Приемники и потребители электрической энергии систем электроснаб. 1. Приемники электрической энергии Введение
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
2.3. Медицинское оборудование Известно, что большинство заразных болезней передается воздушным путем. К ним, в частности, относятся всем знакомый грипп и смертельно опасный туберкулез. Особенно велика вероятность получения инфекционного заболевания в медицинских учреждениях. Для дезинфекции воздуха и различных поверхностей в больничных помещениях уже много лет успешно применяется ультрафиолетовое 97 облучение. Наиболее губительным для вредоносных микроорганизмов считается коротковолновая часть этого спектра – так называемый диапазон C – от 100 до 200 нанометров. Излучение с длиной волны около 265 нанометров воздействует на ДНК микроорганизмов, лишая их способности размножаться. Это излучение вредно и для человека, поэтому оно применяется либо в специальных закрытых объемах – так называемых рециркуляторах, либо как обычное освещение в отсутствие людей. Подходящий спектр ультрафиолетового излучения дают газоразрядные лампы низкого давления, содержащие ртуть. Внешне они похожи на привычные трубчатые лампы дневного света, но не покрыты изнутри люминофором. Отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются специальные лампы для подобных целей. Их эксплуатация организуется в соответствии с инструкциями изготовителя. Внешний вид бактерицидной лампы представлен на рис. 64. Рис. 64. Бактерицидная лампа Озонаторы Другим способом дезинфекции помещений в медицинских учреждениях является озонирование. Озон представляет собой молекулу кислорода, состоящую не из двух, как обычно, а из трех атомов. Этот третий атом, будучи неустойчивым в составе молекулы, легко вступает в химические реакции с различной органикой, в том числе бактериями и вирусами. В течение нескольких секунд происходит стерилизация воздуха и 98 поверхностей, уничтожаются неприятные запахи, плесень, пылевые клещи и аллергены. Поскольку озон убивает все живое, при его использовании людей и животных в помещении быть не должно. Но он быстро разлагается на обычный кислород и не оставляет после своего применения никаких вредных последствий. Продукты после озонирования не только остаются абсолютно съедобными, но и дольше не портятся. Озонаторы являются сложными и дорогостоящими аппаратами. Это главный недостаток данного метода. Большая часть озонаторов работает на основе электрического разряда в воздухе или в чистом кислороде. При этом возникает ряд технологических сложностей, и эффективность современных озонаторов пока невелика. Также озон выделяется при химических реакциях, но при этом попутно выделяются и другие газы. Небольшое количество озона получается из воздуха при работе кварцевых ламп, используемых для ультрафиолетового обеззараживания. Таким образом, получается комплексная дезинфекция. Внешний вид озонаторов бывает разным. Один из вариантов показан на рис. 65. Рис. 65. Озонатор Ионизаторы воздуха В воздухе всегда содержатся положительные и отрицательные ионы. Было давно замечено, что в экологически благоприятных местах: в лесу, вблизи рек, в горах – количество отрицательных ионов многократно 99 превышает их количество в городском воздухе. Советским биофизиком Чижевским еще в 30-е годы 20-го века был создан прибор, искусственно повышающий концентрацию отрицательных ионов. За своеобразную форму и способ расположения в помещении этот прибор получил название люстры Чижевского. Впоследствии эту тему пытались развивать многие ученые. Были созданы подобные приборы, заряжающие частицы воды, использующие для ионизации радиацию, ультрафиолетовое излучение и другие способы ионизации. Исследования показали, что они не только не улучшили конструкцию Чижевского, но и обладают целым рядом вредных побочных действий. Полезный для здоровья ионизатор воздуха работает следующим образом. Высоковольтный источник напряжения около 25 киловольт отрицательным электродом соединен с сетчатой проволочной полусферой. В узлах сетки расположены острые иглы длиной около 5 см. На концах этих игл образуется заряд, ионизирующий воздух. Ионы движутся от прибора к стенам и потолку, поскольку положительный электрод заземлен. Происходит очистка воздуха, что благотворно воздействует на здоровье людей. Создаваемый ионами ток ограничен специальным резистором на уровне 30 миллиампер. На рис. 66 изображен один из бытовых ионизаторов воздуха, выпускаемый в наше время. Рис. 66. Ионизатор воздуха 100 Рентгеновские аппараты Рентгеновские лучи занимают спектр между ультрафиолетовым и гамма-излучением. Их длина волны настолько мала, что они проходят сквозь любые вещества, причем их ослабление зависит от плотности материала. При прохождении таких лучей через тело человека и другие биологические объекты на фотопленке получается черно-белое изображение, по которому можно получить информацию о внутренних органах. Чтобы качественное изображение получалось при меньшей дозе облучения, в состав фотоэмульсии вводят люминофор. На рис. 67 показано типичное изображение, получаемое с помощью рентгеновского аппарата. Рис. 67. Рентгеновское изображение В современных рентгеновских аппаратах вместо фотопленки используют специальную матрицу, наподобие той, которая применяется в цифровых фотокамерах. Полученный цифровой снимок обладает всеми достоинствами цифровой фотографии. Его можно обрабатывать на компьютере и пересылать по электронной почте. Источником рентгеновского излучения в медицинской технике является рентгеновская трубка. Это вакуумированный сосуд с металлическими электродами, к которым приложено высокое постоянное напряжение. Из-за большой разности потенциалов электроны с нагретого катода с высокой скоростью устремляются к аноду. При соударении 101 небольшая часть кинетической энергии – не более 1 % – преобразуется в рентгеновское излучение. Остальная рассеивается в виде тепла. Томографы Рентгеновский снимок дает информацию, по которой можно обнаружить лишь перелом кости или уплотнение в мягких тканях, например раковую опухоль. Однако часто возникает необходимость более детального изучения внутренних органов. В таких случаях применятся томография. Этот термин означает изучение биологических объектов по совокупности тонких срезов. С этой целью русский врач Пирогов применял так называемую анатомическую томографию, для чего замороженные ткани нарезались пластинами и фиксировались клеем. Очевидно, что для живого организма это неприемлемо. Неразрушающая томография дает виртуальные срезы, получаемые с помощью рентгеновских лучей. В первых установках, реализующих описанный метод, объект исследований был неподвижен, а источник рентгеновского излучения и кассета с пленкой перемещались в разных направлениях. В последующем стали применять вращающиеся источники и приемники излучения, а исследуемый объект линейно перемещался. Получаемая в результате совокупность рентгеновских снимков позволяет получить достаточно подробную информацию о внутреннем строении тела. В современных томографах эта информация подвергается компьютерной обработке. Внешний вид томографа представлен на рис. 68. 102 Рис. 68. Томограф Бормашины В современном мире мало людей, ни разу не лечивших зубы. Поэтому такое оборудование, как стоматологическая бормашина, многим знакомо по собственному опыту. Механическая обработка зубов менее болезненна, если скорость вращения бора не менее 30 тысяч оборотов в минуту. Все современные машины удовлетворяют этому требованию. Однако почти до конца прошлого века еще применялись бормашины первого поколения с многозвенными механическими передачами. Они были низкооборотными и доставляли большие страдания пациентам. Именно такой аппарат показан в кинокомедии «Иван Васильевич меняет профессию». В современных бормашинах для вращения бора применяется пневматическая турбина или миниатюрный электродвигатель. С целью защиты от шума компрессор расположен на удалении, например в подвале, а сжатый воздух подается по трубопроводу на все аппараты. Пневматический привод обеспечивает высокую скорость вращения инструмента, но обладает малым крутящим моментом. Обычно его применяют для обработки зубной ткани. Электродвигатель превосходит пневмотурбину по крутящему моменту, но имеет значительно меньшую скорость вращения. Его обычно используют для более грубой работы, например для распиливания коронок. Его мощности достаточно не только для бора, но и для других насадок, таких как циркулярные пилы и абразивные диски. Современная бормашина изображена на рис. 69. 103 Рис. 69. Современная бормашина Аппаратура для ультразвукового исследования Для ультразвуковых исследований, далее – УЗИ, используются акустические колебания с частотой от 1 до 30 МГц. Это позволяет распознавать внутри тела объекты размером менее 1 мм. Принцип работы УЗИ основан на том, что ультразвук распространяется по законам геометрической оптики. Он, как луч света, может проходить через ткани организма и отражаться от них. Граница раздела областей с различной плотностью дает достаточно отчетливое изображение на экране монитора. Источником и приемником ультразвука является пьезокристалл. Обычно таких кристаллов множество, и все они работают в приемо- передающем режиме: ежесекундно излучают около тысячи импульсов, а в промежутках между ними работают на прием. Принятые сигналы проходят компьютерную обработку. При необходимости исследования подвижных органов, например сердца, используется эффект До́пплера. Суть этого эффекта состоит в том, что отражение от движущейся поверхности изменяет частоту сигнала и позволяет тем самым рассчитать скорость движения. Таким способом 104 исследуют даже кровоток в крупных сосудах. На рис. 70 показана процедура УЗИ. Рис. 70. Процедура УЗИ Медицинские лазеры С появлением лазеров почти сразу же начались исследования по их применению в области медицины. Было замечено, что, в отличие от излучения в широком спектре, излучение на одной длине волны обладает избирательным воздействием на живой организм. Лазеры по своей природе являются источниками монохроматического излучения и стали базой для создания такого направления в медицине, как лазеротерапия. Другим ценным применением лазеров стали лазерные скальпели. Концентрированный поток энергии в инфракрасном диапазоне, подведенный по световоду к месту операции, производит локальное разрушение биологических тканей. Ширина разреза при этом составляет всего около 10 микрон, а глубина – от 2 до 3 мм. Небольшая энергия, сконцентрированная в микроскопическом объеме, вызывает испарение жидкостей и обугливание тканей. При этом обугливаются на краях рассеченные кровеносные сосуды, и потери крови при хирургическом вмешательстве сводятся к минимуму. Такие раны лучше и быстрее заживают. Более того, если луч немного расфокусировать и снизить интенсивность излучения, можно соединять разрезанные ткани их спеканием, наподобие сварки. 105 Лазерные скальпели применяются для самых различных операций, но особенно перспективны в косметической хирургии и офтальмологии. Для коррекции зрения с помощью лазерного скальпеля малой мощности наносятся локальные микронадрезы. В результате изменяется форма биологической линзы и излечиваются дефекты зрения. Внешний вид медицинского лазера приведен на рис. 71. Рис. 71. Медицинский лазер Кардиостимуляторы Сокращение мышц под воздействием электрических импульсов обнаружил еще Луиджи Гальвани в опытах на лягушках. Использование данного явления для стимулирования сердечной мышцы человека было испытано почти 100 лет назад. Кардиостимуляция осуществлялась через две пластины, расположенные спереди и сзади человека, на которые подавались электрические импульсы от внешнего устройства. После ряда опытов с внешними кардиостимуляторами в 1958 году шведские ученые успешно испытали имплантируемую версию. В настоящее время это распространенный медицинский прибор, устанавливаемый пациенту под местным наркозом. Электроды через одну из артерий вводят в область сердца, а само устройство в корпусе из биологически инертного материала устанавливают под кожей на груди. 106 Рис. 72. Кардиостимулятор Кардиостимулятор, изображенный на рис. 72, имеет собственный источник питания и микропроцессор. Он отслеживает частоту сокращений сердца, анализирует физическую активность и другие параметры. На основании анализа сигналов датчиков стимулятор начинает выдавать импульсы напряжения, корректирующие сердечный ритм. Когда организм начинает самостоятельно справляться с обеспечением кровообращения, кардиостимулятор переходит в ждущий режим. Электропунктура В восточной медицине несколько тысяч лет успешно практикуется иглоукалывание, также называемое акупунктурой. Идея заменить воздействие игл на электрический ток возникла в фашистской Германии во время Великой Отечественной войны. Непосредственным автором метода стал немецкий профессор Фолль (рис. 73). С его именем сейчас и связывают данное медицинское направление. 107 Рис. 73. Доктор Р. Фолль Электропунктура по методу Фолля разделяется на две части – диагностику и терапию. В основе диагностики лежит удивительный факт, открытый этим ученым: в биологически активных точках электрическое сопротивление у всех здоровых людей одинаково и равно 95 кОм. При воспалительных процессах оно уменьшается, а при хронических болезнях увеличивается. Фолль на основе экспериментов составил соответствующую таблицу и изготовил прибор. Прибор представляет собой омметр, работающий в режиме микротоков (не более 10 микроампер), потому что при больших токах в точке начинается терапевтическое воздействие. Терапия по методу Фолля заключается в точечном воздействии импульсами определенной формы частотой до 200 Гц, причем каждому органу соответствует собственная частота. Наука не вполне объясняет происходящие при этом процессы, но наличие выраженного положительного эффекта неоспоримо. 2.4. Транспорт 2.4.1. Электрооборудование традиционного транспорта Первые автомобили не имели никакого электрооборудования вообще, а современные начинены самой сложной и разнообразной электроникой, в том числе микропроцессорами. В нашем курсе мы ограничимся рассмотрением самых жизненно необходимых электрических устройств. К таковым, в 108 первую очередь, относится система зажигания, поскольку без нее автомобиль просто не заведется. Не заведется он и без стартера. Работа стартера имеет ряд интересных особенностей и заслуживает внимания. Также немыслимо выезжать на дорогу без световых приборов, особенно в темное время. Заметим, что современные фары – высокотехнологичные устройства, а не просто лампочки под прозрачным колпаком. Таким образом, ограничимся рассмотрением трех систем автомобильного электрооборудования – зажигания, электростартерного пуска и светового оборудования. Система зажигания Зажигание бензовоздушной смеси в цилиндрах должно происходить в строго определенный момент времени – немного раньше прохождения поршнем верхней мертвой точки. Опережение необходимо для того, чтобы к этому моменту процесс сгорания горючего достиг нужной стадии. Угол опережения зажигания не является постоянной величиной, он зависит от топлива, скорости вращения коленчатого вала и других факторов. Воспламенение смеси осуществляется искрой, возникающей в зазоре электродов свечи при напряжении 12…30 кВ. Оборудование для создания этой искры за более чем столетнюю историю автотранспорта претерпело значительные изменения. Архаичные автомобили имели калильное зажигание, которое давно уже нигде не применяется. Первым устройством для образования электрической искры в цилиндре стало магнето – генератор высокого напряжения с возбуждением от постоянных магнитов. Его главный недостаток – сильная зависимость энергии искры от оборотов двигателя, из-за чего двигатель плохо заводился и в целом работал ненадежно. В 1908 году была изобретена классическая батарейная система зажигания, которая еще кое-где встречается и в наше время. Ее схема представлена на рис. 74. 109 Рис. 74. Схема батарейной системы зажигания Напряжение 12 В от аккумуляторной батареи через токоограничительные резисторы R 1 и R 2 подается на первичную обмотку катушки зажигания. По обмотке протекает ток, следовательно, запасается энергия. Связанный с коленвалом кулачковый механизм периодически разрывает цепь с помощью механического прерывателя. В момент разрыва цепи в обмотке возникает импульс ЭДС самоиндукции. Его напряжения 200…400 В недостаточно для образования искры, но за счет трансформации во вторичной обмотке возникает нужное напряжение. Прерыватель механически связан с распределителем – скользящим контактом, коммутирующим высоковольтное напряжение со свечными проводами соответствующих цилиндров. Также в схеме имеется конденсатор, уменьшающий искрение контактов прерывателя и, тем самым, значительно продлевающий их срок службы. Токоограничительный резистор необходим, потому что двигатель может быть остановлен в момент, когда контакты прерывателя замкнуты и могло бы произойти короткое замыкание. Однако ограничение тока ограничивает и время накопления энергии в обмотке. В результате на высоких оборотах энергии запасается меньше, и искра становится менее 12 В Тр R 1 Свечи Распределитель R 2 Прерыватель 110 мощной. С учетом тенденции роста числа оборотов современных двигателей классическая система зажигания изжила себя. Контактно-транзисторная система отличается от рассмотренной выше классической лишь тем, что непосредственную коммутацию тока первичной обмотки катушки зажигания осуществляет транзистор, управляемый тем же прерывателем. Ее схема представлена на рис. 75. Рис. 75. Контактно-транзисторная система зажигания Такая система зажигания стала более надежной из-за замены механической коммутации на электронную и позволила увеличить ток первичной обмотки. Однако на высоких оборотах ее работа оказалась недостаточно эффективной по причине нестабильной энергии искры. Для обеспечения стабильного искрообразования на любых оборотах была разработана тиристорная система зажигания, схема которой приведена на рис. 76. Прерыватель Транзистор 111 Рис. 76. Принципиальная схема тиристорной системы зажигания Главное отличие тиристора от транзистора состоит в том, что после открывания коротким импульсом он самостоятельно не закрывается до исчезновения тока. Таким образом, если с помощью тиристора разряжать конденсатор, он разрядит его полностью. А так как конденсатор заряжается за очень короткое время, энергия запасается в полном объеме на любых оборотах и полностью освобождается в форме искры. Таким образом, данная система обеспечивает стабильное искрообразование на любых оборотах. В рассмотренных ранее вариантах в первичной обмотке катушки зажигания импульс ЭДС около 400 В формировался из-за прерывания тока. В новой схеме прерывателя нет. Напряжение 400 В формируется из 12 В с помощью высокочастотного преобразователя на двух транзисторах, изображенных в левой части схемы. Далее оно выпрямляется диодным мостом и используется для зарядки конденсатора С. Тиристор VD по сигналам датчика углового положения коленвала (ДУПКВ) выдает управляющие импульсы. Конденсатор разряжается через первичную обмотку ДУПКВ Блок управления VD С 400 В 12 В Преобразователь 112 катушки зажигания, а во вторичной при этом возникает высоковольтный импульс. Следует отметить, что в последние годы развитие электроники не обошло и системы зажигания. Эту тему студенты при желании могут изучить самостоятельно – материала по ней достаточно. Система электростартерного пуска Стартер транспортного средства представляет собой коллекторный двигатель постоянного тока, имеющий ряд специфических особенностей. Во- первых, он предназначен для работы в кратковременном режиме и должен обеспечивать достаточную мощность на валу даже при частично разряженной батарее. Стартерный двигатель работает при очень больших токах – до сотен ампер, и его коммутация является нетривиальной задачей. Другая специфическая черта – низкие обороты и большой крутящий момент. Эта проблема решается соотношением диаметров шестерен и применением планетарного редуктора. Третья важная особенность – механическое соединение стартера с двигателем только на время пуска и защита от передачи крутящего момента от двигателя автомобиля к стартеру. Для защиты от обратного вращения применяется муфта свободного хода – устройство, передающее вращательный момент только в одну сторону. В результате происходит примерно то же, что пи движении велосипеда – педали крутят колеса, а при свободном качении педали не крутятся. На корпусе стартерного электродвигателя расположено тяговое реле – мощный электромагнит, выполняющий две задачи. Сначала он вводит подвижную шестерню стартера в зацепление с зубчатым венцом маховика двигателя, а на конечном участке замыкает массивной медной пластиной медные контакты, подавая питания на электродвигатель. Особенность питания тягового реле – наличие двух обмоток, втягивающей и удерживающей. 113 Пуск двигателя поясняется схемой, приведенной на рис. 77, и происходит в следующем порядке. Рис. 77. Процесс электростартерного пуска После поворота ключа зажигания питание от батареи 1 через контакты реле 2 подается на обмотки 3 и 4 тягового реле. Стартерный двигатель в цепи втягивающей обмотки 3 существенного влияния не оказывает, так как имеет гораздо меньшее сопротивление. Реле срабатывает, происходит механическое соединение шестерни стартера с венцом маховика и замыкание контактов 5. Обмотка 3 шунтируется, но для удержания якоря электромагнита достаточно магнитного потока обмотки 4. Двигатель начинает вращаться и заводит двигатель, при этом муфта свободного хода не позволяет заведенному двигателю раскручивать стартер. После размыкания контактов 2 ток от батареи течет через замкнутые контакты 5 на обмотку 3 в обратном направлении. Магнитные потоки обеих обмоток взаимно компенсируются, и тяговое реле размыкается. Схема приходит в исходное состояние. Световые приборы автомобиля На заре своего развития автомобили имели сначала керосиновые, потом ацетиленовые фонари. Практическая польза от них заключалась лишь в обозначении движущегося в темноте транспортного средства. Электрические лампы накаливания стали применяться только с 20-х годов прошлого века. Они впервые создали реальные условия для ночного вождения автомобиля. 4 3 2 1 5 6 114 Несмотря на прошедшие почти сто лет, лампы накаливания применяются и поныне. Конечно, их существенно усовершенствовали. Появились параболические отражатели для фар, обеспечивающие концентрацию светового потока, стекла с линзами сложной формы, повышающие его равномерность, и другие новшества. В последние годы стали популярны разрядные ксеноновые лампы, дающие яркий и естественный свет, а также светодиодные приборы. Все современные автомобили имеют ближний и дальний свет. Как правило, это обеспечивается специальными двухнитевыми лампами. Переключение осуществляется водителем из кабины. В наиболее совершенных транспортных средствах имеется специальный контроллер управления фарами. Он анализирует ситуацию на дороге с помощью датчиков и принимает решение по изменению режима их работы. Кроме стандартных фар, обеспечивающих освещение дороги, современный автомобиль комплектуется и другими световыми приборами. Они повышают безопасность при движении и на стоянке, освещают салон и выполняют различные вспомогательные задачи. Противотуманные фары предназначены для улучшения освещения дороги и обочины в условиях ограниченной видимости. Как правило, они излучают широкий поток желтого цвета, но в некоторых моделях автомобилей могут быть и белыми, из-за чего их нередко путают с фарами ближнего света. На крышах внедорожников при необходимости могут устанавливаться дополнительные фары. Для их крепления используется специальный кронштейн. В городских условиях эксплуатация таких фар запрещена, и они должны быть закрыты защитными колпаками. В обязательном порядке все транспортные средства комплектуются габаритными огнями, указателями поворотов, сигналами торможения и заднего хода. Их количество, цвет и яркость регламентированы ГОСТом и другими нормативными документами. Нужно иметь в виду, что за рубежом эти требования могут существенно отличаться. |