Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Будова і принцип однофазного трансформатора.коефіцієнт трансформатора
Трансформатор — статичний електромагнітний пристрій із дво ма або більшим числом індуктивно зв'язаних обмоток, який служить для перетворення за допомогою електромагнітної індукції змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги.
Принцип дії трансформатора.
Магнітопровід - це феромагнітне осердя транс форматора, на якому розташовуються обмотки.
Обмотка – це провід, обмотаний навколо стержня магнітопроводу для створення магнітного поля під дією струму, що протікатиме обмоткою, або для зворотного явища (електромагнітної індукції).
Об мотка, до якої підводиться електрична енергія, називається пер винною, а обмотка, від якої відводиться електрична енергія,— вторинною.
У
мовне позначення однофазного трансформатора
В основі роботи будь-якого трансформатора лежить явище електромагнітної індукції.
Розглянемо принцип дії трансформатора на прикладі однофазного двообмоткового транс форматора.
П
ід час вмикання первинної обмотки трансформатора до ме режі змінного струму з напругою U1 у ній виникає струм I1, який збуджує в магнітопроводі змінний магнітний потік Ф. За микаючись по магнітопроводу, змінний магнітний потік перетинає витки обмоток та індукує в первинній обмотці (w1) е.р.с. е1, а у вторинній обмотці (w2) е.р.с. е2.
Під час вмикання вторинної обмотки до навантажування е.р.с. е2 створить у ній струм I2.
Отже, у трансформаторі електрична енергія первинного кола з параметрами U1, I1 та частотою f перетворюється в електричну енергію змінного струму з параметрами U2, I2 та частотою f.
Поряд з основним магнітним потоком у трансформаторі ще є змінні магнітні потоки розсіювання Фр1 та Фр2, які замикаються навколо витків первинної та вторинної обмоток в основному через повітря. Магнітні лінії потоків розсіювання зчеплені тільки з витками своєї обмотки і не беруть участі у передачі енергії з первинного кола до вторинного. У кожній з обмоток вони ство рюють е.р.с. eр1 та eр2 відповідно.
Змінні е.р.с. е1 і е2 залежать від кількості витків і швидкості зміни магнітного потоку:
Оскільки е.р.с. е1 і е2 створюються одним і тим самим маг нітним потоком при синусоїдальній напрузі, то діючі значення е.р.с. Е1 іЕ2 залежатиме від частоти струму, витків обмотки та магнітного потоку:
Поділивши значення е.р.с. первинного і вторинного кола, одержимо вираз для коефіцієнта трансформації:
Отже, коефіцієнт трансформації — це відношення е.р.с. обох обмоток або відношення чисел витків цих обмоток.
У трансформаторі виникає подвійне перетворення електричної енергії. Спочатку електрична енергія мережі у первинній обмотці перетворюється в енергію магнітного поля і передається у вто ринну обмотку. У вторинній обмотці енергія магнітного поля перетворюється в електричну і передається у навантажування.
В
трати трансформатора на нагрівання його обмоток, магнітопроводу невеликі. Тому, нехтуючи втратами, можна вважати, що у трансформаторі перетворюються тільки напруга і струм, а потужність залишається незмінною:
При цьому U1≈ Е1, U2≈ Е2 .
Вираз для коефіцієнта трансформації можна переписати у вигляді
Якщо не враховувати втрати активної та реактивної потужності в трансформаторах, які зумовлені основним магнітним потоком і потоком розсіювання, то можна вважати, що коефіцієнт транс формації буде
тобто струми в трансформаторі обернено пропорційні їхнім на пругам.
Будова й принцип дії[ред. • ред. код]
Підключення трансформатора у схемі
Найпростіший трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обмоток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. В ідеальному випадку
,
де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обмотки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обмотки, U —напруга, N — кількість витків, I — сила струму.
2.Режими роботи трансформатора
Режим холостого ходу
Трансформатор може працювати в режимі холостого ходу, коли вторинне коло розімкнене (навантаження відсутнє), тобто . За допомогою дослідження холостого ходу можна визначити ККД трансформатора, коефіцієнт трансформації, а також втрати в осерді.
У режимі холостого ходу для трансформатора з сердечником з магнітом'якого матеріалу струм холостого ходу характеризує величину втрат в осерді (на вихрові струми і на гістерезис) та реактивну потужність перемагнічування магнітопроводу. Потужність втрат можна обчислити, помноживши активну складову струму холостого ходу на напругу, що подається на трансформатор.
Для трансформатора без феромагнітного осердя втрати на перемагнічування відсутні, і струм холостого ходу визначається опором індуктивності первинної обмотки, який пропорційний до частоти змінного струму та величини індуктивності.
Режим короткого замикання
Режим короткого замикання можна отримати в результаті замикання вторинної обмотки на коротко. Це аварійний режим, що може призвести до виходу з ладу трансформатора. При цьому струм у вторинній обмотці може бути у 20…30 разів більшим за номінальний. Тому слід відрізняти режим короткого замикання від досліду короткого замикання. За допомогою останнього можна визначити втрати корисної потужності на нагрівання проводів в колі трансформатора.
При дослідженні режиму короткого замикання, на первинну обмотку трансформатора подається змінна напруга невеликої величини, виводи вторинної обмотки закорочують. Величину напруги на вході встановлюють такою, щоб струм короткого замикання дорівнював номінальному (розрахунковому) струму трансформатора. У таких умовах величина напруги короткого замикання характеризує втрати в обмотках трансформатора, втрати на омічний опір. Потужність втрат можна обчислити помноживши напругу короткого замикання на струм короткого замикання.
Даний режим широко використовується у вимірювальних трансформаторах струму.
Режим навантаження
Режим роботи трансформатора при якому вторинна обмотка замкнута на опір називається режимом роботи трансформатора під навантаженням. При такому режимі роботи у вторинній обмотці буде протікати струм IS, який створить свій магнітний потік ΦS, який за правилом Ленца має зменшити зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить до автоматичного збільшення сили струму в колі первинної обмотки.
Збільшення сили струму в колі первинної обмотки відбувається згідно із законом збереження енергії:
або або .
Це означає, що підвищуючи за допомогою трансформатора напругу у кілька разів, ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму (та навпаки). Отже, трансформатор перетворює змінний струм таким чином, що добуток сили струму на напругу приблизно однаковий у первинній і вторинній обмотках.
3.Втрати потужності і коефіцієнт корисної дії
В процесі роботи трансформатора під навантаженням частина активної потужності Р1, що надходить в первинну обмотку з мережі, розсіюється в трансформаторі на покриття втрат. В результаті активна потужність Р2, що надходить в навантаження, виявляється меншою потужності Р1 на величину сумарних втрат в трансформаторі åР:
P1 = P2 + åP
В трансформаторі існує два види втрат — магнітні і електричні.
Магнітні втрати Рм в стальному магнітопроводі, по якому замикається магнітний потік Фmax , складаються з витрат на гізтерезис Рг, вихрові струми Рвх:
Рм = Рг + Рвх . (2.1.23)
Магнітні втрати прямо пропорційні масі магнітопроводу і квадрату магнітної індукції в ньому. Вони також залежать від властивостей сталі, з якої виготовлений магнітопровід. Зменшенню втрат на гізтерезис сприяє виготовлення магнітопроводу з феромагнітних матеріалів (електротехнічної сталі), що володіють невеликою коерцетивною силою (вузькою петлею гізтерезису). Для зменшення втрат на вихрові струми магнітопровід виготовляють шихтованим (з тонких стальних пластин, ізольованих одна від одної тонким шаром лаку або оксидної плівки) або витим з стальної стрічки. Магнітні втрати залежать також і від частоти змінного струму: з підвищенням частоти f магнітні втрати підвищуються за рахунок втрат на гізтерезис Рг та вихрові струми Рвх.
Раніше було встановлено, що головний магнітний потік в магнітопроводі не залежить від навантаження трансформатора [див.(2.1.17)], тому при змінах навантаження магнітні втрати залишаються практично незмінними.
Електричні втрати - це втрати в обмотках трансформатора, що обумовленні нагрівом обмоток струмами, що проходять по ним.
Ре = Ре1 + Ре2 = І12 r1 + I22 r2 . (2.1.24)
Електричні втрати є змінними, так як їх величина пропорційна квадрату струмів в обмотках. Електричні втрати при будь-якому струмі навантаження І2 трансформатора, Вт,
Ре = Ре.ном b2 , (2.1.25)
де Ре.ном — електричні втрати при номінальному струмі навантаження; b = І2/І2ном — коефіцієнт навантаження, характеризує ступінь навантаження трансформатора.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) трансформатора являє собою відношення активних потужностей на його виході Р2 і вході Р1:
h = P2/P1 = P2/(P2+Pм+Ре). (2.1.26)
Активна потужність на виході трансформатора, Вт,
Р2 = Sном b cos j2 , (2.1.27)
де Sном — номінальна потужність трансформатора, В×А; cos j2 — коефіцієнт потужності навантаження.
Враховуючи (2.1.25), (2.1.26) і (2.1.27), отримаємо формулу ККД трансформатора, зручну для практичних розрахунків:
h = (Sном b сos j2)/(Sном b сos j2+Pм+Ре.ном b2). (2.1.28)
Рис.2.1.4. Залежність h = f(b) при cosj2 = 1 (графік 1) і cosj2 < 1 (графік 2)
Таким чином, ККД трансформаторів залежить від величини навантаження b і від її характеру соs j2.Графічно ця залежність показана на рис.2.1.4. Максимальне значення ККД hmax відповідає навантаженню b¢, при якому електричні втрати дорівнюють магнітним (Ре.ном b¢2 = Рм).
Номінальне значення ККД hном тим вище, чим більша номінальна потужність трансформатора Sном.
Наприклад,
hном = 0,70 ¸ 0,85 при Sном £ 100 В×А
та
hном = 0,90 ¸ 0,95 при Sном £ 10 k В×А.
У більш потужних трансформаторів ККД може досягати hном = 0,98 ¸ 0.99.
4 Особливості трифазних трансформаторів
За конструктивною будовою трифазні трансформатори можуть бути тристержневими (рис.1.7) і груповими. У тристержневого трансформатора всі обмотки однієї фази розта шовані на своєму стрижні. Груповий трансформатор (або група трансформаторів) – це три однофазних трансформатори, обмотки яких з’єднані по відповідних схемах. Маркіру вання обмоток: висока сторона –- А-Х, B-Y, C-Z ; низька сторона – а-х, b-y, c-z. Обмотки можуть бути з’єднані зіркою або трикутником.
Рис.1.7
Для трифазних трансформаторів еквівалентні схеми заміщення зображу ють для однієї фази, вони мають такий самий вигляд, як і для однофазного трансформатора.
Конструктивно трифазні трансформатори виконують стрижневими (рис. 9.8). На кожному з трьох стрижнів розміщують первинну і вторинну об мотки однієї фази. Результуючі магніторушійні сили кожної фази зміщені одна до одної на 120°, сума векторів магнітних потоків дорівнює нулю (ФА + ФВ+ФС = 0). Фази первинної і вторинної обмоток можуть з'єднуватися в «зірку» (Y) і «трикутник» (А). Тому вектори лінійних напруг U1 і u 2 можуть не збігатися за фазою. Зсув за фазою вказується групою з'єднання обмоток.
А о „ В 9 С 9
5 Паралельне з'єднання трифазних трансформаторів
Для паралельного з'єднання трифазних трансформаторів при холостій роботі необхідно виконати наступні умови:
а) рівність вторинних лінійних напруг трансформаторів;
б) збіг по фазі вторинних лінійних напруг окремих трансформаторів у зовнішньому ланцюзі, що можливо тільки, коли трансформатори належать до однієї групи з'єднання обмоток (Y/Y–0 або Y/Δ—11).
По цих умовах електрично між собою можна з'єднувати тільки ті вторинні затискачі трансформаторів, які мають однаковий потенціал по величині й знаку в будь-який момент часу. У трифазних трансформаторів однопотенціальні затискачі вторинних обмоток знаходяться по потенціальних діаграмах напруг. На рис. 18.2 представлені потенціальні діаграми первинних і вторинних напруг двох трифазних трансформаторів, що належать до групи з'єднання обмоток Y/Y–0. У них зірки векторів А1, В1, С1 й А2, В2, С2 являють собою діаграми напруг первинних обмоток трансформаторів, з'єднаних зіркою й включених у живильну мережу, а зірки векторів a1, b1, с1 й а2, b2, c2 являють собою відповідно діаграму напруг їхніх вторинних обмоток, з'єднаних також зіркою. Для паралельного з'єднання вторинних обмоток цих трансформаторів необхідно визначити їх однопотенціальні затискачі. Для цього потрібно зірку векторів вторинних напруг одного трансформатора накласти на відповідну зірку векторів іншого. Тоді однопотенціальними вторинними затискачами трансформаторів, які можна електрично попарно з'єднати разом, будуть затискачі а1 — а2, b1 — b2, с1 — с2, оскільки дві зірки збігаються цими променями. Аналогічний результат вийде також і у випадку, коли два з'єднані паралельно трифазні трансформатори належать до групи Y/Δ—11. Тут при накладенні трикутників вторинних напруг один на одного однопотенціальними затискачами будуть також пари а1 — а2, b1 — b2, c1 — с2.
Якщо ж один трифазний трансформатор належить до групи з'єднання обмоток Y/Y—0, а другий – до групи Y/Δ—11, то паралельне з'єднання цих трансформаторів неможливо. Це пояснюється розходженням потенціальних діаграм вторинних напруг, при накладанні яких одна на одну не можна одержати три однопотенціальні вторинні затискачі.
На рис. 18.3 представлені потенціальні діаграми напруг для цього випадку. Як показує рис. 18.3, при накладенні трикутника вторинних напруг а2, b2, c2 одного трансформатори на зірку вторинних напруг а1, b1, с1 іншого однопотенціальними затискачами будуть тільки а1 — а2. Інші дві пари вторинних затискачів с1 — с2, b1 — b2 не будуть однопотенціальними, тому що їхні потенціали в діаграмі не співпадають. Якщо включити поперемінно між кожною із цих пар вольтметр, то в обох випадках його показання не будуть дорівнюють нулю. Отже, ці вторинні затискачі трансформаторів не можна з'єднувати між собою.
7. Асинхронні двигуни. Будова, принцип дії і механічні характеристики.
Асинхронний двигун - це двигун змінного струму, частота обертання ротора якого відрізняється від частоти обертання магнітного поля, яке створюється струмом обмотки статора. Асинхронний двигун перетворить електричну енергію в механічну. Завдяки своїй простоті пристрою, надійності в експлуатації двигуни такого типу є найпоширенішими електричними машинами в світі.
будова асинхронних електродвигунів
Статор сучасного асинхронного електродвигуна має невиражені полюси, тобто внутрішня поверхня статора зроблена абсолютно гладкою.
Щоб зменшити втрати на вихрові струми, сердечник статора набирають з тонких шихтованих листів електротехнічної сталі. Зібраний сердечник статора закріплюють в сталевому корпусі.
У пази статора закладають обмотку з мідного дроту. Фазові обмотки статора електродвигуна з'єднуються «зіркою» або «трикутником», для чого всі початки і кінці обмоток виводяться на корпус — на спеціальний ізоляційний щиток. Такий будова статора дуже зручна, оскільки дозволяє включати його обмотки на разні стандартні напруги.
Ротор асинхронного двигуна, подібно до статора, набирається з шихтованих листів сталі. У пази ротора закладається обмотка.
Залежно від конструкції ротора асинхронні електродвигуни розділяться на двигуни з короткозамкнутим ротором і фазним ротором.
Обмотка короткозамкнутого ротора зроблена з мідних стрижнів, що закладаються в пази ротора. Торці стрижнів сполучені за допомогою мідного кільця. Така обмотка називається обмоткою типу «білячої клітки». Відмітимо, що мідні стрижні в пазах не ізолюються.
У деяких двигунах «білячу клітку» замінюють литим ротором.
Асинхронний двигун з фазним ротором (з контактними кільцями) застосовується зазвичай в електродвигунах великої потужності і в тих випадках; коли необхідно, щоб електродвигун створював велике зусилля при рушанні з місця. Досягається це тим, що в обмотки фазного двигуна включається пусковий реостат.
Принцип дії асинхронного двигуна. Трифазні асинхронні двигуни є найпоширенішими електричними двигунами і застосовуються для приводу різних верстатів , насосів , вентиляторів , компресорів , вантажопідіймальних механізмів , а також на е . п. с. змінного струму в якості двигунів допоміжних машин ..
Асинхронний двигун складається з нерухомої частини статора 1 (рис. 248 , а ) , на якому розташовані обмотка 2 статора , і обертається частини - ротора 3 з обмоткою 4 . Між ротором і статором є повітряний зазор , який для поліпшення магнітного зв'язку між обмотками роблять по можливості малим . Обмотка 2 статора являє собою трифазну або в загальному випадку багатофазну обмотку , котушки якої розміщують рівномірно уздовж окружності статора. Фази цієї обмотки А - Х , BY і CZ розміщені рівномірно по колу статора ; вони з'єднуються «зіркою » (рис. 248 , б) або « трикутником» і підключаються до мережі трифазного струму. Обмотку 4 розміщують одно -Рис . 248 . Електромагнітна схема асинхронного двигуна ( а ) , схема включення його обмоток (б ) і просторовий розподіл крутного магнітного поля ( в) в двополюсної машінеРіс . 248 . Електромагнітна схема асинхронного двигуна ( а ) , схема включення його обмоток (б ) і просторовий розподіл крутного магнітного поля ( в) в двополюсної машині мірно уздовж окружності ротора. При роботі двигуна вона замкнута накоротко.
При підключенні обмотки статора до мережі створюється синусоидально розподілене обертове магнітне поле 5 (рис. 248 , в). Воно індукує в обмотках статора і ротора е. . д. с. e1 і е2 . Під дією е. . д.с. е2 по провідниках ротора проходитиме електричний струм i2 . На рис. 248 , а показано згідно з правилом правої руки напрямок е. . д. с. е2 , індукованої в провідниках ротора при обертанні магнітного потоку Ф , за годинниковою стрілкою ( при цьому провідники ротора переміщуються щодо потоку Ф проти годинникової стрілки). Якщо ротор нерухомий або частота його обертання п менше синхронної частоти n1 , активна складова струму ротора збігається по фазі з індукованої е. . д. с. е2 , при цьому умовні позначення ( хрестики і точки ) показують одночасно і напрямок активної складової струму i2 .
На провідники із струмом , розташовані в магнітному полі , діють електромагнітні сили , напрям яких визначається правилом лівої руки. Сумарна сила fрез , прикладена до всіх провідникам ротора , утворює електромагнітний момент М , захопливий ротор за обертовим магнітним полем. Якщо цей момент досить великий, то ротор приходить в обертання і його встановилася частота обертання відповідає рівності електромагнітного моменту М гальмівного , додається до валу від приводиться в обертання механізму і внутрішніх сил тертя.
Е.д.с , індукована в провідниках обмотки ротора , залежить від частоти їх перетину обертовим полем , тобто від різниці частот обертання магнітного поля n1 і ротора n . Чим більше різниця n1 - n , тим більше е . д. с. е2 . Отже , необхідною умовою для виникнення в асинхронної машині електромагнітного обертального моменту є нерівність частот обертання n1 і n . Тільки за цієї умови в обмотці ротора індукується е. . д. с. і виникає струм i і електромагнітний момент М. З цієї причини машина називається асинхронної (ротор її обертається несинхронно з полем) . Іноді її називають індукційної огляду на те , що струм в роторі виникає індуктивним шляхом , а не подається від будь-якого зовнішнього джерела
Для характеристики відставання частоти обертання ротора двигуна від частоти обертання магнітного поля служить ковзання , його виражають у відносних одиницях або відсотках:
s = ( n1 - n ) / n1 або s = [( n1 - n ) / n1 ] 100 % ( 81 )
Якщо , наприклад , четирехполюсний двигун має s = 4 % , то частота обертання його ротора дорівнює 1440 об / хв ( частота обертання поля при частоті 50 Гц складає 1500 об / хв , а відставання ротора від частоти поля одно 4 % від 1500 об / хв , тобто 60 об / хв). У двополюсному двигуні при s = 4 % частота обертання ротора становить 2880 об / хв (3000-0,04 * 3000 = 2880) .Частота обертання ротора , виражена через ковзання ,n = n1 ( 1 - s ) ( 82 ). По своїй конструкції розрізняють двигуни з фазним ротором ( з контактними кільцями) і з короткозамкненим ротором. Вони мають однакову конструкцію статора і відрізняються виконанням ротора. Пускові властивості цих двигунів різні.
Механічна характеристика . Залежність частоти обертання ротора від навантаження ( обертового моменту на валу ) називається механічною характеристикою асинхронного двигуна (рис. 262 , а). При номінальному навантаженні частота обертання для різних двигунів зазвичай становить 98-92,5 % частоти обертання n1 (ковзання sном = 2 - 7,5 %). Чим більше навантаження , тобто обертаючий момент , який повинен розвивати двигун , тим менше частота обертання ротора. Як показує криваРис . 262 . Механічні характеристики асинхронного двигуна : а - природна ; б - при включенні пускового реостатаРіс . 262 . Механічні характеристики асинхронного двигуна : а - природна ; б - при включенні пускового реостата.на рис. 262 , а , частота обертання асинхронного двигуна лише незначно знижується при збільшенні навантаження в діапазоні від нуля до найбільшого її значення. Тому говорять , що такий двигун має жорсткої механічною характеристикою .
Максимальний крутний момент Mmax двигун розвиває при деякий ковзанні skp , що становить 10-20%. Ставлення Mmax / Mном визначає перевантажувальну здатність двигуна , а ставлення Мп / Мном - його пускові властивості
Двигун може стійко працювати тільки при забезпеченні саморегулювання , тобто автоматичне встановлення рівноваги між прикладеним до валу моментом навантаження МВН і моментом М , розвиває двигуном. Цій умові відповідає верхня частина характеристики до досягнення Mmax (до точки В). Якщо навантажувальний момент МВН перевищить момент Mmax , то двигун втрачає стійкість і зупиняється , при цьому по обмотках машини буде тривало проходити струм в 5-7 разів більше номінального , і вони можуть згоріти.
При включенні в ланцюг обмоток ротора пускового реостата отримуємо сімейство механічних характеристик (рис. 262 , б). Характеристика 1 при роботі двигуна без пускового реостата називається природною. Характеристики 2 , 3 і 4 , одержувані при підключенні до обмотки ротора двигуна реостата з опорами R1п ( крива 2 ) , R2п ( крива 3 ) і R3п ( крива 4 ), називають реостатними механічними характеристиками. При включенні пускового реостата механічна характеристика стає більш м'якою (більше крутопадающей ) , оскільки збільшується активний опір ланцюга ротора R2 і зростає sкp . При цьому зменшується пусковий струм. Пусковий момент Мп також залежить від R2. Можна так підібрати опір реостата , щоб пусковий момент Мп дорівнював найбільшому Мmax .
У двигуні з підвищеним пусковим моментом природна механічна характеристика наближається за своєю формою до характеристики двигуна з включеним пусковим реостатом . Обертаючий момент двигуна з подвійною білячої кліткою дорівнює сумі двох моментів , створюваних робочої та пускової клітинами. Тому характеристику 1 (рис. 263 ) можна отримати шляхом підсумовування характеристик 2 і 3 , створюваних цими клітинами. Пусковий момент Мп такого двигуна значно більше , ніж момент М'п звичайного короткозамкненого двигуна. Механічна характеристика двигуна з глибокими пазами така ж , як і у двигуна з подвійною білячої кліткою.
Робочі характеристики . Робочими характеристиками асинхронного двигуна називаються залежності частоти обертання n (або ковзання s ) , моменту на валу М2 , струму статора I1 коефіцієнта корисної дії ? і cos ? 1 , від корисної потужності Р2 = Рmx при номінальних значеннях напруги U1 і частоти f1 (рис. 264 ) . Вони будуються тільки для зони практичної стійкої роботи двигуна , тобто від ковзання , рівного нулю , до ковзання , перевищує номінальне на 10-20%. Частота обертання n із зростанням віддається потужності Р2 змінюється мало , так само як і в механічній характеристиці ; поводить момент на валу М2 пропорційний потужності Р2 , він менше електромагнітного моменту М на значення гальмуючого моменту Мтр , створюваного силами тертя. Ток статора I1 , зростає із збільшенням віддається потужності , але при Р2 = 0 є деякий струм холостого ходу I0 . К. п. д. змінюється приблизно так само, як і в трансформаторі , зберігаючи досить велике значення в порівняно широкому діапазоні навантаження.
Найбільше значення к. п. д. для асинхронних двигунів середньої і великої потужності становить 0,75-0,95 ( машини великої потужності мають відповідно більший к. п. д.). Коефіцієнт потужності cos ? 1 асинхронних двигунів середньої і великої потужності при повному навантаженні дорівнює 0,7-0,9 . Отже, вони завантажують електричні станції та мережі значними реактивними струмами (від 70 до 40 % номінального струму) , що є істотним недоліком цих двигунів.
Рис . 263 . Механічна характеристика асинхронного двигуна з підвищеним пусковим моментом ( з подвійною білячої кліткою ) Рис. 263 . Механічна характеристика асинхронного двигуна з підвищеним пусковим моментом ( з подвійною білячої кліткою )
Рис . 264 . Робочі характеристики асинхронного двігателяРіс . 264 . Робочі характеристики асинхронного двигуна.При навантаженнях 25-50 % номінальної , які часто зустрічаються при експлуатації різних механізмів , коефіцієнт потужності зменшується до незадовільних з енергетичної точки зору значень ( 0,5-0,75 ) .При знятті навантаження з двигуна коефіцієнт потужності зменшується до значень 0,25-0,3 , тому не можна допускати роботу асинхронних двигунів при холостому ході і значних недогрузках .
8. особливості використання асинхронних двигунів приводів насосів,вентиляторів,промислових механізмів
Асинхронные двигуни - найпоширеніший вид електричних машин, які споживають нині близько сорока% усієї продукованої електроенергії. Їх встановлена на невпинно зростає.
Асинхронный двигуни широко застосовують у приводах металообробних, деревообробних та інших видів верстатів, ковальсько-пресових, ткацьких, швейних, грузоподъемных, землерийних машин, вентиляторів, насосів, компресорів, центрифуг, в ліфтах, в ручному электроинструменте, в побутових приладах тощо. Практично ні галузі техніки і побуту, де немає використовувалися б асинхронні двигуни.
Потреби народного господарства задовольняються переважно двигунами основного виконання єдиних серій загального призначення, тобто. що застосовуються приводу механізмів, не предъявляющих особливі вимоги до пусковим характеристикам, ковзанню, енергетичним показниками, галасу тощо. Разом із цим у єдиних серіях передбачають також електричні і конструктивні модифікації двигунів, модифікації до різних умов довкілля, призначені задоволення додаткових специфічних вимог окремих видів приводів і умов його експлуатації. Модифікації створюються з урахуванням основного виконання серій з максимально можливим використанням вузлів і деталей цього виконання.
У деяких приводах виникають вимоги, які може бути задоволені двигунами єдиних серій. Для таких приводів створено спеціалізовані двигуни, наприклад электробуровые, краново-металлургические та інших.
основні напрями вдосконалення асинхронних електродвигунів загального призначення.
Низковольтные асинхронні електродвигуни загального призначення потужністю 0,25...400 кВт, іменовані в усьому світі стандартні асинхронні двигуни, становлять основу силового електропривода, застосовуваного у всіх галузях людської діяльності. Їх вдосконаленню в промислово розвинених країн надають великого значення. Нині ринок, покликаний відбивати інтереси споживачів, не формулює скільки-небудь певних вимог до стандартним асинхронним двигунам, крім цінових. У зв'язку з цим виявлення тенденцій їх вдосконалення необхідно улягати вимогам зовнішнього ринку нафтопродуктів та з досягнень основних виробників стандартних асинхронних двигунів.
9.Синхронна машина.Будова і принцип дії в режимах генератора і двигуна.Синхронні компенсатори
Синхронна машина - це електрична машина змінного струму , частота обертання ротора якої дорівнює частоті обертання магнітного поля в повітряному зазорі .
Основними частинами синхронної машини є якір і індуктор . Найбільш частим виконанням є таке , при якому якір розташовується на статорі , а на відокремленому від нього повітряним зазором роторі знаходиться індуктор .
Якір являє собою одну або декілька обмоток змінного струму. У двигунах струми , що подаються в якір , створюють обертове магнітне поле , яке зчіплюється з полем індуктора , і таким чином відбувається перетворення енергії. Поле якоря надає дію на поле індуктора і називається тому також полем реакції якоря. У генераторах поле реакції якоря створюється змінними струмами , індукованими в обмотці якоря від індуктора .
Індуктор складається з полюсів - електромагнітів постійного струму [ 1 ] або постійних магнітів (у мікромашину ) . Індуктори синхронних машин мають дві різні конструкції : явнополюсную або неявнополюсним . Явнополюсная машина відрізняється тим , що полюса яскраво виражені і мають конструкцію , схожу з полюсами машини постійного струму. При неявнополюсним конструкції обмотка збудження укладається в пази сердечника індуктора , вельми схоже на обмотку роторів асинхронних машин з фазним ротором , з тією лише різницею , що між полюсами залишається місце , незаповнене провідниками (так званий великий зуб) . Неявнополюсним конструкції застосовуються в швидкохідних машинах , щоб зменшити механічне навантаження на полюса.
Для зменшення магнітного опору , тобто для поліпшення проходження магнітного потоку застосовуються феромагнітні сердечники ротора і статора. В основному вони представляють собою шіхтованного конструкцію з електротехнічної сталі ( тобто набрану з окремих листів ) . Електротехнічна сталь володіє рядом цікавих властивостей . У тому числі вона має підвищений вміст кремнію , щоб підвищити її електричний опір і зменшити тим самим вихрові струми.
Принцип дії [ред | правити вихідний текст ]
Як всяка електрична машина синхронна машина може працювати в режимах двигуна і генератора.
Руховий режим [ред | правити вихідний текст ]
Принцип дії синхронного двигуна заснований на взаємодії обертового магнітного поля якоря і магнітного поля полюсів індуктора . Зазвичай якір розташований на статорі , а індуктор - на роторі . У потужних двигунах в якості полюсів використовуються електромагніти (струм на ротор подається через ковзний контакт щітка - кільце) , в малопотужних - постійні магніти. Існує звернена конструкція двигунів , в якій якір розташований на роторі , а індуктор - на статорі ( у застарілих двигунах , а також в сучасних кріогенних синхронних машинах , в яких в обмотках збудження використовуються надпровідники . )
Запуск двигуна. Двигун вимагає розгону до частоти , близькою до частоти обертання магнітного поля в зазорі , перш ніж зможе працювати в синхронному режимі. При такій швидкості обертове магнітне поле якоря зчіплюється з магнітними полями полюсів індуктора (якщо індуктор розташований на статорі , то виходить , що обертове магнітне поле обертового якоря ( ротора) нерухомо щодо постійного поля індуктора ( статора ) , якщо індуктор на роторі , то магнітне поле обертових полюсів індуктора (ротора) нерухомо щодо обертового магнітного поля якоря ( статора )) - це явище називається «вхід в синхронізм ».
Для розгону зазвичай використовується асинхронний режим , при якому обмотки індуктора замикаються через реостат або накоротко , як в асинхронної машині , для такого режиму запуску в машинах на роторі робиться короткозамкнутая обмотка , яка також виконує роль заспокійливої обмотки , устраняющей " розгойдування " ротора при синхронізації. Після виходу на швидкість близьку до номінальної ( > 95 %) ( підсинхронних швидкість ) індуктор заживлюємо постійним струмом.
У двигунах з постійними магнітами застосовується зовнішній розгінний двигун.
Часто на валу ставлять невеликий генератор (постійного струму або змінного струму з випрямленням ) , т.зв. " збудник " який живить електромагніти .
Також використовується частотний пуск , коли частоту струму якоря поступово збільшують від 0 до номінальної величини . Або навпаки , коли частоту індуктора знижують від номінальної до 0 , тобто до постійного струму.
Частота обертання ротора n \ , \! [ об / хв] залишається незмінною , жорстко пов'язаної з частотою мережі f \ , \! [ Гц ] співвідношенням :
n = \ frac { 60f } { p } ,
де p \ , \! - Число пар полюсів ротора.
Синхронні двигуни при зміні збудження змінюють імпеданс з ємнісного на індуктивний . Перезбуджені СД на холостому ходу застосовують як компенсаторів реактивної потужності. Синхронні двигуни в промисловості зазвичай застосовують при одиничних потужностях понад 300 кВт , при менших потужностях зазвичай застосовується більш простий (і надійний) асинхронний двигун з короткозамкненим ротором.
Генераторний режим [ред | правити вихідний текст ]
Зазвичай синхронні генератори виконують з якорем , розташованим на статорі , для зручності відведення електричної енергії. Оскільки потужність збудження невелика в порівнянні з потужністю , що знімається з якоря ( 0,3 ... 2 %) , підвід постійного струму до обмотки збудження за допомогою двох контактних кілець не викликає особливих труднощів. Принцип дії синхронного генератора заснований на явищі електромагнітної індукції ; при обертанні ротора магнітний потік , створюваний обмоткою збудження , зчіплюється по черзі з кожною з фаз обмотки статора , індукуючи в них ЕРС . У найбільш поширеному випадку застосування трифазної розподіленої обмотки якоря в кожній з фаз , зміщених один відносно одного на 120 градусів , індукується синусоїдальна ЕРС . Поєднуючи фази за стандартними схемами «трикутник » або « зірка» , на виході генератора отримують трифазне напруга, що є загальноприйнятим стандартом для магістральних електромереж.
Частота индуцируемой ЕРС f \ , \! [ Гц ] пов'язана з частотою обертання ротора n \ , \! [ об / хв] співвідношенням :
f = \ frac { n \ cdot p } { 60 } ,
де p \ , \! - Число пар полюсів ротора.
Часто синхронні генератори використовують замість колекторних машин для генерації постійного струму , підключаючи їх обмотки якоря до трифазних випрямлячів .
Різновиди синхронних машин [ред | правити вихідний текст ]
Гідрогенератор - явнополюсний синхронний генератор , призначений для вироблення електричної енергії в роботі від гідравлічної турбіни ( при низьких швидкостях обертання 50-600 об / хв).
Турбогенератор - неявнополюсним синхронний генератор , призначений для вироблення електричної енергії в роботі від парової або газової турбіни при високих швидкостях обертання ротора ( 6000 (рідко) , 3000 , 1500 об / хв.)
Синхронний компенсатор - синхронний двигун, призначений для вироблення реактивної потужності , що працює без навантаження на валу ( в режимі холостого ходу); при цьому по обмотці якоря проходить практично тільки реактивний струм. Синхронний компенсатор може працювати в режимі поліпшення коефіцієнта потужності або в режимі стабілізації напруги. Дає ємнісне навантаження .
Машина подвійного живлення (зокрема АСМ) - синхронна машина з харчуванням обмоток ротора і статора струмами різної частоти , за рахунок чого створюються несинхронні режими роботи
Ударний генератор - синхронний генератор (як правило , трифазного струму) , призначений для короткочасної роботи в режимі короткого замикання ( КЗ ) .
Також існують безредукторні , крокові , індукторні , гістерезисні , безконтактні синхронні двигуни.
11. Принцип дії машин постійного струму
Електрична машина служить для перетворення механічної енергії в електричну, або, навпаки, електричної енергії в механічну, або ж для перетворення електричної енергії одного виду в електричну енергію іншого виду. Відповідно до цього електрична машина працює: у першому випадку - генератором, у другому - електродвигуном і в третьому - перетворювачем.
Принцип дії цієї машини базується на двох основних законах електрики й магнетизму, які діють у ній одночасно: законі електромагнітної індукції й законі електромагнітної взаємодії струму й магнітного поля. Закон електромагнітної індукції визначає величину і напрямок електрорушійної сили в контурі із провідників, які рухаються в магнітному полі. Закон електромагнітної взаємодії струму в провіднику і магнітного поля є основним для пояснення рухової дії електричної машини.
В електричній машині провідники рухаються перпендикулярно відносно магнітних ліній поля.
Для визначення напрямку електрорушійної сили (е.р.с.), яка індукується у провіднику і механічної дії струму в ньому служать мнемонічні правила: правило правої руки - для визначення напрямку е.р.с. при нерухомому в просторі магнітному полі і провіднику, який рухається, і правило лівої руки - для визначення напрямку механічної дії струму при тій же умові.
Принцип дії електричної машини, яка працює перетворювачем одного виду енергії в інший, пояснює рис. 1.1, на якому представлені два полюси магніту (північний — N і південний — S) з розподілом силових ліній магнітного поля між ними і провідник ab, розташований перпендикулярно до площини рисунка і який має можливість рухатися вправо або вліво.
При такім розташуванні провідника перпендикулярно силовим лініям магнітного поля й при русі вправо або вліво він перетинає їх. У цьому випадку в ньому за законом електромагнітної індукції індукується е.р.с. відповідного напрямку. Якщо, наприклад, (на рис. 1.1, а) до провідника ab прикласти зовнішню механічну силу f і переміщати його вправо зі швидкістю v, то при перетині ним силових ліній магнітного поля полюсів у провіднику індукується е.р.с., напрямок якої можна визначити за правилом правої руки. Для цього потрібно долоню правої руки помістити перпендикулярно силовим лініям поля і повернути до північного полюса N, а великий палець руки направити за рухом (в напрямку руху) провідника, тоді інші пальці руки покажуть напрямок е.р.с. у провіднику. У цьому випадку вона спрямована в ньому від кінця а до b. За законом електромагнітної індукції величина цієї е.р.с. (В)
е = Blv,
де В — індукція в повітряному просторі між полюсами, Т; l — довжина провідника, м; v — швидкість руху провідника, м/с.
Якщо тепер до кінців провідника ab підключити за допомогою з’єднувальних провідників вимірювальний прилад — вольтметр V, то в замкнутому колі, яке утворилося, із провідників і вольтметра під впливом е.р.с. виникне і потече електричний струм i, який збігається по напрямку з е.р.с. (див. рис 1.1, а). У результаті цього в замкнутому колі утвориться електрична енергія, рівна добутку ei і отримана з підведеної до провідника ab механічної енергії поступального руху при прикладанні до нього зовнішньої механічної сили f. На рис. 1.1, а представлена в принципі елементарна електрична машина, яка у цьому випадку працює в генераторному режимі, перетворюючи підведену до неї механічну енергію в електричну. При протіканні в провіднику ab струму i останній взаємодіє з магнітним полем полюсів за законом електромагнітної взаємодії струму і поля і створює електромеханічну силу f', спрямовану у зворотну сторону до дії зовнішньої сили f. Напрямок дії сили f' визначається правилом лівої руки. Для цього долоню лівої руки потрібно розмістити перпендикулярно силовим лініям поля і повернути до північного полюса N, а пальці розташувати в напрямку протікання струму i у провіднику ab, тоді відігнутий великий палець руки покаже напрямок дії електромеханічної сили f'. Ця сила є гальмуючою, вона забезпечує необхідну рівновагу між підведеною до провідника зовнішньою механічною енергією і одержуваною від нього електричною енергією.
Якщо тепер пропустити струм i через провідник ab у тому ж напрямку, як і на рис. 1.1,а, від стороннього джерела, наприклад від акумуляторної батареї (рис. 1.1,б), то взаємодія цього струму i з магнітним полем полюсів викличе електромеханічну силу f' того ж напрямку, що і у генераторному режимі (див. рис. 1.1, а). Під впливом цієї сили f' провідник ab переміщується вліво зі швидкістю v' і перетинає силові лінії поля. За законом електромагнітної індукції в ньому індукується відповідна е.р.с. е, спрямована проти зовнішнього струму батареї і. Напрямок цієї е.р.с. визначається правилом правої руки. У цьому випадку електрична енергія, яка підводиться до провідника ab від акумуляторної батареї перетворюється в механічну енергію руху під впливом електромеханічної сили f'. Отже, розглянута елементарна електрична машина при цій умові працює в руховому режимі, перетворюючи підведену до неї електричну енергію в механічну.
Таким чином, перетворення в електричній машині підведеної до неї механічної енергії в електричну або навпаки відбувається на основі двох основних законів природи, які діють у ній одночасно: закон електромагнітної індукції й закон електромагнітної взаємодії струму і магнітного поля.
Зі згаданого закону електромагнітної індукції треба, що для виникнення в замкнутому контурі, що складається із провідників, е.р.с. і струму необхідно, щоб провідники при русі перетинали магнітні силові лінії. Зазвичай в електричних машинах для переміщення провідників у магнітному полі використовують не поступальний рух, як представлено на рис. 1.1, а круговий, або обертальний. Тому для здійснення можливості перетворення в електричній машині підведеної до неї механічної енергії в електричну або назад машина повинна мати конструктивно дві основні частини: частина, що створювала б магнітне поле, і частина, що несла б на собі контури із провідників. При цьому одна з основних частин машини повинна переміщатися або, точніше, обертатися відносно іншої.
Та частина електричної машини, яка створює магнітне поле, носить назву полюсів. Полюси разом зі станиною утворюють магнітну систему машини. Вона зазвичай виконується нерухомою. Та ж частина машини, на якій розташована обмотка, носить назву якоря. Вал якоря обертається у двох підшипниках у щитах, прикріплених до нерухомої станини. Між нерухомою і обертальною частинами машини конструкційно передбачається повітряний прошарок.
За способом одержання постійної напруги на затискачах машини існує два принципово різних типи машин постійного струму: уніполярна і колекторна (багатополярна).
Уніполярна машина постійного струму. За способом одержання постійної напруги уніполярна машина є власне кажучи машиною постійного струму, тому що індукована в ній е.р.с. при незмінній швидкості обертання має постійну величину і напрямок. На рис. 1.2 показаний принцип будови уніполярної машини з металевим диском (1), який обертається. Цей диск із радіусом ab = l розташований своєю площиною між полюсами магніту перпендикулярно силовим лініям його поля. На вал і обід диска накладені щітки М1 і M2 для зняття індукованої в радіальних волокнах диска е.р.с. (е) постійного напрямку (рис. 1.2). При обертанні, наприклад, диска за допомогою ручки за годинниковою стрілкою радіальні волокна його безупинно підходять до щітки М2, перетинаючи магнітні силові лінії поля. У них за законом електромагнітної індукції індукується е.р.с. (е) постійної величини і напрямку, обумовленого правилом правої руки. При зазначених на рис. 1.2 полярності полюсів і напрямку обертання диска ця е.р.с. спрямована по його радіусу від периферії b до центру а. Такий процес індукування е.р.с. у радіальних волокнах диска, при якому вони перетинають постійне поле між полюсами одного напрямку, одержав назву уніполярної (однополярної) індукції. Електрична ж машина, яка працює за цим принципом, одержала назву уніполярної машини.
Якщо тепер підключити до щіток машини М1 і М2, за допомогою з’єднувальних провідників електричну лампу відповідної напруги, то в замкнутому колі, що утворилося, потече постійний струм i у напрямку від щітки М1 через лампу до щітки М2.
Поряд з уніполярними машинами з обертальним диском і радіальним розташуванням щіток М1 і М2 розроблялися також конструкції уніполярних машин з обертальним металевим циліндром, у яких щітки встановлювалися на твірній по краях циліндра. Недоліки уніполярних машин: низька вихідна напруга машини, не перевищуючого порядку 10 - 12 В; недостатній коефіцієнт корисної дії її через значні механічні втрати на тертя щіток об обертові частини машини й швидке зношування щіток при більших кутових швидкостях обертання.
Колекторна машина постійного струму. У колекторній машині постійного струму індукування е.р.с. у провідниках основане на використанні так званої багатополярної електромагнітної індукції, яка має місце, коли провідник при своєму обертанні за один оберт кілька разів перетинає поперемінно магнітні лінії протилежного напрямку. Якщо, наприклад, обертати виток abсd навколо вісі якоря (рис. 1.3,а), то провідник ab (або cd) за один оберт перетне магнітне поле полюсів два рази — під північним полюсом і південним, де напрямки магнітних ліній щодо провідника будуть різними. У результаті такого обертання витка із двома активними провідниками ab і cd у ньому індукується е.р.с. змінного напрямку, рівна подвоєній величині е.р.с. одного провідника. Як показано далі, для одержання постійної напруги на щітках машини ця змінна е.р.с. «випрямляється» за допомогою механічного пристрою, називаного колектором (рис. 1.3,б і 1.5).
Для ілюстрації одержання в електричній машині змінної е.р.с. на основі багатополярної електромагнітної індукції (на рис. 1.3, а) схематично представлена машина змінного струму. Тут на поверхню циліндра з магнітного матеріалу, поміщеного між полюсами магніту, накладений виток abсd. Кінці його приєднані до двох металевих контактних кілець, які ізольовані один від одного і вала. При обертанні в магнітному полі полюсів у цьому витку індукується змінна е.р.с, зміна якої за один оберт якоря представлена штриховою синусоїдальною кривою 2 (рис. 1.4). Найбільше значення цієї е.р.с. одержується при горизонтальному положенні 1—3 витка і рівне нулю — у вертикальному положенні 2—4 його. Цифри 1, 2, 3 і т.д. на рис. 1.4 відповідають положенням 1, 2, 3, і т.д. провідника ab по колу на рис. 1.3, б при його обертанні. За допомогою двох накладених на контактні кільця щіток М1 і М2 можна одержати від цієї машини змінний струм для живлення, наприклад, лампи накалювання.
При одержанні постійної за напрямком напруги на щітках М1 і M2 потрібно два кільця замінити двома ізольованими один від одного і вала металевими півкільцями І і ІІ і до них приєднати кінці витка abсd (див. рис. 1.3,б). Середини цих півкілець повинні збігатися із площиною витка, для того щоб при обертанні його щітки М1 і М2, які розташовані горизонтально, торкалися одночасно двох півкілець при вертикальному положенні, коли е.р.с. у витку дорівнює нулю. Така перебудова дозволяє випрямити змінну е.р.с., яка на щітках М1 і М2 діє в зовнішньому ланцюзі як напруга постійного напрямку. Справді, у положенні 1—3 площини витка abсd (див. рис. 1.3,б) щітка М2 — позитивна, а щітка М1 — негативна. Через півоберт витка сторони його ab і cd поміняються місцями і е.р.с. у кожній з них змінить свій напрямок на протилежний. Отже, щітка М2 як і раніше буде позитивною, а щітка М1 — негативною. Зміна напрямку е.р.с. у сторонах ab і cd витка відбувається в момент проходження його площини через вертикальне положення 2—4, коли щітки взаємно обміняються півкільцями. Внаслідок цього кожна з них зберігає свою колишню полярність і напруга між ними за один оберт графічно представиться суцільною кривою 1 (див. рис. 1.4).. Ця крива напруги на щітках уже не має негативних ординат. Напруга залишиться постійною по напрямку, хоча і змінною по величині. Зображені на рис. 1.3,б півкільця, з'єднані з кінцями витка, утворять так званий колектор електричної машини постійного струму.
Як показує крива 1, зображена на рис. 1.4, при двох півкільцях колектора напруга на щітках змінюється від U=0 до U=Uмакс, тобто носить пульсуючий характер.
З метою зменшення пульсації напруги на щітках колектора машини і підвищення її величини на барабан якоря накладається рівномірно по окружності кілька витків або секцій (котушок) обмотки, які з’єднують послідовно, і відповідно береться необхідне число колекторних пластин.
19. . ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ
1. Вимірювання лінійних величин
Для вимірювань, які не вимагають високої точності, застосовують масштабні лінійки, складні метри, рулетки.
Масштабні лінійки бувають одношкальні та двошкальні, жорсткі чи пружні з межами вимірювань 150 1000 мм. Шкала лінійок має ціну поділки 0,5 чи 1 мм, що дає похибку при вимірюваннях 0,25 мм та 0,5 мм відповідно.
Для лінійних вимірювань з більш високою точністю застосовують штанґенциркулі, мікрометри, катетометри та ін.
Щтанґенциркуль складається зі сталевої масштабної лінійки 1, яка поділена на сантиметри і міліметри (рис.1.). На початку лінійки закріплені нерухомі губки 2. По лінійці переміщується рамка 4, яка складає одне ціле з губками 3 Ці губки паралельні до губок 2 та можуть підходити до них впритул Рамку можна закріпити у потрібному положенні ґвинтом 6
Рис.1.
У рамці є вікно 5, нижній край якого розташований напроти поділок масштабної лінійки На цьому краю нанесені поділки дещо іншого масштабу, ніж поділки основної шкали. Ця додаткова лінійка має назву лінійний ноніус Шкала найпростішого ноніуса будується так, щоб m поділок ноніуса відповідали m-1 поділці основної шкали Нехай ціна поділки основної шкали х0, а шкали ноніуса – х Тоді довжина відрізка до збігу поділок
mx = (m – 1)x0 ,
звідки:x = x0 – .
Різниця між ціною поділки основної шкали і ціною поділки ноніуса називається точністю ноніуса:x = x0 – x = .
Як бачимо, точність ноніуса дорівнює ціні поділки шкали масштабної лінійки, поділеної на число поділок ноніуса.
Виберемо m=10, а х0=1 мм. Якщо сумістити нульову поділку шкали такого ноніуса з нульовою поділкою основної шкали, 10-та поділка ноніуса виявиться суміщеною з 9-тою поділкою масштабної лінійки (Рис.2а). При цьому 1-ша поділка ноніуса не дійде до 1-ї поділки лінійки на 0,1 мм, 2-га поділка ноніуса не дійде до 2-ї поділки шкали лінійки на 0,2 мм і т.д. (рис.2а).
Шкали штанґенциркуля наносяться таким чином, що при зсунутих губках нуль шкали ноніуса і нуль основної шкали співпадають. При вимірюванні довжини штанґенциркулем предмет поміщають між губками, губки зсувають до стикання з предметом і закріплюють їх у такому положенні ґвинтом 6; потім проводять відлік з допомогою ноніуса.
Довжина предмета L дорівнює віддалі від нуля основної шкали до нуля зміщеного ноніуса і складається з цілого числа k поділок основної шкали L0 = kx0 та деякої частини наступної поділки основної шкали – відрізка L (рис.2б): L = L0 + L
Знаходимо поділку ноніуса (наприклад n), що співпадає з поділкою основної шкали (k + n), тоді:L = nx0 – nx = nx.
Отже:L = kx0 + nx.
Звідси випливає правило відліку довжини з допомогою ноніуса:
Вимірювана довжина L дорівнює сумі числа малих поділок основної шкали (kx0) і точності ноніуса x, помноженої на номер n його поділки, яка співпадає з поділкою основної шкали
Якщо при вимірюванні не виявиться жодної поділки ноніуса, яка співпадала би точно з поділкою основної шкали, то відлік береться по тій поділці, яка розміщена найближче до одної з поділок основної шкали масштабної лінійки. Величина незбігання не перевищує половини точності ноніуса х. Отже, похибка відліку по ноніусу дорівнює половині його точності.
Мікрометр
На кінцях масивної стальної скоби 1 (рис.3) знаходяться один напроти одного нерухома опорна п’ята 2 і наконечник мікрометричного ґвинта 4. Ґвинт обертається у втулці 3, вздовж якої ззовні нанесена шкала з поділками через 0,5 мм. На ґвинт насаджено барабан 5, край якого при обертанні ґвинта переміщається відносно шкали, нанесеної на втулці.
По краю барабана нанесена шкала, яка ділить обвід барабана на 50 рівних поділок; крок ґвинта 0,5 мм, отже ціна 1 поділки барабана 0,01 мм, тобто поворот барабана на 1 поділку відповідає зміщенню ґвинта на 0,01 мм.
Рис.3.
На кінці ґвинта є пристрій 6 для обертання барабана, який називається тріскачкою. Обертання передається від тріскачки до ґвинта завдяки тертю, внаслідок чого при досягненні певної сили натиску наконечника ґвинта на опорну п’яту чи на вимірюваний предмет подальше обертання ґвинта припиняється.
Якщо наконечник ґвинта і опорну п’яту звести разом, край барабану буде проти нульової поділки шкали, нанесеної на втулці, а нульова поділка шкали барабана співпадає з поздовжньою лінією, нанесеною на втулці.
При роботі з мікрометром вимірюваний предмет затискається за допомогою тріскачки між опорною п’ятою та наконечником ґвинта, після чого по шкалі втулки відраховується ціле чи півціле число міліметрів і до цього відліку додається число сотих часток міліметра, яке відраховується по шкалі барабана.
Наприклад:
Перед вимірюваннями мікрометром потрібно переконатися у тому, що при доведенні тріскачкою наконечника ґвинта до опорної п’яти отримується на обох шкалах нульовий відлік.
2. Вимірювання часу
При вимірюванні невеликих проміжків часу користуються секундомірами: механічними, електричними та електронними.Електричний секундомір має на циферблаті дві колові шкали. Зовнішня, більша, визначає десяті та соті частки секунди, а внутрішня, менша – цілі секунди. Ввімкнення і вимкнення приладу проводиться вимикачем, розміщеним на столі поряд із секундоміром. Повернення стрілок у нульове положення проводиться натисканням металевого стрижня на правій бічній поверхні корпусу секундоміра. Електронний секундомір відображає вимірювані проміжки часу на електронному табло до сотих часток секунди. На передній панелі секундоміра знаходяться вертикально розміщені три клавіші. Верхня призначена для під’єднання секундоміра до електромережі, середня – для вимірювання часу, а нижня – для занулення показів приладу.
Точність для секундомірів з ручним вмиканням приймається рівною 0,2 секунди. Це зумовлено тим, що людина не може роздільно сприймати проміжки часу, менші за 0,1 секунди. Тому при вимірюваннях експериментатор буде допускати помилки незалежно від точності секундоміра: у момент ввімкнення 0,1 с, у момент вимкнення також 0,1с. Отже, максимальна похибка становитиме 0,2 с.
3.Вимірювання температури
Для вимірювання температури використовують такі фізичні властивості речовин, які однозначно змінюються при зміні температури і легко можуть бути виміряні. Це: лінійне і об’ємне розширення, зміна тиску, виникнення термоелектрорушійної сили, зміна електричного опору, деякі магнітні та оптичні властивості. Відлік температур здійснюють за температурними шкалами: термометричній (наприклад, шкала Цельсія) і термодинамічній (шкала Кельвіна).Для побудови термометричної шкали вибирають дві постійні температури (реперні точки). Наприклад, за 00 приймають температуру плавленні льоду і за 1000 температуру кипіння води при нормальному тиску. Якщо у цьому температурному інтервалі вимірювати величину об’ємного розширення ртуті, яка знаходиться у балоні, що з’єднаний з капіляром, то, поділивши видовження ртутного стовпа у капілярі на 100 рівних частин, отримаємо шкалу Цельсія (0С).Побудова термодинамічної температурної шкали ґрунтується на другому законі термодинаміки. Одиницею вимірювання у ній є кельвін (К). Ґрадус за шкалою Кельвіна встановлюють так, щоби мала місце узгодженість зі шкалою Цельсія і для практичних вимірювань використовується співвідношення:T (K) = t (0C) + 273,15 (0C).Вимірювання температури до 6000С називається термометрією, а вище 600 0С - пірометрією.Прилади для вимірювання температури діляться на такі групи:Термометри розширення ( до 750 0С) побудовані на властивостях тіл при зміні температури змінювати свій об’єм, а значить і лінійні розміри.Манометричні (газові) термометри (до 500 0С) заповнені розрідженим газом (воднем, гелієм чи азотом). За зміною тиску термометричного газу у термометрі при постійному об’ємі можна виміряти його температуру.Електричні термометри опору (до 5000С) визначають температуру за зміною опору давача: мідного або платинового опору.
Термоелектричні (термопарні) термометри (до 16000С) використовують властивості контактів різних металів та сплавів. Термопарою називається замкнене електричне коло, яке має два спаї різних металевих провідників (наприклад, мідь-константан, хромель-копель і т.д.) (рис.6)
Якщо температура спаїв різна (Т1Т2) то у колі протікає електричний струм зумовлений термоелектрорушійною силою. Виміряна мілівольтметром величина електрорушійної сили Е пропорційна різниці температур:
Е = с(T1–T2) = с(t10C – t20C).
де с - постійна величина, різна для різних термопар.
Один спай термопари щільно притискають до тіла з невідомою температурою, а температуру другого спаю підтримують постійною (наприклад t2 = 200С). Визначення температури тіла t10C за вели-
чиною виміряної Е здійснюють з використанням ґрадуювальних таблиць.
20. Електричні вимірювання неелектричних величин
Вимірювання неелектричних величин електричними ви мірювальними засобами стає можливим завдяки поперед ньому перетворенню неелектричної величини на функціо нально зв'язану з нею електричну величину з допомогою вимірювальних перетворювачів неелектричних величин на електричні.
Виходячи з функціональних зв'язків між вхідними та вихідними величинами вимірювальних перетворювачів, до них ставлять такі основні вимоги: відтворюваність характе ристик, однозначність функції перетворення і стабільність параметрів перетворювача в часі, мінімальна зворотна дія перетворювача на досліджуваний об'єкт, мала інерційність і т. п.
Будь-яку характеристику вхідних та вихідних величин перетворювачів, а також особливість процесу перетворення можна сприйняти як класифікаційну ознаку і на цій основі побудувати класифікацію вимірювальних перетворювачів неелектричних величин на електричні.
Серед найважливіших класифікаційних ознак слід від значити фізичну природу вхідної величини, рід вхідної та вихідної величин, енергетичну характеристику вихідної ве личини і вид перетворюваної енергії.
Досліджувані неелектричні величини групують за спо рідненістю фізичних процесів, в яких вони проявляються, виділяючи механічні, акустичні, теплові, хімічні та світлові величини. Кожна з цих груп складається з великої кілько сті різнорідних величин. Наприклад, механічними величи нами є сила, тиск, момент, переміщення, швидкість, приско рення тощо.
Зміна вхідної величини може призвести до зміни пасив ного параметра перетворювача (опору, ємності, індуктив ності) або до генерування активної величини (е. р. с., струм). Тому перетворювачі поділяють на дві групи — пара метричні та генераторні.
Вимірювальне перетворення неелектричних величин на електричні завжди зв'язане з перетворенням або викорис танням певного виду енергії (електричної, механічної, світ лової, теплової, хімічної, атомної).
Найдоцільніше класифікувати вимірювальні перетво рювачі неелектричних величин на електричні за фізичною природою явищ та ефектів, покладених в основу їх роботи з урахуванням виду перетворюваної енергії. Перетворювачі неелектричних величин на електричні можна поділити на такі основні групи: механоелектричні резистивні, електро статичні, електромагнітні, теплоелектричні електрохіміч ні, оптико- електричні, гальванокінетичні та атомні.