Курс лекций

Тема №2. Электротехника.

Основные параметры электрической цепи.

- Напряжение (Э.Д.С.) источника электрической энергии – U(B). Электрическое напряжение есть энергетическая характеристика поля вдоль рассматриваемого пути из одной точки в другую, которой оценивается возможность совершения работы при перемещении заряженных частиц между этими точками. Электродвижущая сила - характеристика источника энергии в электрической цепи. Электродвижущая сила измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к величине этого заряда. ЭДС измеряется в вольтах.

- Электрический ток - направленное и упорядоченное движение электронов под действием электрического поля, создаваемого за счет Э.Д.С. источника питания. За направление электрического тока в электротехнике принято направление, противоположное направлению движения электронов. Всегда в электрической цепи ток направлен от положительного полюса источника к отрицательному.

- Сопротивление приемника электрической энергии – R(Ом). Противодействие, оказываемое материалом протеканию электрического тока, называется сопротивлением. Сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров, материала и от температуры окружающей среды. Зависимость сопротивления от геометрических размеров и материала выражается формулой R=r, где R- сопротивление проводника, Ом; l - длина проводника, м; S - площадь поперечного сечения проводника, мм2; r - удельное сопротивление проводника,Ом´мм2/м.

- Мощность источника электрической энергии – Р(Вт).

- Мощность приемника электрической энергии – P(Вт). Работа приемника произведенная в единицу времени, называется мощностью P=A/t, [ Вт = Дж/С]. Мощность можно выразить также через напряжение и ток Р=UI, [ Вт=ВА]. Кроме ватта, применяются также производные единицы 1 мВт=10-3 Вт; 1кВт=103 Вт; 1МВт=106 Вт.

Схемы электрических цепей постоянного тока.

Под цепями постоянного тока подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего направления, т.е. полярность источников Э.Д.С. в которых постоянна.

В электротехнике рассматривается устройство и принцип действия основных электротехнических устройств, используемых в быту и промышленности. Чтобы электротехническое устройство работало, должна быть создана электрическая цепь, задача которой передать электрическую энергию этому устройству и обеспечить ему требуемый режим работы.

«Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении».

Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения. Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппаратуры, представлена на рис. 1.

Рис. 1

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

1) Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

2) Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.

3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

В электрической схеме на рис. 1 электрическая энергия от источника ЭДС E, обладающего внутренним сопротивлением r₀, с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL₁ и EL₂.

Для расчета и анализа реальная электрическая цепь представляется графически в виде расчетной электрической схемы (схемы замещения). В этой схеме реальные элементы цепи изображаются условными обозначениями, причем вспомогательные элементы цепи обычно не изображаются, а если сопротивление соединительных проводов намного меньше сопротивления других элементов цепи, его не учитывают. Источник питания показывается как источник ЭДС E с внутренним сопротивлением r₀, реальные потребители электрической энергии постоянного тока заменяются их электрическими параметрами: активными сопротивлениями R₁, R₂, …, R_n. С помощью сопротивления R учитывают способность реального элемента цепи необратимо преобразовывать электроэнергию в другие виды, например, тепловую или лучистую.

При этих условиях схема на рис. 1 может быть представлена в виде расчетной электрической схемы (рис. 2), в которой есть источник питания с ЭДС E и внутренним сопротивлением r₀, а потребители электрической энергии: регулировочный реостат R, электрические лампочки EL₁ и EL₂ заменены активными сопротивлениями R, R₁ и R₂.

Рис. 2.

Источник ЭДС на электрической схеме (рис. 2) может быть заменен источником напряжения U, причем условное положительное направление напряжения U источника задается противоположным направлению ЭДС.

При расчете в схеме электрической цепи выделяют несколько основных элементов.

Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных элементов. Схема на рис. 2 имеет три ветви: ветвь bma, в которую включены элементы r₀, E, R и в которой возникает ток I; ветвь ab с элементом R₁ и током I₁; ветвь anb с элементом R₂ и током I₂.

Узел электрической цепи (схемы) – место соединения трех и более ветвей. В схеме на рис. 1.2 – два узла a и b. Ветви, присоединенные к одной паре узлов, называют параллельными. Сопротивления R₁ и R₂ (рис. 1.2) находятся в параллельных ветвях.

Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям. В схеме на рис. 2 можно выделить три контура: I – bmab; II – anba; III – manbm, на схеме стрелкой показывают направление обхода контура.

Условные положительные направления ЭДС источников питания, токов во всех ветвях, напряжений между узлами и на зажимах элементов цепи необходимо задать для правильной записи уравнений, описывающих процессы в электрической цепи или ее элементах. На схеме (рис. 2) стрелками укажем положительные направления ЭДС, напряжений и токов:

а) для ЭДС источников – произвольно, но при этом следует учитывать, что полюс (зажим источника), к которому направлена стрелка, имеет более высокий потенциал по отношению к другому полюсу;

б) для токов в ветвях, содержащих источники ЭДС – совпадающими с направлением ЭДС; во всех других ветвях произвольно;

в) для напряжений – совпадающими с направлением тока в ветви или элемента цепи.

Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные.

Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным, например электропечь.

Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке.

Следовательно, в линейной электрической цепи все элементы – линейные, а нелинейной называют электрическую цепь, содержащую хотя бы один нелинейный элемент.

Законы Ома и Кирхгофа. Методы расчета неразветвленных и разветвленных электрических цепей.

Закон Ома для участка цепи

Соотношение между током I, напряжением UR и сопротивлением R участка аb электрической цепи (рис. 3) выражается законом Ома

Рис. 3

или U_R = RI.

В этом случае U_R = RI – называют напряжением или падением напряжения на резисторе R, а

– током в резисторе R.

При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением R, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью:

.

В этом случае закон Ома для участка цепи запишется в виде:

I = Uq.

Закон Ома для всей цепи

Этот закон определяет зависимость между ЭДС Е источника питания с внутренним сопротивлением r₀ (рис. 1.3), током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением R_Э = r₀ + R всей цепи:

.

Сложная электрическая цепь содержит, как правило, несколько ветвей, в которые могут быть включены свои источники питания и режим ее работы не может быть описан только законом Ома. Но это можно выполнить на основании первого и второго законов Кирхгофа, являющихся следствием закона сохранения энергии.

Первый закон Кирхгофа

В любом узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю

,

где m – число ветвей подключенных к узлу.

При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут со знаком «плюс», а токи, направленные от узла – со знаком «минус». Например, для узла а (см. рис. 1.2) I - I₁ - I₂ = 0.

Второй закон Кирхгофа

В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех его участках

,

где n – число источников ЭДС в контуре; m – число элементов с сопротивлением R_к в контуре; U_к = R_кI_к – напряжение или падение напряжения на к-м элементе контура.

Для схемы (рис. 1.2) запишем уравнение по второму закону Кирхгофа:

E = U_R + U₁.

Если в электрической цепи включены источники напряжений, то второй закон Кирхгофа формулируется в следующем виде: алгебраическая сумма напряжений на всех элементах контру, включая источники ЭДС равна нулю:

.

При записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо:

1) задать условные положительные направления ЭДС, токов и напряжений;

2) выбрать направление обхода контура, для которого записывается уравнение;

3) записать уравнение, пользуясь одной из формулировок второго закона Кирхгофа, причем слагаемые, входящие в уравнение, берут со знаком «плюс», если их условные положительные направления совпадают с обходом контура, и со знаком «минус», если они противоположны.

Запишем уравнения по II закону Кирхгофа для контуров электрической схемы (рис. 1.2):

контур I: E = RI + R₁I₁ + r₀I,

контур II: R₁I₁ + R₂I₂ = 0,

контур III: E = RI + R₂I₂ + r₀I.

Законы Ома и Кирхгофа используют, как правило, при расчете относительно простых электрических цепей с небольшим числом контуров, хотя принципиально с их помощью можно рассчитать сколь угодно сложные электрические цепи.

При расчете электрических цепей в большинстве случаев известны параметры источников ЭДС или напряжения, сопротивления элементов электрической цепи, и задача сводится к определению токов в ветвях цепи. Зная токи, можно найти напряжения на элементах цепи, мощность, потребляемую отдельными элементами и всей цепью в целом, мощность источников питания и др.

Расчет цепи с одним источником питания

Электрическая цепь, схема которой приведена на рис. 4, состоит из одного источника питания, имеющего ЭДС E и внутреннее сопротивление r0, и резисторов R1, R2, R3, подключенных к источнику по смешанной схеме. Операции расчета такой схемы рекомендуется производить в определенной последовательности.

Рис. 4.

1. Обозначение токов и напряжений на участках цепи.

Резистор R1 включен последовательно с источником, поэтому ток I1 для них будет общим, токи в резисторах R2 и R3 обозначим соответственно I2 и I3. Аналогично обозначим напряжения на участках цепи.

2. Расчет эквивалентного сопротивления цепи.

Резисторы R2 и R3 включены по параллельной схеме и заменяются согласно эквивалентным сопротивлением:

.

В результате цепь на рис. преобразуется в цепь с последовательно соединенными резисторами R1, R23 и r0. Тогда эквивалентное сопротивление всей цепи запишется в виде:

Rэ = r0 + R1 + R23

3. Расчет тока в цепи источника. Ток I1 определим по закону Ома:

I1 = U/Rэ

4. Расчет напряжений на участках цепи. По закону Ома определим величины напряжений:

U1 = I1R1; U23 = I1R23

Напряжение U на зажимах ab источника питания определим по второму закону Кирхгофа для контура I (рис. 4):

E = I1r0 + U; U = E - I1r0.

5. Расчет токов и мощностей для всех участков цепи. Зная величину напряжения U23, определим по закону Ома токи в резисторах R2 и R3:

; .

По формуле определим величину активной электрической мощности, отдаваемую источником питания потребителям электрической энергии:

P = EI1.

В элементах схемы расходуются активные мощности:

; ; .

На внутреннем сопротивлении r0 источника питания расходуется часть электрической мощности, отдаваемой источником. Эту мощность называют мощностью потерь :

.

6. Проверка правильности расчетов. Эта проверка производится составлением уравнения баланса мощностей: мощность, отдаваемая источником питания, должна быть равна сумме мощностей, расходуемых в резистивных элементах схемы:

.

Кроме того, правильность вычисления токов можно проверить, составив уравнение по первому закону Кирхгофа для узла схемы:

I1 = I2 + I3.

Расчет разветвленной электрической цепи с несколькими источниками питания.

Основным методом расчета является метод непосредственного применения первого и второго законов Кирхгофа.

В качестве примера рассмотрим цепь, схема которой приведена на рис. 5. Схема цепи содержит 6 ветвей (m=6) и 4 узла: a, b, c, d (n=4). По каждой ветви проходит свой ток, следовательно число неизвестных токов равно числу ветвей, и для определения токов необходимо составить m уравнений. При этом по первому закону Кирхгофа составляют уравнения для (n–1) узлов. Недостающие m–(n–1) уравнения получают по второму закону Кирхгофа, составляя их для m–(n–1) взаимно независимых контуров. Рекомендуется выполнять операции расчета в определенной последовательности.

Рис. 5

1. Обозначение токов во всех ветвях. Направление токов выбираем произвольно, но в цепях с источниками ЭДС рекомендеются, чтобы направление токов совпадало с направлением ЭДС.

2. Составление уравнений по первому закону Кирхгофа. Выбираем 4–1=3 узла (a, b, c) и для них записываем уравнения:

узел a: I1 - I2 - I3 = 0;

узел b: I2 - I4 + I5 = 0;

узел c: I4 - I5 + I6 = 0.

3. Составление уравнений по второму закону Кирхгофа. Необходимо составить 6–3=3 уравнения. В схеме на рис. 1.26 выбираем контура I, II, III и для них записываем уравнения:

контур I: E1 = I1(r01 + R1) + I3R3;

контур II: 0 = I2R2 + I4R4 + I6R7 - I3R3;

контур III: -E2 = -I5(r02 + R5 + R6) - I4R4.

4. Решение полученной системы уравнений и анализ результатов. Полученная система из шести уравнений решается известными математическими методами. Если в результате расчетов численное значение тока получено со знаком «минус», это означает, что реальное направление тока данной ветви противоположно принятому в начале расчета. Если в ветвях с ЭДС токи совпадают по направлению с ЭДС, то данные элементы работают в режиме источников, отдавая энергию в схему. В тех ветвях, где направления тока и ЭДС не совпадают, источники ЭДС работает в режиме потребителя.

5. Проверка правильности расчетов. Для проверки правильности произведенных расчетов можно на основании законов Кирхгофа написать уравнения для узлов и контуров схемы, которые не использовались при составлении исходной системы уравнений:

узел d: I3 + I6 - I1 = 0

внешний контур схемы: E1 - E2 = I1(r01 + R1) + I2R2 - I5(r02 + R5 +R6) +I6R7.

Независимой проверкой является составление уравнения баланса мощностей с учетом режимов работы элементов схемы с ЭДС:

.

Если активная мощность, поставляемая источниками питания, равна по величине активной мощности, израсходованной в пассивных элементах электрической цепи, то правильность расчетов подтверждена.

Основные методы расчета сложных электрических цепей.

С помощью законов Ома и Кирхгофа в принципе можно рассчитать электрические цепи любой сложности. Однако решение в этом случае может оказаться слишком громоздким и потребует больших затрат времени. По этой причине для расчета сложных электрических цепей разработаны на основе законов Ома и Кирхгофа более рациональные методы расчета, два из которых: метод узлового напряжения и метод эквивалентного генератора, рассмотрены ниже.

Метод узлового напряжения.

Этот метод рекомендуется использовать в том случае, если сложную электрическую схему можно упростить, заменяя последовательно и параллельно соединенные резисторы эквивалентными, используя при необходимости преобразование треугольника сопротивлений в эквивалентную звезду. Если полученная схема содержит несколько параллельно соединенных активных и пассивных ветвей, как, например, схема на рис. 6, то ее расчет и анализ весьма просто можно произвести методом узлового напряжения.

Пренебрегая сопротивлением проводов, соединяющих ветви цепи, в ее схеме (рис. 6) можно выделить два узла: a и b. В зависимости от значений и направлений ЭДС и напряжений, а также значений сопротивлений ветвей между узловыми точками a и b установится определенное узловое напряжение Uab. Предположим, что оно направлено так, как показано на рис. 6, и известно. Зная напряжение Uab легко найти токи во всех ветвях.

Выберем положительные направления токов и обозначим их на схеме. Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для контуров, проходящих по первой и второй ветви, содержащих источники ЭДС, совершая обход контуров по часовой стрелке.

Первая ветвь: E1 = I1(r01 + R1) + Uab.

Вторая ветвь: -E2 = -I2(r02 + R2) + Uab.

Рис. 6

Определим значения токов, возникающих в первой и второй ветвях,

,

,

где: ; – проводимости соответственно первой и второй ветвей.

Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для ветвей, содержащих источники напряжений, совершая обход контуров также по часовой стрелке.

Третья ветвь: Uab - U1 + I3R3 = 0.

Четвертая ветвь: Uab + U2 - I4R4 = 0.

Определим значения токов, возникающих в третьей и четвертой ветвях,

,

,

где: ; – проводимости соответственно третьей и четвертой ветвей.

Ток в пятой ветви определим по закону Ома:

,

где – проводимость пятой ветви.

Для вывода формулы, позволяющей определить напряжение Uab, напишем уравнение по первому закону Кирхгофа для узла a:

I1 - I2 + I3 - I4 - I5 = 0.

После замены токов их выражениями и соответствующих преобразований получим

.

Формула узлового напряжения в общем случае имеет вид

.

При расчете электрической цепи методом узлового напряжения после определения величины напряжения Uab значения токов в ветвях находят по их выражениям.

При записи формулы следует задаться положительным направлением узлового напряжения Uab. Со знаком «+» в должны входить ЭДС, направленные между точками a и b встречно напряжению Uab, и напряжения ветвей, направленные согласно с Uab. Знаки в формуле не зависят от направления токов ветвей.

При расчете и анализе электрических цепей методом узлового напряжения рекомендуется выбирать положительные направления токов после определения узлового напряжения. В этом случае при расчете токов по выражениям положительные направления токов нетрудно выбрать таким образом, чтобы все они совпадали с их действительными направлениями.

Проверка правильности произведенных расчетов проводится по первому закону Кирхгофа для узла a или b, а также составлением уравнения баланса мощностей.

Метод эквивалентного генератора.

Метод эквивалентного генератора позволяет произвести частичный анализ электрической цепи. Например, определить ток в какой-либо одной ветви сложной электрической цепи и исследовать поведение этой ветви при изменении ее сопротивления. Сущность метода заключается в том, что по отношению к исследуемой ветви amb (рис. 1.7, а) сложная цепь заменяется активным двухполюсником А, схема замещения которого представляется эквивалентным источником (эквивалентным генератором) с ЭДС Eэ и внутренним сопротивлением r0э, нагрузкой для которого является сопротивление R ветви amb.

Если известны ЭДС и сопротивление эквивалентного генератора, то ток I в ветви amb определяется по закону Ома

.

Покажем, что параметры эквивалентного генератора Eэ и r0э можно определить соответственно по режимам холостого хода и короткого замыкания активного двухполюсника.

В исследуемую схему (рис. 7, а) введем два источника, ЭДС которых E1 и Eэ равны и направлены в разные стороны (рис. 7, б). При этом величина тока I в ветви amb не изменится. Ток I можно определить как разность двух токов I = Iэ - I1, где I1 – ток, вызванный всеми источниками двухполюсника А и ЭДС E1 (рис. 7, в);

Iэ – ток, вызванный только ЭДС Eэ (рис. 7, г).

Если выбрать ЭДС E1 такой величины, чтобы получить в схеме ток I1=0, то ток I будет равен (рис. 7, г)

,

где r0э – эквивалентное сопротивление двухполюсника А относительно выводов а и b.

Рис. 7

Так как при I1 = 0 (рис. 7, в) активный двухполюсник А будет работать относительно ветви amb в режиме холостого хода, то между выводами a и b установится напряжение холостого хода U = Uхх и по второму закону Кирхгофа для контура amba получим E1 = I1R + Uхх = Uхх. Но по условию Eэ = E1, поэтому и Eэ = Uхх. Учитывая это, формулу для определения тока I можно записать в такой форме:

.

Электрическая цепь на рис. 7, а может быть заменена эквивалентной цепью (рис. 7, д), в которой Eэ = Uхх и r0э следует рассматривать в качестве параметров некоторого эквивалентного генератора.

Значения Eэ = Uхх и r0э можно определить как расчетным, так и экспериментальным путем. Для расчетного определения Uхх и r0э необходимо знать параметры элементов активного двухполюсника и схему их соединения.

Для определения величины r0э необходимо удалить из схемы двухполюсника все источники, сохранив все резистивные элементы, в том числе и внутренние сопротивления источников ЭДС. Внутренние сопротивления источников напряжений принять равными нулю. Затем рассчитать известными методами эквивалентное сопротивление относительно выводов ab.

Для определения величины Eэ разомкнем цепь и определим по методу узлового напряжения напряжение Uab = Uхх = Eэ между выводами ab активного двухполюсника.

Экспериментально параметры эквивалентного генератора можно определить по результатам двух опытов. Разомкнув ветвь с сопротивление R (рис. 7, д), измеряем напряжение между выводами a и b Uab = Uхх = Eэ (опыт холостого хода). Для определения r0э проводится (если это допустимо) опыт короткого замыкания: заданная ветвь замыкается накоротко и в ней измеряется ток короткого замыкания Iкз. По закону Ома рассчитываем величину r0э = Eэ/Iкз.

Преобразование химической энергии в электрическую. Химические источники электрической энергии (аккумуляторы).

Химическим источником тока называется устройство, в котором за счет протекания пространственно разделенных окислительно-восстановительных химических реакций их свободная энергия преобразуется в электрическую. По характеру работы эти источники делятся на две группы:

• первичные химические источники тока или гальванические элементы;

• вторичные источники или электрические аккумуляторы.

Первичные источники допускают только однократное использование, так как вещества, образующиеся при их разряде, не могут быть превращены в исходные активные материалы. Полностью разряженный гальванический элемент, как правило, к дальнейшей работе непригоден - он является необратимым источником энергии.

Вторичные химические источники тока являются обратимыми источниками энергии - после как угодно глубокого разряда их работоспособность можно полностью восстановить путем заряда. Для этого через вторичный источник достаточно пропустить электрический ток в направлении, обратном тому, в котором он протекал при разряде. В процессе заряда образовавшиеся при разряде вещества, превратятся в первоначальные активные материалы. Так происходит многократное превращение свободной энергии химического источника тока в электрическую энергию (разряд аккумулятора) и обратное превращение электрической энергии в свободную энергию химического источника тока (заряд аккумулятора).

Прохождение тока через электрохимические системы связано с происходящими при этом химическими реакциями (превращениями). Поэтому между количеством вещества, вступившего в электрохимическую реакцию и подвергшегося превращениям, и количеством затраченного или высвободившегося при этом электричества существует зависимость, которая была установлена Майклом Фарадеем.

Появление разности потенциалов объясняется тем, что вещество электрода под действием химических сил растворяется в электролите (например, цинк в растворе серной кислоты) и положительные ионы его переходят в электролит. Помещая в электролит два электрода из равных металлов, получим между ними разность электродных потенциалов — стороннюю ЭДС E = φ1—φ2 - Следовательно, устройство, состоящее из двух разнородных электродов, помещенных в электролит, является источником питания – гальваническим или первичным элементом, в котором происходит процесс преобразования (необратимый) химической энергии в электрическую.

Большое распространение получили сухие и наливные марганцово-цинковые элементы. По конструкции они делятся на стаканчиковые и галетные. В элементе стаканчиковой конструкции цинковый электрод имеет форму стакана, внутри которого расположен положительный электрод — угольный стержень. Угольный электрод окружен деполяризатором из двуокиси марганца, графита и сажи. Цинковый стакан заполняется электролитом – водным раствором хлористого аммония (нашатыря) с добавлением крахмала в качестве загустителя. Электродвижущая сила элемента E=1,5 В. Номинальным разрядным током элемента называется наибольший длительный ток, допускаемый при его эксплуатации. Емкостью элемента называется количество электричества, выраженное в ампер-часах (А·ч), которое можно получить от элемента за весь период его работы. Как от дельные элементы, так и собранные из них батареи широко применяются в радиотехнике, аппаратуре проводной связи, для карманных фонарей, слуховых аппаратов и т. д.

Аккумуляторы (вторичные элементы). Гальванические элементы, у которых после их разрядки возможен обратный процесс зарядки с преобразованием электрической энергии в химическую, называются аккумуляторами или вторичными элементами.

Щелочной аккумулятор получил такое название по электролиту— щелочи, а именно 21 %-му водному раствору едкого калия КОН или едкого натрия NaOH. Аккумулятор состоит из двух блоков – пластин, расположенных в стальном сосуде с электролитом. Пластины – это стальные рамки с вставленными в них стальными коробочками, заполненными активной массой. Активная масса отрицательных пластин кадмиево-никелевых элементов состоит из губчатого кадмия, а железо-никелевых – из губчатого железа. Активная масса положительных пластин у обоих аккумуляторов состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)3.

При разрядке гидрат окиси никеля переходит в гидрат закиси никеля, а губчатый кадмий (железо) – в гидрат его закиси. Химическая реакция при разрядке выражается уравнением:

2Ni(OH)3 + 2КОН + Cd ->- 3Ni(OH)2 + 2KOН + Cd(OH)2.

При зарядке реакция идет в обратном направлении и, следовательно, происходит восстановление активной массы электродов. Концентрация электролита при разрядке и зарядке остается неизменной. При разрядке напряжение с 1,4 В сначала быстро уменьшается до 1,3 В, а затем медленно до 1,15 В; при этом напряжении разрядку необходимо прекращать. При зарядке напряжение с 1,15 В быстро увеличивается до 1,75 В, а затем после незначительного понижения медленно увеличивается до 1,85 В. Кроме щелочных широко применяются и кислотные /свинцовые) аккумуляторы.

Электромагнетизм и магнитные цепи.

Электромагнетизм - отрасль физики, изучающая законы и явления, связанные со взаимодействием и взаимозависимостью между ЭЛЕКТРИЧЕСТВОМ и МАГНЕТИЗМОМ. Область, в которой можно обнаружить действие электромагнитной системы называется электромагнитным полем. При изменении магнитного поля всегда можно обнаружить наличие электрического поля, и наоборот. И то, и другое поле можно считать электромагнитным. Частица, имеющая электрический заряд, оказывается в магнитном поле, только когда движется, и в электрическом поле, - когда неподвижна.

Магнитной цепью называется путь, по которому замы­кается магнитный поток. На рисунке (а) показан соленоид. Магнитная цепь здесь проходит через воздух. Магнитное сопротивление воздуха очень велико, поэтому даже при большой намагничивающей силе магнитный поток мал.

Для увеличения магнит­ного потока в состав маг­нитной цепи вводят фер­ромагнитные материалы (обычно литая или электро­техническая сталь), имею­щие меньшее магнитное сопротивление. Устройст­во, выполненное из ферро­магнитных материалов, в котором замыкается маг­нитный поток, называется магнитопроводом или сердечником.

На рисунке (б) представлен прямой электромагнит с разомкнутым сердечником. Магнитные линии только небольшую часть своего пути проходят по стальному сердечнику, большую же часть своего пути они проходят по воздуху. Полюсы электромагнита можно определить при помощи «правила буравчика».

Подковообразный электромагнит, изображенный на рисунке (в), представляет магнитную цепь с лучшими условиями для прохожде­ния магнитного потока. При такой конструкции поток Ф большую часть пути проходит по стали и меньшую часть от полюса N до полюса S по воздуху.

На рисунке (г) представлена конструкция магнитной цепи, при­меняемая в электромашиностроении и приборостроении. Между полюсами электромагнита помещается стальной якорь. Большую часть своего пути магнитные линии проходят по стали и только очень малую часть (от нескольких долей миллиметра до 2 - 3 мм) проходят по двум воздушным промежуткам.

Трансформаторы имеют замкнутый стальной сердечник (рис. (д)). Сердечники трансформаторов собирают из нескольких частей, но во время сборки принимают меры к тому, чтобы воздуш­ные зазоры между отдельными частями практически были равны нулю.

Магнитный поток, созданный намагничивающей силой, не весь замыкается по тому пути, который ему предназначен. Помимо рабочего магнитного потока, существует магнитный поток рассеяния, который замы­кается по воздуху вне того места, где используется рабочий поток. На рисунках б, в, г, д показан также поток рассеяния.

Основные характеристики магнитного поля.

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.

Магнитная индукция и магнитный поток. Интенсивность магнитного поля, т. е. способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнитноe поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м2, расположенную перпендикулярно магнитному полю. Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Однородным может считаться поле в воздушном зазоре между разноименными полюсами магнита или электромагнита при некотором удалении от его краев. Магнитный поток , проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность, например катушку, следовательно, в однородном магнитном поле:

где — площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, поделенному на площадь S поперечного сечения:

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), эта единица имеет размерность В·с (вольт-секунда). Магнитная индукция в системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м2.

Магнитная проницаемость, безразмерная физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции среды под воздействием магнитного поля напряженностью . В случае однородной изотропной среды магнитная проницаемость :

,

где — магнитная постоянная.

Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данного материала больше магнитной постоянной, т. е., во сколько раз магнитное поле макротоков Н усиливается за счет поля микротоков среды. Магнитная проницаемость воздуха и большинства веществ, за исключением ферромагнитных материалов, близка к единице.

Напряженность магнитного поля. Напряженность магнитного поля - векторная величина: характеризующая магнитное поле; и определяющая силу, действующую на магнитный полюс носителя магнитного момента со стороны магнитного поля.

Напряженность магнитного поля имеет положительное направление, совпадающее с направлением силы, действующей на исток магнитной индукции.

Напряженность H не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Магнитная индукция и напряженность связаны отношением:

Следовательно, в среде с неизменной магнитной проницаемостью индукция магнитного поля пропорциональна его напряженности. Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м).

Явление гистерезиса.

Кроме высокой магнитной проницаемости ферромагнетики обладают сильно выраженной нелинейной зависимостью индукции B от напряженности магнитного поля H, а при перемагничивании связь между B и H становится неоднозначной. Функции B(H) имеют особое значение, т.к. только с их помощью можно исследовать электромагнитные процессы в цепях, содержащих элементы, в которых магнитный поток проходит в ферромагнитной среде. Эти функции бывают двух видов: кривые намагничивания и петли гистерезиса.

Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетика. Пусть первоначально он был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения (рис. 1).

Если в процессе намагничивания довести напряженность поля до некоторого значения, а затем начать уменьшать, то уменьшение индукции будет происходить медленнее, чем при намагничивании и новая кривая будет отличаться от первоначальной. Кривая изменения индукции при увеличении напряженности поля для предварительно полностью размагниченного вещества называется начальной кривой намагничивания. На рис. 1 она показана утолщенной линией.

После нескольких (около 10) циклов изменения напряженности от положительного до отрицательного максимальных значений зависимость B=f(H) начнет повторяться и приобретет характерный вид симметричной замкнутой кривой, называемой петлей гистерезиса. Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля. Явление гистерезиса характерно вообще для всех процессов, в которых наблюдается зависимость какой-либо величины от значения другой не только в текущем, но и в предыдущем состоянии, т.е. B2=f(H2, H1) - где H2 и H1 - соответственно текущее и предыдущее значения напряженности.

Взаимодействие тока и магнитного поля.

Если внести проводник с током в магнитном поле (рис. а), то в результате сложения магнитных полей магнита и проводника произойдет усиление результирующего магнитного поля с одной стороны проводника (на чертеже сверху) и ослабление магнитного поля с другой стороны проводника (на чертеже снизу).В резуль­тате действия двух магнитных полей произойдет искривление магнитных линий, и они, стремясь сократиться, будут выталкивать проводник вниз, (рис.б).

Сила, действующая на про­водник с током, помещенный в магнитное иоле, называется электромагнитной силой. Направление этой си­лы можно определить по «правилу левой руки»: если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, как бы входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то большой отогнутый палец руки покажет направление действия силы.

Из рис. ниже видно, что на­правление силы, действующей на проводник, можно изменить, либо меняя полюсы и изменяя этим направление магнитного поля, либо меняя направление тока в проводнике.

Если же поменять направление поля и направление тока в про­воднике одновременно, то направление силы, действующей на про­водник, не изменится.

Сила F, действующая на проводник с током, помещенный в маг­нитное поле (рис. 89), зависит от величины магнитной индукции В, величины тока I в проводнике, активной длины проводника l и синуса углаαмежду вектором индукции и направлением тока в проводнике:

Для прямолинейного проводника с током, помещенного перпенди­кулярно к направлению магнитного поля, сила, действующая на проводник, будет равна

так как в этом случае и .

Вышеприведенная формула является выражением закона элек­тромагнитных сил. Электромагнитные силы, действующие на проводники с током, которые распо­ложены в магнитном поле, исполь­зуются в различных электродвига­телях для получения вращающего момента, иными словами, для пре­образования электрической энер­гии в механическую. В электриче­ских генераторах (т. е. машинах, преобразующих механическую энергию в электрическую) эти силы создают тормозящий (противодей­ствующий) момент, который пре­одолевается первичным двигате­лем, приводящим в движение ге­нератор.

Электромеханические воздей­ствия магнитного поля на проводники с током используются также в магнитоэлектрических измери­тельных приборах, применяемых в цепях постоянного тока.

Использование явления электромагнитной индукции для получения ЭДС (понятие о генераторах).

Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Индукционные генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов, но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, состоящая из последовательно соединенных витков, в которых индуцируется переменная электродвижущая сила. Так как электродвижущие силы, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда электродвижущей силы индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней.

Число силовых линий, пронизывающих каждый виток, непрерывно меняется от максимального значения, когда он расположен поперек поля, до нуля, когда силовые линии скользят вдоль витка. В результате при вращении витка между полюсами магнита через каждые пол-оборота направление тока меняется на противоположное, и в витке появляется переменный ток. Во внешнюю цепь ток отводится при помощи скользящих контактов. Для этого на оси обмотки укреплены контактные кольца, присоединенные к концам обмотки. Неподвижные пластины – щетки – прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки с внешней цепью (рис. 1).

Пусть виток провода вpащается в одноpодном магнитном поле с постоянной угловой скоpостью . Магнитный поток, пронизывающий виток, меняется по закону

,

где S – площадь витка. Согласно закону Фаpадея в обмотке наводится электродвижущая сила индукции, которая опpеделяется следующим обpазом:

,

где N – число витков в обмотке. Таким образом, электродвижущая сила индукции в обмотке изменяется по синусоидальному закону и пpопоpциональна числу витков в обмотке и частоте вpащения.

В опыте с вращающейся обмоткой статором является магнит и контакты, между которыми помещена обмотка. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится электродвижущая сила, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. На тепловых электростанциях для вращения ротора используются паровые турбины. Турбины, в свою очередь, приводятся во вращение струями водяного пара, полученного в огромных паровых котлах за счет сжигания угля или газа (теплоэлектростанции) или распада вещества (атомные электростанции). На гидроэлектростанциях для вращения ротора используются водяные турбины, которые вращаются водой, падающей с большой высоты.

Электрогенераторы играют важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии – и, тем не менее, снабжать ею заводы, дома и т.п.

Вихревые токи.

Изменяющийся магнитный поток способен индуцировать э. д. с. не только в проводах или витках катушек, но и в массивных стальных сердечниках, кожухах и других металлических деталях электротехнических установок. Эти э. д. с. являются причиной появлений индуцированных токов, которые действуют в массивных металлических деталях, замыкаясь накоротко в их толще. Такие токи получили название вихревых. Например, при изменении магнитного потока, созданного катушкой 1 (рис. а), в ее стальном сердечнике 2 индуцируются вихревые токи, замыкающиеся в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. Вихревые токи возникают также в сердечниках 3 якорей и роторов электрических машин при вращении их в магнитном поле (рис. б). Природа вихревых токов такая же, как и токов, индуцированных в обычных проводах или катушках. Благодаря очень малому сопротивлению массивных проводников вихревые токи даже при небольшой индуцированной э. д. с. достигают очень больших значений, вызывая чрезмерное нагревание этих проводников.

В электрических машинах и аппаратах вихревые токи обычно нежелательны, так как они вызывают нагрев металлических сердечников, создают потери энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают к. п. д. электрических машин и аппаратов и оказывают согласно правилу Ленца размагничивающее действие. Для уменьшения вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов 1 (рис. 57) толщиной 0,35—1,0 мм, изолированных один от другого слоем изоляции 2 (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов и уменьшается поперечное сечение каждого отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что приводит к уменьшению силы тока.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1—5 % кремния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов.

Потери мощности от вихревых токов пропорциональны квадрату индукции В магнитного поля и квадрату частоты f его изменения. При увеличении индукции и частоты изменения магнитного

Рис. Расплавление металла (а), сварка и пайка (б) металлических деталей с помощью вихревых токов: 1 — тигель с металлом; 2 — высокочастотный индуктор; 3 — сжимающее усилие; 4 — свариваемые трубы; 5 — нагретый металл; 6— пластина из твердого сплава; 7 — резец

Рис. Закалка металлических изделий с помощью вихревых токов: 1-шестерня; 2 – высокочастотный индуктор; 3- нагретый металл; 5 – головка рельса

поля, а также при увеличении частоты вращения роторов и якорей электрических машин эти потери резко возрастают.

В ряде случаев вихревые токи используют для полезных целей. Например, при помощи вихревых токов расплавляют металлы (рис. а). Для этой цели тигель с металлом помешают в изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл. Таким же образом вихревые токи нагревают металлические детали при сварке, наплавке и пайке (рис. б), а также осуществляют поверхностный нагрев, необходимый для закалки металлических изделий (рис. закалка). Ввиду того что в этих случаях требуется увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, т. е. получить большие вихревые токи, для индуцирования их используют магнитные поля изменяющиеся с большой скоростью. Такие поля могут быть созданы при помощи специальных индукторов, выполненных в виде одного или нескольких витков, по которым проходят переменные быстро изменяющиеся токи — так называемые токи высокой частоты.

Потокосцепление.

Общий магнитный поток, сцепляющийся со всеми витками катушки, называется потокосцеплением и численно равен сумме потоков, сцепляющихся с отдельными витками, т.е.

Часто реальное распределение потокосцепления по виткам катушки неизвестно, но его можно принять равномерным и одинаковым для всех витков, если реальную катушку заменить эквивалентной с другим числом витков wэ, сохраняя при этом величину потокосцепления Y = wэФm, где Фm - поток, сцепляющийся с внутренними витками катушки, а wэ - эквивалентное или эффективное число витков катушки. Можно также произвести замену реальной катушки на эквивалентную с сохранением числа витков Y = wФn. Тогда для сохранения потокосцепления необходимо принять, что со всеми витками катушки сцепляется магнитный поток Фn= Y /w .

Индуктивность.

Индуктивность. Способность различных проводников (катушек) индуцировать э. д. с. самоиндукции оценивается индуктивностью L. Она показывает, какая э. д. с. самоиндукции возникает в данном проводнике (катушке) при изменении тока на 1 А в течение 1 с. Индуктивность измеряется в генри (Гн), 1 Гн = 1 Ом*с. На практике индуктивность часто измеряют в тысячных долях генри — миллигенри (мГн) и в миллионных долях генри — микрогенри (мкГн).

Индуктивность катушки зависит от числа витков катушки и магнитного сопротивления ее магнитопровода, т. е. от его магнитной проницаемости и геометрических размеров длины и площади. Если в катушку вставить стальной сердечник, ее индуктивность резко возрастает из-за усиления магнитного поля катушки. В этом случае ток 1 А создает значительно больший магнитный поток, чем в катушке без сердечника.

Условия возникновения ЭДС самоиндукции.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока (рис.).

Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки. Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке. При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

Величина и направление ЭДС самоиндукции.

ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с индуктивностью, по закону электромагнитной индукции равна

, или .

 ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Используя выражение, можно дать второе определение единицы индуктивности:

элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 А за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 В.

Направление ЭДС самоиндукции определяется по правилу Ленца. ЭДС самоиндукции имеет всегда такое направление, при котором она препятствует изменению вызвавшего ее тока. Следовательно, при возрастании тока в проводнике (катушке) индуцированная в них ЭДС самоиндукции будет направлена против тока, т. е. будет препятствовать его возрастанию, и наоборот, при уменьшении тока в проводнике (катушке) возникает э. д. с. самоиндукции, совпадающая по направлению с током, т. е. препятствующая его убыванию. Если же ток в катушке не изменяется, то ЭДС самоиндукции не возникает.

Получение переменного тока.

Преимуществами переменного тока являются: возможность трансформации и передачи на далекие расстояния, более простое устройство генераторов переменного тока, более простые в устройстве и надеж­ные в эксплуатации электродвигатели переменного тока и т. д.

Рассмотрим принцип получения переменного тока в результате преобразования механической энергии в электрическую. Пусть имеется однородное магнитное поле, образованное между полюсами N - 8 электромагнита (рис. а). Внутри поля под действием посторонней силы вращается по окружности в сторону движения часовой стрелки металлический прямолинейный провод­ник. Как известно, пересечение проводником магнитных линий приведет к появлению в проводнике индуктированной ЭДС.

Величина этой ЭДС, как было указано ранее, зависит от вели­чины магнитной индукции В, активной длины проводника l, ско­рости пересечения проводником магнитных линий v и синуса угла α между направлением движения проводника и направлением маг­нитного поля:

,

Разложим окружную скорость v на две составляющие — нор­мальную и тангенциальную по отношению к направлению магнит­ной индукции В, как было показано в § 45. Нормальная составляющая скорости vn обусловливает наводимую э. д. с. индукции и равна

,

Тангенциальная составляющая скорости v1 не принимает участия в создании индуктированной э. д. с. и равна

,

при α = 90° нормальная составляющая скорости

,

т. е. в этом случае нормальная составляющая скорости имеет макси­мальное значение. Такое же значение имеет в этот момент величина индуктированной э. д. с. в проводнике

,

откуда общее выражение для э. д. с. в проводнике будет

,

При движении проводник будет занимать различные положения. На чертеже положения проводника даны через каждые 45° угла поворота. Рассматривая отдельные положения проводника, мы ви­дим, что угол пересечения а меняется и, кроме того, при переходе проводника через нейтральную линию направление индуктиро­ванной ЭДС, определяемое по правилу правой руки, также ме­няется.

За один полный оборот проводника ЭДС в нем сначала увели­чивается от нуля до максимального значения (+ЕМ), затем умень­шается до нуля и, изменив свое направление, вновь увеличивается до максимального значения (- Ем) и вновь уменьшается до нуля. При дальнейшем движении проводника указанные изменения э. д. с. будут повторяться.

Для наглядного представления о ходе изменения индуктиро­ванной ЭДС в проводнике воспользуемся графическим методом. Проведем две взаимно перпендикулярные оси (рис. б). На горизонтальной оси в одном масштабе отложим углы поворота проводника, а на вертикальной в другом масштабе — величину

ЭДС, индуктированную в проводнике в каждый момент времени. Если ЭДС, индуктированную в проводнике при прохождении его под южным полюсом, считать положительной и откладывать от горизонтальной оси вверх, то ЭДС, индуктированную в провод­нике при прохождении его под северным полюсом, следует считать отрицательной и откладывать от горизонтальной оси вниз. Про­ведя затем через концы отрезков, изображающих в масштабе величины ЭДС, непрерывную линию, получим кривую, называе­мую синусоидой. При помощи кривой мы можем легко определить величину ЭДС в любой момент времени. Для этого на горизонтальной оси откладываем интересующий нас угол поворота проводника от начального положения. Затем от этой точки вос­ставляем перпендикуляр. Отрезок, заключенный между точками пересечения перпендикуляра с кривой и горизонтальной осью, будет в масштабе выражать величину индуктированной ЭДС в проводнике в этот момент времени.

В нашем примере проводник вращался в однородном магнитном поле. В проводнике индуктировалась переменная ЭДС, изменяю­щаяся по закону синуса. Такая ЭДС называется синусо­идальной.

В дальнейшем мы увидим, что электротехника предпочитает пользоваться переменными величинами, изменяющимися по синусо­идальному закону.

Устройство, показанное на рисунке позволяет снимать и отво­дить во внешнюю цепь переменную ЭДС. Согнутый в виде рамки проводник вращается в магнитном поле с постоянной скоростью под действием посторонней силы. Концы рамки присоединены к двум медным кольцам 3 и 4, на которых наложены две угольные щетки 5 и 6. Во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине и направлению ток. Такой ток называется перемен­ным в отличие от постоянного, который дают гальванические элементы и аккумуляторы. Переменный ток на электрических схемах принято обозначать условным знаком ~.

В создании индуктированной ЭДС будут участвовать не все стороны рамки, а лишь те, которые пересекают магнитные линии. Эти стороны называются активными сторонами (на рисунке выше - они обозначены цифрами 1 и 2).

Недостатком рассмотренного выше устройства является труд­ность создания однородного магнитного поля и большое магнитное сопротивление магнитному потоку, ко­торый значительный путь проходит по воздуху.

В конструкциях электрических ма­шин между полюсами электромагнита помещают стальной барабан, в пазы ко­торого укладывают проводники обмот­ки. Такая конструкция машины пред­ставлена на рисунке выше.

Магнитным линиям в этом случае приходится проходить по воздуху короткий путь между сталью полюсов и барабана. Магнитные ли­нии, проходя воздушный промежуток, будут входить в барабан в радиальном направлении и в таком же направлении будут выходить из него, чтобы попасть в другой полюс. В этом случае направление окружной скорости в каждый момент перпендикулярно на­правлению магнитных линий, т. е. скорость будет все время .

Для получения индуктированной ЭДС в генераторах без­различно, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле или движущееся поле будет пересекать неподвиж­ный проводник. В рассмотренной конструкции обмотка, где ин­дуктировалась переменная ЭДС, размещалась на вращающейся части машины - роторе, а полюса располагались на неподвижной части машины - статоре. Однако для того чтобы поставить якор­ную обмотку переменного тока в более благоприятные условия, ее обычно располагают на статоре, а обмотку возбуждения полюсов помещают на роторе¹.

Генератор такой конструкции представлен на рисунке.

Постоянный ток, необходимый для создания магнитного потока машины, подается в обмотку возбуждения от специального генератора-возбудителя постоянного тока, сидящего на одном валу с

генератором переменного тока, или от выпрямительного устройства.

Стремление получить си­нусоидальную э. д. с. застав­ляет конструктора машины переменного тока придать такую форму полюсным наконечникам, при которой магнитная индукция (плот­ность магнитных линий) в воздушном зазоре изменялась бы по закону синуса:

, где Вт — максимальная маг­нитная индукция в воздуш­ном зазоре при α=90°, т. е. ,

В этот момент э. д. с, индуктированная в проводнике, также имеет максимальное значение:

,

откуда общее выражение для э. д, с. в проводнике будет

.

Параметры переменного тока.

Цепи переменного тока характеризуются следующими параметрами:

1. Мгновенное значение синусоидальной величины тока:

где Im - амплитудное значение тока,  - угловая частота, f- частота изменения тока, связанная с периодом соотношением:  = 2  f, f = 1/T.

2. Синусоидально изменяющаяся величина характеризуется амплитудой, частотой (или периодом) и начальной фазой. Фазой называется аргумент синуса, фаза определяет состояние синусоидально изменяющейся величины в данный момент времени.

Величину аргумента синуса при t = 0 называют начальной фазой. На графиках начальную фазу отсчитывают от ближайшего к точке с координатой t = 0 перехода синусоидальной функции через ось абсцисс от отрицательных значений к положительным. При таком порядке отсчета положительная начальная фаза направлена в положительную сторону оси абсцисс, а отрицательная - в обратную сторону (рис.2.1б и 2.1 а). Обозначается начальная фаза буквой "кси" - .

для рисунка 1.1a i = I_m sin t, для рисунка 1.1бi = I_m sin (t + _I), для рисунка 1.1в i = I_m sin (t - _I),

Рис. 1.1. Графики синусоидального тока при различных значениях начальной фазы

Для синусоидального тока, изображенного на рисунке 1.2 при различных значениях начальной фазы, можно написать следующие выражения мгновенных значений:

Если на одном графике изображаются для совместного рассмотрения две синусоидальные функции, то разность их начальных фаз называют углом сдвига фаз или просто сдвигом фаз (). При сопоставлении напряжений и токов чаще всего определяют сдвиг фаз, вычитая из начальной фазы напряжения начальную фазу тока:

_I,

Определение сдвига фаз поясняется рисунком 1.2 .

Рис. 1.2. Обозначение сдвига фаз на графиках напряжения и тока

Ток и напряжение, представленные на рисунках 1.1, 1.2 в виде синусоид, изображены на рисунке 1.3 с помощью векторов.

Рис. 1.3. Векторные диаграммы токов и напряжений.

При построении векторных диаграмм положительные углы отсчитываются по направлению против часовой стрелки.

3. Для оценки величин синусоидально изменяющихся токов, э.д.с. и напряжений нельзя применять их средние значения, так как среднее за период значение любой синусоидальной величены равно нулю. В качестве оценки этих величин вводится так называемое действующее значение тока, э.д.с. или напряжения.

Можно показать, что если переменная величина, в данном случае ток изменяется по синусоидальному закону, то

,

и действйющее значение переменного напряжения соответственно:

то есть действующее значение равно максимальному, деленному на корень из двух.

Главное преимущество действующего значения синусоидально изменяющейся величины в том, что оно не зависит от времени, следовательно, его удобно изображать на графиках, с его помощью легко проводить всевозможные расчеты. Большинство электроизмерительных приборов сконструировано так, что они фиксируют именно действующие значения синусоидальных токов и напряжений.

Цепи переменного тока с последовательным и параллельным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений.

Индуктивные катушки и конденсаторы оказывают сопротивление протекающим по ним переменным токам. В этих сопротивлениях не происходит превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому в отличие от активных сопротивлений их называют реактивными.

Реактивное сопротивление индуктивной катушки называется индуктивным сопротивлением, обозначается X_L, и вычисляется по формуле:

, где L - индуктивность катушки, Г (генри).

Реактивное сопротивление конденсатора называется емкостным сопротивлением, обозначается Х_С и вычисляется по формуле:

, где С-емкость конденсатора, Ф(Фарада).

Известно, что в активном сопротивлении напряжение совпадает с током по фазе. Если ток, текущий по сопротивлению на рисунке 1.4.а задан выражением

, то напряжение на этом сопротивлении изменяется по закону:

Рис. 1.4 Ток и напряжение в активном сопротивлении.

Синусоиды тока и напряжения, а также их векторная диаграмма представлена на рис.1.4 б, в.

В катушке индуктивности напряжение опережает ток по фазе на угол 90^o . Если ток катушки задан выражением:

то напряжение на катушке изменяется по закону:

Схема цепи, синусоиды тока и напряжения, также их векторная диаграмма приведены на рисунке 1.5.

Рис. 2.5 Ток и. напряжение в катушке индуктивности.

В конденсаторе напряжение отстает от тока по фазе на угол 90°. Если ток, протекающий через конденсатор, задан выражением:

,

то напряжение на конденсаторе изменяется по закону:

Схема цепи, синусоиды тока и напряжения, а также их векторная диаграмма приведены на рисунке 1.6.

Рис.1.6 Ток и напряжение конденсатора

Так как в цепях переменного тока с активными и реактивными элементами токи и напряжения сдвинуты друг относительно друга по фазе, то активные и реактивные сопротивления и проводимости можно складывать только квадратично.

При последовательном соединении элементов (рисунок 2.7а) полное сопротивление цепи определяется по формуле:

при параллельном соединении элементов (рисунок 2.7б) полная проводимость цепи определяется по формуле:

где g, b - соответственно активная и реактивная проводимость цепи.

Рис.1.7 Электрическая цепь с последовательным и параллельным соединением элементов.

Пусть необходимо построить векторные диаграммы токов и напряжений для схем, представленных на рисунке 1.7.

На схеме рис. 1.7а все сопротивления соединены последовательно, поэтому за основу для построения векторной .диаграммы можно принять ток, являющийся общим элементом для сопротивлений. В произвольном направлении в определенном масштабе откладывают вектор тока I (рисунок 1.8а). Известно, что вектор напряжения на активном сопротивлении совпадает с током по фазе, поэтому откладывают в выбранном масштабе вектор Ur совпадающим по направлению с током.

Рис. 1.8 Векторные диаграммы электрических цепей

Так как индуктивное напряжение опережает ток по фазе на угол 90°, то из конца вектора Ur, откладывают вектор U_L выбранном масштабе и повернутым относительно тока на угол /2 против часовой стрелки. Tак как емкостное напряжение Uc отстает по фазе от тока на угол 90°, то из конца вектора U_L откладывают вектор Uc. В выбранном масштабе и повернутым относительно тока на угол /2 по часовой стрелке.

Так как напряжение на входе схемы Ů согласно второго закона Кирхгофа не может быть ничем иным, как суммой падений напряжении в цепи, то

.

Поэтому вектор, соединяющий начало Ur и конец, Uc есть вектор сетевого напряжения U.

Векторная диаграмма тока для цепи по рисунку 1.8.б строится точно так же, но так как все элементы схемы соединены параллельно, то начинают построение с единого для всех сопротивлений элемента - напряжения U.

Угол сдвига по фазе  (фи) между током и напряжением находят из треугольника сопротивлений или треугольника проводимостей.

Например, для схемы на рисунке1.7 тангенс угла сдвига по фазе между сетевым напряжением и током равен:

Закон Ома в цепи переменного тока.

Величина переменного тока прямо пропорциональна напряжению на участке цепи и обратно пропорциональна полному сопротивлению этого участка цепи:

,

   В отличие от сопротивления в цепи постоянного тока полное сопротивление в цепи переменного тока содержит в общем случае, кроме омического или активного сопротивления, еще реактивное сопротивление (индуктивное, емкостное). Для вычисления величины полного сопротивления пользуются выражением:

- при последовательном соединении различных сопротивлений или - при параллельном соединении

где r - активное сопротивление;

x_L - реактивное индуктивное сопротивление;

х_с - реактивное емкостное сопротивление;

- угловая частота.

Тогда закон Ома в цепи переменного тока будет иметь вид:

Если в цепи переменного тока включено только одно активное сопротивление, например нагревательная электропечь, то в этом случае z = r, а напряжение и ток совпадают по фазе (φ = 0).

Если же в цепи имеется только одно индуктивное сопротивление, например катушка электромагнита, то z = x_L, и вследствие явления самоиндукции ток будет отставать по фазе от напряжения на угол φ = 90°.

Когда в цепи включено одно емкостное сопротивление, например конденсатор, то z = х_с, и, благодаря способности конденсатора накап­ливать электрический заряд, а затем его отдавать обратно источнику при разряде, ток будет опережать напряжение на угол φ = 90°.

В действительности r; x_L и х_с существуют одновременно, но различаются по величине. Например, катушка индуктивности, кроме реактивного сопротивления, обладает еще и небольшим активным сопротивлением, так как она намотана проводом, имеющим омическое сопротивление.

Электрическая печь также, кроме омического сопротивления, обладает некоторым индуктивным сопротивлением, так как нагреватели печи навиваются в виде спирали. Поэтому в общем случае полное со­противление цепи содержит и активное, и реактивное сопротивление.

От соотношения величин того или другого вида сопроти­влений будет зависеть величина угла φ между напряжением и током.

Резонанс напряжений.

Если в последовательной цепи, содержащей индуктивность и емкость, , то

; ; ;

т. е. цепь будет вести себя так, как будто она содержит только одно активное сопротивление. При этом ток и напряжение сети совпадают по фазе. Этот случай называется резонансом напряжений. График и векторная диаграмма для резонанса напряжений показаны на рисунке.

Условием резонанса напряже­ний является равенство или

Поэтому резонанс напряжений в цепа с последовательным со­единением , L и может наступить:

1) если при постоянной индуктивности емкость меняется и становится равной

2) если при постоянной емкости меняется индуктивность и становится равной

3) если изменение обеих величин L и С приводит к равенству

4) если, наконец, угловая частота сети, изменяясь, становится равной

учитывая, что , получаем следующее выражение для часто­ты :

-Эту частоту принято называть резонансной.

Так как , то эти напряжения равны, но они противоположны по фазе и взаимно компенсируют друг друга. Действительно, напряжение на катушке опережает ток на 90°, а напряжение на конденсаторе отстает от тока на 90°. Ясно, что между этими напряжениями сдвиг фаз равен 180°. Условие резонанса напряжений

При резонансе напряжение на катушке или на конденсаторе в Q раз больше, чем напряжение генератора, равное . Напряжение на L или С равно . Поэтому

Чем выше добротность контура Q, тем больше увеличение напряжения при резонансе.

Повышение напряжения на катушке и на конденсаторе характерно для резонанса напряжений, само название которого подчеркивает увеличение напряжения в момент резонанса.

Большие напряжения на катушке и конденсаторе получаются за счет постепенного накопления энергии в контуре в процессе возникновения в нем колебаний. Эдс генератора возбуждает в контуре колебания, амплитуда которых нарастает до тех пор, пока энергия, даваемая генератором, не станет равна потерям энергии в активном сопротивлении контура. После этого в контуре происходят мощные колебания, характеризующиеся большой величиной тока и большими напряжениями, а генератор расходует небольшую мощность только для компенсации потерь энергии.

Мощность в цепях переменного тока (активная, реактивная и полная).

При выборе трансформаторов, сечения кабелей, выключающей аппаратуры и т. п. необходимо знать, на какой ток они должны быть рассчитаны. Для этого недостаточно, если известны только напряжение и активная мощность , следует еще определить нагрузки. Соотношения между ними и активной мощностью наглядно показывает треугольник мощностей. Чтобы построить его, можно взять треугольник напряжений и все стороны его умножить на ток (рис. 1).

Рис.1 Треугольник мощностей: а- треугольник напряжений, б - треугольник мощностей

Полученный таким путем треугольник мощностей будет подобен треугольнику напряжений. Его гипотенуза будет изображать полную мощность , а катеты — активную и реактивную мощности. Соотношения между ними

; ; ; .

На щитках генераторов и трансформаторов указывается пол мощность. Таким образом, произведение действующих значений напряжения и тока определяет полную номинальную мощность генератора, трансформатора и других устройств переменного тока,

Как показано выше, активная мощность . Следовательно, значение допустимой активной мощности при неизменной полной мощности уменьшается с уменьшением .

Активная мощность в цепях переменного тока преобразуется в тепло. В двигателях переменного тока большая часть активной мощности превращается в механическую мощность, остальная часть также преобразуется в тепло. Активная мощность изме­ряется в вольт-амперах ( ).

Реактивная мощность обусловлена наличием магнитных и электрических полей в электрических цепях.

Как уже указывалось, реактивная мощность характеризует интенсивность обмена энергией между источником, с одной стороны, и магнитными и электрическими полями — с другой.

Реактивная мощность изме­ряется в вольт-амперах реактив­ных ( ) или киловольт-амперах реактивных ( ).

Гипотенуза треугольника мощностей представляет собой полную мощность :

или .

Она измеряется в вольт-ампе­рах ( ва) или киловольт-амперах ( ). Величина полной мощности равная произведению , определяет основные габариты (наибольшие размеры) генераторов и трансформаторов. В самом деле, величина тока определяет необходимое по условиям на­грева сечение проводов генераторов и трансформаторов, а число витков обмоток, их изоляция, а также размеры магнитопроводов пропорциональны величине напряжения .

Понятие реактивной мощности Q используется для расчета полной мощности установки, например, при определении мощности трансформатора, необходимого для промышленного предприятия. Различные приемники электроэнергии потребляют как активную, так и реактивную мощности. Полная мощность, на которую должен быть установлен трансформатор, определяется на основании суммы активных мощностей всех приемников и суммы их реактивных мощностей по формуле:

Коэффициент мощности и способы его увеличения.

Коэффициентом мощности, или «косинусом фи» (соз j), цепи называется отношение активной мощности к полной мощности.

;

В общем случае активная мощность меньше полной мощности, т. е. у этой дроби числитель меньше знаменателя, и поэтому коэф­фициент мощности меньше единицы.

Только в случае чисто активной нагрузки, когда вся мощность является активной, числитель и знаменатель этой дроби равны между собой, и поэтому коэффициент мощности равен единице.

Чем большую часть полной мощности составляет активная мощность, тем меньше числитель отличается от знаменателя дроби и тем ближе коэффициент мощности к единице.

Величину можно косвенно определить по показаниям, ваттметра, вольтметра и амперметра:

.

Коэффициент мощности можно также измерить особым при­бором — фазометром.

Основными потребителями электрической энергии являются электрические двигатели, машины и электронагревательные устрой­ства. Все они потребляют активную мощность, которую преобразуют в механическую работу и тепло. Электрические двигатели потреб­ляют также реактивную мощность. Последняя, как известно, со­вершает колебательное движение от источника к двигателю и об­ратно.

У ламп и электрических печей сопротивления и соs.

У электрических двигателей и меньше 1.

При неизменной передаваемой активной мощности величина нагрузочного тока обратно пропорциональна значению :

Это означает, что при тех же значениях активной мощности и напряжения нагрузочный ток электрических двигателей больше, чем у электрических ламп. Если, например, коэффициент мощности электрического двигателя равен 0,5, то он потребляет в 2 раза больший ток, чем электрическая печь сопротивления той же мощности .

Потери мощности на нагрев проводов линии пропорциональны квадрату тока .

Таким образом, при потери мощности в линии, по которой энергия передается потребителям, больше в 4 раза, чем при . Кроме того, генераторы и трансформаторы будут загружены током в 2 раза больше и в этом случае требуется примерно в 2 раза большее сечение проводов для обмоток.

Отсюда видно, какое важное значение имеет величина в электроэнергетических установках. Для повышения коэффици­ента мощности промышленных установок, на которых преобла­дающая часть потребителей — электрические двигатели, парал­лельно им включают конденсаторы, т. е. добиваются резонанса токов, при котором близок к 1.

Для повышения коэффициента мощности путем улучшения работы электроустановок без применения компенсирующих устройств проводятся следующие мероприятия:

•  упорядочение технологического процесса предприятия, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования;

• применение синхронных электродвигателей вместо асинхронных той же мощности, когда это возможно по условиям технологического процесса;

• замена малозагруженных асинхронных двигателей двигателями меньшей мощности;

• понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой;

• ограничение холостого хода двигателей;

• замена малозагруженных трансформаторов; трансформаторами меньшей мощности.

Электродвигатель для рабочей машины следует подбирать в соответствии с режимом ее работы, учитывая допустимую перегрузку двигателя.

Во всех случаях желательно выбирать электродвигатель с более высоким номинальным коэффициентом мощности. Там, где это возможно, необходимо отдавать предпочтение двигателям с большей скоростью вращения и с короткозамкнутым ротором, вращающимся на подшипниках качения.

Если электродвигатели уже установлены и возможность их замены исключается, то для повышения коэффициента мощности рекомендуется пересмотреть технологию производства и по возможности модернизировать механизмы. Заметную роль в режиме работы электродвигателей играет постоянство подводимого напряжения. На маломощных электростанциях иногда поддерживают напряжение выше номинального, что приводит к увеличению тока холостого хода, а следовательно, к увеличению реактивной мощности.

Для повышения коэффициента мощности необходимо поддерживать номинальное напряжение.

В целях повышения коэффициента мощности особенное внимание следует обращать на качество ремонта электродвигателей.

Значительные результаты в повышении естественного коэффициента мощности предприятия можно получить при более рациональном использовании трансформаторов. Так как основная часть реактивной мощности, потребляемой трансформатором, приходится на мощность холостого хода, рекомендуется по возможности отключать трансформаторы на время холостого хода. Следует заменять трансформаторы, загрузка которых составляет 30% и меньше; в остальных случаях целесообразность замены или перестановки трансформаторов определяется расчетом. При этом следует иметь в виду, что повышение коэффициента загрузки трансформатора до 0,6 приводит к заметному повышению коэффициента мощности, а при дальнейшем увеличении коэффициента загрузки от 0,6 до 1 коэффициент мощности улучшается незначительно.

Трехфазная система переменных токов.

В настоящее время получение, передача и распределение электроэнергии в большинстве случаев производится посредством трехфазной системы. Эта система была изобретена и практически разработана во всех основных се частях выдающимся русским инженером М. О. Доливо-Добровольским.

Как показывает само название, трехфазная система состоит из трех источников электроэнергии и трех цепей, соединенных общими проводами линии передачи.Источником энергии для всех фаз системы является трехфазный генератор (рис. 1). Он отличается от однофазного генератора переменного тока тем, что у него на статоре размещены три изолированные друг от друга одинаковые обмотки. Они расположены так, чтобы индуктируемые в них э.д.с. были сдвинуты по фазе одна относительно другой на 120°.Если генератор двухполюсный, как на рис. 1, то оси катушек обмоток фазы сдвинуты одна по отношению к другой на одну треть окружности статора.

Рис.1 Схема устройства трехфазного генератора.

Рис.2 Кривые мгновенных значений э.д.с. трехфазной системы.

При вращении ротора его постоянное магнитное поле пересекает проводники обмоток не одновременно. Э.д.с. обмотки А достигает своего максимального значения, когда мимо нее проходит середина полюса ротора. Э.д.с. в следующей обмотке В достигает максимума позже, когда ротор повернется на 1/3 оборота. В двухполюсном генераторе повороту на 1/3 оборота соответствует 1/3 периода индуктируемой э.д.с. Следовательно, э.д.с. в обмотке В отстает по фазе от э.д.с. в обмотке А на 1/3 периода. В свою очередь, э.д.с. в обмотке С отстает по фазе от э.д.с. обмотки Д на 1/3 периода и от э.д.с. обмотки А на 2/3 периода.

При такой симметрии устройства генератора максимальные значения этих э.д.с. одинаковы. Конструкция генератодолжна обеспечивать их синусоидальность. Уравнения мгновенных значений э.д.с. будут:

Кривые мгновенных значении э.д.с. показаны на рис. 3.2. На рис. 3.3 дана векторная диаграмма для их действующих значений

Сумма этих векторов образует замкнутый треугольник: ЕА + ЕВ + ЕС = О — это трехфазная симметричная система э.д.с. Алгебраическая сумма мгновенных значений э.д.с. eА + еB + еC = 0, что легко проверить, подставив выражения этих значений как синусоидальных функций времени.

Рис. 3 Векторы э.д.с. трехфазной системы.

Изображения э.д.с. трехфазной системы в комплексной форме будут:

ĖA = Eф · ej0 = Eф

От последовательности фаз системы зависит направление вращения трехфазных двигателей, поэтому в трехфазных устройствах она проверяется специальными указателями последовательности фаз и обозначается раскраской шин на распределительных устройствах; приняты следующие цвета: фаза А — желтый, фаза В — зеленый и фаза С — красный; незаземленная нейтраль - белый, заземленная нейтраль - черный. Зажимы обмоток генератора различают: начала A, В, С, концы X, Y, Z.

Принцип построения многофазных систем.

Многофазной системой электрических цепей называют совокупность электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе и создаваемые общим источником электрической энергии. Отдельные электрические цепи, входящие в состав многофазной электрической цепи, называются фазами. Число фаз многофазной системы цепей будет обозначаться через m.

Обычно электрические цепи, образующие многофазную систему цепей, тем или иным способом электрически совпадают друг с другом. При этом многофазную систему электрических цепей называют многофазной цепью.

Совокупность ЭДС, действующих в фазах многофазной цепи, а также совокупность токов и напряжений в многофазной цепи называют многофазной системой, соответственно, ЭДС, токов и напряжений.

Симметричной называют многофазную систему ЭДС, в которой ЭДС в отдельных фазах равны по амплитуде и отличны по фазе друг от друга на углы, равные

, где q – любое целое число.

Для трёхфазной цепи (m=3) при q=1 получаем систему трёх равных по амплитуде ЭДС, сдвинутых друг относительно друга на угол .

рис. 1

Для трёхфазной цепи (m=3) при q=1 получаем систему трёх равных по амплитуде ЭДС, сдвинутых друг относительно друга на угол  (рис. 1,а).

Соответственно, для действующих значений ЭДС в комплексной форме можем написать:

Обозначим .

Тогда:

а – фазный множитель.

Соответственно, симметричную трёхфазную систему ЭДС можно записать в виде:

так как

Как видно из рис.1, ЭДС в фазах проходят через максимум в порядке номеров фаз (1, 2, 3, 1, 2, 3). Такую систему называют симметричной системой прямой последовательности.

Приняв q = 2, получим симметричную систему обратной последовательности (рис. 1,б), в которой ЭДС проходят через максимум в обратном порядке номеров фаз (1, 3, 2, 1, 3, 2).

Её можно написать в виде:

Положив , получим систему нулевой последовательности (рис. 1,в), в которой все три ЭДС проходят через максимум одновременно. Её можно записать в виде:

Отметим важное положение, что для симметричной системы с прямой или обратной последовательностью сумма ЭДС во всех фазах равна нулю:

Всё сказанное выше относится в равной степени к симметричным системам напряжений и токов.

Несимметричными системами называют многофазные системы, не удовлетворяющие вышеуказанным условиям симметрии.

Нередко фазы обозначают буквами A, B, C (или a, b, c). В таком случае при прямом следовании фаз, ЭДС проходят через максимум в порядке алфавита (A, B, C, A, B, C…).

Другим важным признаком классификации является зависимость или независимость мгновенного значения мощности многофазной системы от времени.

Уравновешенными называют многофазные системы, мгновенное значение мощности которых не зависит от времени.

Неуравновешенными называют многофазные системы, мгновенное значение мощности которых является функцией времени.

Соединение обмоток источника и приемников электроэнергии звездой и треугольником. Линейные и фазные токи и напряжения, соотношения между ними.

Введем следующие понятия: Iл - линейный ток - это ток протекающий по линейному проводу; Uл - линейное напряжение - это напряжение между линейными проводами; Iф - фазный ток - это ток, протекающий от начала к концу фазной обмотки или приемника энергии (или наоборот: от конца - к началу). Uф - фазное напряжение - это напряжение между началом и концом фазной обмотки или приемника энергии.

Напряжение между началом каждой фазы генератора и его нейтральной точки называется фазным напряжением генератора U_A, U_B, U_C, а напряжения между началами фаз – линейными напряжениями U_AB, U_BC, U_CA. Обозначения линейных напряжений строго связаны с их направлением:

U_АВ= -U_ВА.

Соединение обмоток генератора и приемников энергии звездой представляет собой схему, когда концы фаз соединяются в общий узел; а их начала присоединяются к линейным проводам (рис.1).

Рисунок 1. Соединение обмоток генератора и приемников энергии звездой с нулевым проводом.

По рисунку может показаться, что линейное напряжение вдвое больше фазного. Но это не так. Линейное напряжение равно не алгебраической сумме, а геометрической разности.

Для того чтобы получить вектор линейного напряжения, например Uл (АВ), нужно к концу вектора UфА подстроить вектор UфВ с обратным знаком. Вектор, соединяющий начало координат с концом вектора UфВ, и будет вектором линейного напряжения Uл (АВ). Аналогично ведется построение векторов линейных напряжений Uл (ВС) и Uл (АС) (рис.2).

Рисунок 2. Векторы токов и напряжений.

В результате построений образовалась трехлучевая звезда линейных напряжений, повернутых относительно звезды фазных напряжений на угол 30° против часовой стрелки. Из полученных таким образом треугольников с тупым углом в 120° следует:

Для симметричной системы, когда

и

или

Если линейное напряжение, например, равно 380 В, то фазное будет:

Если же фазное напряжение U_ф = 127В, то линейное будет:

В промышленности пользуются напряжением 127, 220 и 380 В. В высоковольтных линиях электропередачи применяют напряжение 6 кВ, 10 кВ, 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 400 кВ, 500 кВ и более. В низковольтных установках применяются, как правило, четырехпроводные линии электропередачи, а в высоковольтных - трехпроводные. Четырехпроводные линии удобны при совместном электропитании силовых и осветительных потребителей. Электродвигатели, например, подключаются к трем линейным проводам, а осветительные приборы - к одному линейному и нулевому проводам.

При соединении обмоток генератора и приемников энергии треугольником конец предыдущей фазы соединяется с началом последующей, образуя замкнутую систему. К линейным проводам в этом случае подключаются узловые точки (рис.3).

Рис. 3 Схема соединения и векторная диаграмма соединения обмоток генератора и приемников энергии треугольником.

Вектор фазного тока располагается рядом с вектором соответствующего напряжения под углом . Последний определяется характером нагрузки. Если, например, нагрузка активная, то , при индуктивной нагрузке и т.д. Для построения векторов линейных токов из каждого фазного тока геометрически вычитают соседний. Нетрудно доказать, что в этом случае

Фазных напряжений в этом случае не существует. По этому пользуются понятием линейных напряжений.

Трехпроводная и четырехпроводная цепи. Роль нулевого провода.

Чаще всего применяют четырех - или трехпроводные системы (рис. 1). Провод 00' называется нулевым или нейтральным, остальные – линейными. Другими словами можно сказать: фазное напряжение - это напряжение между линейным и нулевым проводами. При симметричной нагрузке нулевой провод практически не нужен, т.к. ток Io в нем равен нулю. Поэтому, в этих случаях применяют трехпроводные системы. При несимметричной трехфазной нагрузке нулевой провод обеспечивает постоянство напряжений на фазах.

При несимметричной нагрузке с нейтральным проводом токи в фазах, согласно, различны, но за счет нейтрального провода напряжение на каждой фазе приемника с изменением нагрузки практически остается постоянным и равным фазному напряжению генератора. Значит, нейтральный провод обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника при несимметричной нагрузке.

Если нейтральный провод отсоединить, то напряжения на фазах нагрузки станут разными, произойдет «перекос напряжений», что недопустимо при эксплуатации трехфазных цепей. Исходя из этого, в четырехпроводных цепях трехфазной системы токов на нейтральный провод не ставят предохранитель, сгорание которого вызвало бы перекос фазных напряжений, соотношение при этом нарушается, токи и напряжения на фазах будут несимметричны. Симметричность линейных напряжений не нарушается, поскольку отключение нейтрального провода также, как и изменение нагрузки не влияют на потенциалы точек А₁, В₁, С₁ и соотношение сохраняется.

Электроизмерительные приборы.

Электроизмерительные приборы – необходимые элементы электрических цепей при контроле режимов работы электрооборудования, учете электроэнергии, при экспериментальном исследовании электриче-ских цепей, при получении достоверной информации для систем автоматического управления.

Электроизмерительные приборы измеряют как электрические величины (ток, напряжение, мощность, , частоту, электрическую энергию и т.д.), так и неэлектрические (температуру, давление и др.).

Электроизмерительные приборы отличаются высокой чувствительностью, простой конструкцией и надежностью. Показания электрических измерительных приборов относительно просто передавать на дальние расстояния (телеизмерения) при автоматизации и управлении технологическими процессами.

Недостатком электрических измерительных приборов является невозможность их применения во взрывоопасных и пожароопасных помещениях.

Электроизмерительные приборы чаще всего измеряют мгновенные значения либо электрических величин, либо неэлектрических, преобразованных в электрические. Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Цифровые универсальные измерительные приборы («мультиметры») и цифровые вольтметры применяются для измерения со средней и высокой точностью сопротивления постоянному току, а также напряжения и силы переменного тока. Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность. Для самых точных измерений сопротивления и полного сопротивления (импеданса) существуют измерительные мосты и другие специализированные измерители. Для регистрации хода изменения измеряемой величины во времени применяются регистрирующие приборы – ленточные самописцы и электронные осциллографы, аналоговые и цифровые.

Классификация, условные обозначения на схемах и общее устройство электроизмерительных приборов.

Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам:

- методу измерения;

- роду измеряемой величины;

- роду тока;

- степени точности;

- принципу действия.

Существует два метода измерения. Классификация электроизмерительных приборов по методу измерения:

- Метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величин.

- Метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов.

Классификация электроизмерительных приборов по роду измеряемой величины:

- для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры);

- для измерения тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры);

- для измерения мощности (ваттметры);

- для измерения энергии (электрические счетчики);

- для измерения угла сдвига фаз (фазометры);

- для измерения частоты тока (частотомеры);

- для измерения сопротивлений (омметры).

Классификация электроизмерительных приборов по роду тока:

- постоянного;

- переменного однофазного;

- переменного трехфазного тока.

Классификация электроизмерительных приборов по степени точности: по степени точности приборы подразделяются на следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0. Класс точности не должен превышать приведенной относительной погрешности прибора, которая определяется по формуле:

где А – показания поверяемого прибора; А0 – показания образцового прибора; Amax – максимальное значение измеряемой величины (предел измерения).

Классификация электроизмерительных приборов по принципу действия: различают системы электроизмерительных приборов. Приборы одной системы обладают одинаковым принципом действия. Существуют следующие основные системы измерительных приборов:

- магнитоэлектрическая;

- электромагнитная;

- электродинамическая;

- индукционная.

Электрические измерения

Измерение – это процесс определения физической величины с помощью технических средств.

Мера – это средство измерения физической величины заданного размера.

Измерение электрических величин, таких, как напряжение, сопротивление, сила тока, мощность. Измерения производятся с помощью различных средств – измерительных приборов, схем и специальных устройств. Тип измерительного прибора зависит от вида и размера (диапазона значений) измеряемой величины, а также от требуемой точности измерения. В электрических измерениях используются основные единицы системы СИ: вольт (В), ом (Ом), фарада (Ф), генри (Г), ампер (А) и секунда (с).

Меры и приборы подразделяются на образцовые и рабочие. Образцовые меры и приборы служат для поверки по ним рабочих средств измерений. Рабочие меры и приборы служат для практических измерений.

Измерение тока производится прибором, называемым амперметром. Существуют четыре схемы включения амперметра в цепь. Первые две (рисунок 1) предназначены для измерения постоянного тока, а две вторые схемы – для измерения переменного тока.

Рисунок 1 – Схемы измерения тока

R_ш – сопротивление шунта; ИТТ – измерительный трансформатор тока

Вторая и четвертая схемы применяются в тех случаях, когда номинальные данные амперметра меньше измеряемой величины тока. В этом случае при определении истинного значения тока нужно учитывать коэффициент преобразования:

I_ист = I_изм k_пр

где I_ист – истинное значение тока, I_изм – измеренное значение тока, k_пр – коэффициент преобразования.

Измерение напряжения производится вольтметром. Здесь также возможны четыре различных схемы подключения прибора.

Рисунок 2 – Схемы измерения напряжения

R_доп – дополнительное сопротивление; ИТН – измерительный трансформатор напряжения

В этих схемах также используются методы расширения пределов измерения напряжения (вторая и четвертая схемы).

Чаще всего измерение мощности осуществляется одним прибором – ваттметром. Как было сказано ранее, для измерения мощности лучшей является электродинамическая система.

Ваттметр снабжен двумя измерительными элементами в виде двух катушек: последовательной и параллельной. По первой катушке течет ток, пропорциональный нагрузке, а по второй – пропорциональный напряжению в сети. Угол поворота подвижной части электродинамического ваттметра пропорционален произведению тока и напряжения в измерительных катушках:

α = k I U = k P

Рисунок 1 – Схема включения ваттметра

Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть определено косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом случае:

R = U / I

Приборы для измерения электрического сопротивления

Можно использовать омметр – прибор непосредственного отсчета. Существуют две схемы омметра:

Рисунок 1 – Схемы включения омметра а – последовательная; б – параллельная

Уравнение шкалы последовательной схемы измерения:

где Г – сопротивление цепи гальванометра. При U = const угол поворота подвижной части прибора определяется величиной измеряемого сопротивления Rx. Поэтому шкала прибора может быть непосредственно проградуирована в Омах. Ключ K используется для установки стрелки прибора в нулевое положение. Омметры параллельного типа удобнее применять для измерения небольших сопротивлений.

Измерение сопротивлений можно также осуществлять логометрами. На рисунке 2 приведена принципиальная схема логометра.

Рисунок 2 – Схема логометра

Для этой схемы имеем:

Отклонение подвижной части логометра:

Таким образом, показание прибора не зависит от напряжения источника питания и определяется величиной измеряемого сопротивления Rx.

Приборы с магнитоэлектрической системой содержат постоянный магнит – 1, к которому крепятся полюса – 2. В межполюсном пространстве расположен стальной цилиндр – 3 с наклеенной на него рамкой – 4. Ток в рамку подается через две спиральные пружины -5. Принцип действия прибора основан на взаимодействии тока в рамке с магнитным полем полюсов.

Прибор магнитоэлектрической системы

Это взаимодействие вызывает вращающий момент, под действием которого рамка и вместе с ней цилиндр повернутся на угол. Спиральная пружина, в свою очередь, вызывает противодействующий момент.

Приборы с электромагнитной системой имеют неподвижную катушку – 1 и подвижную часть в виде стального сердечника – 2, связанного с индикаторной стрелкой – 3 противодействующей пружины – 4.

Измеряемый ток, проходя по катушке, намагничивает сердечник и втягивает его в катушку. При равенстве вращающего и тормозящего моментов система успокоится. По углу поворота подвижной части определяют измеряемый ток (см. измерение тока).

Среднее значение вращающего момента пропорционально квадрату измеряемого тока: Так как тормозящий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу поворота подвижной части, уравнение шкалы прибора запишем в виде:

Другими словами, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату действующего значения переменного тока.

Электродинамическая система представляет собой две катушки, одна из которых неподвижная, а другая – подвижная. Обе катушки подключаются к сети, и взаимодействие их магнитных полей приводит к повороту подвижной катушки относительно неподвижной.

Из уравнения α = k’ I₁ I₂ видно, что шкала электродинамической системы имеет квадратичный характер. Для устранения этого недостатка подбирают геометрические размеры катушек таким образом, чтобы подучить шкалу, близкую к равномерной.

Эти системы чаще всего используются для измерения мощности, то есть в качестве ваттметров, тогда:

α = k’ I U cosφ = k’ P

В этом случае шкала ваттметра равномерная.

Приборы индукционной системы получили широкое распространение для измерения электрической энергии. Принципиальная схема прибора приведена на рисунке.

Индукционная система

Принцип действия индукционной системы основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых катушками тока и напряжения с вихревыми токами, наводимыми магнитным полем в алюминиевом диске.

Электрический счетчик содержит магнитопровод – 1 сложной конфигурации, на котором размещены две катушки; напряжения – 2 и тока – 3. Между полюсами электромагнита помещен алюминиевый диск – 4 с осью вращения – 5.

Методы измерений тока, напряжения, сопротивления и мощности в электрических цепях.

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Измерения производятся одним из двух методов: методом непосредственной оценки или методом сравнения с мерой.

Метод непосредственной оценки - метод, при котором значение искомой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Пример метода непосредственной оценки - измерение тока амперметром.

Метод сравнения с мерой - метод измерения, при котором измеряемую искомую величину сравнивают с однородной величиной, воспроизводимой мерой. Метод сравнения с мерой имеет ряд разновидностей:

- дифференциальный метод,

- нулевой метод,

- метод замещения и др.

При дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой и образцовой величинами, воспроизводимой мерой. Чем меньше разность, тем точнее результат.

Предельным случаем дифференциального метода является нулевой метод, при котором разность доводится до нуля.

При использовании метода замещения, измеряемая величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой. При этом замещение измеряемой величины производят так, что никаких измерений в схеме не происходит, то есть показания прибора будут одинаковы в обоих случаях.

Трансформаторы, устройство и принцип действия; назначение и область применения.

Трансформатор — статическое электромагнитное устрой­ство, имеющее две или больше индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного  тока.

Основные конструктивные элементы трансформатора — магнитная  система,  обмотки,  система изоляции,  вводы. Магнитная система. В зависимости от конфигурации ма­гнитной системы трансформаторы подразделяют на стерж­невые (рис. 1. а), броневые (рис. 1. б) и тороидальные (рис. 1. в).

Рис. 1.  Основные типы  однофазных трансформаторов: стержневой (а);  броневой  (6); тороидальный  (в); 1 - ярмо; 2 - стержень;  3 - обмотки;  4 - тороидальный  магнитопровод.

Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки. Ярмом называют часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют. Транс­форматоры большой и средней мощности обычно выпол­няют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу,  чем  броневые.

Для преобразования (трансформации) электрического напряжения широко используются трансформаторы. Если трансформаторы используются для осуществления питания какой-либо нагрузки, то они называются силовыми. Силовые трансформаторы обычно работают на частоте сети и при необходимости получения большой мощности нагрузки требуют большого объема трансформаторного железа.

Простейший однофазный электрический трансформатор состоит из двух обмоток, размещенных на магнитопроводе, который набран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,3 – 0,5 мм, с целью уменьшения потерь на вихревые токи.

Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии (генератору) или к линии электропередач (электрической сети) называется первичной (входной). Обмотка, к которой подключается приемник электрической энергии - вторичной (выходной).

Конструкция и условное обозначение простейшего трансформатора изображены на рис. 1.

Рисунок 1. Конструкция и условное обозначение простейшего трансформатора.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подаче от источника электрической энергии напряжения на первичную обмотку электрического трансформатора в ней возникает ток, возбуждающий в магнитопроводе переменный магнитный поток, который, пронизывая витки первичной обмотки, создает в ней напряжение результате явления самоиндукции.

Под действием переменного тока первичной обмотки в сердечнике наводится переменное магнитное поле, которое, пронизывая витки обмотки наводит в ней э.д.с. Направление наводимой э.д.с. таково, что создаваемый ею ток в нагрузке создает противодействующее магнитное поле в сердечнике, тем самым увеличивая потребляемый первичной обмоткой ток, т.е. происходит передача энергии. В некоторых случаях, если это при ципиально важно, помечают точкой условное начало обмоток

Если вторичное напряжение в два раза меньше первичного, то ток в нагрузке может быть в два раза больше, чем потребляемый от сети. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку нагрузки от сетевого напряжения, что уменьшает вероятность поражения электрическим током в случае понижающего трансформатора.

С помощью трансформато­ров повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока.

Трансформаторы широко используют для следующих целей.

1. В системах передачи и распределения электрической энергии.

2. В преобразовательных устройствах для обеспечения нужной схемы включения вентилей и согласования напряжений на входе и выходе преобразователя.

3. В различных электротехнологических установках для технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные транс­форматоры) и др.

4. В устройствах связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов, для питания цепей радио- и те­левизионной аппаратуры, разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; согласования напряже­ний и т. п.

5. В электроизмерительных устройствах для включения электроизмерительных приборов в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности.

Трансформаторы, перечисленные в пп. 1, 2, 3 и частично в п. 4, предназначенные для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электрической энергии, называют силовыми. Для режима их работы характерны неизменная частота переменного тока и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений.

Коэффициент трансформации.

Коэффициентом трансформации называется отношение напряжения обмотки ВН к напряжению обмотки НН при холостом ходе трансформатора:

Для трансформатора справедливо: , где - коэффициент трансформации, - входное напряжение на первичной обмотке , - наведённая на вторичной обмотке трансформатора электродвижущая сила.

Если , то трансформатор повышающий, если , то трансформатор понижающий. Без учета коэффициента полезного действия трансформатора справедливо равенство мгновенных значений мощностей в первичной и вторичной обмотках:

Мощность и КПД трансформатора.

При передаче энергии из первичной обмотки во вторич­ную возникают электрические потери мощности в активных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток и , а также магнитные потери в стали магнитопровода (от вихревых токов и гистерезиса).

Энергетическая диаграмма. Процесс преобразования энер­гии в трансформаторе характеризует энергетическая диаграм­ма (рис. 2.).

Рис.2. Энергетическая диаграмма трансформатора

В соответствии с этой диаграммой мощность, отдаваемая трансформатором нагрузке,

,

где Р₁ —мощность, поступающая из сети в первичную обмотку.

Мощность , поступающую во вто­ричную обмотку, называют внутренней электромагнитной мощностью трансформатора. Она определяет габаритные размеры и массу трансформатора.

Коэффициентом полез­ного действия трансформатора называют отношение отда­ваемой мощности Р₂ к мощности Р₁:

или

где - суммарные потери в трансформаторе.

Высокие значения КПД трансформаторов не позволяют определять его с достаточной степенью точности путем непосредственного измерения мощностей и , поэтому его вычисляют косвенным методом по значению потерь мощности.

Формула рекомендованная ГОСТом для определения КПД трансформатора:

,

где - коэффициент нагрузки.

Значения и для силовых трансформаторов приведены в соответствующих стандартах и каталогах.

Зависимость КПД от нагрузки.

По вышеуказанной формуле можно построить зависимость КПД от нагрузки (рис. 3, а). При полезная мощность и КПД равны нулю. С увеличением отдаваемой мощности КПД увеличивается, так как в энер­гетическом балансе уменьшается удельное значение маг­нитных потерь в стали, имеющих постоянное значение.

При некотором значении ( кривая КПД достигает мак­симума, после чего начинает уменьшаться с увеличением нагрузки. Причиной этого является сильное увеличение электрических потерь в обмотках, возрастающих пропорци­онально квадрату тока, т. е.

Рис. 3. Зависимости КПД трансформатора от нагрузки пропорционально , в то время как полезная мощность возрастает пропорци­онально .

Максимальное значение КПД в трансформаторах боль­шой мощности достигает весьма высоких пределов (0,98...0,99).

КПД имеет максимум при такой нагруз­ке, при которой электрические потери в обмотках равны магнитным потерям в стали. Это условие (равенство постоянных и переменных потерь) приближенно справедливо и для других типов электрических машин. Для серийных силовых трансформаторов:

.

Указанные значения получены при проектировании трансформаторов на минимум приведенных затрат (на их приобретение и эксплуатацию). Наиболее вероятная нагрузка трансформатора соответствует .

В трансформаторах максимум КПД выражен сравнительно слабо, т. е. он сохраняет высокое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки . При уменьшении КПД снижается (рис. 3, б), так как возрастают токи и , при которых трансформатор имеет заданную мощность .

Электрические машины и их виды.

Электрические машины — это электромеханические преобразователи, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в механическую или механической в электрическую.

Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели — для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.

Электродвигатель – электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. В зависимости от рода потребляемого или отдаваемого в сеть тока электрические машины подразделяются на машины переменного и постоянного тока. Основные виды электрических машин представлены в таблице:

Машины, трансформирующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами.

Генераторный и двигательный режимы работы.

Генераторный режим. Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС [Гц] связана с частотой вращения ротора [об/мин] соотношением:

, где — число пар полюсов ротора.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям.

Двигательный режим работы характеризуется преобразованием в электродвигателе электрической энергии питающей сети в механическую энергию вращения якоря, которую используют для привода механизма. Момент, развиваемый электродвигателем и направленный в сторону вращения якоря или статора, принято рассматривать положительным.

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка - кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей "раскачивание" ротора при синхронизации. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Частота вращения ротора [об/мин] остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети [Гц] соотношением: , где — число пар полюсов ротора.

Синхронные двигатели при изменении возбуждения меняют импеданс с емкостного на индуктивный. Перевозбуждённые СД на холостом ходу применяют в качестве компенсаторов реактивной мощности. Синхронные двигатели в промышленности обычно применяют при единичных мощностях свыше 300 кВт, при меньших мощностях обычно применяется более простой (и надежный) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Обратимость электрических машин.

Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, установлено, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего.

Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле в проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током. Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.

Рисунок 1. Направление э. д. с. , тока , частоты вращения якоря и электромагнитного момента при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах.

Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин. Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.

Для выяснения этого положения рассмотрим работу электрической машины постоянного тока при различных условиях. Если внешнее напряжение больше суммарной ЭДС . во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток будет проходить в указанном на рисунке, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую. Однако если по какой-либо причине ЭДС станет больше внешнего напряжения , то ток в обмотке якоря изменит свое направление и будет совпадать с ЭДС . При этом изменится и направление электромагнитного момента , который будет направлен против частоты вращения . Совпадение по направлению ЭДС и тока означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию. Следовательно, когда ЭДС , индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети , машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при машина работает двигателем, при - генератором.

Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами:

- уменьшая напряжение источника, к которому подключена обмотка якоря;

- увеличивая ЭДС в обмотке якоря.

Понятие об асинхронных электродвигателях, их применение.

Асинхронный двигатель трехфазного тока представляет собой электрическую машину, служащую для преобразования электрической энергии трехфазного тока в механическую. Благодаря простоте устройства, высокой надежности и эксплуатации и меньшей стоимостью по сравнению с другими двигателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. С их помощью приводятся в движение металлорежущие и деревообрабатывающие станки, подъемные краны, лебедки, лифты, эскалаторы, насосы, вентиляторы и другие механизмы.

Двигатель имеет две основные части: неподвижную - статор и вращающуюся - ротор. Статор состоит из корпуса, представляющего собой основание всего двигателя. В корпус вмонтирован сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, на внутренней поверхности которого имеются пазы с обмоткой статора.

Обмотка статора состоит из трех отдельных частей, называемых фазами. Фазы могут быть соединены между собой звездой или треугольником. Как правило, начала обмоток на схемах обозначаются буквами А, В, С, концы - X, Y, Z. На корпусе двигателя имеется колодка с зажимами, с помощью которых обмотка присоединяется к трехфазной сети. К каждому зажиму подключен соответствующий вывод обмотки. Для зажимов приняты следующие обозначения: зажимы, к которым подключены начала обмоток, обозначают буквами С1, С2 и С3, концы обмоток - соответственно С4, С5 и С6.

В обмотке статора, включенной в сеть трехфазного тока, под действием напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них переменную ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС вызывает в ней ток того же направления.

В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем возникает сила, действующая на проводники ротора, направление которой определяется по правилу левой руки. Сила создает момент, действующий в сторону.

Под действием момента ротор приводит в движение и после разбега вращается в том же направлении, что и магнитное поле, с несколько меньшей частотой вращения, чем поле:

 .

Обмотки ротора бывают двух видов - короткозамкнутые и фазные. Соответственно этому различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором (с контактными кольцами).

Асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электроприводе металлорежущих станков, подъёмно-транспортных машин, транспортёров, насосов, вентиляторов. Маломощные двигатели используются в устройствах автоматики. Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими двигателями: высокая надёжность, возможность работы непосредственно от сети переменного тока, простота обслуживания.

Понятие о синхронных машинах.

К синхронным электрическим машинам, относят: синхронные электродвигатели, синхронные генераторы, или синхронные машины специального назначения.

Синхронная машина - это машина переменного тока, у которой частота вращения ротора, по отношению тока в цепи якоря, в установившемся режиме, не зависит от приложенной нагрузки, то есть, генерируемое напряжение и скорость вращения ротора синхронной машины, является величиной постоянной. Название машины связано с тем, что в статическом режиме работы ее ротор вращается с такой же скоростью, с какой вращается магнитное поле статора, т.е. синхронно с полем статора.

В синхронных машинах поле возбуждения создается обмоткой, расположенной на роторе, которая питается постоянным током. Обмотка статора соединена с сетью переменного тока. В обычном исполнении машин вращающийся ротор с обмоткой возбуждения располагается внутри статора, а статор неподвижен.

Обращенная конструкция, при которой ротор с обмоткой возбуждения неподвижен, а вращается статор, в синхронных машинах встречается редко из-за сложности подвода тока к вращающейся обмотке переменного тока.

Ротор синхронной машины может быть явнополюсным, т. е. с явно выраженными полюсами, имеющими ферромагнитные сердечники с насаженными на них многовитковыми катушками возбуждения. Роторы синхронных машин, рассчитанных на частоту вращения 1500 и 3000 об/мин и выше, обычно выполняются неявнополюсными. При этом обмотка возбуждения укладывается в профрезерованные в роторе пазы. Обмотка переменного тока синхронных машин, как правило, распределенная, т. е. расположена равномерно по окружности внутреннего диаметра статора в пазах его магнитопровода.

Применение синхронных генераторов и электродвигателей.

Синхронные машины являются основными источниками электрической энергии. Они применяются также в качестве двигателей преимущественно большой мощности, а также малой мощности в системах автоматики. В последнее время область их применения расширяется. На их основе создаются высокоточные приборные приводы с уникальными характеристиками. В цифровых системах автоматики находят широкое применение шаговые двигатели, в обмотки статора которых поступают импульсы тока и при поступлении каждого импульсов происходит поворот ротора на определенный угол - двигатель совершает шаг.

Принцип действия электрических машин постоянного тока.

На рис. 1. схематично изображен поперечный разрез машины постоянного тока. На неподвижной части машины (статоре) размещаются стальные полюсы П с надетыми на них катушками обмотки возбуждения В. Катушки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по об­мотке постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность (N, S, N, S и т.д.). Поток Ф, создаваемый обмоткой возбуждения, неизменен во времени и замыкается, как показано на рис. 1. штриховыми линиями.

На вращающейся части машины располагается обмотка О, в которой индуктируется основная

ЭДС, поэтому в машинах постоянного тока вращающуюся часть называют якорем.

Обмотка укладывается на стальном сердечнике М, закрепленном на валу (на рисунке не показан). Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются проводники. С торцевых сторон эти проводники соединя­ются между собой, образуя замкнутый контур. Сплошные линии на рисунке показывают соединения проводников с переднего торца, а штрихпунктирные - с заднего. Изображенный на рисунке якорь называется кольцевым. В настоящее время кольцевой якорь не имеет широкого практического применения. Однако в дальнейшем при изложении некоторых физических процессов, происходящих в машине, будем рассматривать такой якорь, чтобы получить более наглядную картину.

От обмотки якоря выполняются ответвления к пластинам коллектора (К). Коллектор располагается на валу якоря и представляет собой цилиндрическое тело, состоящее из электрически изолированных между собой медных пластин. Часть обмотки, заключенная между следующими друг за другом ответвлениями к коллекторным пластинам, называется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких вит­ков. Число коллекторных пластин равно числу секций. Показанная на рисунке обмотка состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор имеет 12 пластин.

При вращении якоря в проводниках его обмотки индуктируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. На рис. 1. стрелкой показано направление вращения якоря. Там же показаны и направления ЭДС в проводниках обмотки якоря. В кольцевой обмотке ЭДС будет индуктироваться только в проводниках, расположенных на внешней поверхности сердечника якоря, В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти проводники не пересекают индукционных линий магнитного поля. Поэтому проводники, расположенные на внешней поверхности сердечника якоря, являются активными, а на внутренней - неактивными.

В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление. Если машина работает генератором, то переменная ЭДС обмотки должна быть выпрямлена. Достигается это с помощью коллектора. С коллектором соприкасаются неподвижные щетки Щ, посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью. Для того чтобы ЭДС на выводах машины имела максимальное значение, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка. Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного промежутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей равно числу полюсов, то и число мест, где устанавливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.

Для момента времени, к которому относится картина, изображенная на рисунке, между каждой парой соседних щеток включены проводники обмотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щетки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную на рисунке полярность.

При вращении якоря расположение секций в пространстве будет меняться. При этом будет изменяться направление ЭДС, индуктируемой в проводниках соответствующих секций. Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут распо­лагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС и щетки будут иметь определенную полярность. Полярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся. Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим выводам подключается внешняя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генератора будет протекать постоянный ток, в то время как в обмотке якоря ЭДС и ток будут переменными. Направление тока в проводниках будет совпадать с направлением ЭДС.

В двигателях постоянного тока к щеткам подводится постоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распределение тока по обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с противоположным направлением тока. Например, для определенного момента времени такому распределению тока по проводникам обмотки якоря может соответствовать картина, показанная на рис. 1. При показанном на рисунке распределении тока электромагнитные силы всех проводников имеют одинаковые направления, в чем можно убедиться, применяя правило левой руки. В результате этого при прочих равных условиях двигатель создает наибольший вращающий момент, под действием которого якорь придет во вращение в направлении, противоположном указанному на рис. 1. для генераторного режима.

По отношению к выводам сети обмотка якоря разбивается на параллельные ветви. Параллельной ветвью называют группу последовательно соединенных проводников, включенных между щетками разной полярности. В данной машине обмотка имеет четыре параллельные ветви. Ее развертка по отношению к выводам сети показана на рис. 2.

Электродвижущая сила на выводах машины при холостом ходе (без нагрузки) будет равна ЭДС одной параллельной ветви, а ток в сети при нагрузке будет равен сумме токов параллельных ветвей.

В замкнутом контуре самой обмотки якоря машины постоянного тока сумма ЭДС равна нулю (рис. 1.), поэтому при разомкнутой внешней цепи ток в обмотке возникать не будет.

Понятие о способах возбуждения.

Под возбуждением электрического двигателя постоянного тока понимают создание в ней магнитного поля, необходимого для наведения в обмотке якоря ЭДС заданной величины (генератор) или создания необходимого вращающегося момента якоря (двигатель). Основное магнитное поле в машинах создается главными полюсами и расположенными на них катушками обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения и обмотка якоря в машинах могут быть подключены к сети различными способами: независимо одна от другой, параллельно, последовательно и параллельно-последовательно (смешанно).

Рис.2. Схемы возбуждения машин постоянного тока

В зависимости от способа соединения этих обмоток различают четыре типа машин постоянного тока:

- двигатели независимого возбуждения (рис. 2. а), в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря подключаются независимо друг от друга к различным источникам;

- двигатели параллельного (шунтового) возбуждения (рис. 2. б), и которых обмотка возбуждения подсоединяется к щеткам и получает питание от ЭДС обмотки якоря;

- двигатели последовательного (сериесного) возбуждения (рис. 2. в), в которых обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря;

- двигатели смешанного (компаундного) возбуждения (рис. 2. г), в которых на каждом полюсном сердечнике имеется две обмотки — шунтовая и сериесная. Шунтовая обмотка возбуждения соединяется параллельно якорной обмотке, а сериесная — последовательно с ней.

Способ соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря оказывает сильное влияние на электрические свойства генераторов и механические свойства двигателей постоянного тока. Основными параметрами, характеризующими работу генераторов постоянного тока, являются: вырабатываемая мощность Р, напряжение на выводах (зажимах) U, ток возбуждения Iв, ток якоря Iя или ток нагрузки I, частота вращения n (обычно n = const). Зависимость между этими величинами описывается двумя уравнениями:

- уравнением ЭДС (см. вывод) E = cenФ;

- уравнением электрического состояния цепи якоря U = E – Irя.

Нагляднее эти зависимости устанавливаются графическим путем. Графические изображения зависимостей основных электрических величин, определяющих работу электродвигателя, называются характеристиками. Основными характеристиками, определяющими свойства генераторов, являются:

- характеристика холостого хода (XXX), показывающая зависимость ЭДС генератора при холостом ходе от величины тока возбуждения при постоянной частоте вращения, т. е.

E = ƒ(Iв) при I=0(или Iя=0) и n=nном=const;

- внешняя характеристика, показывающая зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и постоянной частоте вращения, т. е.

U = ƒ(I) при Rв=const и n=nном=const;

- регулировочная характеристика, показывающая зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при условии поддержания постоянного напряжения на выводах генератора и постоянной частоте вращения, т. е.

Iв = ƒ(I) при U=const и n=nном=const;

Все характеристики генераторов могут быть определены как экспериментальным, так и расчетным путем.

Применение генераторов и двигателей постоянного тока.

Двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ, благодаря которым они сохранили свое значение в автоматике, некоторых областях промышленности и на транспорте. Основным достоинством этих двигателей является возможность плавного и экономичного регулирования скорости вращения в широких пределах, создавая при этом большой пусковой момент. Это свойство двигателей постоянного тока делает их незаменимыми в качестве тяговых двигателей городского и железнодорожного транспорта (трамвай, троллейбус, метро, электровоз, тепловоз). Двигатели постоянного тока используются также в электроприводе некоторых металлорежущих станков, прокатных станов, подъемно-транспортных машин, экскаваторов.

Постоянный ток используется также для питания электролитических ванн, электромагнитов различного назначения, аппаратуры управления и контроля, для зарядки аккумуляторов. Это питание осуществляется от генераторов постоянного тока, приводимых в действие, как правило, асинхронными и синхронными двигателями переменного тока. Однако генераторы часто заменяют выпрямителями (на полупроводниковых диодах и тиристорах) и постоянный ток получают из переменного.

Микромашины постоянного тока широко используются в системах автоматики в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей. Двигатели постоянного тока находят.

Генераторы постоянного тока применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки, электрохимических низковольтных установок, а также в качестве возбудителей синхронных машин. Машины постоянного тока входят также в электрооборудование автомобилей, судов, самолетов и ракет.

Электрические аппараты, применяемые в схемах управления электроприводом, защиты и сигнализации.

Электрический аппарат, электротехническое устройство, предназначенное для изменения, регулирования, измерения и контроля электрических и неэлектрических параметров различных устройств, машин, механизмов и т. п., а также для их защиты от перегрузок при недопустимых или аварийных режимах работы. Электрические аппараты используются в системах защиты электрических сетей, в пускорегулирующих устройствах, применяемых в различных производственных процессах (особенно быстро протекающих), транспортных средствах, в системах автоматики и телемеханики, связи и др.

В зависимости от назначения аппараты подразделяют на следующие группы:

коммутационные — предназначенные для включения, и отключения электрических цепей. К ним относят рубильники, пакетные выключатели, выключатели высокого и низкого напряжения (автоматические и неавтоматические), разъединители, отделители, короткозамыкатели и др. Для этой группы аппаратов является характерным относительно редкое их включение и отключение, хотя в некоторых случаях аппарат довольно часто совершает операции;

пускорегулирующие — предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или пуска и регулирования какого-либо другого потребителя электрической, энергии (тормоза, печи). К ним относят контакторы, пускатели, резисторы и реостаты, силовые и командные контроллеры и др. Характерным признаком для этой группы аппаратов являются частые включения и отключения. В современных приводах число включений достигает 1500 в час;

ограничивающие — предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Поскольку режимы короткого замыкания и перенапряжения нечасты, эти аппараты редко подвергаются большим нагрузкам;

защитные — предназначенные для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания и перегрузок. К ним относят предохранители высокого и низкого напряжения;

контролирующие — предназначенные для контроля заданных электрических и неэлектрических параметров. К ним относят реле и датчики. При достижении контролируемым параметром определенного значения реле срабатывает и исполнительным органом воздействует на схему автоматики. Например, реле широко используют для защиты при коротких замыканиях. В этом режиме срабатывает реле, реагирующее на силу тока, а исполнительный орган действует на отключающую коммутационную аппаратуру. Датчики служат для измерения неэлектрических величин (перемещения, температуры, давления) и преобразования их в электрические;

регулирующие — предназначенные для автоматической непрерывной стабилизации или регулирования заданного параметра электрической цепи либо системы по заранее заданной программе. В частности, регуляторы служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин;

измерительные — предназначенные для измерения больших напряжений и тока. Эти аппараты изолируют первичные цепи от измерительных цепей, в которые включают измерительные приборы. Они преобразуют измеряемую величину до значения, удобного для измерения. К ним относят трансформаторы тока и напряжения, конденсаторные делители напряжения.

Кроме того, аппараты можно разделить также в пределах одной группы или типа:

по напряжению — низкого (до 660 В включительно) и высокого (от 1000 В и выше);

по роду тока — постоянного, переменного промышленной частоты, переменного повышенной частоты;

по способу действия — электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, тепловые и др.;

по исполнению защиты от окружающей среды — в открытом, защищенном, брызгозащищенном, водозащищенном, герметическрм, взрывобезопасном и т. д.;

по ряду других факторов (быстродействию, способу гашения дуги).

По принципу действия различают электрические аппараты контактные и бесконтактные. Контактные аппараты имеют подвижные коммутирующие контакты и воздействуют на управляемую цепь замыканием или размыканием этих контактов. Бесконтактные аппараты не имеют коммутирующих контактов и воздействуют на управляемую цепь изменением электрических параметров (индуктивности, емкости, сопротивления).

Автоматические выключатели, электромагнитные реле, контакторы, магнитные пускатели; устройство, назначение и принцип действия.

Автоматический выключатель (автомат) служит для нечастых включений и отключений электрических цепей и защиты электроустановок от перегрузки и коротких замыканий, а также недопустимого снижения напряжения. По сравнению с плавкими предохранителями автоматический выключатель обеспечивает более эффективную защиту, особенно в трёхфазных цепях, так как в случае, например, короткого замыкания производится отключение всех фаз сети. Предохранители в этом случае, как правило, отключают одну или две фазы, что создаёт неполнофазный режим, который также является аварийным.

Автоматический выключатель (рис. 1) состоит из следующих элементов: корпуса, дугогасительных камер, механизма управления, коммутирующего устройства, расцепителей.

Рис. 1. Автоматический выключатель, серия ВА 04-36 (устройство выключателя): 1- основание, 2- камера дугогасительная, 3, 4-пластины искрогасительные, 5-крышка, 6-пластины. 7-звено, 8-звено, 9-рукоятка, 10-рычаг опорный, 11-защелка, 12- рейка отключающая, 13- пластина термобиметаллическая, 14-расцепитель элетромагнитный, проводник гибкий, 16-токопровод, 17- контактодержатель, 18-контакты подвижные

Для включения автоматического выключателя, находящегося в расцепленном положении (положение «Отключено автоматически»), механизм должен быть взведен путем перемещения рукоятки 9 выключателя в направлении знака «О» до упора. При этом происходит зацепление рычага 10 с защелкой 11, а защелки – с отключающей рейкой 12. Последующее включение осуществляется перемещением рукоятки 9 в направление знака «1» до упора. Провал контактов и контактное сжатие при включении обеспечивается за счет смещения подвижных контактов 18 относительно контактодержателя 17.

Автоматическое отключение автомата происходит при повороте отключающей рейки 12 любым расцепителем независимо от положения рукоятки 9 выключателя. При этом рукоятка занимает промежуточное положение между знаками «О» и «1», указывая, что выключатель отключен автоматически. Дугогасительные камеры 2 установлены в каждом полюсе выключателя и представляют собой деионные решетки, состоящие из ряда стальных пластин 6.

Искрогасители, содержащие искрогасительные пластины 3 и 4, закреплены в крышке 5 выключателя перед отверстиями для выхода газов в каждом полюсе автоматического выключателя. Если в защищаемой цепи, хотя бы одного полюса ток достигает величины равной или превышающей значение уставки по току, срабатывает соответствующий расцепитель и выключатель отключает защищаемую цепь независимо от того, удерживается ли рукоятка во включенном положении или нет. Электромагнитный максимальный расцепитель тока 14 устанавливается в каждом полюсе выключателя. Расцепитель выполняет функцию мгновенной защиты от короткого замыкания.

Дугогасительные устройства необходимы в электрических аппаратах, коммутирующих большие токи, так как возникающая при разрыве тока электрическая дуга вызывает подгорание контактов. В автоматических выключателях применяются дугогасительные камеры с деионным гашением дуги. При деионном гашении дуги (рис. 2.) над контактами 1, помещенными внутри дугогасительной камеры 2, располагается решетка из стальных пластин 3. При размыкании контактов образовавшаяся между ними дуга потоком воздуха выдувается вверх, попадает в зону металлической решетки и быстро гасится.

Рис. 2. Устройство дугогасительной камеры автоматического выключателя: 1- контакты, 2- корпус дугогасительной камеры, 3 - пластины.

Схема и основные элементы автоматического выключателя представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Устройство автоматического выключателя: 1 - максимальный расцепитель, минимальный расцепитель, независимый расцепитель, 4 - механическая связь с расцепителем, 5- рукоятка ручного включения, 6- электромагнитный привод, 7,8- рычаги механизма свободного расцепления, 9- отключающая пружина, 10- дугогасительная камера, 11- неподвижный контакт, 12- подвижный контакт, 13- защищаемая цепь, 14- гибкая связь, 15- контактный рычагу, 16- тепловой расцепитель, 17- добавочное сопротивление, 18- нагреватель.

Механизм управления предназначен для обеспечения ручного включения и выключения аппарата при помощи кнопок или рукоятки.

Коммутирующее устройство автоматического выключателя состоит из подвижных и неподвижных контактов (силовых и вспомогательных). Пара контактов (подвижный и неподвижный) образуют полюс автоматического выключателя, количество полюсов бывает от 1 до 4. Каждый полюс комплектуется отдельной дугогасительной камерой.

Механизм, который отключает автоматический выключатель при аварийных режимах, называется расцепителем. Различают следующие виды расцепителей:

- электромагнитный максимального тока (для защиты электроустановок от токов короткого замыкания),

- тепловой (для защиты от перегрузок),

- комбинированный, имеющий электромагнитный и тепловой элементы,

- минимального напряжения (для защиты от недопустимого снижения напряжения),

- независимый (для дистанционного управления автоматическим выключателем),

- специальный (для реализации сложных алгоритмов защиты).

Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя представляет собой небольшую катушку с обмоткой из медного изолированного провода и сердечником. Обмотка включается в цепь последовательно с контактами, то есть по ней проходит ток нагрузки.

В случае возникновения короткого замыкания ток в цепи резко возрастает, в результате создаваемое катушкой магнитное поле вызывает перемещение сердечника (втягивание в катушку или выталкивание из неё). Сердечник при перемещении действует на отключающий механизм, который вызывает размыкание силовых контактов автоматического выключателя. Существуют автоматические выключатели с полупроводниковыми расцепителями, реагирующими на максимальный ток.

Тепловой расцепитель автоматического выкючателя представляет собой биметаллическую пластину, изготовленную из двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения, жестко соединенных между собой. Пластина не является сплавом металлов, их соединение производится обычно прессованием. Биметаллическая пластина включается в электрическую цепь последовательно с нагрузкой и нагревается электрическим током.

В результате нагрева происходит изгибание пластины в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. В случае возникновения перегрузки, то есть при небольшом (в несколько раз) увеличении тока в цепи по сравнению с номинальным, биметаллическая пластина, изгибаясь, вызывает отключение автоматического выключателя.

Время срабатывания теплового расцепителя автоматического выключателя зависит не только от величины тока, но и от температуры окружающей среды, поэтому в ряде конструкций предусмотрена температурная компенсация, которая обеспечивает корректировку времени срабатывания в соответствии с температурой воздуха.

Независимый расцепитель минимального напряжения по конструкции аналогичны электромагнитному и отличаются от него условиями срабатывания. В частности, независимый расцепитель обеспечивает отключение автомата при подаче напряжения на расцепитель независимо от наличия аварийных режимов.

Указанные расцепители являются дополнительными и могут отсутствовать в конструкции автоматического выключателя. Имеются также выключатели без каких-либо расцепителей, в этом случае они называются выключателями-разъединителями.

Реле́ - электрический аппарат, предназначенный для коммутации электрических цепей (скачкообразного изменения выходных величин) при заданных изменениях электрических или не электрических входных величин.

Релейные элементы (реле) находят широкое применение в схемах управления и автоматики, так как с их помощью можно управлять большими мощностями на выходе при малых по мощности входных сигналах; выполнять логические операции; создавать многофункциональные релейные устройства; осуществлять коммутацию электрических цепей; фиксировать отклонения контролируемого параметра от заданного уровня; выполнять функции запоминающего элемента и т. д.

Первое реле было изобретено американцем Дж. Генри в 1831 г. и базировалась на электромагнитном принципе действия, следует отметить что первое реле было не коммутационным, а первое коммутационное реле изобретено американцем С. Бризом Морзе в 1837 г. которое в последствии он использовал в телеграфном аппарате. Слово реле возникло от английского relay, что означало смену уставших почтовых лошадей на станциях или передачу эстафеты (relay) уставшим спортсменом.

Классификация реле

Реле классифицируются по различным признакам: по виду входных физических величин, на которые они реагируют; по функциям, которые они выполняют в системах управления; по конструкции и т. д. По виду физических величин различают электрические, механические, тепловые, оптические, магнитные, акустические реле и т.д. При этом следует отметить, что реле может реагировать не только на значение конкретной величины, но и на разность значений (дифференциальные реле), на изменение знака величины (поляризованные реле) или на скорость изменения входной величины.

Устройство реле

Реле обычно состоит из трех основных функциональных элементов: воспринимающего, промежуточного и исполнительного.

Воспринимающий (первичный) элемент воспринимает контролируемую величину и преобразует её в другую физическую величину.

Промежуточный элемент сравнивает значение этой величины с заданным значением и при его превышении передает первичное воздействие на исполнительный элемент.

Исполнительный элемент осуществляет передачу воздействия от реле в управляемые цепи. Все эти элементы могут быть явно выраженными или объединёнными друг с другом.

Воспринимающий элемент в зависимости от назначения реле и рода физической величины, на которую он реагирует, может иметь различные исполнения, как по принципу действия, так и по устройству. Например, в реле максимального тока или реле напряжения воспринимающий элемент выполнен в виде электромагнита, в реле давления – в виде мембраны или сильфона, в реле уровня – в вице поплавка и т.д.

По устройству исполнительного элемента реле подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные реле воздействуют на управляемую цепь с помощью электрических контактов, замкнутое или разомкнутое состояние которых позволяет обеспечить или полное замыкание или полный механический разрыв выходной цепи.

Бесконтактные реле воздействуют на управляемую цепь путём резкого (скачкообразного) изменения параметров выходных электрических цепей (сопротивления, индуктивности, емкости) или изменения уровня напряжения (тока).

Характеристики реле.

Основные характеристики реле определяются зависимостями между параметрами выходной и входной величины.

Различают следующие основные характеристики реле.

1. Величина срабатывания Хср реле – значение параметра входной величины, при которой реле включается. При Х < Хср выходная величина равна Уmin, при Х ³ Хср величина У скачком изменяется от Уmin до Уmax и реле включается. Величина срабатывания, на которую отрегулировано реле, называется уставкой.

2. Мощность срабатывания Рср реле – минимальная мощность, которую необходимо подвести к воспринимающему органу для перевода его из состояния покоя в рабочее состояние.

3. Управляемая мощность Рупр – мощность, которой управляют коммутирующие органы реле в процессе переключении. По мощности управления различают реле цепей малой мощности (до 25 Вт), реле цепей средней мощности (до 100 Вт) и реле цепей повышенной мощности (свыше 100 Вт), которые относятся к силовым реле и называются контакторами.

4. Время срабатывания tср реле – промежуток времени от подачи на вход реле сигнала Хср до начала воздействия на управляемую цепь. По времени срабатывания различают нормальные, быстродействующие, замедленные реле и реле времени. Обычно для нормальных реле tср = 50…150 мс, для быстродействующих реле tср 1 с.

Принцип действия и устройство электромагнитных реле

Электромагнитные реле, благодаря простому принципу действия и высокой надежности, получили самое широкое применение в системах автоматики и в схемах защиты электроустановок. Электромагнитные реле делятся на реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока делятся на нейтральные и поляризованные. Нейтральные реле одинаково реагируют на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке, а поляризованные реле реагируют на полярность управляющего сигнала.

Работа электромагнитных реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. Детали реле монтируются на основании и закрываются крышкой. Над сердечником электромагнита установлен подвижный якорь (пластина) с одним или несколькими контактами. Напротив них находятся соответствующие парные неподвижные контакты.

В исходном положении якорь удерживается пружиной. При подаче напряжения электромагнит притягивает якорь, преодолевая её усилие, и замыкает или размыкает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение. В некоторые модели, могут быть встроены электронные элементы. Это резистор, подключенный к обмотке катушки для более чёткого срабатывания реле, или (и) конденсатор, параллельный контактам для снижения искрения и помех.

Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей, более того в управляемой цепи величина тока может быть намного больше чем в управляющей. То есть реле по сути выполняют роль усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи.

Реле переменного тока срабатывают при подаче на их обмотки тока определенной частоты, то есть основным источником энергии является сеть переменного тока. Конструкция реле переменного тока напоминает конструкцию реле постоянного тока, только сердечник и якорь изготавливаются из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на гистерезис и вихревые токи.

Достоинства и недостатки электромагнитных реле

Электромагнитное реле обладает рядом преимуществ, отсутствующих у полупроводниковых конкурентов:

способность коммутации нагрузок мощностью до 4 кВт при объеме реле менее 10 см3;

устойчивость к импульсным перенапряжениям и разрушающим помехам, появляющимся при разрядах молний и в результате коммутационных процессов в высоковольтной электротехнике;

исключительная электрическая изоляция между управляющей цепью (катушкой) и контактной группой — последний стандарт 5 кВ является недоступной мечтой для подавляющего большинства полупроводниковых ключей;

малое падение напряжения на замкнутых контактах, и, как следствие, малое выделение тепла: при коммутации тока 10 А малогабаритное реле суммарно рассеивает на катушке и контактах менее 0,5 Вт, в то время как симисторное реле отдает в атмосферу более 15 Вт, что, во-первых, требует интенсивного охлаждения, а во-вторых, усугубляет парниковый эффект на планете;

экстремально низкая цена электромагнитных реле по сравнению с полупроводниковыми ключами

Отмечая достоинства электромеханики, отметим и недостатки реле: малая скорость работы, ограниченный (хотя и очень большой) электрический и механический ресурс, создание радиопомех при замыкании и размыкании контактов и, наконец, последнее и самое неприятное свойство — проблемы при коммутации индуктивных нагрузок и высоковольтных нагрузок на постоянном токе.

Типовая практика применения мощных электромагнитных реле — это коммутация нагрузок на переменном токе 220 В или на постоянном токе от 5 до 24 В при токах коммутации до 10–16 А. Обычными нагрузками для контактных групп мощных реле являются нагреватели, маломощные электродвигатели (например, вентиляторы и сервоприводы), лампы накаливания, электромагниты и прочие активные, индуктивные и емкостные потребители электрической мощности в диапазоне от 1 Вт до 2–3 кВт.

Поляризованные электромагнитные реле

Разновидностью электромагнитных реле являются поляризованные электромагнитные реле. Их принципиальное отличие от нейтральных реле состоит в способности реагировать на полярность управляющего сигнала.

Самые распространенные серии электромагнитных реле управления

Реле промежуточное серии РПЛ. Реле предназначены для применения в качестве комплектующих изделий в стационарных установках, в основном в схемах управления электроприводами при напряжении до 440В постоянного тока и до 660 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц. Реле пригодны для работы в системах управления с применением микропроцессорной техники при шунтировании включающей катушки ограничителем ОПН или при тиристорном управлении. При необходимости на промежуточное реле может быть установлена одна из приставок ПКЛ и ПВЛ. Номинальный ток контактов – 16А

Реле промежуточное серии РПУ-2М. Реле промежуточные РПУ-2М предназначены для работы в электрических цепях управления и промышленной автоматики переменного тока напряжением до 415В, частоты 50Гц и постоянного тока напряжением до 220В.

Реле серии РПУ-0, РПУ-2, РПУ-4. Реле изготавливаются с втягивающими катушками постоянного тока на напряжения 12, 24, 48, 60, 110, 220 В и токи 0,4 - 10 А и втягивающими катушками переменного тока - на напряжения 12, 24, 36, 110, 127, 220, 230, 240, 380 и токаи 1 - 10 А. Реле РПУ-3 с втягивающими катушками постоянного тока - на напряжения 24, 48, 60, 110 и 220 В.

 

Реле промежуточное серии РП-21 предназначены для применения в цепях управления электроприводами переменного тока напряжением до 380В и в цепях постоянного тока напряжением до 220В. Реле РП-21 комплектуются розетками под пайку, под дин. рейку или под винт.

 Основные характеристики реле РП-21. Диапазон напряжений питания, В: постоянного тока - 6, 12, 24, 27, 48, 60, 110 переменного тока частоты 50 Гц - 12, 24, 36, 40, 110, 127, 220, 230, 240 переменного тока частоты 60 Гц - 12, 24, 36, 48, 110, 220, 230, 240 Номинальное напряжение цепи контактов, В: реле постоянного тока - 12...220, реле переменного тока - 12...380 Номинальный ток - 6,0 А Количество контактов замык. / размык. / перекл. - 0...4 / 0...2 / 0...4 Механическая износостойкость - не менее 20 млн. циклов.

Большое распространение в системах автоматики станков, механизмов и машин получили электромагнитные реле постоянного тока серии РЭС-6 в качестве промежуточного реле напряждением 80 - 300 В, коммутируемый ток 0,1 - 3 А

В качестве промежуточных применяются также электромагнитные реле серийРП-250, РП-321, РП-341, РП-42 и ряд других, которые могут использоваться и как реле напряжения.

Как выбрать электромагнитное реле

Рабочие напряжения и токи в обмотке реле должны находится в пределах допустимых значений. Уменьшение рабочего тока в обмотке приводит к снижению надежности контактирования, а увеличение к перегреву обмотки, снижению надежности реле при максимально-допустимой положительной температуре. Нежелательна даже кратковременная подача на обмотку реле повышенного рабочего напряжения, так как при этом возникают механические перенапряжения в деталях магнитопровода и контактных групп, а электрическое перенапряжение обмотки при размыкании ее цепи может вызвать пробой изоляции.

При выборе режима работы контактов реле необходимо учитывать значение и род коммутируемого тока, характер нагрузки, общее количество и частоту коммутации.

При коммутации активных и индуктивных нагрузок наиболее тяжелым для контактов является процесс размыкания цепи, так как при этом из-за образования дугового разряда происходит основной износ контактов.

Контакторы – это аппараты дистанционного действия, предназначенные для частых включений и отключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы.

Электромагнитный контактор представляет собой электрический аппарат, предназначенный для коммутации силовых электрических цепей. Замыкание или размыкание контактов контактора осуществляется чаще всего с помощью электромагнитного привода.

Классификация электромагнитных контакторов.

Общепромышленные контакторы классифицируются:

по роду тока главной цепи и цепи управления (включающей катушки) -постоянного, переменного, постоянного и переменного тока; 

по числу главных полюсов - от 1 до 5; 

по номинальному току главной цепи - от 1,5 до 4800 А; 

по номинальному напряжению главной цепи: от 27 до 2000 В постоянного тока; от 110 до 1600 В переменного тока частотой 50, 60, 500, 1000, 2400, 8000, 10 000 Гц; 

по номинальному напряжению включающей катушки: от 12 до 440 В постоянного тока, от 12 до 660 В переменного тока частотой 50 Гц, от 24 до 660 В переменного тока частотой 60 Гц; 

по наличию вспомогательных контактов - с контактами, без контактов. 

Контакторы также различаются по роду присоединения проводников главной цепи и цепи управления, способу монтажа, виду присоединения внешних проводников и т.п.

Указанные признаки находят отражение в типе контактора, который присвоен предприятием-изготовителем.

Нормальная работа контакторов допускается

при напряжении на зажимах главной цепи до 1,1 и цепи управления от 0,85 до 1,1 номинального напряжения соответствующих цепей;

при снижении напряжения переменного тока до 0,7 от номинального включающая катушка должна удерживать якорь электромагнита контак­тора в полностью притянутом положении и при снятии напряжения не удерживать его. 

Выпускаемые промышленностью серии электромагнитных контакторов рассчитаны на применение в разных климатических поясах, работу в различных условиях, определяемых местом размещения при эксплуатации, механическими воздействиями и взрывоопасностью окружающей среды и, как правило, не имеют специальной защиты от прикосновений и внешних воздействий.

Конструкция электромагнитных контакторов

Контактор состоит из следующих основных узлов: главных контактов, дугогасительной системы,  электромагнитной системы, вспомогательных контактов.

Главные контакты осуществляю замыкание и размыкание силовой цепи. Они должны быть рассчитаны на длительное проведение номинального тока и на производство большого числа включений и отключений при большой их частоте. Нормальным считают положение контактов, когда втягивающая катушка контактора не обтекается током и освобождены все имеющиеся механические защелки. Главные контакты могут выполняться рычажного и мостикового типа. Рычажные контакты предполагают поворотную подвижную систему, мостиковые – прямоходовую. 

Дугогасительные камеры контакторов постоянного тока построены на принципе гашения электрической дуги поперечным магнитным полем в камерах с продольными щелями. Магнитное поле в подавляюще большинстве конструкций возбуждается последовательно включенной с контактами дугогасительной катушкой.

Дугогасительная система обеспечивает гашение электрической дуги, которая возникает при размыкании главных контактов. Способы гашения дуги и конструкции дугогасительных систем определяются родом тока главной цепи и режимом работы контактора.

Электромагнитная система контактора обеспечивает дистанционное управление контактором, т. е. включение и отключение. Конструкция системы определяется родом тока и цепи управления контактора и его кинематической схемой. Электромагнитная система состоит из сердечника, якоря, катушки и крепежных деталей.

Электромагнитная система контактора может рассчитываться на включение якоря и удержание его в замкнутом положении или только на включение якоря. Удержание же его в замкнутом положении в этом случае осуществляется защелкой.

Отключение контактора происходит после обесточивания катушки под действием отключающей пружины, или собственного веса подвижной системы, но чаще пружины.

Вспомогательные контакты. Производят переключения в цепях управления контактора, а также в цепях блокировки и сигнализации. Они рассчитаны на длительное проведение тока не более 20 А, и отключение тока не более 5 А. Контакты выполняются как замыкающие, так и размыкающие, в подавляющем большинстве случаев мостикового типа.

Контакторы переменного тока выполняются с дугогасительными камерами с деионной решеткой. При возникновении дуга движется на решетку, разбивается на ряд мелких дуг и в момент перехода тока через ноль гаснет.

Электрические схемы контакторов, состоящие из функциональных токопроводящих элементов (катушки управления, главных и вспомогательных контактов), в большинстве случаев имеют стандартный вид и отличаются лишь количеством и видом контактов и катушек.

Важными параметрами контактора являются номинальные рабочие ток и напряжения.

Номинальный ток контактора - это ток, который определяется условиями нагрева главной цепи при отсутствии включения или отключения контактора. Причем, контактор способен выдержать этот ток три замкнутых главных контактах в течение 8 часов, а превышение температуры различных его частей не должно быть больше допустимой величины. При повторно-кратковременном режиме работы аппарата часто пользуются понятием допустимого эквивалентного тока длительного режима.

Напряжение главной цепи контактора - наибольшее номинальное напряжение, для работы при котором предназначен контактор. Если номинальные ток и напряжения контактора определяют для него максимально-допустимые условия применения в длительном режиме работы, то номинальные рабочий ток и рабочее напряжение определяются данными условиями эксплуатации. Так, номинальный рабочий ток - ток, который определяет применение контактора в данных условиях, установленных предприятием-изготовителем в зависимости от номинального рабочего напряжения, номинального режима работы, категории применения, типоисполнения и условий эксплуатации. А номинальное рабочее напряжение равно напряжению сети, в которой в данных условиях может работать контактор.

Контакторы должны выбираться по следующим основным техническим параметрам:

1) по назначению и области применения;

2) по категории применения;

3) по величине механической и коммутационной износостойкости;

4) по числу и исполнению главных и вспомогательных контактов;

5) по роду тока и величинам номинального напряжения и тока главной цепи;

6) по номинальному напряжению и потребляемой мощности включающих катушек;

7) по режиму работы;

8) по климатическому исполнению и категории размещения.

Контакторы постоянного тока предназначены для коммутации цепей постоянного тока и, как правило, приводятся в действие электромагнитом постоянного тока. Контакторы переменного тока предназначены для коммутации цепей переменного тока. Электромагниты этих цепей могут быть как переменного, так и постоянного тока.

Контакторы постоянного тока.

В настоящее время применение контакторов постоянного тока и соответственно новые их разработки их поэтому сокращаются. Контакторы постоянного тока выпускаются в основном на напряжение 22 и 440 В., токи до 630 А., однополюсные и двухполюсные.

Контакторы серии КПД 100Е предназначены для коммутирования главных цепей и цепей управления электроприводом постоянного тока напряжением до 220В.

Контакторы выпускаются на номинальные токи от 25 до 250 А.

Контакторы серии КПВ 600 предназначены для коммутации главных цепей электроприводов постоянного тока. Контакторы этой серии имеют два исполнения: с одним замыкающим главным контактом (КПВ 600) и с одним размыкающим главным контактом (КПВ 620).

Управление контакторами осуществляется от сети постоянного тока.

Контакторы выпускаются на номинальные токи от 100 до 630 А. Контактор на ток 100 А имеет массу 5,5 кг, на 630 А – 30 кг.

Контакторы переменного тока: КТ6000, КТ7000

КТ (КТП) - Х1  Х2  Х3  Х4  С  Х5 

Х1 - номер серии, 60, 70.

Х2 - величина контактора: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Х3 - число полюсов: 2, 3, 4, 5.

Х4 - дополнительное значение специфических особенностей сери: Б - модернизированные контакты; А - повышенная коммутационная способность при напряжении 660В.

С - контакты с металлокерамическими накладками на основе серебра. Отсутствие буквы означает, что контакты медные.

Х5 - климатическое исполнение: У3, УХЛ, Т3.

Контаткторы переменного тока строятся, как правило, трехполюсными с замыкающими главными контактами. Электромагнитные системы выполняются шихтованными, т. е. набранными из отдельных изолированных друг от друга пластин толщиной до 1 мм.  Катушки низкоомные с малым числом витков. Основную часть сопротивления катушки составляет ее индуктивное сопротивлние, которое зависит от величины зазора. Поэтому ток в катушке контактора переменного тока при разомкнутой системе в 5-10 раз превышает ток при замкнутой магнитной системе. Электромагнитная система контакторов переменного тока имеет короткозамкнутый виток на сердечнике для устранения гудения и вибрации.

В отличии от контакторов постоянного тока режим включения контакторов переменного тока более тяжел, чем режим отключения из за пускового тока асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Кроме этого наличие дребезга контактов при включении приводит в этих условиях к большому износу контактов. Поэтому борьба с дребезгом при включении здесь приобретает первостепенное значение.

Магнитные пускатели предназначены, главным образом, для дистанционного управления трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, а именно:

- для пуска непосредственным подключением к сети и остановки (отключения) электродвигателя (нереверсивные пускатели),

- для пуска, остановки и реверса электродвигателя (реверсивные пускатели). Кроме этого, пускатели в исполнении с тепловым реле осуществляют также защиту управляемых электродвигателей от перегрузок недопустимой продолжительности.

Магнитные пускатели открытого исполнения предназначены для установки на панелях, в закрытых шкафах и других местах, защищенных от попадания пыли и посторонних предметов.

Магнитные пускатели защищенного исполнения предназначены для для установки внутри помещений, в которых окружающая среда не содержит значительного количества пыли.

Магнитные пускатели пылебрызгонепроницаемого исполнения предназначены как для внутренних, так и для наружных установок в местах, защищенных от солнечных лучей и от дождя (под навесом).

Магнитный пускатель серии ПМЛ

Устройство магнитного пускателя

Магнитные пускатели имеют магнитную систему, состоящую из якоря и сердечника и заключенную в пластмассовый корпус. На сердечнике помещена втягивающая катушка. По направляющим верхней части пускателя скользит траверса, на которой собраны якорь магнитной системы и мостики главных и блокировочных контактов с пружинами.

Принцип работы пускателя прост: при подаче напряжения на катушку якорь притягивается к сердечнику, нормально-открытые контакты замыкаются, нормально-закрытые размыкаются. При отключении пускателя происходит обратная картина: под действием возвратных пружин подвижные части возвращаются в исходное положение, при этом главные контакты и нормально-открытые блокконтакты размыкаются, нормально-закрытые блокконтакты замыкаются.

Реверсивные магнитные пускатели представляют собой два обычных пускателя, укрепленных на общей основании (панели) и имеющем электрические соединения, обеспечивающие электрическую блокировку через нормально-замкнутые блокировочные контакты обоих пускателей, которая предотвращает включение одного магнитного пускателя при включенном другом.

Самые распространенные схемы включения нереверсивного и реверсивного магнитного пускателя смотрите здесь: Схемы включения магнитным пускателем асинхронного электродвигателя. В этих схемах предусмотрена нулевая защита с помощью нормально-открытого контакта пускателя, предотвращающая самопроизвольное включение пускателя при внезапном появлении напряжения.

Реверсивные пускатели могут также иметь механическую блокировку, которая располагается под основание (панелью) пускателя и также служит для предотвращения одновременного включения двух магнитных пускателей. При электрической блокировке через нормально-замкнутые контакты самого пускателя (что предусмотрено его внутренними соединениями) реверсивные пускатели надежно работают и без механической блокировки.

Реверсивный магнитный пускатель

Реверс электродвигателя при помощи реверсивного пускателя осуществляется через предварительную остановку, т.е. по схеме: отключение вращающегося двигателя - полная остановка - включение на обратное вращения. В этом случает пускатель может управлять электродвигателем соответствующей мощности.

В случае применения реверсирования или торможения электродвигателя противовключением его мощность должна быть выбрана ниже в 1,5 - 2 раза максимальной коммутационной мощности пускателя, что определяется состоянием контактов, т.е. их износоустойчивостью, при работе в применяемом режиме. В этом режиме пускатель должен работать без механической блокировки. При этом электрическая блокировка через нормально-замкнутые контакты магнитного пускателя обязательна.

Магнитные пускатели защищенного и пылебрызгонепроницаемого исполнений имеют оболочку. Оболочка пускателя пылебрызгонепроницаемого исполнения имеет специальные резиновые уплотнения для предотвращения попадания внутрь пускателя пыли и водяных брызг. Входные отверстия в оболочку закрыты специальными пробами с применением уплотнений.

Тепловые реле

Ряд магнитных пускателей комплектуется тепловыми реле, которые осуществляют тепловую защиту электродвигателя о перегрузок недопустимой продолжительности. Регулировка тока уставки реле - плавная и производится регулятором уставки путем поворота его отверткой. Здесь смотрите про устройство тепловых реле. В случае невозможности осуществления тепловой защиты в повторно-краковременном режиме работы следует применять магнитные пускатели без теплового реле. От коротких замыканий тепловые реле не защищают.

Тепловые реле

Монтаж магнитных пускателей

Для надежной работы монтаж магнитных пускателей должен производится на ровной, жестко укрепленной вертикальной поверхности. Пускатели с тепловым реле рекомендуется устанавливать при наименьшей разности температуры воздуха, окружающего пускатель и электродвигатель.

Что бы не допустить ложных срабатываний не рекомендуется устанавливать пускатели с тепловым реле в местах подверженных ударам, резким толчкам и сильной тряске (например, на общей панели с электромагнитными аппаратами на номинальные токи более 150 А), так как при включении они создают большие удары и сотрясения.

Для уменьшения влияния на работу теплового реле дополнительного нагрева от посторонних источников тепла и соблюдении требования о недопустимости температуры окружающего пускатель воздуха более 40о рекомендуется не размещать рядом с магнитными пускателями аппараты теплового действия (реостаты и т.д.) и не устанавливать их с тепловым реле в верхних, наиболее нагреваемых частях шкафов.

При присоединении к контактному зажиму магнитного пускателя одного проводника его конец должен быть загнут в кольцеобразную или П-образную форму (для предотвращения перекоса пружинных шайб этого зажима). При присоединении к зажиму двух проводников примерно равного сечения их концы должны быть прямыми и распологаться по обе стороны от зажимного винта.

Присоединяемые концы медных проводников должны быть залужены. Концы многожильных проводников перед лужением должны быть скручены. В случае присоединения алюминиевых проводов их концы должны быть зачищены мелким надфилем под слоем смазки ЦИАТИМ или технического вазелина и дополнительно покрыты после зачистки кварцевазилиновой или цинко-вазелиновой пастой. Контакты и подвижные части магнитного пускателя смазывать нельзя.

Перед пуском магнитного пускателя необходимо произвести его наружный осмотр и убедится в исправности всех его частей, а также в свободном передвижении всех подвижных частей (от руки), сверить номинальное напряжение катушки пускателя с напряжением, подаваемым на катушку, убедится, что все электрические соединения выполнены по схеме.

При использовании пускателей в реверсивных режимах, нажав от руки подвижную траверсу до момента соприкосновения (начало замыкания) главных контактов, проверить наличие раствора нормально-замкнутых контактов, что необходимо для надежной работы электрической блокировки.

У включенного магнитного пускателя допускается небольшое гудение электромагнита, характерное для шихтованных магнитных систем переменного тока.

Магнитный пускатель серии ПМ12

Уход за магнитными пускателями в процессе эксплуатации

Уход за пускателями должен заключаться, прежде всего, в защите пускателя и теплового реле от пыли, грязи и влаги. Необходимо следить, чтобы винты контактных зажимов были плотно затянуты. Надо также проверять состояние контактов.

Контакты современных магнитных пускателей особого ухода не требуют. Срок износа контактов зависит от условий и режима работы пускателя. Зачистка контактов пускателей не рекомендуется, так как удаление контактного материала при зачистке приводит к уменьшению срока службы контактов. Только в отдельных случаях сильного оплавления контактов при отключении аварийного режима электродвигателя допускается их зачистка мелким надфилем.

При появлении после длительной эксплуатации магнитного пускателя гудения, носящего, характер дребезжания, необходимо чистой ветошью очистить от грязи рабочие поверхности электромагнита, проверить наличие воздушного зазора, а также проверить отсутствие заеданий подвижных частей и трещин на короткозамкнутых витках, расположенных на сердечнике.

При разборке и последующей сборке магнитного пускателя следует сохранять взаимное расположение якоря и сердечника, бывшее до разборки, так как их приработавшиеся поверхности способствуют устранению гудения. При разборках магнитных пускателей необходимо чистой и сухой ветошью протирать пыль с внутренних и наружных поверхностей пластмассовых деталей пускателя.

Тема №3.

Чтение чертежей и схем. (Электронный учебник по черчению http://engineering-graphics.spb.ru/book.php?page=menu)

Назначение и роль чертежей в технике.

Чертежом детали называется изображение детали, на котором нанесены все размеры, необходимые для ее изготовления и контроля, указаны данные о материале, шероховатости поверхностей и технические требования.

Деталь на рабочем чертеже обычно изображают в законченном виде, т. е. такой, какой она должна поступать на сборку. По таким чертежам разрабатывается весь технологический процесс изготовления детали и составляются технологические карты, на которых детали изображают в промежуточных стадиях изготовления.

Основная цель чертежа — показать все сведения, необходимые для изготовления детали.

В современном производстве в изготовлении каждой детали участвуют работники различных профессий. Каждый производственник при чтении одного и того же чертежа выясняет в нем то, что ему нужно, и определяет свое участие в изготовлении детали. Например, перед изготовлением простой детали из листового материала технолог и рабочий по чертежу устанавливают наиболее рациональный раскрой материала, определяют пути экономии материала, устанавливают последовательность разметки и т. д.

Требования производства к чертежам деталей.

Качество каждого производственного чертежа оценивают по тому, насколько он соответствует требованиям производства. Общие требования производства к чертежу детали, например точеной, литой, гнутой, листовой и т. д., заключается в следующем:

- на чертеже деталь должна быть изображена в минимальном, но достаточном для уяснения формы количестве видов, разрезов и сечений, с применением только таких условных изображений, которые установлены стандартами;

- на чертеже должна быть обозначена шероховатость поверхностей детали и нанесены геометрически полно и конструктивно правильно все необходимые размеры;

- на чертеже должны содержаться необходимые технические требования, отражающие особенности детали: материал и показатели его свойства, покрытие, предельные отклонения размеров, допуски формы и расположения поверхностей и др.

Таким образом, первое основное требование относится к форме детали, второе связано с простановкой и нанесением размеров, третье относится к техническим требованиям.

Понятие о ЕСКД (единой конструкторской документации).

Единая система конструкторской документации (ЕСКД) - это комплекс государственных стандартов, устанавливающий единые взаимосвязанные правила и положения по составлению, оформлению и обращению конструкторской документации, разрабатываемой промышленными предприятиями, научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями.

ЕСКД устанавливает:

а) основные виды изделий машиностроительной и других отраслей промышленности  (деталь, сборочная единица, комплекс, комплект);

б) виды  конструкторских документов   (чертеж детали,  сборочный чертеж, монтажный чертеж, схема, спецификация и др.);

в) стадии разработки конструкторской документации от технического задания до рабочей документации;

г) требования к текстовым документам;

д) общие правила выполнения чертежей (форматы, масштабы, шрифты   чертежные,   изображения   видов,   разрезов,   сечений и т. п.);

е) условные   обозначения резьб, болтов, гаек, зубчатых колес, реек, пружин и других деталей.

Положения ЕСКД, установленные на основные виды изделий:

- Деталь — это изделие, выполненное из однородного материала без применения сборочных операций (например, болт, гайка, вал, втулка).

- Сборочная единица — изделие, составные части которого соединяются между собой в процессе сборки с помощью резьбы, пайки, сварки и т. п. (например, редуктор).

- Комплекс — два и более изделия, предназначенных для выполнения взаимосвязанных функций (например, технологическая линия).

- Комплект — это набор из двух и более изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (комплект запасных частей, комплект инструментов и принадлежностей).

Весь комплекс стандартов ЕСКД направлен на улучшение качества проектируемых изделий, на снижение трудоемкости конструкторского труда. Установленные ЕСКД рациональные формы конструкторских документов и чертежей позволяют значительно сократить затраты труда на их выполнение.

ЕСКД создает условия для взаимного обмена конструкторской документацией между различными предприятиями и организациями, повышает эффективность совместных проектно-конструкторских работ со странами Евросоюза, увеличивает возможность применения средств механизации и автоматизации при разработке конструкторской документации.

Основные  требования   к  чертежу  сводятся   к  следующему:

1. Чертеж детали должен содержать минимальное, но достаточное для уяснения ее формы количество видов,  разрезов  и сечений, выполненных с применением только таких условных изображений, которые установлены стандартами.

2. На чертеже должна быть обозначена шероховатость поверхности и нанесены геометрически   полно и технологически правильно все необходимые размеры.

3. Чертеж должен содержать необходимые технические требования, отражающие особенности детали: материал и показатели его свойств, покрытие, предельные отклонения размеров, геометрической формы и расположения поверхностей.

Главное изображение и его расположение на чертеже.

При чтении чертежа надо найти главное изображение, которое дает наиболее полное представление об изделии (детали, сборочной единице), т. е. содержит наибольшую информацию, тогда по другим изображениям легче будет понять отдельные элементы изделия, не раскрытые из главного.

Для удобства чтения чертежа главное изображение, как правило, должно соответствовать расположению изделия при выполнении основной операции технологического процесса его изготовления или сборки, а расположение изделий, имеющих явно выраженные верх и низ (станина станка, корпус редуктора, стол, транспортные средства и т. п.), должно соответствовать их нормальному положению в эксплуатации. Рассмотрим главное изображение на чертежах типовых деталей.

Детали, имеющие форму тела вращения (валики, оси, штуцера, втулки, пробки), обычно изображают горизонтально, т. е. параллельно основной надписи чертежа . Такое изображение обусловлено положением детали при ее обработке на станке. Учитывая, что при обработке рабочий будет видеть деталь на станке, как правило, в горизонтальном положении, главное изображение на чертеже располагают тоже горизонтально. На рис. 13, б показано расположение изображения, менее удобное для чтения.

Более прогрессивными технологическими процессами изготовления деталей этой группы являются процессы, исключающие механическую обработку. Однако при изготовлении оснастки (формы, штампа), требующей механической обработки, чертеж с изображением детали в горизонтальном положении будет также удобней при чтении. Корпуса, фланцы, крышки и другие подобные детали, изготовляемые обычно литьем с последующей механической обработкой (фрезерование, строгание и т. д.), принято изображать таким образом, чтобы основная обработанная плоскость детали (обычно привалочная) располагалась горизонтально относительно основной надписи чертежа .

Такое положение детали обычно совпадает с ее рабочим положением в конструкции, причем основная плоскость, как правило, служит базой для отсчета размеров. Чертеж с изображением детали в таком положении будет более удобен для чтения модельщику, литейщику, разметчику, чем чертеж, показанный на рис. 13, г. Плоские детали, изготовленные, например, из листового материала, изображают на чертежах таким образом, чтобы ось симметрии была горизонтальной или вертикальной. Если плоская деталь несимметричной формы имеет одну прямолинейную кромку, две или три взаимно перпендикулярные кромки, то на главном изображении их следует располагать в вертикальном или горизонтальном положении относительно основной надписи чертежа.

Для деталей сложной формы с криволинейным очертанием контура целесообразно одно из найденных направлений замера наивыгоднейших габаритных размеров располагать горизонтально. Вторую проекцию для плоских деталей из листового материала на чертежах обычно не дают, так как толщину узнают из обозначения материала, например в обозначении Лист цифра 2 указывает на толщину в мм.

Кроме того, рядом с изображением на полке линии-выноски помещают надпись s2* (для справки), которая помогает установить тип детали. Поскольку на чертеже может быть не одно, а два, три и больше изображений, то для удобства его чтения небезразлично, где расположено главное изображение. ГОСТ 2.305—68 устанавливает общие правила расположения изображений на чертеже.

Для чертежа, состоящего из трех изображений, главное располагается в левой верхней четверти поля чертежа.

Варианты расположения главного изображения при двух проекциях показаны на рис. 14, б и в, при четырех — на рис. 14, г и д.

При выборе главного изображения учитывают формообразование, основную особенность и назначение детали. Другие изображения для этих деталей будут только уточнять отдельные элементы (ребра, основания, расположение отверстий и т. п.) основных элементов, достаточно понятных из главного изображения.

Количество изображений.

Количество изображений (видов, разрезов, сечений) должно быть наименьшим, но обеспечивающим полное представление о предмете при применении установленных в соответствующих стандартах условных обозначений, знаков и надписей.

Форматы и масштабы.

Основные форматы
Размеры сторон листа, мм	Потребительское обозначение формата бумаги по ГОСТ 9327–60
210×297	А4
297×420	A3
420×594	А2
594×841	А1
841×1189	А0
Масштабы чертежей по ГОСТ 2.302-68
Масштабы  уменьшения — 1 : 2; 1 : 2,5; 1 : 4; 1 : 5; 1 : 10; 1 : 15; 1 : 20; 1 : 25; 1 : 50; 1 : 75; 1 : 100; 1 : 200; 1 : 400; 1 : 500; 1 : 800; 1 : 1000. Масштабы увеличения — 2 : 1; 2,5 : 1; 4 : 1; 5 : 1; 10 : 1; 20 : 1; 40 :1; 50 : 1; 100 : 1.

Размеры на чертежах.

Для определения величины изображенного изделия и его элементов служат размерные числа, нанесенные на чертеже.

Исключение составляют случаи, предусмотренные в ГОСТ 2.414-75; ГОСТ 2.417-78; ГОСТ 2.419-68, когда величину изделия или его элементов определяют по изображениям, выполненным с достаточной степенью точности.

Требуемая точность изделия при изготовлении задается указанием на чертеже предельных отклонения размеров, а также предельных отклонений формы и расположения поверхностей.

Общее количество размеров на чертеже должно быть минимальным, но достаточным для изготовления и контроля изделия.

Справочные размеры на чертеже отмечают знаком «*», а в технических требованиях записывают: «* Размеры для справок». Если все размеры на чертеже справочные, их знаком «*» не отмечают, а в технических требованиях записывают: «Размеры для справок». 

На чертежах изделий у размеров, контроль которых технически затруднен; наносят знак «*», а в технических требованиях помещают надпись «Размеры обеспеч. инстр.». Указанная надпись означает, что выполнение заданного чертежом размера с предельным отклонением должно гарантироваться размером инструмента или соответствующим технологическим процессом.

Не допускается повторять размеры одного и того же элемента на разных изображениях, в технических требованиях, основной надписи и спецификации. Исключение составляют справочные размеры (перенесенные с чертежей изделий-заготовок, размеры деталей (элементов) из сортового, фасонного, листового и др.проката).

Линейные размеры на чертежах и их предельные отклонения на чертежах и в спецификациях указывают в миллиметрах, без обозначения единицы измерения. Если на чертеже размеры необходимо указать не в миллиметрах, а в других единицах измерения (сантиметрах, метрах и т.д.), то соответствующие размерные числа записывают с обозначением единицы измерения (см, м) или указывают их в технических требованиях.

Размеры на чертежах ГОСТ 2.307-68 указывают размерными числами (в мм) и размерными линиями. Общее количество размеров на чертеже должно быть минимальным, но достаточным для изготовления изделия. Не допускается повторять размеры одного и того же элемента на разных изображениях.

Размеры наносят от общей базы

от нескольких баз

цепочкой

Не допускается наносить размеры на чертежах в виде замкнутой цепи, за исключением случая, когда один размер указан как справочный (со звездочкой).

В случае, если деталь или элемент детали симметричны размер ставится относительно оси симметрии:

Для размеров  чертежей и предельных отклонений, приводимых в технических требованиях и пояснительных надписях на поле чертежа, обязательно указывают единицы измерения.

Угловые размеры чертежей и предельные отклонения угловых размеров указывают в градусах, минутах и секундах с обозначением единицы измерения, например: 4°;

Размерные и выносные линии следует выполнять сплошными тонкими линиями. Размерные линии ограничены стрелками. Величина стрелок выбирается в зависимости от толщины S линии видимого контура предмета  и должна быть приблизительно одинакова для всех размерных линий чертежа.

При нанесении размера на чертеже угла размерную линию проводят в виде дуги с центром в его вершине, а выносные линии - радиально

При нанесении размеров нужно помнить, что на всех чертежах не зависимо от масштаба указываются действительные размеры изделия.

Размерные числа в пределах одного чертежа выполняют шрифтом одного размера. Размерные числа наносят над размерной линией возможно ближе к её середине. При нанесении нескольких параллельных или концентричных размерных линий на небольшом расстоянии друг от друга размерные числа над ними рекомендуется располагать в шахматном порядке

Правила нанесения выносных и размерных линий и размерных чисел.

При нанесении размера диаметра внутри окружности размерные числа смещают относительно середины размерных линий.  Если необходимо нанести размер в заштрихованной зоне, соответствующее размерное число наносят на полке линии-выноски

Стрелки, ограничивающие размерные линии должны упираться острием в соответствующие линии контура, или выносные, или осевые линии.

Выносные линии должны выходить за концы размерных стрелок на 1...5 мм

Минимальное расстояние между параллельными размерными линиями должно быть 7 мм, а между размерной и линией контура - 10 мм и выбраны в зависимости от размеров изображения и насыщенности чертежа .

Необходимо избегать пересечения размерных и выносных линий.

Не допускается использовать линии контура, осевые, центровые и выносные линии в качестве размерных.

Допускается проводить размерные линии непосредственно к линиям видимого контура, осевым, центровым и другим линиям.

Выносные линии проводят от линии видимого контура, за исключением случаев, когда при нанесении размеров на невидимом контуре отпадает необходимость в вычерчивании дополнительного изображения. 

Если вид или разрез симметричного предмета или отдельных симметрично расположенных элементов изображают только до оси симметрии или с обрывом, то размерные линии, относящиеся к этим элементам, проводят с обрывом, и обрыв размерной линии делают дальше оси или линии обрыва предмета (рис.18).

Размеры на чертежах. Размерные линии допускается проводить с обрывом в следующих случаях:

а) при указании размера диаметра окружности независимо от того, изображена ли окружность полностью или частично, при этом обрыв размерной линии делают дальше центра окружности

б)  при нанесении размеров от базы, не изображенной на данном чертеже

При изображения изделия с разрывом размерную линию не прерывают

При недостатке места для стрелок на размерных линиях, расположенных цепочкой, стрелки допускается заменить засечками, наносимыми под углом 45° к размерным линиям или четко наносимыми точками.

При недостатке места для стрелки из-за близко расположенной контурной или выносной линии последние допускается прерывать.

Способ нанесения размерного числа при различных положениях размерных линий (стрелок) на чертеже определяется наибольшим удобством чтения.

Специальные размеры чертежей.

Уклон - это наклон одной линии относительно другой; измеряется отношением катетов прямоугольного треугольника CB : AB = 1 : 5.

Конусность - это отношение диаметра конуса к его высоте k = ( D - d ) / L. Конусность и уклон выражаются отношением двух чисел или в процентах.

Сопряжение - это плавный переход от одной линии к другой с помощью сопрягающей дуги.

Построить сопряжение - это значит найти центры сопрягаемых дуг и точки сопряжения.

Существует огромное количество различных сопряжений, применяемых при описании плоских деталей.

Основные правила таких сопряжений даны во многих учебниках и справочниках по черчению.

В автоматизированных системах такие сопряжения выполняются автоматически.

Обозначение резьб.

На чертежах метрическая резьба обозначается буквой М, после которой пишется величина наружного диаметра резьбы, например М20, далее может быть указан мелкий шаг резьбы, например М20х1,5. Если после величины наружного диаметра не указывается величина шага резьбы, то это означает, что резьба имеет крупный шаг. Величина шага резьбы выбирается по ГОСТу (рис. 208).

Основные надписи на чертежах.

Основные надписи располагают в правом нижнем углу конструкторских документов.

На листах формата А4 по ГОСТ 2.301-68 основные надписи располагаются вдоль короткой стороны листа.

Таблица изменений в основной надписи при необходимости  может продолжаться вверх или влево от основной надписи (при наличии графы 33 - влево от нее).

При расположении таблицы изменений слева от основной надписи наименование граф 14-18 повторяют.

Расположение дополнительных граф показано в приложении 1.

Для быстрого нахождения на чертеже (схеме) составной части изделия или его элемента рекомендуется разбивать поле чертежа (схемы) на зоны. Отметки, разделяющие чертеж (схему) на зоны, рекомендуется наносить на расстоянии, равном одной из сторон формата А4 (рис. 1 и 2 приложения 2).

Отметки наносят:

по горизонтали - арабскими цифрами справа налево;

по вертикале - прописными буквами латинского алфавита снизу вверх.

Зоны обозначаются сочетанием цифр и букв, например: 1А, 2А, 3А, 1В, 2В, 3В и т.д.

6. На чертежах (схемах) с одним обозначением, выполненных на нескольких листах, нумерация зон по горизонталь должна быть сквозной в пределах всех листов.

7. В графах основной надписи и дополнительных графах (номер граф на форме показаны в скобках) указывают:

в графе 1 - наименование изделия (в соответствии с требованиями ГОСТ 2.109-73), а также наименование документа, если этому документу присвоен код. Для изделия народнохозяйственного назначения допускается не указывать название документа, если его код определен ГОСТ 2.102-68, ГОСТ 2.601-68, ГОСТ 2.602-68, ГОСТ 2.701-84;

в графе 2 - обозначение документа;

в графе 3 - обозначение материала детали (графу заполняют только на чертежах деталей);

в графе 4 - литеру, присвоенную документу (графу заполняют последовательно, начиная с крайней левой клетки);

Допускается для изделий народнохозяйственного назначения в рабочей конструкторской документации литеру проставлять только в спецификациях и технических условиях;

в графе 5 - массу изделия по ГОСТ 2.109-73;

в графе 6 - масштаб (проставляется в соответствии с ГОСТ 2.302-68 и ГОСТ 2.109-73);

в графе 7 - порядковый номер листа (на документах состоящих из одного листа, графу не заполняют);

в графе 8 - общие количество листов (графу заполняют только на первом листе);

в графе 9 - наименование или различительный индекс предприятия, выпускающего документ (графу не заполняют если различительный индекс содержится в обозначении документа);

в графе 10 - характер работы, выполняемой лицом, подписывающим документ, в соответствии с формами 1 и 2. Свободную строку заполняют по усмотрению разработчика, например: "Начальник отдела", "Начальник лаборатории", "Рассчитал";

в графе 11 - фамилия лиц, подписавших документ:

в графе 12 - подписи лиц, фамилии которых указаны в графе 11.

Подписи лиц, разработавших данный документ и ответственные за нормоконтроль, являются обязательными.

При отсутствии титульного листа допускается подпись лица, утвердившего документ, размещать на свободном поле первого или заглавного листа документа в порядке, установленном для титульных листов по ГОСТ 2.105 -79.

Если необходимо на документе наличие визы должностного лица, то их размещают на поле для подшивки первого или заглавного листа документа;

в графе 13 - дату подписания документа;

в графе  14 - 18 - графы таблицы изменения, которые заполняются в соответствии с требованиями ГОСТ 2.503-74;

в графе 19 - инвентарный номер подлинника по ГОСТ 2.501-88;

в графе 20 - подпись лица, принявшего подлинник в отдел (бюро) технической документации, и дату приемки;

в графе 21 - инвентарный номер подлинника, взамен которого выпущен данный подлинник по ГОСТ 2.503-74;

в графе 22 - инвентарный номер дубликата по ГОСТ 2.502-68;

в графе 23 - подпись лица, принявшего дубликат в отдел (бюро) технической документации, и дату приемки;

в графе 24 - обозначение документа, взамен или на основании которого выпущен данный документ. Допускается также использовать графу для указания обозначения документа аналогичного изделия, для которого ранее изготовлена технологическая оснастка, необходимая для данного изделия;

в графе 25 - обозначение соответствующего документа, в котором впервые записан данный документ;

в графе 26 - обозначение документа, повернутое на 180^о для формата А4 и для формата больше А4 при расположении основной надписи вдоль длинной стороны листа и на 90^о для формата больше А4 при расположении основной надписи вдоль короткой стороны листа;

в графе 27 - знак, установленный заказчиком в соответствии с требованиями нормативно-технической документации и проставляемый представителем заказчика;

в графе 28 - номер решения и год утверждения документации соответствующей литере;

в графе 29 - номер решения и год утверждения документации;

в графе 30 - индекс заказчика в соответствии с нормативно-технической документацией;

в графе 31 - подпись лица, копировавшего чертеж;

в графе 32 - обозначение формата листа по ГОСТ 2.301-68;

в графе 33 - обозначение зоны, в которой находится измененная часть изделия;

в графе 34 - номера авторских свидетельств на изобретения, использованные в данном изделии.

Примечание:

1. Графа 26 на форме 2а является обязательной только для чертежей и схем.

2. Графы выполненные штриховой линией, вводят при необходимости. Графы 27-30 обязательны для документов, утверждаемых заказчиком.

3. При использовании для последующих листов чертежей и схем формы 1 графы 1, 3, 4, 5, 6, 9 не заполняются.

Обозначение материалов, шероховатости поверхности деталей, предельных отклонений от номинальных размеров и др.

Графическое обозначение материала в сечениях и на виде - штриховка, выполняемая тонкими сплошными линиями. Форма штриховки в соответствии с ГОСТ 2.306-68 дает представление о материале из которого сделана деталь.

Обозначения графические материалов в сечениях

 Графическое обозначение материалов в сечениях в зависимости от вида материалов должно соответствовать приведенным в табл. 1.

Таблица 1. Графическое обозначение материалов в сечениях

Материал	Обозначение
1. Металлы и твердые сплавы (Общее графическое обозначение материалов в сечениях независимо от вида материала должно соответствовать)
2. Неметаллические материалы, в том числе волокнистые монолитные и плитные (прессованные), за исключением указанных ниже
3. Древесина
4. Камень естественный
5. Керамика и силикатные материалы для кладки
6. Бетон
7. Стекло и другие светопрозрачные материалы
8. Жидкости
9. Грунт естественный

Примечание:

Композиционные материалы, содержащие металлы и неметаллические материалы, обозначаются как металлы.

Графическое обозначение п.3 следует применять, когда нет необходимости указывать направление волокон.

Графическое обозначение п.5 следует применять для обозначения кирпичных изделий (обожженных и необожженных), огнеупоров, строительной керамики, электротехнического фарфора, шлакобетонных блоков и т.п.

Обозначения графические материалов на видах

 При выделении материалов и изделий на виде (фасаде) графические обозначения их должны соответствовать указанным в табл. 2.

Таблица 2. Графическое обозначение материалов на виде (фасаде)

Материал	Обозначение
1. Металлы
2. Сталь рифленая
3. Сталь просечная
4. Кладка из кирпича строительного и специального, клинкера, керамики, терракоты, искусственного и естественного камней любой формы и т.п.
5. Стекло

Примечание:

Для уточнения разновидности материала, в частности, материалов с однотипным обозначением, графическое обозначение следует сопровождать пояснительной надписью на поле чертежа.

Обозначение материалов на виде (фасаде) допускается наносить не полностью, а только небольшими участками по контуру или пятнами внутри контура.

Шероховатость поверхности обозначают на чертеже для всех выполняемых по данному чертежу поверхностей  изделия, независимо от методов их образования, кроме поверхностей, шероховатость которых не обусловлена требованиями конструкции.

Структура обозначения шероховатости поверхности приведена на рис. 1.

При применении знака без указания параметра и способа обработки его изображают без полки.

Рисунок 1. Структура обозначения шероховатости поверхности

Рисунок 2. Обозначение шероховатости поверхности без указания способа обработки

Рисунок 3. Обозначение шероховатости поверхности при образовании которой обязательно удаление слоя материала

Рисунок 4. Обозначение шероховатости поверхности при образовании которой осуществляется без удаление слоя материала

В обозначении шероховатости поверхности применяют один из знаков, изображенных на рисунках 2-4.

Высота h должна быть приблизительно равна применяемой на чертеже высоте цифр размерных чисел. Высота Н равна (1,5…5) h. Толщина линий знаков должна быть приблизительно равна половине толщины сплошной линии, применяемой на чертеже.

В обозначении  шероховатости  поверхности,  способ  обработки  которой  конструктором    не устанавливается, применяют знак (рис.2).

В обозначении   шероховатости   поверхности,   которая   должна   быть   образованна   только удалением слоя материала, применяют знак (рис.3).

В обозначении  шероховатости  поверхности, которая  должна быть образованна без удаления слоя материала, применяют знак (рис.4) с указанием значения параметра шероховатости.

Поверхности  детали, изготовляемой  из материала определенного  профиля и размера, не подлежащие по данному чертежу дополнительной обработке, должны быть отмечены знаком (рис.4) без указания параметра шероховатости.

Состояние поверхности, обозначенной знаком (рис.4) должно соответствовать требованиям, установленным соответствующим стандартом или техническими условиями, или другим документом. Причем на этот документ должна быть приведена ссылка, например, в виде указания сортамента материала в графе 3 основной надписи чертежа по ГОСТ 2.104-68.

Значение параметра шероховатости по ГОСТ 2789-73 указывают в обозначении шероховатости после соответствующего символа, например: Rа0.4, Rmax6.3;  Sm0.63; t5070; S0,032; Rz50.

Примечание. В примере t50 70 указана относительная опорная длина профиля tp = 70 % при уровне сечения профиля р = 50 %,

При указании наибольшего значения параметра шероховатости в обозначении приводят параметр шероховатости без предельных отклонений, например:	,
При указании наименьшего значения параметра шероховатости после обозначения параметра следует указывать «min», например:	,

При указании диапазона значений параметра шероховатости поверхности в обозначении шероховатости приводят пределы значений параметра, размещая их в две строки, например:

Ra	0,8	;	Rz	0,10	;	Rmax	0,80	;	t50	70
	0,4			0,05			0,32			50	и т.п.

В верхней строке приводят значение параметра, соответствующее более грубой шероховатости.

При указании номинального значения параметра шероховатости поверхности в обозначении приводят это значение с предельными отклонениями по ГОСТ 2789-73, например:

Ra 1 + 20 %; Rz 100 –10 % ; Sm 0,63 +20 %; t50 70 ± 40 % и т. п.

При указании двух и более параметров шероховатости поверхности в обозначении шероховатости значения параметров записывают сверху вниз в следующем порядке (см. рис.5):

параметр высоты неровностей профиля,
параметр шага неровностей профиля,
относительная опорная длина профиля.

При нормировании требований к шероховатости поверхности параметрами Ra, Rz, Rmax базовую длину в обозначении шероховатости не приводят, если она соответствует указанной в приложении 1 ГОСТ 2789-73 для выбранного значения параметра шероховатости.

Условные обозначения направления неровностей должны соответствовать приведенным в таблице 4. Условные обозначения направления неровностей приводят на чертеже при необходимости.

Высота знака условного обозначения направления неровностей должна  приблизительно равна h. Толщина линий знака должна быть приблизительно равна половине толщины сплошной основной линии.

Таблица 4. Тип направление неровностей, изображение и обозначение.

Схематичное изображение	Обозначение

Рисунок 6. Пример указания вида обработки поверхности	Вид обработки поверхности указывают в обозначении шероховатости только в случаях, когда он является единственным, применимым для получения требуемого качества поверхности (рис.6). Допускается применять упрощенное обозначение шероховатости поверхностей с разъяснением его в технических требованиях чертежа по примеру, указанному на рисунке 7. В упрощенном обозначении используют знак  и сточные буквы русского алфавита в алфавитном порядке, без повторений и,  как правило, без пропусков. Если направления измерения шероховатости должно отличатся от предусмотренного ГОСТ 2789-73, его указывают на чертеже по примеру, приведенному на рис.8.
Рисунок 7. Пример упрощенного обозначения шероховатости поверхностей
Рисунок 8. Пример указания направления измерения шероховатости поверхности.

Предельные отклонения размеров следует указывать непосредственно после номинальных размеров. Предельные отклонения линейных и угловых размеров относительно низкой точности допускается не указывать непосредственно после номинальных размеров, а оговаривать общей записью в технических требованиях чертежа при условии, что эта запись однозначно определяет значения и знаки предельных отклонений.

Общая запись о предельных отклонениях размеров с неуказанными допусками должна содержать условные обозначения предельных отклонений линейных размеров в соответствии с ГОСТ 25346-89 (для отклонений по квалитетам) или по ГОСТ 25670-83 (для отклонений по классам точности). Симметричные предельные отклонения, назначаемые по квалитетам, следует обозначать  ±IT/2 с указанием номера квалитета.

Обозначения односторонних предельных отклонений по квалитетам, назначаемых только для круглых отверстий и валов (вариант 4 по ГОСТ 25670-83) дополняются знаком диаметра (Æ ).

Примеры общих записей в технических требованиях, соответствующие вариантам по ГОСТ 25670-83 для 14 квалитета и (или) класса точности «средний», приведены в табл. 1:

Таблица 1

Номер варианта	Пример записи условными обозначениями
1.	H14, h14, ±t2/2 или H14, h14, ±IT14/2
2.	+t2, -t2, ±t2/2
3.	±t2/2 или ±IT14/2
4.	ÆH14, Æh14, ±t2/2 или Æ H14, Æ h14, ±IT14/2

Примечание:

1. Допускается записи о неуказанных предельных отклонениях размеров дополнять поясняющими словами, например, «Неуказанные предельные отклонения размеров: H14, h14, ±t2/2».

2.  Если технические требования на чертеже состоят из одного пункта, содержащего запись о неуказанных предельных отклонениях размеров, или эта запись приводиться в текстовых документах, то она должна обязательно сопровождаться поясняющими словами, например, «Неуказанные предельные отклонения размеров ±t2/2».

Предельные отклонения линейных размеров указывают на чертежах условными обозначениями полей допусков в соответствии с ГОСТ 25346-89, например: 18H7, 12e8 или числовыми значениями, например: , ,  или условными обозначениями полей допусков с указанием справа в скобках их числовых значений, например: , .       

При указании предельных отклонений условными обозначениями обязательно и указание их числовых значений в следующих случаях:

а) при назначении предельных отклонений (установленных стандартами на допуски и посадки) размеров, не включенных в ряды нормальных линейных размеров по ГОСТ6636-69, например: 41,5 Н7(+0,025);

б) при назначении предельных отклонений, условные обозначения которых не предусмотрены в ГОСТ 25347-82, например, для пластмассовой детали с предельными отклонениями по ГОСТ 25349-88 (рис. 61);

Рисунок 61. Пример обозначения предельных отклонений для пластмассовых изделий

в) при назначении предельных отклонений размеров уступов с несимметричным полем допуска (рис. 62, 63);

Рисунок. 62. Пример обозначения уступов с несимметричным допуском

Рисунок. 63. Пример обозначения уступов с несимметричным допуском

Предельные отклонения угловых размеров указывают только числовыми значениями (рис. 64).

Рисунок 64. Пример обозначения предельных отклонений угловых размеров

При записи предельных отклонений числовыми значениями верхние отклонения помещают над нижними. Предельные отклонения, равные нулю, не указывают, например: , , , .

При симметричном расположении поля допуска абсолютную величину отклонений указывают один раз со знаком ±; при этом высота цифр, определяющих отклонения, должна быть равна высоте шрифта номинального размера, например: 60±0,23.

Предельные отклонения, указываемые числовыми значениями, выраженными десятичной дробью, записывают до последней значащей цифры включительно, выравнивая количество знаков в верхнем и нижнем отклонении добавлением нулей.

Предельные отклонения размеров деталей, изображенных на чертеже в сборе, указывают одним из следующих способов:

а) в виде дроби, в числителе которой указывают условное обозначение поля допуска отверстия, а в знаменателе - условное обозначение поля допуска вала (рис. 65а);

б) в виде дроби, в числителе которой указывают числовые значения предельных отклонений отверстия, а в знаменателе - числовые значения предельных отклонений вала (рис. 65б);

 в виде дроби, в числителе которой указывают условное обозначение поля допуска отверстия с указанием справа в скобках его числового значения, а в знаменателе - условное обозначение поля допуска вала с указанием справа в скобках его числового значения (рис. 65в).

а)	б)	в)
Рисунок 65. Пример нанесение предельных отклонений размеров детали, изображенных на чертеже в сборе

в) в виде записи, в которой указывают предельные отклонения только одной из сопрягаемых деталей. В этом случае необходимо пояснить, к какой детали относятся эти отклонения (рис. 66).

Рисунок 66. Пример нанесение предельных отклонений размеров детали, изображенных на чертеже в сборе

Когда для участков поверхности с одним номинальным размером назначают разные предельные отклонения, границу между ними наносят сплошной тонкой линией, а номинальный размер указывают с соответствующими предельными отклонениями для каждого участка отдельно (рис. 67а). Через заштрихованную часть изображения линию границы между участками проводить не следует (рис. 67б).

а)	б)
Рисунок 67. Пример обозначения участков поверхности с одинаковым номинальным размером и разными предельными отклонениями

Если необходимо ограничить колебания размера одинаковых элементов одной детали в пределах части поля допуска (рис.68а) или необходимо ограничить величину накопленной погрешности расстояния между повторяющимися элементами (рис.68б), то эти данные указывают в технических требованиях.

а)	б)
Рисунок 68. Пример ограничения колебания размера одинаковых элементов или накопленной погрешности

Когда необходимо указать только один предельный размер (второй ограничен в сторону увеличения или уменьшения каким-либо условием), после размерного числа указывают соответственно max или min (рис. 69).

Рисунок 69. Примеры обозначения одного предельного размера

Указывать предельные размеры допускается также на сборочных чертежах для зазоров, натягов, мертвых ходов и т. п., например: «Осевое смещение кулачка выдержать в пределах 0,6-1,4 мм»

Предельные отклонения расположения осей отверстий можно указывать двумя способами:

а) позиционными допусками осей отверстий в соответствии с требованиями ГОСТ 2.308-79;

б) предельными отклонениями размеров, координирующих оси (рис. 70, 71, 72).

Рисунок 70. Пример указания предельных отклонений расположения осей
Рисунок 71. Пример указания предельных отклонений расположения осей.	Рисунок 72. Пример указания предельных отклонений расположения осей

Если допуски расположения осей зависимые, то после предельных отклонений размеров, координирующих оси, следует указывать знак зависимого допуска   .

Разрезы и сечения; их назначение, виды, изображение и обозначение. Сечения наложенные и выносные. Штриховка в разрезах и сечениях. Линии обрыва.

Разрезы.

Разрезы разделяются, в зависимости от положения секущей плоскости относительно горизонтальной плоскости проекций, на: горизонтальные – секущая плоскость параллельна горизонтальной плоскости проекций (например, разрез Б-Б, рис.6). В строительных чертежах горизонтальным разрезам могут присваиваться другие названия, например, «план»; вертикальные – секущая плоскость перпендикулярна горизонтальной плоскости проекций (например, разрезы А-А, В-В, Г-Г, рис.6); наклонные –секущая плоскость составляет с горизонтальной плоскостью проекций угол, отличный от прямого (например, разрез В-В рис. 1). В зависимости от числа секущих плоскостей разрезы разделяются на: простые – при одной секущей плоскости (например, разрез В-В рис. 6); сложные – при нескольких секущих плоскостях (например, разрез А-А, черт. 1; разрез Б-Б, рис. 6). Вертикальный разрез называется фронтальным, если секущая плоскость параллельна фронтальной плоскости проекций (например, разрез Б-Б, рис. 1), и профильным, если секущая плоскость параллельна профильной плоскости проекций. Сложные разрезы бывают ступенчатые, если секущие плоскости параллельны (например, ступенчатый горизонтальный разрез Б-Б, рис. 6), и ломанным, если секущие плоскости пересекаются (например, разрезы А-А, рис. 6).

Рисунок 6. Виды разрезов

Рисунок 7. Продольный разрез пружины	Рисунок 8. Поперечный разрез детали

	Разрезы называются продольными, если секущие плоскости направлены вдоль длины или высоты предмета (рис.7), и поперечными, если секущие плоскости направлены перпендикулярно длине или высоте предмета (например, разрезы А-А и Б-Б, рис.8).   Положение секущей плоскости указывают на чертеже линией сечения. Для линии сечения должна применяться разомкнутая линия. При сложном разрезе штрихи проводят также у мест пересечения секущих плоскостей между собой. На начальном и конечном штрихах следует ставить стрелки, указывающие направление взгляда (рис. 1, 2, 3, 6); стрелки должны наноситься на расстоянии 2-3 мм от конца штриха. Начальный и конечный штрихи не должны пересекать контур соответствующего изображения. В случаях, подобных указанному на рис. 8, стрелки, указывающие направление взгляда, наносятся на одной линии.   У начала и конца линии сечения, а при необходимости и у мест пересечения секущих плоскостей ставят одну и ту же прописную букву русского алфавита. Буквы наносят около стрелок, указывающих направление взгляда, и в местах пересечения со стороны внешнего угла. Разрез должен быть отмечен надписью по типу «А-А» (всегда двумя буквами через тире). В строительных чертежах у линии сечения взамен букв допускается применять цифры, а также надписывать название разреза (плана) с присвоенным ему буквенным, цифровым или другим обозначением.   Когда секущая плоскость совпадает с плоскостью симметрии предмета в целом, а соответствующие изображения расположены на одном и том же листе в непосредственной проекционной связи и не разделены какими – либо другими изображениями, для горизонтальных, фронтальных и профильных разрезов не отмечают положение секущей плоскости, и разрез надписью не сопровождают. Фронтальным и профильным разрезам, как правило, придают положение, соответствующее принятому для данного предмета на главном изображении чертежа. Горизонтальные, фронтальные и профильные разрезы могут быть расположены на месте соответствующих основных видов. При ломаных разрезах секущие плоскости условно повертывают до совмещения в одну плоскость, при этом направление поворота может не совпадать с направлением взгляда (рис.9).   Если совмещенные плоскости окажутся параллельными одной из основных плоскостей проекций, то ломаный разрез допускается помещать на месте соответствующего вида (разрезы А - А, рис. 1, 6). При повороте секущей плоскости элементы предмета, расположенные за ней, вычерчивают так, как они проецируются на соответствующую плоскость, с которой производится совмещение (рис. 10).
Рисунок 9. Построение ломанного разреза
Рисунок 10. Изображение элементов детали, расположенных за секущей плоскостью, при построении ломанного разреза

Разрез, служащий для выяснения устройства предмета лишь в отдельном, ограниченном месте, называется местным.

Рисунок 11. Местный разрез, ограниченный сплошной волнистой линией	Рисунок 12. Местный разрез, ограниченный сплошной тонкой линией с изломом

Местный разрез выделяется на виде сплошной волнистой линией (рис. 11) или сплошной тонкой линией с изломом (рис. 12). Эти линии не должны совпадать с какими-либо другими линиями изображения. 

Рисунок 13. Совмещение на изображении части вида и разреза	Рисунок 14. Совмещение на изображении части вида и разреза
Рисунок 15. Совмещение на изображении части вида и разреза	Рисунок 16. Совмещение на изображении части вида и разреза
	Часть вида и часть соответствующего разреза допускается соединять, разделяя их сплошной волнистой линией или сплошной тонкой линией с изломом (рис. 13, 14, 15). Если при этом соединяются половина вида и половина разреза, каждый из которых является симметричной фигурой, то разделяющей линией служит ось симметрии (рис. 16).  Если в симметричной детали ось симметрии совпадает с линией контура, границу вида и разреза смещают от оси и оформляют как показано на рисунке 14. Допускается также разделение разреза и вида штрих - пунктирной тонкой линией (рис. 17), совпадающей со следом плоскости симметрии не всего предмета, а лишь его части, если она представляет тело вращения.  Допускается соединять четверть вида и четверти трех разрезов: четверть вида, четверть одного разреза и половину другого и т. п. при условии, что каждое из этих изображений в отдельности симметрично.
Рисунок 17.  Совмещение на изображении части вида и разреза

   Сечение - изображение фигуры, получающейся при мысленном рассечении предмета одной или несколькими плоскостями (рис. 18). На сечении показывается только то, что получается непосредственно в секущей плоскости.

Рисунок 18. Оформление вынесенного сечения	Рисунок 19. Использование цилиндрической поверхности в качестве секущей

	Допускается в качестве секущей применять цилиндрическую поверхность, развертываемую затем в плоскость (рис. 19). Сечения, не входящие в состав разреза, разделяют на: вынесенные (рис.18, 20); наложенные (рис. 21). Вынесенные сечения являются предпочтительными и их допускается располагать в разрыве между частями одного и того же вида (рис. 22). Контур вынесенного сечения, а также сечения, входящего в состав разреза, изображают сплошными основными линиями, а контур наложенного сечения – сплошными тонкими линиями, причем контур изображения в месте расположения наложенного сечения не прерывают. Ось симметрии вынесенного или наложенного сечения (рис. 18, 21) указывают штрих - пунктирной тонкой линией без обозначения буквами и стрелками и линию сечения не проводят В случае, подобных указанному на рис. 22 при симметричной фигуре сечения линию сечения не проводят.
Рисунок 20. Оформление вынесенного сечения
Рисунок 21. Оформление наложенного сечения	Рисунок 22. Образец оформления вынесенного сечения

Во всех остальных случаях для линии сечения применяют разомкнутую линию с указанием стрелками направления взгляда и обозначают её одинаковыми прописными буквами русского алфавита ( в строительных чертежах – прописными или строчными буквами русского алфавита или цифрами). Сечение сопровождают надписью по типу «А-А» (рис. 20). В строительных чертежах допускается надписывать название сечения.

Рисунок 23. Обозначение несимметричного вынесенного сечения	Рисунок 24. Обозначение несимметричного наложенного сечения

Для несимметричных сечений, расположенных в разрыве (рис. 23) или наложенных (рис. 24), линию сечения проводят со стрелками, но буквами не обозначают.

Сечение по построению и расположению должно соответствовать направлению, указанному стрелками (рис. 20). Допускается располагать сечение на любом месте поля чертежа, а также с поворотом с добавлением условного графического обозначения .

Рисунок 25. Оформление нескольких одинаковых сечений	Рисунок 26. Оформление нескольких одинаковых сечений

Для нескольких одинаковых сечений, относящихся к одному предмету, линию сечения обозначают одной буквой и вычерчивают одно сечение (рис. 25).   Секущие плоскости выбирают так , чтобы получить нормальные поперечные сечения. Если при этом секущие плоскости направлены под различными углами (рис. 26), то условное графическое обозначение не наносят.   Когда расположение одинаковых сечений точно определено изображением или размерами, допускается наносить одну линию сечения, а над изображением сечения указывать количество сечений. Если секущая плоскость проходит через ось поверхности вращения, ограничивающей отверстие или углубление, то контур отверстия или углубления в сечении показывают полностью (рис. 27).

Виды чертежей: рабочие, сборочные и другие.

В машиностроении чаще всего применяются три вида черте­жей: эскизы, рабочие чертежи деталей и сборочные чертежи. В литейном производстве для изготовления отливок в основном применяются технологические чертежи и чертежи на модельную оснастку.

Рабочие чертежи деталей. Рабочие чертежи содержат все сведения, необходимые для изготовления деталей, контроля и приемки их. Основанием для изготовления рабочих чертежей служат эскизы или вновь проектируемые изделия. Рабочий чер­теж выполняется чертежным инструментом с соблюдением всех правил и условностей ГОСТ. С рабочих чертежей, выполняемых карандашом, снимаются кальки, а затем по калькам светоко­пией их размножают до необходимого количества экземпляров. Рабочие чертежи разрабатывают, как правило, на все детали, входящие в состав изделия. Допускается не выпускать чертежи на:

а) детали, изготовляемые из фасонного или сортового материала отрезкой под прямым углом, из листового материала отрезкой по окружности в том числе, с концентрическим отверстием или по периметру прямоугольника без последующей обработки;

б) одну из деталей изделия в случаях, указанных в требованиях к выполнение отдельных видов сборочных чертежей.

в) детали изделий с неразъемными соединениями (сварных, паяных, клепаных, склеенных, сбитых гвоздями и т. п.), являющихся составными частями изделий единичного производства, если конструкция такой детали настолько проста, что для ее изготовления достаточно трех-четырех размеров на сборочном чертеже или одного изображения такой детали на свободном поле чертежа;

г) детали изделий единичного производства, форма и размеры которых (длина, радиус сгиба и т. п.) устанавливаются по месту, например, отдельные части ограждений и настила, отдельные листы обшивки каркасов и переборок, полосы, угольники, доски и бруски, трубы и т. п.;

д) покупные детали, подвергаемые антикоррозионному или декоративному покрытию, не изменяющему характер сопряжения со смежными деталями.

Необходимые данные для изготовления и контроля деталей, на которые не выпускают чертежи, указывают на сборочных чертежах и в спецификации.

Сборочные чертежи. Сборочными чертежами называются та­кие чертежи, на которых изображаются в собранном виде маши­ны, механизмы или их узлы. Основное назначение сборочных чертежей — осуществление по ним монтажа машин, а также соcтавление чертежей отдельных деталей или деталирование. Обычно сборочные чертежи составляются при проектировании новых машин или новых механизмов, узлов существующих ма­шин. Количество сборочных чертежей должно быть минимальным, но достаточным для рациональной организации производства (сборки и контроля) изделий. При необходимости на сборочных чертежах приводят данные о работе изделия и о взаимодействии его частей.

Сборочный чертеж должен содержать:

а) изображение сборочной единицы, дающее представление о расположении и взаимной связи составных частей, соединяемых по данному чертежу, и обеспечивающее возможность осуществления сборки и контроля сборочной единицы.

Допускается на сборочных чертежах помещать дополнительные схематические изображения соединения и расположения составных частей изделия;

б) размеры, предельные отклонения и другие параметры и требования, которые должны быть выполнены или проконтролированы поданному сборочному чертежу.

Допускается указывать в качестве справочных размеры деталей, определяющие характер сопряжения;

в) указания о характере сопряжения и методах его осуществления, если точность сопряжения обеспечивается не заданными предельными отклонениями размеров, а подбором, пригонкой и т. п., а также указания о выполнении неразъемных соединений (сварных, паяных и др.);

г) номера позиций составных частей, входящих в изделие;

д) габаритные размеры изделия;

е) установочные, присоединительные и другие необходимые справочные размеры;

ж) техническую характеристику изделия (при необходимости);

з) координаты центра масс (при необходимости).

Технологические чертежи. По технологическим чертежам ли­тейного производства изготовляют модели и стержневые ящики, детали литниковых систем, монтируют модели на модельных пли- ТЗХКроме того, по технологическим чертежам собираются фор­мы т. е. определяется последовательность установки стержней в форму, проверяется правильность установки' стержней относи­тельно' базовых частей формы и контролируется весь процесс сборки.

Эскизы. Эскизом называется чертеж, выполненный от руки без точного соблюдения масштаба, но с выдержкой пропорцио­нальности частей детали или машины на глаз. Эскизироание по­зволяет с наименьшей затратой времени получить чертеж, по которому в дальнейшем можно составить рабочий чертеж.

Следовательно, эскиз отличается от чертежа только тем, что он составляется от руки, а пропорциональность частей детали устанавливается на глаз. Однако размеры, поставленные на эс­кизе, должны соответствовать действительным размерам детали.

К составлению эскизов прибегают при предварительном про­ектировании детали или машины, при ремонте оборудования и в других случаях.

Последовательность чтения чертежей.

Прочитать чертеж — это значит представить по плоским изображениям чертежа объемную форму изображенного на нем предмета.

Чертеж следует читать в определенной последовательности:

1. Познакомьтесь с содержанием основной надписи чертежа. Из нее вы узнаете название детали, материал, из которого она изготовлена, масштаб изображения. 2. Определите, какими изображениями представлен чертеж детали. 3. Рассмотрите изображения чертежа и попытайтесь представить форму изделия. Если это не получится сразу, то мысленно расчлените изображение на составляющие его части и представьте геометрическую форму каждой из них. 4. Представьте величину предмета, изучив габаритные размеры изделия.

Приведем пример чтения чертежа детали (рис.). На чертеже изображена деталь «Стойка», изготовленная из стали. Чертеж выполнен в масштабе 1:1. Чертеж стойки содержит три вида (вид спереди, вид сверху и слева), а также наглядное изображение детали. Сопоставляя виды чертежа, можно сказать, что форма детали состоит из основания, представляющего собой параллелепипед с размерами 120x70x20 мм, в одном из торцов которого имеется призматический вырез, размеры которого равны 60x20x20 мм. К другому торцу основания примыкает прямоугольный параллелепипед, поставленный на верхнюю грань основания. Его размеры равны 120x50x30 мм. На параллелепипед поставлен полуцилиндр с размерами R60 и высотой 30 мм. Вертикальная часть стойки имеет сквозное цилиндрическое отверстие диаметром 60 мм. Прочность, устойчивость стойки обеспечивается Двумя ребрами жесткости, которые представляют собой форму двух треугольных призм с размерами 50x40x20.

Габаритные размеры стойки: высота — 130 мм, ширина — 120 мм, длина — 70 мм.

Над основной надписью имеется текст следующего содержания: «Размеры для справок», «Острые кромки притупить». Первая запись делается в соответствии с правилами нанесения размеров для справок. Вторая запись представляет собой техническое требование, которое указывает на то, что после изготовления детали острые кромки необходимо немного притупить, чтобы не получить травмы при работе с ней. Итак, мы прочитали чертеж.

Эскиз, его назначение, порядок выполнения, отличие от чертежа.

Эскизами называются чертежи временного характера, выполненные без применения чертежного инструмента и без точного соблюдения масштаба.

При составлении эскизов следует применять правила, установленные стандартами для чертежей; необходимо, чтобы эскизы просто и быстро читались, не содержали ничего лишнего и отвечали требованиям производства.

Общие сведения о сборочных чертежах.

Для изделий, состоящих из нескольких деталей, выполняют сборочные чертежи. Сборочный чертеж — это документ, содержащий изображение сборочной единицы (изделия или его части) и данные, необходимые для ее сборки (изготовления) и контроля.

Сборочный чертеж должен давать полное представление о форме, функциональном назначении и составе сборочной единицы.

По сборочному чертежу из отдельных деталей, частей механизмов можно собрать простейшие узлы и сложнейшие машины, технические устройства.

По сборочному чертежу можно представить взаимное расположение составных частей, способы соединения деталей между собой и принцип работы.

Особенности изображений на сборочных чертежах. Последовательность выполнения сборочного чертежа.

На сборочном чертеже изделие изображается в собранном виде. Сборочный чертеж изделия содержит виды (основные, дополнительные, местные), разрезы (фронтальные, профильные, горизонтальные и др.) и сечения. С их помощью выявляют устройство сборочной единицы и взаимосвязи деталей, входящих в нее.

Так, для получения необходимых сведений об устройстве изделия достаточно иметь три ее изображения: вид спереди и два дополнительных вида. Вид спереди дает общее представление о форме скобы, дополнительный вид позволяет судить о форме, а дополнительный вид уточняет форму рабочей поверхности и показывает ее толщину.

На сборочном чертеже изделие представлено видом спереди, содержащим местный разрез, и видом слева. По чертежу можно определить, из чего состоит деталь.

Наличие перечисленных изображений для данного сборочного чертежа является необходимым и достаточным. Количество изображений сборочной единицы зависит от ее сложности, оно должно быть минимальным, но достаточным для понимания принципа работы изделия и формы деталей, входящих в него.

Штриховка деталей в сечениях и разрезах выполняется в соответствии с ГОСТ 2.306-68. Штриховка в разрезах и сечениях одной и той же детали на всех ее изображениях выполняется в одну и ту же сторону с соблюдением одинакового расстояния между линиями.

При изображении в сечениях или разрезах двух соприкасающихся деталей применяют встречную штриховку с наклоном линий в 45° для одной детали вправо, для другой — влево, которая также может выполняться с изменением расстояния между штрихами. Кроме того, штриховка может быть выполнена без изменения направлений линий штриховки, но со сдвигом или с изменением расстояний между ними.

При штриховке «в клетку» смежных сечений применяют разное расстояние между штрихами для каждой детали.

Узкие площади сечений, ширина которых на чертеже равна 2 мм и менее, показывают зачерненными.

При выполнении продольных разрезов на сборочных чертежах винты, болты, шпильки, шайбы, заклепки, шпонки, непустотелые валы и шпиндели, шатуны, рукоятки и т. д. показывают нерассеченными. В остальных случаях детали показываются рассеченными.

 

Размеры на сборочных чертежах наносят в соответствии с ГОСТ 2.109-73. На сборочном чертеже обязательно должны быть заданы размеры, которые характеризуют изделие в целом, а также те, которые необходимо выдержать при сборке и контроле изготавливаемого изделия.

К ним относятся: 1. Габаритные размеры, т. е. наибольшие внешние размеры изделия по трем измерениям (высота, длина, ширина).

2. Установочные размеры, т. е. размеры, которые необходимы для установки сборочной единицы по месту использования. Это размеры, определяющие правильность установки изделия при монтаже: расстояние между центрами отверстий для установки болтов, винтов, шпилек и т. д. 3. Присоединительные размеры, т. е. размеры элементов детали, изделия, обеспечивающих возможность присоединения их к другому изделию. Часто одни и те же размеры могут быть одновременно установочными и присоединительными. 4. Монтажные размеры, т. е. размеры, необходимые для правильной установки деталей относительно друг друга, например, размеры между центровыми и осевыми линиями. 5. Справочные размеры проставляются только в том случае, если это необходимо. Иногда на сборочных чертежах все размеры могут быть справочными. Чаще всего на сборочных чертежах габаритные размеры являются справочными.

Кроме перечисленных размеров, на сборочных чертежах могут быть указаны:

- координаты центра тяжести; - размеры, по которым производят дополнительную обработку отдельных составных частей в процессе сборки. Такие размеры ставятся в скобки; - размеры, определяющие крайнее положение движущихся частей сборочной единицы.

Позиции - это порядковые номера, присваиваемые изображениям деталей на сборочном чертеже изделия.

Они обеспечивают связь между изображениями на сборочном чертеже и текстовой информацией, размещаемой в спецификации. С их помощью легче отыскивать изображения требуемых деталей.

Номера позиций проставляются на полках линий-выносок арабскими цифрами. При этом рекомендуется (по возможности) начинать нумерацию с корпуса изделия и обозначать его позицией 1.

Линию-выноску и полку линии-выноски выполняют сплошной тонкой линией. Линию-выноску проводят от точки на изображении нумеруемой детали и заканчивают ее полкой линии-выноски, которую располагают параллельно основной надписи, вне контура изображения. Все линии-выноски группируют в колонки или строчки.

Линии-выноски не должны пересекаться между собой. Желательно, чтобы они пересекали наименьшее количество изображений других составных частей изделия, а номера позиций были проставлены по или против часовой стрелки.

Допускается делать общую линию-выноску для группы крепежных деталей, относящихся к одному и тому же соединению.

Одинаковые составные части изделия указывают одним и тем же номером позиции. Допускается повторно указывать номера позиций одинаковых составных частей, при этом повторяющиеся номера позиций на чертеже рекомендуется выделять двойной полкой.

Номера позиций наносят чертежным шрифтом на 1-2 номера больше, чем шрифт, используемый на данном чертеже для размерных чисел. Номера позиций берутся в соответствии со спецификацией.

Каждый сборочный чертеж сопровождается спецификацией.

Спецификация - это текстовой конструкторский документ, определяющий состав сборочной единицы, комплекса или комплекта.

Описание спецификации дается в ГОСТ 2.108-68, ГОСТ 2.105-79 и ГОСТ 2.113-73. Она выполняется на листе формата А4, который оформляется внутренней рамкой и содержит основную надпись чертежа размером 40 мм х 185 мм (рис. 233, а). Над основной надписью помещаются графы спецификации.

В тех случаях, когда спецификация выполняется на нескольких листах, основная надпись на последующих листах выполняется без шапки.

Допускается спецификацию сборочной единицы совмещать с чертежом, если он выполнен на листе формата А4.

На учебных чертежах сборочных единиц разрешается уменьшать размеры основной надписи и заполнять спецификацию в сокращенном виде.

Спецификация выполнена на отдельном листе. Номера позиций сначала вносятся в спецификацию, а затем проставляются на изображениях сборочного чертежа.

В основной надписи спецификации указывают наименование сборочной единицы, масштаб ее изображения.

Чтобы быстро и безошибочно читать и выполнять сборочные чертежи, надо знать и уметь применять условности и упрощения, которые установлены ГОСТ 2.109-68.

На сборочных чертежах допускается не показывать:

- фаски, скругления, выступы, углубления, проточки, рифление и другие мелкие элементы. Так, при изображении рукоятки зажимной рифление показано не полностью, а на детали «Корпус» не показаны фаски на торцевых поверхностях; - зазоры между стержнем и отверстием. Так, не оказан зазор между пальцем и отверстием на сборочном чертеже серьги подвесной; - крышки и перегородки, если они закрывают собой изображения других составных частей изделия. В этом случае на чертеже делают надписи типа: «Крышка не показана» или «Поз. 5 не показана».

В тех случаях, когда сборочная единица содержит несколько одинаковых соединений болтом, винтом, шпилькой и т. д., на сборочном чертеже изделия изображается полностью только одно из них, а для остальных показывают центры их расположения посредством проведения штрихпунктирных центровых линий.

Стандартные гайки, головки болтов, шайбы показывают упрощенно (без изображения фасок).

Рукоятки, маховики вентилей, кранов, домкратов изображаются, как правило, только на главном виде.

Обозначение покрытий, термической и других видов обработки.

Обозначение покрытия - по ГОСТ 9.306 – 85 и ГОСТ 9.032 – 74 или отраслевому стандарту или все данные, необходимые для выполнения нестандартизованного покрытия, приводят в технических требованиях чертежа после слова «Покрытие».

Рисунок 1. Обозначение одинакового покрытия на нескольких поверхностях	В технических требованиях чертежа после обозначения покрытия приводят данные о материалах покрытия (марку и обозначение стандарта или технических условий), указанных в обозначении. Если на все поверхности изделия должно быть нанесено одно и то же покрытие, то запись делают по типу: «Покрытие…».Если должны быть нанесены покрытия на поверхности, которые можно обозначить буквами или однозначно определить (наружная или внутренняя поверхности и т.п.), то запись делают по типу: «Покрытие поверхностей А…»; «Покрытие наружных поверхностей …». При нанесении одинакового покрытия на несколько поверхностей их обозначают одной буквой и запись делают по типу: «Покрытие поверхностей А…» (рис. 1).
Рисунок 2. Обозначение различных покрытий		Рисунок 3. Обозначение покрытия поверхности отличающегося от покрытия большинства поверхностей детали (или остающегося без покрытия)

При нанесении различных покрытий на несколько поверхностей изделия их обозначаю разными буквами (рис.2) и запись делают по типу: «Покрытие поверхности А …, поверхностей Б …».

Если одно и то же покрытие наносят на большее количество поверхностей изделия, а на остальные поверхности наносят другое покрытие или их оставляют без покрытия, то последние обозначают буквами (рис.3) и запись делают по типу: «Покрытие поверхности А …, остальных …» или «Покрытие .., кроме поверхности А».

Если необходимо нанести покрытие на поверхность сложной конфигурации или на часть поверхности, которую нельзя однозначно определить, то такие поверхности обводят штрих пунктирной утолщенной линией на расстоянии 0,8…1 мм от контурной линии, обозначают их одной буквой и проставляют размеры, определяющие положение этих поверхностей; запись делают по типу: «Покрытие поверхности А …» (рис.4).

Размеры определяющие положение поверхности, на которую должно быть нанесено покрытие, допускается не проставлять, если они ясны из чертежа (см. рис.4а).

а	б
Рисунок 4. Обозначение покрытие поверхности, которую нельзя однозначно определить

Участки поверхности, подлежащие покрытию, отмечают, как показано на рис.5, с указанием размеров, определяющих положение этих участков.

Рисунок 5. Обозначение участка поверхности подлежащего покрытию

Допускается на чертежах указывать виды обработки, результаты которых не подвергаются контролю, например, отжиг, а также виды обработки, если они являются единственными гарантирующими требуемые свойства материала и долговечность изделия. В этих случаях наименование обработки указывают словами или условными сокращениями, принятыми в научно-технической литературе (рис.6, 7).

Рисунок 6. Указание на чертежах вида обработки	Рисунок 7. Указание на чертежах вида обработки

При необходимости в зоне требуемой твердости указывают место испытания твердости (рис. 8).

Если все изделие подвергают одному виду обработки, то в технических требованиях делают запись: «40..45 HRCэ» или «Цементировать h 0,7…0,9 мм, 58…62 HRCэ » или «Отжечь» и т.п.

Рисунок 8. Указание на чертежах места испытания	Рисунок 9. Указание поверхности, отличающейся по твердости  от остальных поверхностей детали

Если большую часть поверхности изделия подвергают одному виду обработки, а остальные поверхности -  другому виду обработки или предохраняют от нее, то в технических требованиях делают запись по типу: «40…45 HRCэ, кроме поверхности А» (рис. 9) или «30..35 HRCэ, кроме места, обозначенного особо».

Если обработке подвергают отдельные участки изделия, то показатели свойств материалов и, при необходимости, способ получения этих свойств указывают на полках линий-выносок, а участки изделия, которые должны быть обработаны, отмечают штрих пунктирной утолщенной линией, проводимой на расстоянии 0,8…1 мм от них, с указанием размеров, определяющих поверхности.

Поверхности изделия, подвергаемые обработке, отмечают штрих-пунктирной утолщенной линией на той проекции, на которой они ясно определены.

Допускается отмечать эти поверхности и на других проекциях, при этом надписи с показателями свойств материала, относящимися к одной и той же поверхности, наносят один раз.

При одинаковой обработке симметричных участков или поверхностей изделия отмечают штрих пунктирной утолщенной линией все поверхности, подвергаемые обработке, а показатели свойств материала указывают один раз.

Упрощенные и условные изображения крепежных деталей.

Если предмет, изображенный на сборочном чертеже, имеет ряд однотипных соединений, то крепежные детали, входящие в эти соединения, следует показывать условно или упрощенно в одном - двух местах каждого соединения, а в остальных – центровыми или осевыми линиями (рис.1) .

 

Рисунок 1. Изображение на сборочном чертеже ряда однотипных соединений

Если на чертеже имеется несколько групп крепежных деталей, различных по типам и размерам, то вместо нанесения повторяющихся номеров позиций рекомендуется одинаковые крепежные детали обозначать условными знаками, а номер позиции наносить только один раз (рис.2) .

Рисунок 2. Изображение на сборочном чертеже групп крепежных деталей

Пример упрощенного и условного изображений крепежных деталей в соединениях

Изображение
Характеристика	Упрощенное	Условное
Соединение деталей с применением болта, шайбы и гайки.

Условные изображения зубчатых колес, пружин, валов и т.д.

Зубья зубчатых колес, звездочек цепных передач и витки червяков вычерчивают в осевых разрезах и сечениях, зубья реек - в поперечных. В остальных случаях зубья и витки не вычерчивают и изображаемые детали ограничивают поверхностями выступов.

Если необходимо показать профиль зуба или витка, вычерчивают зуб или виток на выносном элементе; допускается показывать их на ограниченном участке изображения детали. Окружности и образующие поверхностей выступов зубьев и витков (цилиндров, конусов и т. п.) показывают сплошными основными линиями, в том числе и в зоне зацепления.

На чертежах зубчатых колес, реек, червяков, звездочек цепных передач показывают делительные окружности, делительные линии, образующие делительных поверхностей (цилиндров, конусов и т. п.) и окружности больших оснований делительных конусов.

На сборочных чертежах зубчатых и червячных передач показывают начальные окружности, начальные линии, образующие начальных поверхностей и окружности больших оснований начальных конусов.

На чертежах глобоидных червяков и сопрягаемых с ними колес, а также на сборочных чертежах глобоидных червячных передач показывают расчетные окружности и образующие расчетных поверхностей.

Делительные, начальные, расчетные окружности и линии, образующие делительных, начальных и расчетных поверхностей, окружности больших оснований делительных и начальных конусов показывают штрихпунктирными тонкими линиями.

Окружности и образующие поверхностей впадин зубьев и витков в разрезах и сечениях показывают на всем протяжении сплошными основными линиями.

На видах цилиндрических зубчатых колес, червяков, реек и звездочек цепных передач допускается показывать окружности и образующие поверхностей впадин зубьев или витков, при этом их наносят сплошными тонкими линиями.

При вычерчивании вида винтовой цилиндрической или конической пружины витки изображают пря­мыми линиями, соединяющими соответствующие участки контуров.

В разрезе витки изображают прямыми линиями, соединяющими сечения. Допускается в разрезе изо­бражать только сечения витков.

При вычерчивании винтовой пружины с числом витков более четырех показывают с каждого конца пружины 1-2 витка, кроме опорных. Остальные витки не изображают, а проводят осевые линии через цен­тры сечений витков по всей длине пружины.   

Пружины на чертежах изображают с правой навивкой. При обусловленных направлениях торцевых моментов допускается изображать пружины с требуемым направлением навивки.

При вычерчивании пакета тарельчатых пружин с числом пружин более четырех с каждого конца изо­бражают 2-3 пружины, а контур условно непоказанной части пакета – сплошными тонкими линиями.

Если диаметры проволоки и троса или толщина сечения материала на чертеже 2 мм и менее, то пружину изображают линиями толщиной 0,6 - 1,5 мм; многослойную пластинчатую пружину типа рессоры изображают по внешнему контуру пакета.

Схемы, их виды и классификация. Понятие о кинематических, гидравлических, пневматических и монтажных схемах; условные обозначения на них.

При изучении работы различных станков, механизмов, при их наладке или ремонте, при монтаже электрического оборудования и электропроводки, систем отопления и трубопроводов нередко требуется только уяснить принципиальную связь между отдельными элементами монтируемого устройства, без уточнения его конструктивных особенностей.

Для этой цели и предназначаются схемы: кинематические, гидравлические, электрические и др.

Кинематические схемы отображают связь и взаимодействие между подвижными элементами устройства, гидравлические показывают систему управления посредством жидкости, пневматические показывают систему управления посредством воздуха, электрические поясняют принципы работы и взаимосвязь между элементами электрического устройства, аппаратуры, машины, прибора, установки.

Гидравлической называют схему, показывающую состав и соединение элементов, входящих в гидравлический механизм. Гидравлические схемы могут быть представлены на плоскости или в аксонометрии. Обычно применяют плоскостное изображение с использованием условных обозначений элементов механизма по ГОСТу.

Пневматической называют схему, показывающую состав и соединение элементов, входящих в пневматический механизм машины. Обычно вычерчивают плоскостное изображение элементов с использованием условных обозначений. Начертание пневматических схем сходно с начертанием гидравлических, но проще, поскольку пневматические механизмы работают обычно от централизованной установки сжатого воздуха (компрессора).

При чтении схем можно легко и быстро понять самое основное - принцип действия монтируемого устройства.

На схемах детали изображаются упрощенно посредством условностей, установленных государственными стандартами. Например, на кинематических схемах различные валы, оси, стержни, шатуны условно обозначаются утолщенной прямой линией; шкивы, несмотря на разнообразие их конструкции, изображаются на одной проекции в виде окружностей, на другой - в виде прямоугольников с осью посередине без разделительных линий на стыках ступеней.

На рис. показана кинематическая схема вертикально-сверлильного станка с наглядным пояснением условных обозначений сборочных единиц и деталей. Из приведенных примеров видно, что эти обозначения представляют собой упрощенные или условные изображения отдельных частей механизмов.

При составлении и чтении схем важно знать принятые условные обозначения: для кинематических схем - ГОСТ 2.770 - 68 (СТ СЭВ 2519 - 80); для электрических, гидравлических и пневматических схем - обозначения, установленные комплексом соответствующих стандартов ЕСКД (см. § 65, 66).

Схемы являются неотъемлемой частью комплекса конструкторских документов для многих изделий и вместе с другими техническими документами обеспечивают данные, необходимые при проектировании, изготовлении, монтаже, регулировке, эксплуатации и изучении изделия.

Требования производства к схемам. Схемы, поясняющие принцип действия устройства и взаимосвязь между элементами, строят с учетом следующих требований.

1. Формы всех знаков (упрощенных изображений или условных

обозначений) для элементов различных систем выполняют согласно' стандартам ЕСКД.

2. Условные знаки вычерчивают без соблюдения масштаба, но с сохранением одинаковой величины при повторении их на одной и той же схеме.

3. Условные обозначения элементов в принципиальных схемах располагают так, чтобы обеспечить возможность соединения этих элементов между собой кратчайшими линиями связи (электропроводы, трубопроводы гидропневмосистем и т. п.) и с минимальным числом их пересечений.

4. Условные знаки на схемах вычерчивают в ортогональной или наглядной (аксонометрической) проекции.

Трудоемкость выполнения схем можно значительно снизить за счет применения специально изготовленных штампов и трафаретов.

5. При выполнении схем стремятся не загружать их второстепенными деталями. Так, например, корпус с кронштейна, подшипники и другие различные опоры не изображают в тех случаях, когда это не затрудняет правильного понимания изображенного устройства.

6. Схемы выполняют возможно компактнее, но так, чтобы компактность не снижала их ясности и простоты чтения. Размеры (форматы) схем выбирают такие, чтобы ими было удобно пользоваться в условиях производства и при эксплуатации изделий.

7. Для обеспечения хороших светокопий, а также для наглядности и рельефности схем применяют следующие примерные соотношения толщин основных линий в зависимости от их назначения:

в кинематических схемах линии кинематических связей, т. е. условные изображения таких деталей, как, например, валы, стержни, шатуны, вычерчивают сплошными линиями толщиной s (обычно 1 мм); для изображения подшипников, шкивов зубчатых колес, муфт, втулок и т. п. толщина линий берется приблизительно si 2 (обычно 0,5 мм), и тонкими линиями s/З вычерчивают оси, окружности зубчатых колес, шпонки, ремни, габариты станка и т. п.;

в электрических схемах линии электрических связей вычерчиваются сплошными линиями толщиной si 2, линии условных очертаний приборов - 1 Vbs - 2s.

8. Надписи на схемах дают краткие и предельно ясные. Выполняют их стандартным чертежным шрифтом.

9. Условности, отличные от установленных стандартами ЕСКД, которые оказалось необходимым ввести в схему, должны быть пояснены. Так, при изображении проволок различных систем применяют различные линии и поясняют их значение на поле самой схемы в виде примечаний.

Тема №4.

Допуски, посадки и технические измерения.