,а). В баке с измеряемой жидкостью помещен поплавок 1, положение которого определяется объемом или уровнем жидкости. Изменение положения поплавка вызывает изменение сопротивлений R1 и R2 реостатного датчика 3, включенных в два плеча моста постоян-
Рис. 348. Принципиальные схемы электрических уровнемера (а) и манометра (б) с реостатными датчиками
ного тока, два других плеча которого образованы резисторами сопротивлениями R3 и R4. Изменение сопротивлений R1 и R2 изменяет ток в измерительной диагонали моста, в которую включены катушки логометра 2, служащего указателем. Шкала логометра градуируется в единицах объема, занимаемого жидкостью, или единицах уровня жидкости.
Электрические манометры. Для измерения давления масла в системе смазки дизеля на тепловозах устанавливают электрические манометры. Такой манометр имеет реостатный датчик 5 (рис. 348,б), движок которого связан с гофрированной мембраной 4. Указателем служит логометр, шкала которого градуирована непосредственно в единицах давления. Логометр включен в диагональ электрического моста постоянного тока, плечи которого образованы сопротивлениями R1 и R2 реостатного датчика и резисторами сопротивлениями R3 и R4. Резисторы сопротивлениями R5 и R6 предназначены для получения требуемой градуировки шкалы прибора и температурной компенсации, а резистор сопротивлением R7 — для выравнивания сопротивлений катушек логометра (одна из них имеет большие размеры, чем другая). При изменении давления в корпусе датчика мембрана прогибается и перемещает движок реостата. При этом изменяются сопротивления R1 и R2 датчика и ток в измерительной диагонали моста. Следовательно, стрелка указателя изменяет свое положение.
Электрические тахометры. Частоту вращения валов различных машин (электродвигателей, дизелей и пр.) измеряют приборами, называемыми тахометрами. Наибольшее распространение получили электрические тахометры с асинхронным тахогенератором, принцип действия которого рассмотрен в § 84. На тепловозах применяют магнитно-индукционные тахометры (рис. 349), измеряющие частоту вращения вала дизеля. Вал тахометра связывают непосредственно или посредством гибкого вала с валом дизеля.
При вращении вала тахометра приводится во вращение магнитный узел, состоящий из двух дисков, на которых укреплены постоянные магниты 2. При вращении дисков создается вращающееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в расположенном между магнитами токопроводящем диске 1. В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с вихревыми токами возникает вращающий момент М (как и в индукционных приборах), стремящийся повернуть диск в направлении вращения электромагнитов. Этот момент пропорционален частоте пересечения магнитным полем токопроводящего диска, т. е. частоте вращения п вала дизеля: М = c1n.
Валик, на котором укреплен токопроводящий диск 1, связан со стрелкой прибора и спиральной пружиной 3, создающей противодействующий момент Мпр = с2?. При равновесии этих моментов М = Мпр, т. е.
?= (c1/c2) n = сn (114)
Следовательно, угол отклонения стрелки ? пропорционален частоте вращения п, т. е. прибор имеет равномерную шкалу.