Тема № 1. Электрический ток. Проводники, изоляторы. Электрические цепи.

Тема № 1. Электрический ток. Проводники, изоляторы. Электрические цепи.

Лекция 2 часа.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц по замкнутому контуру.

Электрический ток бывает постоянным, пульсирующим и переменным. Постоянным током называется ток, который не изменяет своего направления. Пульсирующим током называется ток, который периодически изменяется только по величине. Переменным током называется ток, который изменяется по величине и направлению. Его характеристиками являются период и частота.

Период – это полное колебание тока. Частота – это количество колебаний в секунду.

Промышленная частота переменного тока – 50 герц.

Постоянный ток не меняет своего направления в течение времени.

За направление постоянного тока условно принято считать движение заряженных частиц от «+» плюса источника тока к его «-» минусу по внешнему контуру.

Величина тока (сила тока или ток) – физическая величина, характеризующая направленное движение заряженных частиц и измеряемая величиной заряда, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени. I – сила тока; единица измерения - «АМПЕР»; Контрольно-измерительный прибор – «амперметр» В условное обозначение схеме –

В электрическую цепь амперметр включается последовательно.

Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками замкнутой цепи при протекании через нее электрического тока. U – электрическое напряжение; единица измерения - «ВОЛЬТ»; Контрольно-измерительный прибор – «вольтметр» В условное обозначение в схеме –

В цепь вольтметр включается параллельно. Е - электродвижущая сила (ЭДС). Это разность потенциалов на зажимах источника тока при разомкнутой внешней цепи. Измеряется в вольтах.

Электрическое сопротивление - свойство проводников оказывать препятствие прохождению электрического тока. Это отношение напряжения на участке цепи к току, проходящему по этому участку. Сопротивление проводника зависит от его длины, площади поперечного сечения, химического состава вещества и температуры. R – сопротивление, единица измерения - «ОМ», контрольно-измерительный прибор – «омметр», условное обозначение сопротивления в схеме –

Сопротивление может быть вычислено по формуле: сопротивление « R» равно произведению величины удельного сопротивления данного вещества «РО» и частного от деления длины проводника « L», выраженной в метрах и площади поперечного сечения проводника « S», выраженного в квадратных миллиметрах.

Закон Ома.

Если обозначить через «U» – напряжение сети в вольтах, «I» - силу тока в амперах и «R» - сопротивление в оммах, то формула закона Ома будет выглядеть следующим образом:

	I–	сила тока на участке цепи, А
U –	приложенное напряжение, В
R –	сопротивление участка цепи, Ом

«Сила тока для данной цепи прямо пропорциональна напряжению на концах данного участка цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка».

Проводники и изоляторы.

По способности проводить электрический ток все материалы подразделяются на «проводники» и «непроводники».

Непроводники называют «изоляторами» или «диэлектриками».

Проводники разделяют на: проводники 1 -го рода, 2 -го рода и полупроводники.

К проводникам 1-го рода относятся вещества, у атомов которых часть электронов слабо связаны с ядром. Под воздействием электрического поля электроны свободно перемещаются по всему объему данного вещества. Такая проводимость называется электронной проводимостью. К таким проводникам относятся металлы, уголь, графит и т.д.
К проводникам 2-го рода относятся водные растворы солей, кислот и щелочей. Такие растворы называются электролитами. У таких веществ под воздействием электрического поля перемещаются не электроны, а ионы. Такая проводимость называется ионной проводимостью.
Полупроводники – это вещества, у которых связи между ядром и электронами в атомах гораздо сильнее, чем у проводников, но слабее, чем у непроводников (изоляторов). Поэтому и обладают они как бы промежуточными свойствами между проводниками и изоляторами (например: проводят электрический ток только при определенных условиях, имеют одностороннюю проводимость и т.д.). К таким веществам относятся селен, кремний, германий и др.
Изоляторы - это вещества, которые не проводят электрический ток. К ним относятся фарфор, керамика, пластмассы, резина, сухое дерево, слюда, дистиллированная вода и др.

Электрическая цепь.

Работа электрического тока

При прохождении по цепи электрический ток совершает работу, при этом электрическая энергия источника тока превращается в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т.д.) Работа электрического тока математически выражается произведением напряжения, силы тока и времени действия.

Работа А электрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением R за время ∆ t равна:

А = I– U– t = I²– R– t

Работа измеряется в ватт – секундах, ватт – часах или в киловатт – часах. За единицу работы принят джоуль, или ватт-секунда, т.е. работа, совершаемая током в 1 ампер при напряжении 1 вольт за 1 секунду.

Мощностью называется работа, совершаемая током в единицу времени.

Мощность электрического тока математически выражается отношением работы тока А ко времени ∆ t . за которое эта работа совершена:

где,

P –	мощность тока, Вт
I–	сила тока, А
U –	электрическое напряжение, В

Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока. Известно три действия тока: химическое, магнитное и тепловое.

Тепловое действие тока.

Если на участке цепи под действием электрического тока не совершается механическая работа, и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству тепла, выделяемого для нагревания проводника при протекании по нему электрического тока. Количество выделяемого тепла определяется по закону Джоуля – Ленца:

Q = А = 0, 24 I² R t (калорий).

Переводной коэффициент «0, 24» - это количество тепла, выделяемого в проводнике, имеющем сопротивление 1 ом при прохождении через него тока силой в 1 ампер в течение 1 секунды.

Одна малая калория (или просто калория) -количество тепла, которое необходимо для нагрева воды массой в 1 грамм на 1 градус Цельсия. Одна большая калория или килокалория равна 1000 калорий.

Режим короткого замыкания.

Режим короткого замыкания – явление, когда в цепи резко падает общее сопротивление (т.к. образуется параллельная цепь). По закону Ома в цепи возникает большой ток, который вызывает нагрев проводников. А если учесть, что по закону Джоуля – Ленца количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока, нагрев может привести к возгоранию.

Плавкие предохранители.

Высоковольтный предохранитель

Изоляционная трубка
Наполнитель (среда для дугогашения)
Плавкая вставка (легкоплавкий проводник).
Контактный наконечник

Плавкие предохранители, как аппараты защиты предназначены для защиты электрической цепи от больших токов. Действие плавких предохранителей основано на использовании теплового действия тока. При повышении тока выше допустимого выделяется большое количество теплоты, проводник плавится и разрывает цепь, предохраняя ее от тока перегрузки или короткого замыкания.

На вагоне применяются предохранители для защиты высоковольтных и низковольтных цепей.

Высоковольтные предохранители – неразборные, их «заправляют» на специальном участке, подбирая провода определенного сечения. На корпусе делается маркировка величины тока, на которую рассчитан данный предохранитель.

Предохранители низковольтной цепи – разборные, в них применяются специальные плавкие вставки. Запасные предохранители всегда должны быть в вагонной сумке. Выезжать из парка без запасных предохранителей недопустимо.

Химическое действие тока.

Растворы солей, кислот и щелочей в воде называются ЭЛЕКТРОЛИТАМИ. Электролиты проводят электрический ток. Это объясняется тем, что молекулы вещества в растворе делятся на ИОНЫ, т.е. частицы, несущие заряды. Ионы водорода и металлов несут положительный заряд и под воздействием напряжения между электродами движутся по направлению к КАТОДУ (отрицательному электроду). Здесь, забирая у катода электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Ионы остальных веществ заряжаются отрицательно и под воздействием напряжения движутся в АНОДУ (положительному электроду). Здесь, отдавая ему электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Следовательно, электрический ток в электролитах представляет собой движение ионов. Химическое действие тока широко используется в технике. При электролизе производится покрытие металлических предметов слоем другого металла (гальваностегия), очистка меди, получение чистого алюминия и т.д. На химическом действии тока основана работа аккумулятора.

Аккумулятором называется прибор, способный в результате химических процессов накапливать электрическую энергию и хранить ее в течение определенного времени. В зависимости от используемого электролита аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. В качестве электролита в щелочном аккумуляторе используется 20% - ный водный раствор химически чистого едкого натра. Пластины в щелочных аккумуляторах представляют собой железные решетки с различной активной массой. В положительных пластинах в качестве активной массы используется соединение водной окиси никеля, графита и электролитического никеля, а в отрицательных – губчатое железо с гидроокисью кадмия.

В отличие от кислотных, щелочные аккумуляторы не требуют тщательного ухода, они не боятся сотрясений, могут долго оставаться в разряженном состоянии, без повреждений выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов очень опасны.

Недостатки щелочных аккумуляторов: меньшее рабочее напряжение, меньший КПД (порядка 60%), большое внутреннее сопротивление.

Как одна из технических характеристик аккумулятора, существует такое понятие, как ЕМКОСТЬ АККУМУЛЯТОРА. Это количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде его определенным током до минимально допустимого напряжения. Емкость батареи измеряется в ампер – часах.

На трамвайном вагоне «ЛМ-68М» применяется никель – кадмиевая щелочная аккумуляторная батарея «НК-125». Батарея состоит из 20 элементов, соединенных последовательно. Общее напряжение – 24 вольта. Емкость батареи – 125 ампер – часов.

Электромагнитная индукция.

Если проводник поместить в магнитном поле и двигать его (с помощью какой-либо механической силы) так чтобы он пересекал силовые линии магнитного поля, то в проводнике появится электродвижущая сила, т.е. произойдёт разделение зарядов и на конце проводника появится разность потенциалов.

Если к концам проводника подключить потребитель, то к потребителю потечёт ток. Это явление называется - принципом электромагнитной индукции.

В проводнике появится индукционный ток и ЭДС - индукции. Направление ЭДС – индукции и индукционного тока определяется правилом правой руки.

Правило правой руки Если расположить правую руку так, чтобы магнитные силовые линии магнитного поля постоянного магнита входили в ладонь и отогнутый большой палец показывал направление принудительного перемещения проводника в магнитном поле, то четыре вытянутых пальца покажут направление возникшего в проводнике индукционного тока.

Физический принцип действия электрической машины постоянного тока как генератора основан на явлении возникновения ЭДС индукции в рамке из проводника при принудительном вращении её в магнитном поле. В проводнике, помещённом в магнитное поле, произошло преобразование механической энергии в электрическую энергию.

Примечание: ИНДУКЦИЯ [лат. < induction – возбуждение] – возбуждение электрического тока в каком-либо проводнике или изменение вокруг него магнитного поля

Ф – Магнитный поток

с - постоянный коэффициент (конструкции двигателя)

Вывод:

Реостатный пуск двигателя.

При пуске двигателя в начальный момент скорость вращения равна нулю, значит и «противо ЭДС» равна нулю. Поэтому сила тока при пуске двигателя будет равна частному от деления приложенного напряжения на величину внутреннего сопротивления якоря двигателя. Поскольку внутреннее сопротивление якоря крайне мало, то величина пускового тока будет большой.

Для предотвращения токовых перегрузок, в цепь обмотки якоря последовательно включают дополнительное сопротивление, или так назывпаемый пусковой реостат, что даёт возможность уменьшить величину пускового тока.

Включение освещения салона.

Освещение салона осуществляется 24-мя электролампами накаливания (в схеме Л-1 – Л-24 ), которые разделены на две группы по 12 ламп. Группы освещения салона подключаются к цепи механическими выключателями В-27 и В-28. Эти выключатели расположены в кабине за спиной водителя в блоке выключателей под блоком высоковольтных предохранителей.

Цепь освещения салона включается с помощью контактора освещения салона «КОС». Катушку КОС необходимо искать в низковольтной вспомогательной цепи.Питание на катушку контактора включается тумблером «ОСВЕЩЕНИЕ САЛОНА», расположенном на дополнительном пульте (в схеме – выключатель 16В). Контактор срабатывает: электромагнит притягивает якорь контактора и в высоковольтной вспомогательной цепи замыкаются силовые контакты КОС. Цепь питания ламп освещения салона замыкается и в салоне становится светло.

Цепь питания катушки КОС защищает низковольтный предохранитель 20П.

Цепь питания ламп освещения защищает высоковольтный предохранитель 5П.

Рассмотрим цепь возврата ГРК на 1 позицию и работу реле обмотки возбуждения (РОВ).

При постановке рукоятки КВ на «0» после ходовых позиций, или при отключении линейных контакторов по каким-то иным причинам, ГРК возвращается на 1 позицию. Поскольку при этом 1 цепи управления провод питания не получает, служебный двигатель и катушка стоп-реле включаются по 17 проводу. Это силовой провод цепи управления, на включенном вагоне он всегда находится под питанием.

Цепь питания якоря служебного двигателя: 17 провод – блокировочные контакты ЛК-1 – КТ-1 – КТ-2 – кулачковый элемент РК-2-17, -- диод Д-2 – сопротивление – нормально замкнутые контакты СР и РУТ – якорь СД – «земля».

Цепь питания обмотки возбуждения служебного двигателя: 17 провод – ЛК-1 – КТ-1 – КТ-2 – РК-2-17 – катушка РОВ – 17 провод – контакты РОВ – обмотка возбуждения СД – «земля».

Служебный двигатель получает питание, вал ГРК вращается до 1 позиции. На 1 позиции включается стоп-реле и ГРК останавливается. Рассмотрим цепь питания катушки стоп-реле: 17 провод – ЛК-1 – КТ-1 – КТ-2 – кулачковый элемент РК-1 –катушка СР – «земля».

Наиболее характерные неисправности ГРК и стоп-реле:

· ГРК присущи все неисправности, характерные для аппаратов кулачкового типа.

· Возможны неисправности привода ГРК (служебный двигатель и редуктор).

Работу ГРК водитель контролирует по сигнальной лампе на пульте управления «Служебный двигатель» (в схеме – сигнальная лампа «ЛС-8»). При исправности схемы, на тех позициях КВ, где должен работать ГРК, сигнальная лампа загорается, а при остановке ГРК на фиксированных позициях – гаснет.

Рассмотрим некоторые аварийные ситуации:

1. При включении КВ с маневровой на ходовые позиции, вагон не набирает скорость более маневровой, сигнальная лампа «Служебный двигатель не горит. Возможные причины: перегорел предохранитель 32П, или неисправен служебный двигатель.

2. При разгоне вагон идет толчками, на пульте управления мерцающим светом постоянно горит лампа «Служебный двигатель». Возможные причины: неисправность в цепи стоп-реле, ГРК не останавливается на фиксированных позициях. В данной ситуации либо перегорел предохранитель 33П, либо неисправно само стоп-реле.

3. Вагон не идет с места, на пульте управления ровным светом постоянно горит лампа «Служебный двигатель». В результате механического заедания ГРК не вернулся на 1 позицию. Для того, чтобы вернуть ГРК на 1 позицию, водитель должен выполнить следующие действия:

· Несколько раз переключить контроллер водителя по схеме «0 – Т-4 – 0», возможно такая манипуляция позволит устранить заедание.

· Несколько раз переключить контроллер водителя по схеме «0 - Т-4 – 0», предварительно включив «Аварийный пуск СД». Кнопка или тумблер «Аварийный пуск СД» находится на дополнительном пульте. В схеме это кнопка «Кн-7». При нажатии кнопки питание на якорь СД по 17 проводу (рукоятка КВ на нуле) пойдет без добавочного сопротивления, а на обмотку возбуждения – без РОВ. Вращающий момент СД увеличивается, возможно, это приведет к ликвидации заедания. Если достигнут положительный результат и ГРК возвратился на 1 позицию, продолжаем работу на линии. Если заедание ГРК повторилось, его необходимо ликвидировать и, не допуская задержки движения, следовать до ближайшей конечной станции или до парка, управляя вагоном по схеме «маневровая – выбег», максимально используя выбег вагона. Если положительного результата не достигнуто, вагон готовится к буксировке.

· Если трамвайный вагон прошел модернизацию и электрооборудование вынесено в салон, можно ликвидировать заедание ГРК путем проворачивания ГРК вручную за хвостовик редуктора.

Включение силовой цепи.

Для включения силовой цепи необходимо: соблюдая требования техники безопасности, поднять токоприемник и включить автоматический выключатель силовой цепи АВ-1. Контрольные признаки исправности: звук включения реле напряжения «РН», на пульте гаснет сигнальная лампа «НАПРЯЖЕНИЕ СЕТИ», в кабине перестает звенеть звонок. Это означает: питание в силовую цепь поступает, предохранитель 1П исправен.

Перед началом движения водитель включает высоковольтные вспомогательные цепи, необходимые высоковольтные и низковольтные потребители, занимает место за пультом управления, нажимает ПБ и переводит рукоятку реверсивного вала в положение «ВПЕРЕД». Вагон к выезду готов.

Тормозная позиция «Т-4».

На тормозной позиции «Т-4», в дополнение к «Т-3», получают питание 1 и 13 провода и теряет питание 9 провод. По 1 проводу через блокировочные контакты контактора «Т-2» получает питание якорь СД, обмотка возбуждения СД запитывается через диод Д-1. ГРК начинает работать и постепенно отключает ступени тормозных реостатов. ГРК работает под контролем РУТ, уставка РУТ – 200 ампер задается только силовыми катушками. Добавочная катушка РУТ работает, как подъемная, между позициями ГРК и включается кулачковым элементом РКМ-2. Скорость вагона значительно снижается, и, как только ГРК довернется до 8 позиции, по 13 проводу через кулачковый элемент РК-8-9 получит питание катушка стоп-реле. ГРК останавливается на 9 фиксированной позиции. Скорость вагона снижается до 4-5 км/час, ток в тормозных контурах уменьшается, тормозное усилие практически пропадает, электродинамический тормоз истощается и становится неэффективным.

Тормозная позиция «Т-Р».

На тормозной позиции «Т-Р», в дополнение к позиции «Т-4», включается 16 провод, по которому получает питание катушка контактора рельсового тормоза «КРТ». Контакты КРТ, замыкаясь в низковольтной вспомогательной цепи, включают башмаки рельсового тормоза (БРТ). На этой позиции работают три вида тормозов: электродинамический, электромагнитный (или рельсовый) и механический тормоз от пневмопривода, поэтому позиция «Т-Р» и называется позицией экстренного торможения. Для предотвращения движения вагона юзом, вместе с КРТ, через нормально замкнутые контакты «ПП» включается вентиль песочницы «ВП» и на головку рельса подается песок.

Рельсовый тормоз.

Электромагнитный, или рельсовый тормоз «ТРМ-5Г» состоит из катушки, заключенной в стальной каркас. Каркас изготовлен из тонкой листовой стали и служит для защиты катушки от влаги. Каркас с катушкой надеваются на магнитное ярмо (сердечник), который состоит из двух частей, соединенных между собой шестью болтами. Питание катушки от аккумуляторной батареи. Потребляемый ток – в пределах 20 ампер. Сила отрыва башмака – от 3 до 5 тонн. На вагоне установлено 4 башмака рельсового тормоза.

Проверку рельсового тормоза необходимо производить при выключенном генераторе. Для проверки рельсовый тормоз включается с помощью переключателя на пульте. При исправной работе четырех башмаков разрядный ток в пределах 80-90 ампер. Если не работают два башмака, разрядный ток в пределах 40-50 ампер, если не работает один башмак, разрядный ток в пределах 60-70 ампер.

Если на вагоне работает генератор, то часть тока, потребляемого БРТ, сразу же компенсируется. На линии, при работающем генераторе, если сработал рельсовый тормоз, разрядный ток будет в пределах 40-50 ампер при четырех работающих БРТ.

При возникновении неисправности:

· Если на вагоне не работает один БРТ, необходимо проверить крепление проводов.

· Если на вагоне не работают два БРТ, необходимо проверить исправность предохранителей 7П и 11П. Эти предохранители низковольтные, но могут располагаться в блоке высоковольтных предохранителей, потому, что имеют большой ток уставки (60 ампер).

Реле напряжения – «РН».

Реле напряжения «РН» предназначено для защиты ТЭД от резкого падения или полного исчезновения напряжения в контактной сети. Реле минимальное, уставка – 350 вольт. Катушка РН получает питание от контактной сети по следующей цепи: токоприемник – автоматический выключатель АВ-1 – предохранитель 1П – сопротивление 5100 Ом катушка РН – «земля».

При срабатывании РН, его контакты:

· Размыкаются в 5 проводе цепи управления и отключают питание линейных контакторов. Соответственно отключается питание ТЭД.

· Замыкаются в 8 проводе цепи управления и подготавливают к включению контакторы цепи аварийного тормоза «ТБ» и «ЛК-3».

· Замыкаются в низковольтной вспомогательной цепи и включают звонок в кабине водителя, сигнальную лампу «Напряжение сети» ЛС-7 на пульте управления. Эти сигналы информируют водителя об исчезновении высокого напряжения в силовой цепи.