Опять »наилучший кабель“

May 28, 2015 by admin Комментировать »

В разделе 7-10 был разобран пример о кабеле, который имеет наибольшую электрическую прочность при заданном диаметре его оболочки. У такого кабеля жила должна иметь диаметр в е раз меньший, нежели обо лочка.

Но не всегда электрикам нужен самый прочный кабель. При телефонной связи, например, по кабелю передают такие слабые сигналы, что энергии этих сигналов совершенно недостаточно для пробоя самой тонкой изоляции. В этом случае, следовательно, нечего заботиться о высокой электрической прочности кабеля.

Для связи необходимо, чтобы сигналы возможно меньше затухали в пути.

В разделе 6-31 было рассказано о трансляционных усилителях. Они компенсируют затухание в линии. Усилители подымают мощность сигнала, ослабевшего из-за потерь, доводят эту мощность до требуемого уровня.

Нужно ли при наличии усилителей заботиться об уменьшении затухания линий? Конечно, нужно. Усилители стоят не дешево. Эксплуатация их вызывает дополнительные расходы. Чем лучше линия связи, тем на большее расстояние можно удалять друг от друга усилительные пункты.

Связисты применяют множество ухищрений, чтобы уменьшить потери в линии, уменьшить ее затухание. Стараются помещать возможно меньше твердой изоляции между токонесущими проводниками. Для этого не покрывают медную жилу сплошной изоляционной оболочкой, а обматывают ее жгутиком из изоляционного материала. На фиг. 2-12 была показана жила с бумажной обмоткой. Но для кабелей дальней связи применяется часто обмоточный жгутик из более высококачественной изоляции (стирофлекс, триацетатная пленка). Увеличивают сечение медной жилы. Все эти, приемы удорожают кабель. Это является предметом отдельного исследования на максимум и минимум: до какой величины повышать затраты на линию и разносить усилители, уменьшать их число, или, наоборот, до какой величины сближать усилители, увеличивать их число и уменьшать стоимость линии. Вопрос о самом дешевом канале связи — это очень сложная проблема. Чем выше качество линии связи, тем больше каналов можно на нее наложить. Но усложняется аппаратура: фильтры, усилители. Дороже стоит и обучение персонала, требуется более высокая его квалификация.

Рассмотрим только вопрос о наименьшем затухании кабеля.

Кабели связи выполняют по-разному. Такой кабель может состоять из проводников, скрученных в пары. Затухание зависит от отношения расстояния между проводниками к диаметру проводника. Иногда вокруг пары или четверки проводов делают экран. Тогда затухание зависит еще от диаметра экрана.

Для многократной дальней связи применяют чаще всего двухпроводную линию, в которой один проводник — это внутренняя жила, а второй — окружающая эту жилу оболочка. Она одновременно является и электрическим экраном. Оси внутреннего и внешнего проводников совпадают. Аксис по-латыни — ось. Приставка «ко» указывает на совмещение, совпадение. Поэтому кабель такой конструкции называется коаксиальным (соосным).

Если в коаксиальном кабеле задан диаметр его внешнего проводника (экрана), то затухание будет зависеть от диаметра внутренней жилы.

Затухание сигналов в кабеле возрастает с увеличением емкости между его проводниками. А емкость кабеля тем больше, при заданном диаметре внешнего проводника, чем толще его внутренняя жила, чем меньше зазор между жилой и оболочкой.

Для снижения емкости кабеля надо уменьшать внутренний диаметр его жилы. Но чем тоньше жила, тем больше ее активное электрос опро ть вл ение, тем больше нагревается она проходящим током. А это также вызывает увеличение затухания сигналов.

Фаг. 7-19. Затухание переменных токов в кабеле в зависимости от диаметра его внутренней жилы при неизменном диаметре оболочки.

На график нанесена еще кривая электрической прочности кабеля (подобная фьг. 7-.). Сравнение этих двух кривых показывает, что кабель для связи должен иметь жилу относительно меньшего диаметра, нежели силовой кабель.

Как во всех задачах на максимум и минимум и здесь «хвост вытаскиваешь — нос увязает». И тонкая жила плоха — затухание велико, и толстая жила не хороша, меди потрачено много, а затухание все равно большое.

Для отыскания размера жилы, дающего наименьшее затухание, приходится производить более сложные вычисления, нежели для отыскания размера жилы, обеспечивающего наибольшую прочность.

Наименьшее затухание будет у кабеля, внутренняя жила которого в 3,6 раза тоньше оболочки. Пропорции кабеля с минимальным затуханием иные, нежели у кабеля с наивысшей электрической прочностью. Кабель с минимальным затуханием имеет относительно более тонкую жилу (фиг. 7-19).

Наилучшие размеры кабеля получаются разными в зависимости от того, что интересует конструктора: прочность или затухание.

Еще наилучшие кабели

При постоянном токе или токе низкой частоты плотность тока одинакова по всему сечению жилы кабеля, и напряжение между жилой и оболочкой одинаково по всей длине кабеля. Мощность, передаваемая по кабелю, равна произведению тока на напряжение.

Для сильноточной электротехники, для энергетики можно так сформулировать задачу о наилучшем кабеле:

при заданном диаметре оболочки получить наиболь шую передаваемую мощность, т. е. наибольшее произведение тока на напряжение при наименьшей стоимости кабеля.

Сила тока пропорциональна сечению жилы кабеля, допустимое напряжение, как уже говорилось раньше, определяется соотношением диаметров жилы и оболочки, а стоимость кабеля — это сумма стоимостей металлической жилы и бумажной изоляции. Можно составить математическое выражение для отношения мощности к стоимости.

Наивыгоднейший диаметр жилы кабеля будет определяться соотношением цен на медь (или алюминий) и на изоляционный материал (бумагу).

Обычно медь дороже бумажной изоляции, и наипыгоднейший диаметр жилы получается несколько меньший нежели для наиболее прочного кабеля.

Иной подход нужен к кабелю, применяемому в мощных высокочастотных установках. В другом краю, в других координатах надо искать оптимум. Концентрические кабели применяются для соединения между собой электронных ламп и антенн в радиолокационных установках. Длина кабеля бывает во много раз больше длины передаваемой по этому кабелю электромагнитной волны. Допустимая сила тока от сечения жилы кабеля не зависит, так как высокочастотный ток не распределяется равномерно по всему сечению жилы, а течет только в ее тонком поверхностном слое. При высокой частоте мощность, передаваемая по кабелю, в лучшем случае равна квадрату напряжения на кабеле, деленному на его волновое сопротивление:

А волновое сопротивление:, где £ и С—это индуктивность и емкость на единицу длины кабеля. Чем тоньше диаметр жилы по сравнению с диаметром оболочки кабеля, тем больше его волновое сопротивление, и наоборот. Это волновое сопротивление зависит еще от материала изоляции между жилой и оболочкой кабеля. Но высокочастотные кабели чаще всего выполняются с воздушной изоляцией между жилой и оболочкой.

Для кабеля с наименьшим затуханием (отношение диаметров оболочки и жилы 3,6) волновое сопротивление равно 77 ом.

Если провести исследование на максимум и минимум для определения наибольшей мощности, передаваемой при высокой частоте кабелем с заданным внешним диаметром, то получится, что наивыгоднейшее соотношение диаметров оболочки и жилы будет 1,65. А волновое сопротивление такого кабеля будет 30 ом.

Практически в радиолокационных установках чаще всего применяют коаксиальную линию с отношением диаметров внешнего и внутреннего проводников 2,3. Такая линия имеет волновое сопротивление 50 ом. Это промежуточное компромиссное решение между линией, имеющей наименьшее затухание, и линией, передающей наибольшую мощность.

Иногда) гибкий коаксиальный кабель применяется для соединения нагревательного индуктора с высокочастотным трансформатором в установках поверхностной закалки. К этому кабелю предъявляются еще иные требования, отличные от тех, что были разобраны выше. Токоподвод к индуктору должен иметь наименьшую индуктивность. Для этого выбирают отношение внешнего и внутреннего диаметров проводников 1,1 или даже еще меньше: 1,05. Волновое сопротивление этого кабеля меньше 10 ом.

Вот каково разнообразие лучших кабелей. Отношение диаметров может быть и 1,1, и 1,65, и 2,3, и 2,7, и 3,6 и много других еще может быть соотнош!ений внешнего и внутреннего диаметров проводников. Каждое решение является лучшим для своих условий.

Универсального, лучшего из лучших кабеля не существует.

Разные точка зрения

Многие, если не все законы природы, могут быть выражены в терминах максимума и минимума. Графическое представление зависимости интересующей нас величины от того, что принято за независимую переменную, изображается кривой, которая имеет и поднимающуюся, и опускающуюся часть. А если независимых переменных две, то вместо одной кривой получается поверхность с горами и ущельями.

Обобщения приходят только после накопления достаточного количества экспериментальных фактов. Случается, что разные исследователи ведут восхождение на гору или спуск в ущелье с разных сторон. Туманы прячут горный край. Один думает, что вершина лежит к западу, другие, — что она должна быть на востоке. Тем, кто взбирается по нехоженным тропам, может показаться, что факты ведут к взаимоисключающимся закономерностям.

Карта местности точна только, если на ней проторены маршруты во всех направлениях. До Колумба изображали земной шар без американского континента. При инженерных исследованиях не сразу появляются на графиках все маршруты, все максимумы и все минимумы. Десятки лет строят электрики трансформаторы со стальными сердечниками. В этих сердечниках циркулирует переменный магнитный поток. Он возбуждает в стали вихревые токи, которые нагревают сердечник, создают вредные потери энергии. Во всех курсах трансформаторостроения даны рецепты борьбы с этими потерями. Если разбить сердечник на отдельные изолированные одна от другой пластины или проволоки, то интенсивность вихрей резко упадет. Если увеличить электросопротивление стали, то интенсивность вихревых токов также упадет.

Но выделяемое вихревыми токами тепло может иметь и полезное применение. Для нагрева стали для закалки, для ковки, для штамповки сталь пронизывают переменным магнитным потоком, и выделяемое тепло доводит сталь до каления. И здесь есть свои рецепты и законы. Чем больше поверхность нагреваемого тела, тем больше в нем выделяется тепла. Если одним и тем же магнитным потоком пронизать один стержень с поперечным сечением в 1 см2, то в нем выделится в два раза меньше тепла, нежели в четырех стержнях, каждый из которых имеет сечение в четверть квадратного сантиметра. Если увеличить электросопротивление нагреваемого материала, то выделяемая в нем мощность возрастет.

Эти рекомендации прямо противоположны тем, что применяют трансформаторостроители.

В обоих случаях имеет место одно и то же явление — возбуждение вихревого тока переменным магнитным потоком. Трансформаторостроители пользуются своими законами: увеличивают электросопротивление стали, разбивают массивный сердечник на более тонкие листы или проволоки и получают требуемые результаты — уменьшение тепла, выделяемого вихревыми токами.

Термисты же пользуются своими законами: также увеличивают электросопротивление и разбивают сердеч-

ник и также получают то, что им нужно, —увеличение тепла.

Фиг. 7-20. Нагрев пучка цилиндров в катушке (многовитковим индукторе), обтекаемой переменным током.

На боковой поверхности одного из цилиндров тонкими линиями со стрел» ками показано направление вихревых токов, возбуждаемых переменным магнитным потоком катушки.

Кто же прав? а кто ошибается?

Правы и те, и другие: они смотрят на гору максимума с разных точек зрения. Их взгляды не взаимоисключают, а взаимодополняют друг друга.

На фиг. 7-20 показан нагрев пучка цилиндров, а на фиг. 7-21 полный ход зависимости выделяемого в пучке цилиндров тепла от их числа при неизменной общей массе. Зависимость удельной мощности от диаметра цилиндра имеет и поднимающуюся и опускающуюся ветви. При высоких частотах электромагнитная волна не проникает вглубь металла: выделяемое тепло пропорционально величине

Фиг. 7-21. Мощность. выделяющаяся в пучке металлических цилиндров в зависимости от числа этих цилиндров. Обитая масса металла считается неизменной, а с уреличением чт-сла пилин;рон всз’астарт степень раздробления металла и уменьшается диаметр каждого отдельного цилиндра. Частота и сила тока в индукторе, охватывающем весь пучок цилиндров, считается неизменной, не зависящей от числа цилиндров.

Наибольшая мощность выделяется в пучке цилиндров, когда длина электромагнитной волны в металле примерно равна диаметру каждого единичного цилиндра, поверхности. Измельчение сердечника вызывает увеличение выделяемого в нем тепла.

Но измельченный до определенной величины сердечник становится уже прозрачным для электромагнитной волны: она пронизывает его, теряя только малую часть своей энергии, и в этой области дальнейшее измельчение ведет к еще большему уменьшению выделяемого тепла.

Трансформаторостроителей интересует только эта ветвь кривой. В большинстве конструкций они находятся еще очень далеко от максимума. Им достаточны карты ближнего плавания. В своих расчетах они пользуются упрощенными приближенными формулами.

Источник: Электричество работает Г.И.Бабат 1950-600M

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты