Устройство люминесцентной лампы

Внутри баллона находятся пары ртути, в которых при определенных условиях (между предварительно нагретыми током катодами необходимо создать импульс высокого напряжения) происходит электрический разряд. В результате разряда испускаются ультрафиолетовые лучи. Они поглощаются слоем люминофора, которым покрыты внутренние стенки баллона. В итоге люминофорный слой начинает излучать видимый свет, близкий по спектральному составу к солнечному.

Устройство люминесцентной лампы

Рис. 1: 1 – стеклянный баллон; 2 – слой люминофора внутри баллона; 3 – биспиральные вольфрамовые электроды (катоды); 4 – цоколь; 5 – контактные штырьки

Для зажигания люминесцентной лампы ее включают в сеть с помощью стартера и дросселя. При нагревании током катодов возникает тлеющий электрический разряд в газе (неоне), которым наполнен баллон стартера. При этом нагревается и биметаллическая пластина стартера. Нагревшись, она изогнется и замкнет свои электроды, тлеющий разряд прекратится. Охладившись, биметаллическая пластина вновь разомкнет электрод. При этом (с участием дросселя ) между контактами лампы в момент размыкания создается импульс высокого напряжения. В итоге в парах ртути между катодами лампы возникнут электрический разряд.

Конденсатор, включенный параллельно стартеру, снимает радиопомехи при работе лампы. Дроссель, конденсатор и резистор объединены в пусковой регулирующий аппарат ПРА. На рисунке 2 показана схема включения люминесцентной лампы при помощи ПРА.

Схема включения люминесцентной лампы

Рис. 2

Люминесцентные трубчатые лампы низкого давления с дуговым разрядом в парах ртути делятся на лампы белого света (ЛБ), холодно-белого света (ЛХБ), тепло-белого света (ЛТБ), дневного света (ЛД).

Следующим представителем газоразрядного источника света является ртутно-кварцевая лампа высокого давления (тип ДРЛ). В ней люминофор, поглощая ультрафиолетовое излучение, возникающее при электрическом разряде, превращает его в видимое красное излучение. Эти лампы включают в сеть также при помощи ПРА.

Для освещения больших пространств используются мощные (5, 10, 20 кВт) ксеноновые трубчатые лампы типа ДКСТ. Их включают при помощи высоковольтного пускового устройства (до 30 кВт).

Электрическая схема управления станком

Реверсивный магнитный пускатель состоит из двух нереверсивных, смонтированных в общем корпусе, которые сблокированы между собой механическим и электрическим путем с целью недопущения одновременного их включения. При нажатии кнопки «вперед» включается один магнитный пускатель, а при нажатии кнопки «назад» – другой. Останов осуществляется кнопкой «стоп».

Для осуществления тепловой защиты в магнитные пускатели встроены тепловые реле. При перегрузке электродвигателя произойдет его отключение от сети. Для повторного включения двигателя в сеть необходимо нажать кнопку «возврат» теплового реле, выведенную на переднюю крышку магнитного пускателя. Тепловое реле не обеспечивает защиту от короткого замыкания. Поэтому необходимо на подводящем фидере установить на каждой фазе по плавкому предохранителю.

Перед пуском нового станка необходимо:

• заземлить станок;
• удалить деревянную колодку, заклинивающую пускатель;
• установить плавкие предохранители на подводящем фидере.

Для включения станка в сеть 220 В необходимо:

• пересоединить обмотку статора электродвигателя со звезды на треугольник;
• у магнитных пускателей поставить катушки, рассчитанные на 220 В;
• нагреватели № 28 тепловых реле заменить нагревателями № З8.

1. Тепловое реле.
2. Реле максимального тока.
3. Реле времени.

Тепловое реле

Для защиты электродвигателя от перегрузки в контактор монтируются два тепловых реле (на две фазы). В этом случае контактор называется магнитным пускателем. Основной деталью теплового реле (рисунок 1) является биметаллическая пластинка 1, состоящая из двух сплавов с различными коэффициентами расширения.

Схема теплового реле

Рис. 1

Пластинка одним концом жестко прикреплена к основанию прибора, а другим упирается в защелку 2, которая под действием пружины 3 стремится повернуться против часовой стрелки. Рядом с биметаллической пластинкой помещается нагреватель 4, включаемый последовательно с электродвигателем. Когда по силовой цепи потечет большой ток, то температура нагревателя повысится. Биметаллическая пластина прогнется кверху и освободит защелку 2. Под действием пружины 3 защелка поворачивается и через изоляционную пластину 5 размыкает контакты 6 в цепи управления пускателем. Возврат теплового реле возможен только после остывании пластины 1. Он осуществляется нажатием кнопки 7.

Реле максимального тока

Существуют также и управляемые аппараты, защищающие электрооборудование от перегрузок. К ним относится реле максимального тока (рисунок 2).

Катушка реле 1 рассчитана на протекание тока в силовой цепи. Для этого она имеет обмотку, изготовленную из провода достаточного поперечного сечения. При токе, на который настроено реле, произойдет притяжение якоря 2 к сердечнику 3 катушки и с помощью контактного мостика 4 размыкаются контакты 5 в цепи управления магнитного пускателя. Это реле само прервет электроснабжение установки от источника тока.

Схема реле максимального тока

Рис. 2

Нередко встречаются случаи, когда необходимо отключить электроустановку от сети, если уровень напряжения достиг значения меньше допустимого. Для этой цели используется реле минимального напряжения. Его конструкция напоминает любое электромагнитное реле, но срабатывание здесь происходит при понижении намагниченности катушки и отпадания от нее якоря с контактной системой.

Реле времени

Особое место в схемах защиты электрических установок занимает реле времени. Существуют как электромеханические, так и электронные реле времени. Рассмотрим конструкцию реле времени типа ЭВ (рисунок 3).

Схема реле времени

Рис. 3

Основным узлом реле является часовой механизм 2, запускаемый электромагнитной системой 1. Катушка реле включается в силовую цепь и при ее срабатывании часовой механизм вводится в действие. По истечении определенного отрезка времени замкнутся контакты реле и электроустановка отключится от сети. Реле позволяет осуществлять его настройку на различные режимы его работы.

Различают два вида управления: полуавтоматическое и автоматическое. При полуавтоматическом управлении оператор осуществляет первоначальный пуск объекта (нажатие кнопки, поворот ручки и так далее). В дальнейшем его функции сводятся лишь к наблюдению за ходом процесса. При автоматическом управлении даже начальный импульс по включению установки посылают датчик или реле. Установка полностью работает в автоматическом режиме по заданной программе.

Программное устройство может быть выполнено как на основе электромеханических элементов, так и с помощью логических схем. Рассмотрим две часто встречающиеся на практике схемы управления асинхронными электродвигателями.

Схема нереверсивного управления асинхронным электродвигателем

При нажатии кнопки «пуск» подключается к сети катушка электромагнита. Подвижный якорь придет в соприкосновение с сердечником катушки и своим движением замкнет силовые контакты, подающие трехфазное напряжение на электродвигатель. Одновременно с силовыми, замкнутся и блокировочные контакты, которые зашунтируют кнопку «пуск», что позволяет ее отпустить. При нажатии кнопки «стоп» разрывается цепь питания катушки электромагнита и якорь, освободившись, отпадает, разомкнув при этом силовые контакты. Электродвигатель остановится.

Защита электродвигателя от длительной перегрузки здесь обеспечивается двумя тепловыми реле РТ, включенными в две фазы. Отключающие контакты тепловых реле РТ1 и РТ2 введены в цепь питания катушки электромагнита.

Схема реверсивного управления асинхронным электродвигателем

Для реверсивного управления двигателем применяется схема с двумя магнитными пускателями. Один магнитный пускатель коммутирует схему включения двигателя на прямое вращение, а другой – на обратное. Кнопки «вперед» и «назад» подключают соответственно свои катушки, а кнопка «стоп» и отключающие контакты теплового реле включены в общую цепь управления.

Р_н ≥ Р_нагр,

где Р_н – мощность выбираемого двигателя,
Р_нагр - мощность нагрузки.

Если же нагрузка на электродвигатель переменная, то, чтобы провести выбор мощности электродвигателя, необходимо иметь график нагрузки I = f(t). Плавную кривую заменяют ступенчатой линией, полагая, что за время t1 в двигателе течет ток I1, за время t2 – ток I2 и так далее.

График нагрузки электродвигателя

Изменяющийся ток заменяют эквивалентным ему током I_э, который за время одного цикла работы t_ц производит одинаковое, тепловое действие с током, изменяющимся ступенями. Тогда:

Номинальный ток электродвигателя должен быть равным или больше эквивалентного, то есть I_н ≥ I_э.

Поскольку почти у всех двигателей вращающий момент прямо пропорционален току нагрузки М ~ I_н, то можно записать и выражение для эквивалентного вращающего момента:

Учитывая, что мощность Р = М_w, выбор мощности электродвигателя может также производиться по эквивалентной мощности:

При повторно-кратковременном режиме двигатель за период работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время перерыва в работе не охлаждается до температуры окружающей среды.

График повторно-кратковременной нагрузки электродвигателя

Для этого режима вводится понятие относительной продолжительности включения (ПВ). Она равна отношению суммы рабочего времени ко времени цикла t_ц, состоящего из времени работы и времени паузы t_о:

Чем больше ПВ, тем меньше номинальная мощность при, равных габаритах. Следовательно, двигатель, рассчитанный на работу в течение 25% времени цикла при номинальной мощности, нельзя оставлять под нагрузкой 60% времени цикла при той же мощности. Электродвигатели строятся для стандартных ПВ – 15, 25, 40, 60%, причем ПВ – 25% принимается за номинальную. Двигатель рассчитывается на повторно кратковременный режим, если продолжительность цикла не превышает 10 мин. Если расчетные значения ПВ отличаются от стандартных, то при выборе мощности двигателя Р_э следует вносить поправку:

Тахогенераторы постоянного тока бывают магнитоэлектрические с возбуждением основного магнитного поля с помощью постоянных магнитов и электродинамические с электромагнитным возбуждением, обусловленным магнитодвижущей силой обмотки возбуждения, питаемой от независимого источника электрической энергии постоянного напряжения.

Схема и выходная характеристика тахогенератора постоянного тока

а – схема тахогенератора постоянного тока; б – выходная характеристика тахогенератора постоянного тока

Выходное напряжение тахогенератора постоянного тока в режиме холостого хода изменяется линейно в зависимости от скорости якоря, а при нагрузке эта линейность несколько нарушается, причем тем больше, чем меньшим сопротивлением обладает измерительный прибор, присоединенный к зажимам якоря. Все же для каждого тахогенератора существует относительно небольшой диапазон измеряемых скоростей, в пределах которого при определенном достаточно большом сопротивлении измерительного прибора и неизменных условиях цепи возбуждения выходную характеристику можно считать практически линейной.

Существенный недостаток тахогенераторов постоянного тока — пульсация выходного напряжения из-за незначительного периодического изменения магнитного потока вследствие неравномерности воздушного зазора и неравенства проводимостей якоря в различных радиальных направлениях, в том числе обусловленных зубчатой конструкцией его магнитопровода, а также из-за вибрации щеток, неровностей и эллиптичности коллектора и коммутационных процессов — в значительной мере устранен в тахогенераторе с полым якорем, который устроен так же, как и малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока с аналогичным якорем.

Неточность установки щеток по геометрической нейтрали коллектора тахогенсратора приводит к асимметрии выходного напряжения, то есть к генерированию двух различных напряжений в обмотке якоря при противоположных направлениях его вращения с одинаковой скоростью. При правильном расположении щеток асимметрия напряжений находится в пределах от 0,3 до 1% номинального напряжения тахогенератора постоянного тока.

Но бывает ситуация, когда необходимо преобразовать постоянный ток низкого напряжения в постоянный ток повышенного напряжения. Делается это в одной комбинированной машине, состоящей из двигателя и генератора постоянного тока с общей магнитной системой. Со стороны низкого напряжения это электродвигатель, а со стороны повышенного напряжения – генератор постоянного тока с независимым возбуждением.

Принцип работы одноякорного преобразователя

В одних и тех же пазах якоря преобразователя заложены самостоятельные обмотки низкого и повышенного напряжения. Концы обмоток присоединены к соответствующему коллектору (рисунок), причем обмотка повышенного, напряжения имеет значительно большее число проводников, чем обмотка низкого напряжения.

Схема одноякорного преобразователя

Ток в обмотке якоря преобразователя можно рассматривать как результат наложения постоянного и переменного токов. Ток якоря, взаимодействуя с магнитным полем машины, создает вращающий момент, который соответствует в основном механическим и магнитным потерям в машине. Определив действительные токи в витках обмотки якоря одноякорного преобразователя и вызванные ими потери, найдем, что суммарные электрические потери в ней при т≥3 и cosφ=l имеют меньшие значения, чем в случае, когда по той же обмотке проходит только постоянный или переменный ток, равный току со стороны коллектора или контактных колец.

При работе одноякорного преобразователя напряжения со стороны колец и коллектора связаны определенным соотношением, так как их можно считать равными соответствующим ЭДС обмотки якоря (падения напряжения в ней практически невелики), которые наводятся одним и тем же магнитным потоком. Таким образом, регулирование напряжения, например, на коллекторе практически может быть осуществлено только путем изменения напряжения на кольцах.

Одноякорные преобразователи постоянного тока в трехфазный переменный отличается от рассмотренного тем, что обмотка повышенного напряжения состоит из трех секций, смещенных друг от друга на 120°. Выводы секционных обмоток припаяны к трем контактным кольцам и с помощью токосъемных щеток переменный ток передается к потребителю.

Применение одноякорных преобразователей

Одноякорные преобразователи применяются на тяговых трамвайных подстанциях, в авиационной технике, на подстанциях заводов и фабрик, где первичным источником постоянного тока является аккумулятор (без регулирования его напряжения). В настоящее время они почти всюду вытесняются ртутными и другими выпрямителями, которые оказались более экономичными и удобными в эксплуатации.

В таком исполнении коэффициент усиления равен порядка 15 – 30.

Усилительную способность генератора можно увеличить, если использовать каскадную схему включения генераторов. В этом случае с выхода первого генератора подключается обмотка возбуждения второго, а выход со второго генератора будет превышать по мощности вход первого в 1000 и более раз. Каскадная схема применяется редко из-за своей громоздкости и дороговизны. Чаще используют так называемые электромашинные усилители (ЭМУ).

Устройство и принцип работы электромашинного усилителя ЭМУ

Конструктивно электромашинный усилитель представляет собой коллекторную машину постоянного тока с независимым возбуждением, имеющую два комплекта щеток (продольные 1-1′ и поперечные 2-2′).

Электрическая схема электромашинного усилителя ЭМУ

Ток, протекающий по обмотке возбуждения I_в, создает продольный магнитный поток Ф_d, направленный по оси полюсов машины. При вращении якоря на поперечных щетках 2-2′ появляется ЭДС Е₂ = С n Ф_d Так как они замкнуты накоротко, то в обмотке якоря появляется большой ток I₂. Этот ток создает в обмотке якоря сильное поперечное магнитное поле реакции якоря Ф_q, неподвижное в пространстве и направленное по оси щеток 2-2′. Под действием магнитного потока Ф_q в якорной обмотке между щетками 1-1′ возникает ЭДС Е₁ = С n Ф_q>>Е₂, так как Ф_q>>Ф_d. При подключении к щеткам 1-1′ нагрузки R_н в цепи потечет ток I_я превышающий ток I_в в десятки тысяч раз. Электромашинные усилители применяют для автоматического управления мощными электродвигателями.

Элементом якорной обмотки является секция, которая может быть одно- или многовитковой. Секция состоит из активных сторон и лобовых частей. При вращении якоря, в каждой из активных сторон индуцируется ЭДС, величина которой равна:

то есть она зависит от магнитной индукции полюсов ВСР, длины проводника L и скорости его движения V. В реальной машине, будь она генератором или электродвигателем, в наведении ЭДС участвуют все проводники обмотки якоря. Величина суммарной ЭДС:

где n – скорость вращения якоря (ротора), об/мин;
Ф – магнитный поток полюсов;
С_е – постоянный коэффициент, зависящий от количества витков в секции.
Обмотка якоря может быть петлевой и волновой. Петлевая обмотка, если ее изобразить в развернутом виде, имеет следующий вид:

Петлевая обмотка якоря машины постоянного тока

Расстояние между активными сторонами одной секции называется первым шагом обмотки – y₁. Расстояние между началом второй секции и концом первой называется вторым шагом обмотки – у₂. Расстояние между, началами секций, следующих друг за другом, называется результирующим шагом – у. Шаги обмотки определяются числом пазов. Расстояние между коллекторными пластинами, куда припаиваются начало и конец, принадлежащие одной секции, называется шагом по коллектору – у_к. В петлевой обмотке у_к= 1. Шаг у_к определяется числом коллекторных пластин. Развернутая волновая обмотка имеет вид:

Волновая обмотка якоря машины постоянного тока

Форма волновой обмотки отлична от петлевой и, следовательно, будет иное соединение секций. Однако шаги волновой обмотки имеют общее с петлевой определение. Шаг по коллектору здесь значительно больше единицы (у_к >> 1).

Устройство и назначение машин постоянного тока

Обмотка возбуждения 3 располагается на статоре, а обмотка якоря 5 – на роторе. Преобразователь частоты выполняется в виде коллектора 7, пластины которого электрически связаны с обмоткой якоря. Система неподвижных щеток 6 обеспечивает связь вращающейся обмотки якоря с внешней сетью.

Схема машины постоянного тока

Статор обычно выполняется в виде массивной станины 1, на которой укрепляются полюсы 2 с обмоткой возбуждения. Сердечники полюсов собираются из листов конструкционной стали толщиной 1-2 мм.

Магнитопровод якоря 4 набирается из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В пазы магнитопровода укладываются изолированные секции двухслойной обмотки якоря. Выводы секции припаиваются к коллекторным пластинам, закрепленным на валу машины постоянного тока. Число коллекторных пластин равно числу секций. Коллекторные пластины изготавливаются из меди и изолируются друг от друга и от вала с помощью миканитовых прокладок. На внешней поверхности коллектора устанавливаются угольные щетки, закрепленные в щеткодержателях неподвижно относительно статора. Число щеток равно числу полюсов.

Положение щеток относительно полюсов может меняться, но, как правило, щетки устанавливаются на геометрической нейтрали – линии, перпендикулярной оси магнитного поля полюса. В этом случае процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока аналогичны процессам преобразования в синхронных машинах при чисто активной нагрузке. Машины постоянного тока применяются как в качестве электродвигателей, так и в качестве генераторов.

Области применения машин постоянного тока

Двигатели постоянного тока, в отличие от двигателей переменного тока, обладают хорошими регулировочными свойствами и могут иметь механические характеристики n = f(M_вн), удовлетворяющие требованиям большинства рабочих механизмов. Поэтому двигатели постоянного тока широко используются на транспорте (магистральные электровозы, тепловозы, пригородные электропоезда, метрополитен, трамваи, троллейбусы), в станках, прокатных станах, кранах, судовых установках. В подавляющем большинстве автомобилей, тракторов, самолетов и других летательных аппаратов двигатели постоянного тока приводят во вращение все вспомогательное оборудование.

Постоянный ток для питания двигателей получают либо с помощью полупроводниковых выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный, либо с помощью генераторов постоянного тока. Генераторы постоянного тока используют также в технологических процессах для питания электролизных и гальванических установок. Широкое распространение получили генераторы постоянного тока специального назначения (сварочные генераторы, генераторы для освещения поездов, электромашинные усилители постоянного тока, возбудители синхронных машин).

Недостатком машин постоянного тока является их относительно высокая стоимость, а также наличие скользящего контакта между щетками и коллектором. В последние годы в связи с развитием полупроводниковой техники ведутся работы по замене механического коллектора полупроводниковым преобразователем. Однако, несмотря на большие усилия, направленные на создание полупроводниковых преобразователей частоты, электроприводы с такими преобразователями оказываются в 1,5 – 2,5 раза тяжелее и дороже электроприводов с двигателями постоянного тока. Поэтому выпуск машин постоянного тока не сокращается, и они находят все новые области применения.