Роль ротора выполняет алюминиевый диск /. Переменный магнитный поток индуктирует в нем вихревые токи. Эти токи, взаимодействуя с магнитным полем, заставляют диск вращаться.

Существенной деталью счетчика является постоянный магнит 2, в поле которого вращается диск. Так как диск вращается относительно поля постоянного магнита, то в нем будет индуктироваться ток, величина которого будет тем больше, чем больше скорость вращения диска. Этот ток всегда направлен таким образом, что стремится затормозить диск, и он может быть уподоблен механической нагрузке асинхронного двигателя.

Но эта нагрузка не может остановить диска, так как при уменьшении скорости вращения будет уменьшаться тормозящее усилие. В итоге устанавливается равновесие между вращающим моментом (он пропорционален мощности потребителя) и тормозящим моментом (он пропорционален скорости вращения диска). Следовательно, получается прямая пропорциональность между мощностью, забираемой потребителем, и скоростью вращения диска.

Энергия равна произведению мощности на время, точно так же число оборотов, сделанное диском, равно произведению скорости вращения на время. Значит, число оборотов, сделанное счетчиком, прямо пропорционально энергии, полученной потребителем.

Поэтому в счетчиках энергии вращающийся диск связан со счетным механизмом, вроде тех, которые ставятся на велосипедах для учета пройденного пути.

12-10. ПОТЕРИ В СТАЛИ, МЕДИ И К. П. Д. ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Мощность, получаемая электрическими машинами, всегда меньше мощности, отдаваемой ими: часть мощности непроизводительно теряется в самих машинах. Это справедливо для любых процессов: происходит ли превращение электрической мощности в электрическую, как в трансформаторах, происходит ли преобразование механической мощности в электрическую, как в генераторах, или электрической в механическую, как в двигателях.

Потеря мощности в электрических машинах обычно бывает очень невелика, она составляет 5-15% от преобразуемой мощности.

Потери в электрических машинах могут быть разделены на три части: потери мощности на механическое трение (во вращающихся машинах), потери мощности на нагрев проводов, по которым протекает ток (потери в меди) определяемые по закону Ленца-Джоуля, и потери мощности, связанные с перемагничиванием стали (потери от вихревых токов и потери от гистерезиса).

Все эти три вида теряемой мощности в результате идут на нагрев машины.

В тех частях машины, где имеется переменное магнитное поле, железо расслаивают, собирая эти части из листов железа, изолированных друг от друга. Этим достигается значительное уменьшение потерь на вихревые токи.

С таким расслоением стали мы уже встречались в § 11-4. В синхронных машинах из листовой стали собирается статор. Вращающийся ротор, напротив, делают обычно из сплошной стали, так как ротор вращается с такой же скоростью, как и вращающееся магнитное поле (в роторе магнитное поле постоянно).

Напротив, в машинах постоянного тока в неподвижном остове машины и в полюсах магнитный поток будет неизменным1, а во вращающемся якоре сталь непрерывно пере-магничивается (якорь вращается в постоянном магнитном поле). Поэтому в машинах постоянного тока их станина выполняется обычно из сплошной стали, а якорь собирается из отдельных листов.

В целях увеличения магнитного потока и уменьшения потерь на перемагничивание при изготовлении машин пользуются специальными сортами стали.

В электрическом машиностроении главным образом применяется кремнистая листовая сталь (так называемая электротехническая сталь), обладающая относительно малой проводимостью (что приводит к уменьшению вихревых токов) и малым гистерезисом.

В современных трансформаторах, изготовленных из хорошей стали, потери мощности очень малы. Это особенно важно, так как, прежде чем дойти до потребителя, электрическая мощность, как правило, проходит несколько раз через повышающие и понижающие трансформаторы.

Медленные изменения магнитного потока, происходящие при изменении режима работы машин, не принимаются во внимание.

ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ

ОПАСНОСТЬ от токов ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

13-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Оказывающий нам столько услуг электрический ток может оказаться причиной тяжелых поражений человеческого организма и даже смерти.

Человеческое тело представляет собой проводник электрического тока. Человеческий организм способен пропускать через себя лишь небольшие токи. Увеличение тока вызывает смерть.

При каком значении ток становится смертельным, сказать трудно. Ток в /юо-2/юо доли ампера вызывает болезненные судороги. Ток в 5/юо долей ампера можно считать опасным для жизни. Ток в /ю долю ампера надо считать, безусловно, смертельным. Понятно, что это лишь приблизительные цифры. Человеческое тело подчиняется закону Ома. Ясно, что опасность возрастает с увеличением напряжения.

Чтобы подсчитать величину тока, который может пройти через оказавшегося под напряжением человека, надо знать чему равно его электрическое сопротивление. Но это- чрезвычайно изменчивая величина. Она зависит и от того, какое напряжение приложено к человеку и как долго протекает через него ток, от его душевного состояния - взволнован ли он или спокоен - и от ряда других причин. Наибольшим сопротивлением обладает человеческая кожа. Но как раз здесь возможны наибольшие колебания величины сопротивления. Потная и сухая, грубая, тонкая, молодая или старая кожа оказывает различное сопротивление электрическому току.

Остается обратиться к опытным данным. Известны случаи, когда смертельным оказывалось напряжение в 110 в. Поэтому наши Правила устройства электроустановок требуют, чтобы при напряжениях, начиная уже от 12 в, были приняты меры против возможного прикосновения к токоведущим частям (устройство специальных ограждений и т. п.), 380

Рис. 13-1. Предостерегающий плакат в устаночках высокого напряжения.

В худшем положении оказывается электротехнический персонал и в первую очередь монтеры, так как им зачастую приходится работать вблизи находящихся под напряжением устройств. Привычка притупляет бдительность. Благополучно окончившиеся прикосновения вселяют уверенность, что опасность преувеличивается. Посмотрим, насколько обоснована такая беспечность.

Для питания двигателей трехфазного тока очень часто применяется напряжение в 380 в между фазами, а следовательно, в 220 в между фазой и нейтралью. Нейтраль генератора (или трансформатора) обычно заземляется, т.е. присоединяется к проложенным в земле железным шинам или трубам (рис. 13-2).

Включим между одной из фаз и какой-нибудь заземленной точкой, например полом здания, сопротивление R. Получится замкнутая цепь, составленная из обмотки одной фазы генератора (или трансформатора), участка провода от начала фазы до места присоединения сопротивления, самого сопротивления и земли, которая является проводником тока.

В этой цепи действует фазовое напряжение генератора, а следовательно, по ней пройдет ток. Если сопротивление/? много больше сопротивления остальных участков цепи, то можно считать, что напряжение генератора полностью уравновешивается падением напряжения в подключенном состоянии.

13-2. ИСТОЧНИКИ ОПАСНОСТИ

Рис. 13-2. Цепь тока при соприкосновении с рабочим проводом трехфазной системы с заземленной нейтралью.

Предположим теперь, что этим сопротивлением является человеческое тело. Стоящий на полу человек прикоснулся к голому проводу. Тем самым он превратился в звено электрической цепи.

Если принять, что ток в 0,05 а представляет опасность для жизни, то этой опасности подвергнется человек, сопро-

тивление тела которого будет равно qqjt-=4 400 ом. Опыт

показывает, что величина сопротивления человеческого тела может быть и ниже этой величины.

Рис. 13-3. Цепь тока при соприкосновении с рабочим проводом трехфазной системы с незаземленной нейтралью. Источник опасности - соприкосновение другого провода с землей.

Может показаться, что причиной опасности является заземление нейтрали генератора. Не будь его, прикосновение к проводу было бы вполне безопасно, так как через человеческое тело не замыкалась бы ни одна электрическая цепь.

Но присмотримся к изображенной на рис. 13-3 схеме Небрежный надзор привел к тому, что один из проводов оголился и касается водопроводной трубы. Это не помеха в работе: нейтраль не заземлена, и соприкосновение провода с землей не приводит к короткому замыканию.

Человек коснулся одного из здоровых проводов. Образовалась замкнутая цепь из водопроводной трубы ( земли ), человеческого тела и не показанных на рисункедвух

фаз генераторной обмотки1. В этой цепи действует уже линейное напряжение, т. е. 380 в. Вместо того, чтобы уменьшить опасность, мы увеличили ее.

Значит, причиной опасности является недостаточный надзор за изоляцией линии. Усилим его. Правда, здесь нельзя положиться на обслуживающий персонал, так как провода могут проходить по недоступным для осмотра местам. Но контроль над целостью изоляции можно поручить вольтметрам. Схема рис. 13-4 показывает, что три вольтметра вполне успешно справляются с этой задачей.

В нормальных условиях работы вольтметры показывают фазовое напряжение линии. Нарушение целости изоляции в одной из фаз, т. е. соединение ее с землей, приведет к тому, что напряжение между больным проводом и землей сделается равным нулю. Стало быть, и присоединенный к этому проводу вольтметр также покажет нуль. Зато оба вольтметра, присоединенных к здоровым фазам, покажут теперь линейное напряжение.

В самом деле, генератор поддерживает между больным и любым из здоровых проводов линейное напряжение. Больной провод заземлен, следовательно, учитываемое вольтметрами здоровых фаз напряжение равно напряжению между здоровым и больным проводами, т. е. линейному.

Итак, дефекты изоляции будут обнаружены вольтметрами. Тогда их нетрудно найти и исправить.

Казалось бы, что прикосновение к проводу исправной линии с незаземленной нейтралью-вещь вполне безопасная.

Но это-заблуждение. Ведь при наличии емкости в цепях переменного тока ток может протекать и в разомкнутой цепи. Емкостные токи проводов могут замкнуться через человека.

Обратимся к схеме рис. 13-5. На ней показана однофазная линия, чтобы не усложнять без нужды картину. Явления в трехфазной системе будут вполне сходными.

Однофазная линия представляет собой систему, как бы состоящую из трех конденсаторов (в трехфазной линии их будет целых шесть); обкладками этих конденсаторов будут, во-первых, оба провода (этот конденсатор не пока-

1 Предполагается, что обмотка соединена в звезду. Рекомендуем читателю убедиться, что дело не изменится при соединении генераторной обмотки треугольником.

зан на схеме), во-вторых, земля и первый провод и, в-третьнх, земля и второй провод.

Человек прикоснулся ко второму проводу, включив сопротивление своего тела параллельно конденсатору (направления токов указаны на схеме стрелками). Человек опять оказался в цепи электрического тока, и чем длиннее линия, тем опаснее его положение.

Серьезную опасность представляют конденсаторы даже и в том случае, когда они отключены от источников напряжения. Дело в том, что конденсатор может сохранять заря-

ды на своих обкладках и при том тем дольше, чем лучше изоляция между обкладками. Прикосновение человека к не-заземленной обкладке равносильно его замыканию через сопротивление, и этим сопротивлением теперь будет человеческое тело. Как мы знаем (§ 5-8), в цепи будет протекать ток, начальное значение которого равно частному от деления остаточного напряжения конденсатора на величину сопротивления.

Следует иметь в виду, что линии также могут сохранять остаточный заряд, величина которого тем больше, чем длиннее линия. Особенно велики заряды кабельных линий ввиду их большой емкости.

Мы не можем здесь перечислить все возможности поражения электрическим током. Поэтому мы настойчиво рекомендуем в точности соблюдать правила безопасности.

Рис. 13-4. Контроль состояния изоляции в трехфазной системе

Рис. 13-5. Емкостные токи линии замыкаются через прикоснувшегося к проводу человека.

13-3. ЗАЩИТНЫЕ СРЕДСТВА

При работе под напряжением обязательно применение защитных средств - изолирующих подставок, диэлектрических ковриков, резиновых галош и перчаток. Их назначение- не допускать создания контура тока, включающего в себя тело человека.

Почему птица без всякого вреда для себя садится на провода линии, находящейся под высоким напряжением? Потому что при этом электрический ток не проходит через ее тело. Она приобретает высокий потенциал, но это еще не создает пути для тока. Другое дело, если крупная птица одновременно прикоснется своими крыльями к двум проводам линии. Такое прикосновение окажется, безусловно, смертельным, так как открылся путь току от одного провода к другому через тело птицы.

Посмотрим, что получится, если человек, стоя на резиновом коврике, касается находящейся под напряжением части установки? Создается цепь, состоящая из последовательно соединенных тела человека и коврика. Сопротивление коврика имеет величину порядка нескольких миллионов ом, т. е. намного больше сопротивления человека. Рабочее напряжение практически окажется приложенным к резиновой изоляции. Проходящий ток ничтожно мал.

Картина резко меняется при самом незначительном повреждении коврика, например при его проколе. Проводимость коврика увеличивается настолько, что в цепи будет протекать ток, опасный для жизни человека. Вот почему для всех защитных средств установлены периодические проверки.

ПРИЛОЖЕНИЯ

СТЕПЕНИ ДЕСЯТИ

в электротехнике мы сталкиваемся с числами самых разных порядков Например, приходится измерять мощности огромных электростанций и очень малые мощности, рассеиваемые в проводах. Для избораже-ния очень больших и очень малых чисел удобно пользоваться записью в виде произведения числа на степень десяти.

Если мы несколько раз множим само на себя одно и то же число,- это называется возведением в'степень:

а-а = а8 (читается а квадрат или а во второй степени ), а-а-а = а3 (читается а куб или а в третьей степени ).

Заметим, что все числа, состоящие из единицы и нулей, суть степени десяти. Действительно,

10X Ю= 100= 102 (десять в кзадрате); 10X ЮХЮ= 100X Ю= 1 000= 103 (десять в кубе); 10Х ЮХ ЮХ Ю= 10000= 10* (десять в четвертой степени). Так же точно можно записать, скажем, один миллион 1 000 000= 10 ,

сто миллионов

100 000 000== 10*.

Ясно, что два миллиона-это два, умноженное иа миллион, т. е. два миллиона запишем, как 2-Ю3:

2 000 000= 2-1 000 000 = 2-10;

теперь запишем мощность Волжской гидроэлектростанции - она равна 2 100 тысяч киловатт (2 100 000 кет):

2,1 -10s кет

или в ваттах:

2,1-10 вт.

Совершенно аналогично записываются и очень малые числа. Что такое 0,1-одна десятая? Это единица, деленная на десять jq , также

1 1 о

сотая-это j-qq или удТ . Но такие числа в математике и технике принято записывать в виде степенет с отрицательным показателем, что прямо соответствует непосредственному расширению понятия сте-

1 1 1

пени. Вместо Tq пишут Ю-1, также ГдТ-Ю~2; -цр -10~5 и т. д.

Если через электронную лампу течет ток в 90 ма, то этот ток в амперах равен 90 лш = 90-10-3 а = 9-10-2 а.

Запись в виде степеней десяти очень удобна для перемножения чисел, так как при перемножении двух различных, степеней

сОного и того же числа показатели степени алгебраически скла-Оываются:

10 .10s= 105; 10*. Ю-2 = Юг.

Нужно перемножить, скажем, 4-10* и 6 Ю-; вычисление производится так:

4-10s-6-10-e = 4-6-109-10-e = 24-109-10- = 24-Ю3 - 2,4-10*.

2. РЕШЕНИЕ ПРОСТЕЙШИХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ

Даны два соотношения между двумя неизвестными величинами х и у, выражаемые уравнениями

(1)0,*+ = с ,

(2) агх + Ьгу = сг,

где буквами a bv с аг, Ь%, с2 обозначены известные постоянные величины, называемые коэффициентами.

Неизвестные легко определить, например, пользуясь методом сравнения коэффициентов. Уравнение (1) множится на Ьг, а (2) на этим выравниваются коэффициенты при у;

(1)а1Ьгх + Ь1Ьгу= с,62; (2) аД-г + Ьфгу = с26,.

Вычитая (2) из (Г), получим:

х (а,62 - a,6,) = с,6г - Cjftj.

Из последнего уравнения

с,62 - сфх Х ~ ахЬг - а„Ь,

Второе неизвестное у определится аналогично нли путем подстановки найденного х в одно из заданных уравнений.

Аналогично решаются уравнения для трех, четырех и более неизвестных. Важно запомнить, что соотношений должно быть столько же, сколько неизвестных. Такие уравнения описывают процессы в линейных электрических цепях (§ 2-25J.

Уравнение вида

а Ь х~=х+с

легко приводится к линейному путем умножения на х:

а = b + ex.