ГЛАВА ПЕРВАЯ
ЯЗЫК ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Слова — великое средство для выражения самых разнообразных мыслей. Но язык слов — не единственный способ общения людей друг с другом. С детства мы привыкаем к языку цифр. Затем мы узнаем язык условных алгебраических выражений, пользуемся языком химических формул.
Есть области человеческой деятельности, где словами пользоваться сложно, неудобно, нецелесообразно. Музыканты, например, применяют ноты, инженеры-механики выражают свои мысли чертежами.
Электрики говорят схемами. Схемы — это язык электротехники.
1-1. Условные обозначения
На языке схем каждый электрический аппарат обозначается своим особых значком. Источник постоянного электрического тока, батарея к примеру, — это две черточки, одна покороче и потолще, другая длиннее и тоньше:
. А электрический конденсатор — это две одинаковые черточки:
·
Катушка изображается вот так:
, а сопротивление — так:
Когда требуется показать, что величина сопротивления может меняться, то оно перечеркивается стрелкой:
. Такой же стрелкой перечеркивают и катушку и конденсатор, чтобы показать, что они переменные.
В электротехнических схемах условные обозначения соединяются линиями, которые представляют проводники тока. Там, где проводники соединяются между собой, ставится точка:
. А где нет соединения, там линии просто пересекаются:
. Прежде в местах пересечений без соединений ставились скобки:
Одно и то же сочетание букв латинского алфавита по-разному может выговариваться и обозначать разные вещи в зависимости от того, к какому языку отнесено это сочетание букв.
Рис. 1-1. Включение генератора постоянного тока на реостат через амперметр.
Внизу дано истинное расположение отдельных приборов, вверху слева — электрическая схема.
Рис. 1-2. Старое и новое условные обозначения газонаполненного электровакуумного прибора (газотрона) в электрической схеме.
Различных электротехнических символов существует несколько сотен. Их больше, чем букв в русском или латинском алфавите, но меньше, чем иероглифов в китайском языке.
В прошлом веке условных электротехнических символов еще не существовало. Пионеры-электротехники просто рисовали общие виды или разрезы самих приборов или аппаратов и соединяли их между собой линиями (рис. 1-1). Подобным образом поступают иногда и в наше время в популярных изданиях, рассчитанных на неэлектриков. Такие наглядные схемы требуют кропотливого труда для их вычерчивания. А электрики непрестанно стараются упростить и ускорить работу по составлению схем. Прежде, например, наполненный газом прибор рисовали в виде кружка, покрытого косой штриховкой. А теперь часто ставят внутри кружка жирную точку (рис. 1-2). Новое обозначение рисуется быстрее и легче. Чтобы облегчить составление схем, отменили также скобку в местах пересечений проводников без соединений.
Электрики непрестанно придумывают все новые и новые комбинации электрических аппаратов, создают все новые и новые схемы, т. е. говорят новые слова на языке электротехники.
1-2. Выпрямление переменного тока
Вот такой пример: в электрических сетях наших городов, в сетях, от которых питаются осветительные лампы, циркулируют переменные токи. Сто раз в секунду меняет этот ток свое направление. Если такой переменный ток пустить в простой электромагнит, то этот электромагнит будет притягивать стальной якорь, но плохо. Ток для питания электромагнитов часто превращают из переменного в постоянный.
Рис. 1-3. Схема питания электромагнита через однополупериодный выпрямитель от сети переменного тока.
Десятки лет электротехники применяли для этого такую схему (рис. 1-3).
Треугольничек, который упирается своим острием в черточку, это электрический вентиль — прибор, пропускающий электрический ток только в одном направлении. Следовательно, одна половина волны переменного тока через вентиль пройдет, а другая задержится. Когда электромагнит присоединен через вентиль к сети переменного тока, то через этот электромагнит ток будет проходить также только в одну сторону. Но это будет не чисто постоянный ток, а ток, состоящий из отдельных толчков, — пульсирующий ток, как его называют (рис. 1-4).
Электрическая лампа накаливания или электроплитка полностью потребляют всю подводимую к ним в каждый момент энергию, в каком бы виде она к ним ни поступала, т. е. принесена постоянным или переменным током.
Электромагнит же запасает часть подведенной к нему энергии. Этот запас пропорционален количеству магнитных линий, сцепленных с витками обмотки электромагнита. Запас электромагнитной энергии остается в покое, если не меняется ток в обмотке.
Рис. 1-4. Кривые (напряжения в сети 1 и тока через электромагнит и вентиль 2 и 3, записанные при помощи осциллограмм (осциллограф описан в § 3-18 и показан на рис. 3-28 и 3-29); А и В — осевые линии для кривых 1,2 и 3.
Часть времени ток вовсе не проходит через обмотку электромагнита. Пульсация тока — отношение его наибольшего значения к среднему — велика. Форму тока в обмотке электромагнита можно не только определить опытным путем, но также вычислить теоретически.
При пульсирующем же токе, с нарастанием его величины, электромагнит накапливает энергию, а при спадании тока он вынужден возвращать этот запас. В примитивной схеме выпрямления с одним вентилем электромагнит при спадании тока посылает часть своего запаса энергии обратно в сеть.
Такое перебрасывание энергии из обмотки в сеть и обратно сопряжено с лишними потерями. Количество циркулирующей взад и вперед энергии может в несколько десятков раз превышать собственное потребление обмотки электромагнита.
Кроме того, в подобной примитивной схеме магнитный поток на некоторую часть периода падает до нуля и в эти моменты времени притягивающая сила на якорь не действует. Только из-за инерции якорь не успевает отпасть.
1-3. Схема с нулевым вентилем
Рис. 1-5. Схема питания электромагнита от сети переменного тока через выпрямитель с нулевым вентилем.
Направление тока в обмотке электромагнита показано стрелкой. Через вентили ток идет также по стрелке.
В 1932 г. я нарисовал такую схему (рис. 1-5).
Кажется, отличие не столь уже большое между этой схемой и предыдущей. Вместо одного вентиля, как было в старой схеме, добавлен еще второй, параллельно обмотке электромагнита. А в действии этих схем имеется большая разница. Ток из сети через первый вентиль идет в обмотку электромагнита, а когда наступает отрицательная полуволна напряжения в сети, то этот ток не прерывается, а замыкается через второй вентиль, приключенный параллельно обмотке. В этой новой схеме ток через электромагнит не имеет разрывов. Сила тока в этой схеме увеличена, а пульсации тока ослаблены (рис. 1-6). При новой схеме электромагнит крепче притягивает якорь; якорь не дрожит, не вибрирует.
На эту схему мне выдали авторское свидетельство. Добавочный вентиль, подключенный параллельно к катушке, получил специальное название: «нулевой вентиль». А вентиль, через который ток поступает из сети, стал называться «фазный».
Схема с нулевым вентилем получила разнообразные практические применения. Фазный вентиль в такой схеме можно сделать управляемым. Тогда выпрямленный ток будет плавно регулироваться от нуля до максимального значения. Можно сочетать с одним нулевым вентилем несколько фазных. Это уменьшит пульсации гока.
Перед войной на заводе «Динамо» был построен опытный электровоз для магистральной тяги с установленными на нем выпрямителями, и на этом электровозе схему с нулевым вентилем применили, чтобы сгладить пульсации тока в электродвигателях.
Рис. 1-6. Осциллограмма, снятая в схеме рис. 1-5.
1 — напряжение в сети; 2 — ток через обмотку электромагнита; 3 — ток через фазный вентиль; 4 — ток через нулевой вентиль.
Половину периода ток идет в обмотку электромагнита через фазный вентиль из сети переменного тока, в другую половину периода ток электромагнита замыкается через нулевой вентиль. Ток в обмотке электромагнита не прерывается. Среднее значение тока в схеме с нулевым вентилем значительно больше, а пульсация тока значительно меньше, нежели в простой однополупериодной схеме. Все кривые тока на рис. 1-4 и 1-5 построены в одном масштабе. Включение нулевого вентиля увеличило средний ток через электромагнит в 20 раз.
Рис. 1-7. Такая схема непригодна для питания обмоток электромагнита выпрямленным током.
Во время Великой Отечественной войны развилась радиолокация. И в некоторых локационных установках схема с нулевым вентилем также оказалась полезной. Передатчик локационной установки работает отдельными импульсами, вспышками. Этот передатчик питают толчками напряжения от специальной цепочечной схемы. Часто в эту схему питания включается нулевой вентиль.
Там он поглощает отрицательную волну напряжения, которая могла бы возникнуть при рассогласовании цепочки и ее нагрузки.
Но стоит лишь немного изменить схему с нулевым вентилем — скажем, повернуть этот нулевой вентиль иначе, поместить его как указано на рис. 1-7, и получается бессмыслица — это, уже неразумная схема, для такой схемы неизвестны пока полезные применения.
Каждая идея, каждая мысль должна быть выражена присущим ей языком. Нельзя мелодию рассказать словами, невозможно полно изложить словами идею живописца — она должна быть воплощена в картине.
И если бы я — электрик — попытался описать только словами без схемы мой нулевой вентиль, то эксперты из бюро изобретательства не стали бы и разбираться в этом сочинении. Они не выдали бы мне авторского свидетельства. Ни один электрик не принял бы всерьез словесные рассуждения без схемы. И он был бы прав.
Кто желает работать в области электротехники, должен прежде всего изучить язык электротехники — научиться читать и составлять электрические схемы.
1-4. Свет в коридоре
Попробуйте сами составить такую схему: длинный коридор, в который выходят двери нескольких комнат, освещается одной электрической лампочкой. У всех дверей имеются соединенные с лампочкой выключатели. Выходя из своей комнаты, каждый жилец может зажечь лампу, повернув свой выключатель, и, пройдя коридор, погасить затем лампу, повернув другой выключатель.
Выключатели и лампа должны быть так соединены, чтобы каждым выключателем можно было зажечь лампу, если она до того была погашена, и каждым же выключателем можно было погасить лампу, если она горит.
В электротехнике известны разные способы соединения лампы и выключателей. Можно, например, лампу и все выключатели соединить гуськом один за другим. Такое соединение называется последовательным (рис. 1-8).
Лампа будет гореть, когда все выключатели замкнуты. Достаточно разомкнуть один из выключателей — любой — и лампа погаснет.
Другое соединение выключателей — параллельное (рис. 1-9).
При параллельном соединении выключателей лампа будет погашена лишь в том случае, когда все выключатели разомкнуты. Достаточно замкнуть один из выключателей — и лампа загорится.
Рис. 1-8. Последовательное соединение выключателей.
Ни параллельная, ни последовательная схемы соединения выключателей не годятся для решения нашей задачи о лампочке в коридоре. При последовательной схеме можно погасить лампу любым выключателем. Но, чтобы зажечь лампу, надо все без исключения выключатели поставить в положение «замкнуто». При параллельном соединении, наоборот, можно любым выключателем зажечь лампу, но погасить ее другим выключателем невозможно.
Нужна иная схема, в которой любой из выключателей, независимо от положения всех остальных, и гасил и зажигал бы лампу.
Намек к решению дадим тут же: проще всего составить требуемую схему для случая управления лампой из двух пунктов.
Рис. 1-9. Параллельное соединение выключателей.
Для трех пунктов управления надо несколько видоизменить это решение. При дальнейшем увеличении числа пунктов управления — вплоть до любого их количества, принцип решения, пригодный для трех пунктов, все остается в силе.
