> Техника, страница 94 > Электрические прерыватели

Электрические прерыватели

Электрические прерыватели, аппараты, служащие для размыкания электрич. цепи в целях прерывания протекающего по ней тока. В английской, французской и итальянской электротехнич. литературе под термином Э. п. понимают все приборы, служащие для указанной цели, в том числе и всякого рода выключатели (смотрите Выключатели электрические, Масляный выключатель и Установочные материалы); в русской литературе по примеру немецкой применение термина Э. п. ограничивают приборами, служащими для получения прерывистого (пульсирующего) тока из тока постоянного путем периодически повторяющегося ряда автоматических замыканий и размыканий цепи, по которой этот последний протекает. Получаемый таким образом прерывистый ток (сложный ток, который можно рассматривать как наложение постоянного тока на целый ряд переменных токов) используется для питания первичной обмотки небольших индукционных катушек (катушек Румкорфа), а также для некоторых других целей (лабораторных, медицинских ит. п.). Данная статья посвящена рассмотрению электрических прерывателей в указанном суженном смысле этого термина, принятом в русской литературе. Относительно прерывателей, применяемых в электрических аппаратах зажигания в двигателях внутреннего сгорания, см. Магнето. Электрические прерыватели подразделяются на: 1) электромагнитные—с твердыми электродами (молоточко-вые электрические прерыватели Неефа, Вагнера, Депре); 2) механические—ртутные: а) дис-

ковые (центрифугальные) и б) струйные (турбинные); 3) электролитические (Венельта, Симона). Основные требования, предъявляемые к электрическим прерывателям: надежность работы, равномерность прерываний, незначительные потери энергии, простота ухода.

Электромагнитные (молоточко-в ы е) Э. и. состоят из неподввжного электромагнита и приводимого им в вибрирующее движение якоря, имеющего обычно вид молоточка; молоточек, вибрируя, попеременно то приводит в соприкосновение то вновь удаляет друг от друга два контакта, периодически т. о. замыкая и размыкая цепь тока (в результате замыканий и размыканий первичной цепи в изолированной от нее вторичной обмотке индукционной катушки, для прерыватель, индуктируется переменный ток; частота его зависит от числа размыканий первичной цепи; индукционная катушка м. б. использована для получения небольших количеств энергии в качестве недорогого суррогата обычного трансформатора).

Для небольших индукционных катушек npej рыватель конструктивно объединяют с самой катушкой, причем ее первичная обмотка с сердечником выполняет функции электромагнита, заставляющего вибрировать молоточкообраз-ный якорь. Молоточек с железной головкой М (фигура 1) может вибрировать в горизонтальном направлении, но пружинка прижимает его к винтику D. В первичную обмотку катушки Н_г ^пускают ток (от батареи Е_у обычно в 2—4V, из нескольких гальванич. элементов или аккумуляторов) через винтик D и молоточек М.При замкнутой цепи (контактный ключ К включен) сердечник катушки NN намагничивается и притягивает молоточек, так что он отходит от ж

Фигура 2. Фигура 3.

винтика, размыкая т. о. цепь; тогда магнетизм сердечника исчезает; он перестает притягивать молоточек и пружина возвращает его в первоначальное положение, прижимая к винтику, благодаря чему цепь вновь замыкается: процесс размыкания и замыкания периодически повторяется. Для ослабления искрообразо-вания в месте размыкания параллельно прерывателю включен конденсатор С (эдс самоиндукции частью идет на заряд конденсатора и лишь часть ее на искрообразование; конденсатор должен быть с высокой проводимостью и хорошо изолированный); контакты должен быть плоскими и хорошо при

а₂ в.

Фигура 1.

питания которой служит легающими друг к другу (при уменьшении площади соприкосновения увеличивается плотность тока, повышая износ от искры); кроме того для уменьшения изнашивания контактов от искры их делают из металла с высокой 1°_пл—платины (контакты Р на фигуре 2). Наивыгоднейшее расстояние между контактами (обеспечивающее наиболее регулярную работу прерывателя) находят для каждых условий работы опытным путем, регулируя его с помощью контактного винта К или винта R, служащего для регулирования положения пружины F. Прерыватель не дает свободы регулирования: ток размыкается в тот момент, когда он возрастет настолько, что притяжение электромагнита преодолеет упругость пружины; между тем ввинчиванием или вывинчиванием винтов К и R изменяют ход молоточка и натяжение пружины, т. ч. получается одновременное изменение всех трех факторов, определяющих рабочий режим Э. и.,—силы тока, длительности замыкания и продолжительности периода изменения тока (с увеличением упругости пружины обычно усиливается ток и возрастает число прерываний). В нем. литературе первую конструкцию молоточкового прерывателя приписывают Не-ефу, а во французской—Физо. В дальнейшем появился ряд конструктивных видоизменений.

Нархболее распространена конструкция Э. и. сист. Дейре (фигура 3), позволяющая регулировать момент размыкания таге, чтобы он совпадал с моментом, когда ток достигает определенной желаемой силы. Предложенный Карпантье атонический

«£Γ·|ϊϊ

EJfe,

Фигура 4.

Фигура 5.

Э. и. (фигура 4) не имеет закрепления с помощью пружины и потому свободен от собственных ме-ханич. колебаний.

Видоизменением молоточхшвого Э. и. является струнный Э. и. (фигура 5), в котором молоточек заменен проволочкой RS, вибрирующей перед полюсами электромагнита. ММ; разрыв цепи тока происходит в точке Р. Струнный Э. и. применяется для получения очень большого числа прерываний (в целях увеличения частоты тока, индуктируемого во вторичной обмотке индукционной катушки). Подобную конструкцию имеет зуммер (смотрите). Следует заметить, что нарастание тока при замыкании цепи происходит медленнее, чем прекращение его при размыкании: во вторичной обмотке индукционной катушки в первом случае получается меньшая эдс, чем во втором [экспериментальное доказательство: при небольшом расстоянии между электродами А₂ и В₂ (фигура 1) между ними проскакивают искры в обоих случаях—как при замыкании, так и при размыкании первР1Чной цепи; при увеличении расстояния А₂В₂ во вторичной обмот1^е получается ток только одного направления, индуктируе-мый при размыкании первичной цепи, что можно проверить, заряжая от искр индукционной хсатушки отдельный конденсатор!. Подобное различие эдс, получаюхцихся в обоих случаях, иногда представляет неудобства для практиче-cicoro использования индукционной катушкР1.

*10

Поэтому Cremieu предложил Э. п., в к-ром после каждого размыкания цепи направление тока, посылаемого в первичную обмотку катушки, автоматич. переключением изменяется на обратное [¹⁰]. Имеются также конструкции, например Villard’a [¹⁰], в которых вибрирование прерывателя создается действием постоянного магнита на укрепленный на пружине тонкий подвижной стержень, погруженный одним концом в ртуть, которая служит вторым контактом. Достоинства молоточковых Э. п.: отсутствие (в большинстве случаев) каких-либо жидкостей, возможность (хотя бы и не вполне свободного) регулирования частоты прерываний. Недостатки: из-за инерции сравнительно небольшая частота прерываний (большинство конструктивных улучшений имело целью возможное повышение этой частоты); т. к. разрыв осуществляется в воздухе, то прерыватель неприменим для питания при более высоких напряжениях; несмотря на применение конденсатора искро-образование сравнительно быстро разрушает платиновые контакты; появляющиеся повреждения их поверхности приходится довольно часто устранять (мелким напилком, наждачной бумагой), поэтому при интенсивной работе Э. п. уход за контактами становится обременительным [², ⁸, ⁹, ^1Х].

Механические (ртутные) Э. п. Принцип устройства: один из контактных электродов—ртуть, другой электрод—твердый; необходимое для относительного перемещения обоих этих электродов движение осуществляется с помощью маленького электродвигателя (последний приводится во вращение током от той же батареи, от которой питается главная цепь, или от постороннего источника, например от осветительной сети).

1) Дисковые (центрифугальные) ртутные прерыватели: электродвигатель быстро вращает вокруг вертикальной оси железный сосуд с ртутью (сосуд доливается доверху керосином или ом); внутри его помещают диск из изолирующего материала; диск этот свободно расположен на оси, которая параллельна оси вращения сосуда, но несколько смещена по отношению к ней; на диске расположена по диаметру медная полоса, проходящая через

Фигура 6. Фигура 7.

ось и соединенная с ней электрически. У вертикальных стенок сосуда при вращении его получается под действием центробежной силы вращающийся кольцевой слой ртути; этот слой, касаясь части окружности диска, приводит его во вращение: при погружении медной полосы в ртуть получается замыкание цепи; для изменения времени этого погружения, то есть для изменения продолжительности периода замы

кания цепи, можно изменять эксцентриситет оси вращения диска. Описанный принцип действия дисковых ртутных прерывателей поясняет фигура 6—разрез наиболее распространенной их конструкции («Ротакс»).

2) С т р уй ные (турбинные) ртутные прерыватели представляют собой более новый и улучшенный тип: электродвигатель

Фигура 10.

Фиг. приводит во вращение маленькую железную турбинку, вставленную в неподвижный чугунный сосуд А (фигура 7), в к-рый налито немного ртути; вращающаяся часть турбинки Б состоит из вертикальной трубки Т, снабженной снизу винтом Р и сбоку отверстием О; трубка погружена внизу в ртуть, которую при вращении трубки винт поднимает вверх по ней; достигнув некоторой высоты, ртуть действием центробежной силы выбрасывается в виде тонкой струи из бокового отверстия О; ртуть и вращающаяся часть турбинки соединены с одним полюсом источника тока; в соединении с другим полюсом находится расположенное вокруг вращающейся части неподвижное металлич. полукольцо; когда отверстие О приходится⁰ против полукольца, то струя ртути попадает на него: между Р и О образуется ртутный контакт, через к-рый цепь тока замыкается; через пол оборота струя ртути будет выбрасываться мимо полукольца, и цепь окажется разомкнутой. Поверх ртути наливают керосин или, который, отнимая тепло, способствует быстрому гашению искры размыкания. На фигуре 8 показан горизонтальный разрез турбинного прерывателя, а на фигуре 9—схематич. вертикальный разрез. Для привода от электродвигателя служит одеваемый на шкив турбины ремень. Вместо одного полукольца можно установить по окружности две металлич. полосы, занимающие каждая четверть окружности. оставляя четверть окружности свободной: при каждом обороте получатся два размыкания. Для получения большего числа перерывов применяют кольцо с большим числом зубцов (при попадании струи в промежутки между ними получается каждый раз размыкание цепи). Число прерываний, к-рое равно произведению числа полуколец (или зубцов) на число оборотов-электродвигателя, можно легко регулировать реостатом, включенным в цепь электродвигателя, контролируя его тахометром: оно обычно составляет 600—2 500 об/м. (при числе оборотов < 600 турбинка часто уже перестает накачивать ртуть). Отношение продолжительности замыкания к продолжительности периода полного изменения тока, к-рое равно отношению измеренной по окружности длины зубца (полукольца) к сумме длин зубца и промежутка, можно изменять только скачка-

ми, а не плавно (для этого, отвинтив кольцо с зубцами, заменяют его новым кольцом с другим числом зубцов). Иногда взамен а резервуар прерывателя заполняют каким-нибудь газом, например светильным или блаугазом. Для уменьшения искрообразования параллельно зажимам прерывателя включают конденсатор. На фигуре 10—современный усовершенствованный тип прерывателя «Констант» с заполненным газом резервуаром.

Достоинства турбинного прерывателя: ^весьма регулярное прерывание даже сравнительно сильных токов при условии тщательного ухода за прерывателем (смотрите ниже); 2) высокая частота прерываний и возможность удобного регулирования ее в широких пределах;

3) возможность регулирования в широких пределах силы прерываемого тока (идущего для питания первичной обмотки индукционной катушки) при постоянном числе прерываний, т. к. сила тока в двигателе не зависит от силы прерываемого тока, при условии питания двигателя и прерывателя от различных источников тока (невозможность такого независимого регулирования является крупнейшим недостатком мо-лоточковых прерывателей); 4) сравнительно малое искрообразование, т. к. струя ртути при размыкании цепи покидает зубец с большой скоростью (< 5 м/ск), а образующаяся искра гасится благодаря быстрому отнятью тепла ом или газом. Недостатки турбинного прерывателя: 1) довольно частое засорение отверстия, из которого выбрасывается струя ртути (устраняется прочисткой тонкой стальной проволокой); 2) добавочный расход энергии на питание электродвигателя; 3) необходимость тщательного ухода и периодич. чистки. Необходимо следить за уровнем а: когда в силу испарения поверхность а опустится до уровня, на котором получается струя ртути, то начнутся ы, создаваемые искрами размыкания, хотя и не опасные, но при частом повторении вызывающие расшатывание крышки прерывателя (поэтому в ней делают отверстия для выхода газов); кроме того при низком уровне а поверхность зубцов быстро изъязвляется (от этого недостатка свободны прерыватели с резервуаром, наполненным газом). Необходима частая чистка турбинных прерывателей (при ежедневной работе 2—4 раза в месяц); ртуть, которая загрязняется тем скорее и сильнее, чем больше сила прерываемого тока, промывают (бензином, затем горячим насыщенным раствором соды, затем много раз чистой водой), высушивают пропускной бумагой и профильтровывают через плотную ткань (лучше через замшу); керосин сменяют; в случае заполнения ом нужна промывка только водой с последующим высушиванием и фильтрованием; в прерывателях с газовым заполнением чистка требуется значительно реже, т. к. ртуть не эмульгируется 10 _? 11] ^

Электролитические прерыватели. 1)Прерыватель Венельта (фигура 11) состоит из стеклянного сосуда с электролитом, в к-рый погружены два электрода. В качестве электролита применяют чаще разбавленную водой серную к-ту (к-ты берут ок. 10%, уд. в раствора 1,15—1,18) или полунасыщенный раствор серномагниевой соли MgS0₄, слегка подкисленный серной к-той. Поверх электролита наливают тонкий слой масла. Один электрод (отрицательный) В свинцовый, в виде пластинки большой поверхности, другой (положи тельный) Р—платиновый, малой поверхности, обычно в виде штифта или проволоки. К зажимам электродов В и Р присоединяют источник тока D (батарей элементов, аккумуляторов ит. п.). Платиновый электрод окружен изолирующей (стеклянной) трубкой, т. ч. ток из него может поступать в электролит только через выступающее из трубки острие электрода, то есть через очень небольшое сечение жидкости; поэтому плотность тока в этом месте настолько велика, что здесь получается значительное выделение тепла: в результате жидкость испаряется и разлагается на водород и кислород,—на конце электрода образуется пузырек газа (гремучий газ), который отделяет его от массы электролита и тем размыкает цепь. После некоторого перерыва жидкость опять получает доступ к платиновому острию, цепь автоматически замыкается и ток возникает вновь; далее процесс размыкания и замыкания периодически повторяется. Опыт показал, что к платиновому электроду надо всегда присоединять положительный зажим источника тока; это объясняют тем, что нагревание электрода происходит не только от тепла Джоуля, но и вследствие тепла Пельтье. Для правильной работы выпрямителя необходимо напряжение <40—50 V. Прерыватель Венельта работает лучше без конденсатора. Число прерываний изменяется в зависимости от диаметра и длины платинового электрода; были предложены конструкции, позволяющие с помощью винта выдвигать из трубки проволочки, регулируя выступающую из трубки длину ее; обычно последняя не должна превышать 1,5 миллиметров в среднем число прерываний равно 500—600 в ск. и м. б. доведено до 800, оно зависит также от состава жидкости. В предложенном Тейлором видоизмененном типе прерывателя платиновый электрод заменен тонким угольным, а серная к-та—К НО; работа подобного прерывателя менее удовлетворительна и уголь быстро разрушается.

2) Прерыватель Симона имеет оба * электрода из свинца с большой поверхностью и два сосуда, оба наполненные серной кислотой, разведенной водой; в каждый из них погружен один из электродов. Сосуды вставляются один в другой, оказываясь т. о. разделенными друг от друга фарфоровой стенкой внутреннего сосуда; в этой стенке имеется очень маленькое отверстие, в котором именно и происходит размыкание цепи: в нем, вследствие местного выделения тепла Джоуля и электролиза, образуется пузырек газа, разрывающий цепь и затем по прекращении в связи с этим тока вновь исчезающий. Этот прерыватель работает хорошо только при наличии в цепи большой самоиндукции. Достоинства электролитич. прерывателей: 1) экономичность, 2) простота и удобство эксплуатации (отсутствие надобности в чистке). Недостаток: невозможность просто регулировать частоту прерываний Г¹, ², ⁶, ⁸, ¹⁰].

Лит.: !) Петровский А., Электричество и магнетизм, П., 1917; ) СЭТ, Справочная книга для электротехников, т. 3, Л., 1928; ^s)×в о л ь с о н О., Курс физики, т. 3, Берлин, 1923; ^ЭйхенвальдА., Электричество, 6 изд., М.—Л., 1931; s) A n d е г 1 e F., Lehr-buchi d. drahtlosen Telegrapliie u. Telephonie, 2 Aufl., Lpz. u. W., 1912; e) Benischke Gr., Die wissenschaft-lichen Grundlagen d. Elektrotecbnik, 6 Aufl., B., 1922;

⁷)Mazetto D., Radiotelegrafia e radiotelefonia, Milano, 1912; 8) Phillips C., Problems of Interrupted a. Fluctuating Currents, «Journal of the Inst, of Electrical Engineers», L., 1920, p. 727; ⁹) T а у 1 о r-J ones E., The Theory of the Induction Coil, L., 1921; ¹⁰) Tur-pain A., La T616graphie sans fil, 2 6d., P., 1908; ^X1) V a-lentiner S., Auf der Induktion beruhende Apparate, Handbuch d. Physik, hrsg. v. H. Geiger u. K. Scheel, B., 1927; ^1ώ) Zenneck J., Elektromagnetische Scbwingun-gen u. drahtlose Telegraphie, Stg., 1905. В. Хащинский.