Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1.Введение в электротехнику
Электротехника - это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях.
1.Особенности электрической энергии:
2.Легко получается
3.Перед. На любые расстояния
4.Легко распределять между потребителями
5.Легко преобразовывать в любую друг. Энерг.
В конце 18 века отдельно др. от друга Вольт и Петров изобрели хим. Источники электрич. Тока. Джоуль и Ленц независимо друг от др. открыли закон теплового действия элект.тока.Ампер открыл закон взаимод.токов.Ом открыл взаимод.(связь) между током, напряжением, сопротивлением. Фарадей открыл явление магнитной индукции. Киркгоф сформулир. 2 закона электротехн. (1845). Максвел- родоначальник электр. Машины. Д.Добровольский- разработал теорию 3 фаз. Систем, теорию генератора , теорию переменного тока.
20 век- век электрич.
2. Основные понятия и определения в электротехнике. Закон Ома.
Электр.ток(предмет изучения электротехники)- направленное движение электрических зарядов по проводнику. Электрический ток может возникать в замкнутой электрической цепи. Электрический ток, направление и величина которого неизменны, называют постоянным током и обозначают прописной буквой I.
Электрический ток, величина и направление которого не остаются постоянными, называется переменным током. Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают строчной буквой i.
Электрическая цепь – это совокупность источников электроэнергии, приемников, коммутационной, измерительной аппаратуры и соединительных проводов.
Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи. Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов). Электротехнические устройства, производящие электрическую энергию, называются генераторами или источниками электрической энергии, а устройства, потребляющие ее – приемниками (потребителями) электрической энергии.
Измерительные приборы(счетчики ,амперметры)
Инверторы- приборы позвал.регулир.параметры в определенных пределах.
Трансформаторы- позволяют изменять электрич. Параметры (ток, напряжение)
Выпрямители- преобразуют перемен. Ток в постоянный в постоянный источник, могут быть хим. (батарейки. Аккумуляторы. Гальван.элементы) И физич. (генераторы, который преобраз. Любую энергию в электрич, приемник (нагрузка, потребитель)- объект потребляющ.электрич. энергию.
Электрич. Схема- графич., изобр. Электрич. Цепи в которой реальные объекты представлены условными оьознач.
На рис. 1.1 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии, электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.
Рис. 1.1
Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения.
Схема замещения - это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.
Ветвью называется участок цепи, обтекаемый одним и тем же током.
Узел – место соединения трех и более ветвей.
Контур- любой замкнутый путь тока, образованный ветвями и узлами.
ЭДС- Это действие не электрич. Сторонних сил в источниках пост. Или переменного тока, направлен. На образован. Электричес. Энергии в источнике (Е= ЭДС, В ВОЛЬТАХ)
3. Законы Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа говорит о том, что в любой момент времени количество электрических зарядов, направленных к узлу, равно количеству зарядов, направленных от узла, откуда следует, что электрический заряд в узле не накапливается. Поэтому алгебраическая сумма токов в ветвях, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю:
(1.18), где n — число ветвей, сходящихся в узле.
Второй закон Кирхгофа.
Второй закон Кирхгофа отражает положение о том, что изменение потенциала во всех элементах контура в сумме равно нулю. Из этого следует такая формулировка второго закона Кирхгофа: в любом контуре электрической цепи постоянного тока алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех элементах этого контура:
(1.19). Где n – число ЭДС в контуре; m – число элементов с сопротивлением в контуре.
4.Получение синусоидального тока.
В линейных электрических цепях синусоидальный ток возникает
под действием ЭДС такой же синусоидальной формы. Поэтому получение
синусоидального тока следует рассматривать из принципа получения ЭДС.
Синусоидальную ЭДС получают с помощью явления электромагнитной индукции. Рамку помещают в магнитное поле и равномерно вращают вокруг своей оси. Рамка пересекает магнитные линии и на ее концах наводится ЭДС электромагнитной индукции, которая изменяется по закону
ω- угол на который рамка поворачивается за 1с, называется угловой скоростью или угловой частотой.
[ω]=с-1(рад/с)
, где f- циклическая частота, Гц
За время рамка поворачивается на угол , тогда получим
5.Амплитуда, частота , фаза синусоидальной величины. Действующее значение синусоидального тока.
Величина переменного тока, соответствующая данному моменту времени, называется мгновенным значением переменного тока.
Максимальное мгновенное значение переменного тока, которого он достигает в процессе своего изменения, называется амплитудой тока .
— некоторый угол, называемый фазой синусоидального тока.
Фаза синусоидального тока изменяется пропорционально времени .
Множитель , входящий в выражение фазы — величина постоянная, называемая угловой частотой переменного тока.
Угловая частота синусоидального тока зависит от частоты этого тока и определяется формулой:
, где
— угловая частота синусоидального тока;
— частота синусоидального тока;
— период синусоидального тока;
— центральный угол окружности, выраженный в радианах.
Эффективным или действующим значением переменного тока называется такой ток, который за одинаковый промежуток времени выделит в одном и том же проводнике такое же количество теплоты, что и данный переменный ток. Определяется действующее значение переменного тока, напряжения и ЭДС по формулам:
сли все положительные и отрицательные мгновенные значения переменного синусоидального тока сложить, то их сумма будет равна нулю. Но если алгебраическая сумма всех мгновенных значений за период равна нулю, то и среднее значение этого тока за период также равно нулю: .
Среднее значение синусоидального тока за период не может служить для измерения этого тока.
Чтобы судить о величине переменного синусоидального тока, переменный ток сравнивают с постоянным током по их тепловому действию.
Закон Джоуля — Ленца
Количество теплоты , выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке электрической цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и электрического сопротивления участка цепи.
Количество теплоты в Джоулях: ;
Количество теплоты в калориях: , где
— сила тока, Ампер;
— электрическое сопротивление, Ом;
— время в секундах.
Два тока, один из которых синусоидальный, а другой постоянный, эквивалентны по тепловому действию, если они, протекая по одинаковым сопротивлениям, за одинаковые отрезки времени выделяют одинаковое количество тепла.
Действующее значение переменного синусоидального тока численно равно току постоянному, эквивалентному данному синусоидальному току, то есть выделяющему порознь с ним в одинаковом сопротивлении за одинаковый отрезок времени одинаковое количество тепла.
6.Векторное представление синусоидальных токов и напряжений
Изображение синусоидальных ЭДС, напряжений
и токов на плоскости декартовых координат
Синусоидальные токи и напряжения можно изобразить графически, записать при помощи уравнений с тригонометрическими функциями, представить в виде векторов на декартовой плоскости или комплексными числами.
Приведенным на рис. 1, 2 графикам двух синусоидальных ЭДС е1ие2соответствуют уравнения:
.
Значения аргументов синусоидальных функций и называются фазами синусоид, а значение фазы в начальный момент времени (t=0): и - начальной фазой ().
Величину , характеризующую скорость изменения фазового угла, называют угловой частотой. Так как фазовый угол синусоиды за время одного периода Т изменяется на рад., то угловая частота есть , где f– частота.
При совместном рассмотрении двух синусоидальных величин одной частоты разность их фазовых углов, равную разности начальных фаз, называют углом сдвига фаз.
Для синусоидальных ЭДС е1ие2угол сдвига фаз:
. Векторное изображение синусоидально
изменяющихся величин
На декартовой плоскости из начала координат проводят векторы, равные по модулю амплитудным значениям синусоидальных величин, и вращают эти векторы против часовой стрелки (в ТОЭ данное направление принято за положительное) с угловой частотой, равной w. Фазовый угол при вращении отсчитывается от положительной полуоси абсцисс. Проекции вращающихся векторов на ось ординат равны мгновенным значениям ЭДС е1ие2(рис. 3). Совокупность векторов, изображающих синусоидально изменяющиеся ЭДС, напряжения и токи, называют векторными диаграммами. При построении векторных диаграмм векторы удобно располагать для начального момента времени (t=0),что вытекает из равенства угловых частот синусоидальных величин и эквивалентно тому, что система декартовых координат сама вращается против часовой стрелки со скоростью w. Таким образом, в этой системе координат векторы неподвижны (рис. 4). Векторные диаграммы нашли широкое применение при анализе цепей синусоидального тока. Их применение делает расчет цепи более наглядным и простым. Это упрощение заключается в том, что сложение и вычитание мгновенных значений величин можно заменить сложением и вычитанием соответствующих векторов.
Пусть, например, в точке разветвления цепи (рис. 5) общий ток равен сумме токов и двух ветвей:
.
Каждый из этих токов синусоидален и может быть представлен уравнением
и .
Результирующий ток также будет синусоидален:
.
Определение амплитуды и начальной фазы этого тока путем соответствующих тригонометрических преобразований получается довольно громоздким и мало наглядным, особенно, если суммируется большое число синусоидальных величин. Значительно проще это осуществляется с помощью векторной диаграммы. На рис. 6 изображены начальные положения векторов токов, проекции которых на ось ординат дают мгновенные значения токов для t=0. При вращении этих векторов с одинаковой угловой скоростью wих взаимное расположение не меняется, и угол сдвига фаз между ними остается равным .
Так как алгебраическая сумма проекций векторов на ось ординат равна мгновенному значению общего тока, вектор общего тока равен геометрической сумме векторов токов:
.
Построение векторной диаграммы в масштабе позволяет определить значения и из диаграммы, после чего может быть записано решение для мгновенного значения путем формального учета угловой частоты: .
7. Неразветвленная цепь синусоидального тока. Резонанс напряжений.
рассмотрим цепь из трех последовательных токоприемников (рис. 2.12 а): первые два имеют активно-индуктивный характер, третий является последовательным соединением резистора и конденсатора. Проведем анализ цепи по векторной диаграмме. Произвольно строим вектор тока, который является базовым для всех векторов диаграммы. В соответствии со вторым законом Кирхгофа
,
где ; ; .
Рис. 2.12
Строим составляющие векторы, модули которых определяются по закону Ома. Суммарный вектор строим по правилу многоугольника. Векторы напряжений на активных сопротивлениях цепи совпадают по фазе с вектором тока, векторы опережают вектор тока на 90°, а вектор отстает от него на угол 90° (рис. 2.12 б). Действующее значение напряжения источника (модуль вектора ) по диаграмме находится из треугольника напряжений ОАВ
. (2.27)
В формуле (2.27) – активное сопротивление цепи, равное арифметической сумме сопротивлений последовательно включенных резисторов. В общем случае для последовательных приемников
.
является реактивным сопротивлением цепи, равным алгебраической сумме реактивных сопротивлений последовательно включенных элементов. В общем случае
.
В приведенной схеме сумма векторов индуктивных напряжений меньше вектора напряжения на конденсаторе, поэтому < 0. В таком случае говорят, что реактивное сопротивление (или цепь в целом) носит емкостный характер.
Если в цепь переменного тока включены последовательно катушка индуктивности и конденсатор, то они по-своему воздействуют на генератор, питающий цепь, и на фазовые соотношения между током и напряжением.
Катушка индуктивности вносит сдвиг фаз, при котором ток отстает от напряжения на четверть периода, конденсатор же, наоборот, заставляет напряжение в цепи отставать по фазе от тока на четверть периода. Таким образом, действие индуктивного сопротивления на сдвиг фаз между током и напряжением в цепи противоположно действию емкостного сопротивления.
Это приводит к тому, что общий сдвиг фаз между током и напряжением в цепи зависит от соотношения величин индуктивного и емкостного сопротивлений.
Если величина емкостного сопротивления цепи больше индуктивного, то цепь носит емкостный характер, т. е. напряжение отстает по фазе от тока. Если же, наоборот, индуктивное сопротивление цепи больше емкостного, то напряжение опережает ток, и, следовательно, цепь носит индуктивный характер.
Общее реактивное сопротивление Хобщ рассматриваемой нами цепи определяется путем сложения индуктивного сопротивления катушки XL и емкостного сопротивления конденсатора ХС.
Но так как действие этих сопротивлений в цепи противоположно, то одному из них, а именно Хс приписывается знак минус, и общее реактивное сопротивление определяется по формуле:
Хобщ = XL -ХС, XL = ?L, ХС = 1 / ?С
Применив к этой цепи закон Ома, получим:
I = U / Хобщ
Формулу эту можно преобразовать следующим образом:
U = I Хобщ = I (XL -ХС) = IXL -IХС
В полученном равенстве IXL —действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление индуктивного сопротивления цепи, а IХС—действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление емкостного сопротивления.
Таким образом, общее напряжение цепи, состоящей из последовательного соединения катушки и конденсатора, можно рассматривать как состоящее из двух слагаемых, величины которых зависят от величин индуктивного и емкостного сопротивлений цепи.
Мы считали, что такая цепь не обладает активным сопротивлением. Однако в тех случаях, когда активное сопротивление цепи не настолько уже мало, чтобы им можно было пренебречь, общее сопротивление цепи определяется следующей формулой:
где R — общее активное сопротивление цепи, XL -ХС — ее общее реактивное сопротивление. Переходя к формуле закона Ома, мы вправе написать: U = I / Z
8.Параллельное включение приемников электрической энергии. Резонанс токов.
Параллельно соединенными называются элементы электрической цепи, находящиеся под одним и тем же напряжением. Т.о., напряжение при данной схеме соединения – постоянно.
При параллельном соединении проводников с сопротивлениями R1, R2 Rn их общее сопротивлении R определяется из формулы
,
При увеличении числа параллельно включаемых сопротивлений общее сопротивление уменьшается.
Если включено параллельно два сопротивления R1 и R2, то общее сопротивление
Если включено параллельно три сопротивления R1, R2 и R3, то общее сопротивление
Если сопротивления всех n ветвей равны между собой, т.е.
R1=R2=R3=…=Rn,
то
или
Силы токов I1 и I2 в параллельно соединенных ветвях определяются из соотношения
причем сила тока I, протекающего к точке разветвления, равна сумме сил токов, оттекающих от этой точки, т.е.
I=I1+I2+I3
Вывод: если напряжение между узлами не изменяется, то токи в резисторах, включенных между этими узлами, в отличие от последовательного включения их, независимы один от другого. Выключение одного или нескольких резисторов из цепи не отражается на работе остальных, оставшихся включенными. Поэтому осветительные лампы, электродвигатели преимущественно включат параллельно.
Резонанс токов
В разветвленной цепи (рис. 6-30) с двумя ветвями, одна из которых обладает индуктивностью L, а другая емкостью С, при равенстве сопротивлений ветвей
наступает резонанс токов.
Из формулы следует, что резонанс в цепи можно получить подбором индуктивности, емкости или частоты, так как
При резонансе токов токи в ветвях
равны по абсолютной величине и изменяются, находясь в противофазе (рис. 6-31), так как ток II отстает по фазе от напряжения на 90°, а ток/с опережает по фазе напр яжение на 90°.
По первому закону Кирхгофа ток в неразветвленной части цепи (общий ток)
но так как , то
т. e. общий ток равен нулю.
Рис. 6-30. Разветвленная цепь с индуктивностью и емкостью.
На рис. 6-32 даны кривые токов, напряжения и мощности.
Отсутствие в цепи активного сопротивления указывает на то, что энергия, запасенная в контуре, не рассеивается.
Рис. 6-31. Векторная диаграмма при резонансе токов при .
Рис. 6-32. Графики токов, напряжения и мощности при резонансе токов (при ).
В течение первой четверти периода (рис. 6-32) напряжение на конденсаторе от нуля увеличивается до максимума и в электрическом поле его запасается энергия . В течение следующей четверти периода напряжение на конденсаторе уменьшается до нуля, происходит распад электрического поля и освобождение его энергии.
Ток в катушке в течение первой четверти периода от уменьшается до нуля, происходит распад магнитного поля и освобождение его энергии. В течение следующей четверти периода ток в катушке увеличивается до и энергия магнитного поля катушки увеличивается от нуля до максимума
Из сказанного выше и рис. 6-32 нетрудно понять, что в течение первой четверти периода кинетическая энергия магнитного поля преобразуется в потенциальную энергию электрического поля, а в течение второй четверти периода, наоборот, происходит преобразование энергии электрического поля в энергию магнитного поля. Затем процесс периодического обмена энергии повторяется.
Рис. 6-33. Схема разветвленной цепи.
Обмена энергии между цепью и источником питания нет, так как ток в неразветвленной части цепи равен нулю.
Цепь рис. 6-33 состоит из параллельно соединенных катушки и конденсатора, находящихся под общим напряжением
Ток в катушке
Этот ток отстает по фазе от напряжения на угол тангенс которого
Ток катушки можно разложить на две слагающие, активную совпадающую по фазе с напряжением, и реактивную отстающую по фазе от напряжения на угол (рис. 6-34).
Ток конденсатора
Он опережает по фазе напряжение на угол .
Общий ток найдем из прямоугольного треугольника токов (рис. 6-34), одним катетом которого является активная слагающая тока а другим реактивная слагающая общего тока, равная разности реактивной слагающей тока катушки и тока конденсатора
Таким образом, общий ток
Угол сдвига общего тока от напряжения определяется через его тангенс (рис. 6-34):
Ток в неразветвленной части цепи может отставать от напряжения на угол при или опережать его при или, наконец, совпадать по фазе с напряжением (рис. 6-35) при .
Рис. 6-34. Векторная диаграмма для разветвленной цепи.
Рис. 6-35. Векторная диаграмма при резонансе токов.
В последнем случае в цепи наступает резонанс токов, при котором а мощность так как
Таким образом, общий ток равен активной составляющей тока катушки. При этом общий ток всегда меньше тока в катушке, так как активная составляющая тока катушки всегда меньше тока катушки
Отношение тока в контуре или в катушке да к общему току при резонансе
представляющее собой добротность контура, показывает, во сколько раз ток в параллельном контуре при резонансе больше общего тока в подводящих проводах.
Рис. 6-36. Графики токов, напряжения и мощности для разветвленной цепи для случая
В этом случае максимальная мощность, затрачиваемая на получение магиитного поля (), равна максимальной мощности, затрачиваемой на получение электрического поля (), а следовательно, равны и максимальные значения энергии в магнитном и электрическом полях цепи Как и в рассмотренном выше колебательном контуре, в течение одной четверти периода энергия, запасаемая в электрическом поле, целиком получается от магнитного поля, а в течение второй четверти периода энергия, запасаемая в магнитном поле, целиком получается от электрического поля. От генератора в цепь поступает только энергия, расходуемая в активном сопротивлении. Так как реактивные слагающие тока компенсируют друг друга, то в цепи генератора проходит только активный ток, обусловленный потерями энергии в активном сопротивлении. На рис. 6-36 представлены кривые токов напряжений и мощности цепи (рис. 6-33) для случая резонанса токов.
9.Мощности цепи синусоидального тока. Коэффициент мощности
Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.
Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по формулам:
Тогда
(6.23)
Среднее значение мгновенной мощности за период
Из треугольника сопротивлений , а .
Получим еще одну формулу:
.
Среднее арифметическое значение мощности за период называют активной мощностью и обозначают буквой P.
Эта мощность измеряется в ваттах и характеризует необратимое преобразование электрической энергии в другой вид энергии, например, в тепловую, световую и механическую энергию.
Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость). Активная мощность в этом элементе , так как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе на 90o. В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери электрической энергии, не происходит нагрева элементов.
Происходит обратимый процесс в виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности Q.
Преобразуем выражение (6.23):
где - мгновенная мощность в активном сопротивлении;
- мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).
Максимальное или амплитудное значение мощности p2 называется реактивной мощностью
,
где x - реактивное сопротивление (индуктивное или емкостное).
Реактивная мощность, измеряемая в вольтамперах реактивных, расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности, периодически возвращается источнику питания.
Амплитудное значение суммарной мощности p = p1 + p2 называется полной мощностью.
Полная мощность, измеряемая в вольтамперах, равна произведению действующих значений напряжения и тока:
,
где z - полное сопротивление цепи.
Полная мощность характеризует предельные возможности источника энергии. В электрической цепи можно использовать часть полной мощности
,
где - коэффициент мощности или "косинус "фи".
Коэффициент мощности является одной из важнейших характеристик электротехнических устройств. Принимают специальные меры к увеличению коэффициента мощности.
Возьмем треугольник сопротивлений и умножим его стороны на квадрат тока в цепи. Получим подобный треугольник мощностей (рис. 6.18).
Из треугольника мощностей получим ряд формул:
, ,
Рис.6.18
, .
При анализе электрических цепей символическим методом используют выражение комплексной мощности, равное произведению комплексного напряжения на сопряженный комплекс тока.
Для цепи, имеющей индуктивный характер (R-L цепи)
,
где
- комплекс напряжения;
- комплекс тока;
- сопряженный комплекс тока;
- сдвиг по фазе между напряжением и током.
, ток как в R-L цепи, напряжение опережает по фазе ток.
Вещественной частью полной комплексной мощности является активная мощность.
Мнимой частью комплексной мощности - реактивная мощность.
Для цепи, имеющей емкостной характер (R-С цепи), . Ток опережает по фазе напряжение.
.
Активная мощность всегда положительна. Реактивная мощность в цепи, имеющей индуктивный характер, - положительна, а в цепи с емкостным характером - отрицательна.
Для полного использования генератора он должен работать при номинальном напряжении с номинальным током . В этом случае генератор развивает наибольшую активную мощность, равную его полной номинальной мощности,
Уменьшение вызывает пропорциональное уменьшение активной мощности, т. е. неполное использование номинальной мощности генератора.
У приемника энергии, работающего при неизменном номинальном напряжении и с постоянной активной мощностью Р, ток изменяется обратно пропорционально , так как
Следовательно, уменьшение вызывает увеличение тока и увеличение мощности потерь на нагревание проводов
По указанным соображениям стремятся повышать каждой установки до значения, близкого к единице.
У наиболее распространенных асинхронных двигателей изменяется от 0,1-0,3 при холостом ходе до 0,8-0,85 при номинальной нагрузке. Следовательно, для повышения установки необходимо увеличивать нагрузку электродвигателей и включать параллельно им конденсаторы. В этом случае мощность, затрачиваемая на образование магнитного поля, будет получаться не от станции, а от конденсатора при распаде его электрического поля и наоборот.
Пример 6-5. Электродвигатель мощностью 10 кВт работает при напряжении 240 В с . Частота . Определить емкость конденсатора, необходимого для повышения установки до значения
Решение.
Ток электродвигателя
По тригонометрическим таблицам определяем:
Реактивная слагающая тока электродвигателя
Если параллельно двигателю включен конденсатор, то чему соответствует
Ток, идущий из сети,
В этом случае реактивная слагающая тока
Уменьшение реактивной слагающей тока при включении конденсатора, равное току конденсатора
Реактивное сопротивление конденсатора
Емкость конденсатора
10. Особенности трехфазных систем.
ЭДС каждой фазы трехфазного трансформатора или трехфазного генератора часто оказываются несинусоидальными. Каждая ЭДС (ел, ) повторяет по форме остальные со сдвигом на одну треть периода и может быть разложена на гармоники. Постоянная составляющая обычно отсутствует.
Пусть -гармоника ЭДС фазы А
Рис. 7.7
Так как ЭДС фазы В отстает от ЭДС фазы А на а ЭДС фазы С опережает ЭДС фазы А на то -гармоники ЭДС фаз В и С соответственно
Если , то -гармоника ЭДС фазы Б отстает на 120° от -гармоники ЭДС фазы А. Следовательно, 1-, 4-, 7-, 10-я гармоники образуют систему прямой последовательности фаз (что понимают под прямой последовательностью фаз, см. § 6.20).
Если , то 6-гармоника ЭДС фазы В опережает -гармонику ЭДС фазы А на 120°. Следовательно, 2-, 5-, 8-я и т. д. гармоники образуют системы обратной последовательности.
Гармоники, кратные трем (), образуют систему нулевой последовательности, т. е. третьи гармоники ЭДС всех трех фаз совпадают по фазе
Шестые гармоники ЭДС также совпадают по фазе и т. д.
Совпадение по фазе третьих гармоник ЭДС всех трех фаз проиллюстрируем графически.
На рис. 7.7 ЭДС представляют собой три фазные ЭДС трехфазного Генератора. Они имеют прямоугольную форму и сдвинуты относительно друг друга На одну треть периода основной частоты. На том же рисунке показаны первая и третья гармоники каждой ЭДС. Из рисунка видно, что третьи гармоники ЭДС действительно находятся в фазе.
Рис. 7.8
Рассмотрим особенности работы трехфазных систем, вызываемые гармониками, кратными трем.
1. При соединении обмоток трехфазного генератора (трехфазного трансформатора) треугольником (рис. 7.8, а) по ним протекают токи гармоник, кратных трем, даже при отсутствии внешней нагрузки. Алгебраическая сумма третьих гармоник ЭДС равна Обозначим сопротивление обмотки каждой фазы для третьей гармоники тогда ток третьей гармоники в треугольнике Аналогично, ток шестой гармоники где -действующее значение шестой гармоники фазовой ЭДС; — сопротивление фазы для шестой гармоники.
Действующее значение тока, протекающего по замкнутому треугольнику в схеме на рис. 7.8, а:
2. Если соединить обмотки трехфазного генератора (трехфазного трансформатора) в открытый треугольник (рис. 7.8, б), то при наличии в фазовых ЭДС гармоник, кратных трем, на зажимах тип будет напряжение, равное сумме ЭДС гармоник, кратных трем:
Показание вольтметра в схеме рис. 7.8, б
3. В линейном напряжении независимо от того, звездой или треугольником; соединены обмотки генератора (трансформатора), гармоники, кратные трем, отсутт ствуют, если нагрузка равномерна.
Рассмотрим сначала схему соединения трехфазного источника ЭДС треугольником (рис. 7.8, а отсутствии внешней нагрузки. Обозначив потенциал точки
— потенциал точки В по третьей гармонике, получим следовательно, . При наличии равномерной нагрузки, соединенной треугольником, каждая фаза генератора (трансформатора) и параллельно ей присоединенная нагрузка могут быть заменены эквивалентной ветвью, с некоторой ЭДС и сопротивлением На полученную схему можно распространить вывод, сделанный для случая отсутствия внешней нагрузки.
Рис. 7.9
Рис. 7.10
При соединении звездой трехфазного источника ЭДС (рис. 7.9) линейное напряжение третьей гармоники равно разности соответствующих фазовых напряжений. Так кактретьи гармоники в фазовых напряжениях совпадают по фазе, то при составлении этой разности они вычитаются.
В фазовом напряжении могут присутствовать все гармоники (постоянная составляющая обычно отсутствует). Следовательно, действующее значение фазового напряжения
В линейном напряжении схемы (рис. 7.9) отсутствуют гармоники, кратные трем, поэтому
Отношение если есть гармоники, кратные трем.
4. При соединении генератора и равномерной нагрузки звездой и отсутствии нулевого провода токи третьих и других гармоник нулевой последовательности не могут протекать по линейным проводам. Поэтому между нулевыми точками приемника О и генератора О (рис. 7.10 при ) действует напряжение
действующее значение которого
5. Если в схеме звезда — звезда при равномерной нагрузке фаз сопротивление нагрузки для третьей гармоники обозначить а сопротивление нулевого провода Для третьей гармоники — то по нулевому проводу будет протекать ток третьей гармоники
По каждому из линейных проводов будет протекать ток третьей гармоники Аналогично находят токи и других гармоник, кратных трем.
Пример 71. Мгновенное значение напряжения фазы А трехфазного генератора
Определить мгновенное значение линейного напряжения при соединении генератора звездой.
Рис. 7.11
Решение. В линейном напряжении третья гармоника отсутствует. Первые гармоники фаз А и В по фазе сдвинуты на 120°. Поэтому линейное напряжение первой гармоники раз больше фазового напряжения первой гармоники ОА и на 30° опережает его по фазе.
Одиннадцатая гармоника (обратная последовательность фаз) линейного напряжения отыает по фазе от одиннадцатой гармоники напряжения фазы А на 30° и в раз больше ее:
Пример 72. ЭДС фазы А в схеме (рис. 7.11 )
Определить показания всех приборов. Приборы электродинамической системы. Решение. Действующие значения ЭДС
По линейным проводам течет первая гармоника тока
Показание вольтметра
Пример 73. ЭДС каждой фазы генератора (рис. 7.12) изменяется по трапецеидальному закону ; нагрузка равномерная; . Определить мгновенное значение тока по нулевому проводу, пренебрегая гармониками тока выше седьмой.
Рис. 7.12
Рис. 7.13
Решение. С помощью табл. 7.1 запишем разложение трапецеидальной ЭДС:
Следовательно,
По нулевому проводу протекает только третья гармоника тока
где . Мгновенное значение тока .
11. Трехфазный синхронный генератор.
Не только на машины постоянного тока распространяется принцип обратимости, но также и на машины переменного тока. Машины переменного тока бывают синхронными или асинхронными. В основном в качестве генераторов используют синхронные электрические машины. Из науки физики нам известно, что если вращать ротор-электромагнит, то в обмотке статора станет индуцироваться переменная электродвижущая сила. Такое явление лежит во главе конструкции однофазного генератора переменного тока. Увеличить число пар полюсов можно изменяя конструкцию ротора. Если же изготовить генератор с восьмиполюсным ротором, то есть сделать четыре пары полюсов, то при частоте вращения ротора 3000 об/мин в обмотке статора будет индуцироваться переменная ЭДС частоты 200 Гц. Так, изменяя частоту вращения ротора и его число пар полюсов, можно получить переменную ЭДС необходимой частоты.
Частоту ЭДС в общем случае определяют по формуле:
Многофазной тоже можно сделать обмотку статора. Трехфазная система переменного тока получила самое большое распространение на практике. Электромагнит при вращающем состоянии образовывает переменный магнитный поток, который в свою очередь пересекает расположенные под углом 120° по отношению к друг другу три фазы обмотки статора. В результате в фазах обмотки образуется переменная ЭДС одинаковой частоты, но с углом сдвига фаз, равным 1/3 периода вращения магнитного поля.
Рассмотрим конструкцию синхронного трехфазного генератора. Его укрепленный на валу ротор представляет собой электромагнит; установленный на этом же валу генератор постоянного тока служит для питания обмотки ротора. На момент вращение вала, например, при помощи турбины, генератор постоянного тока вырабатывает электрическую энергию и питает ею обмотку ротора. Отчего ротор становится электромагнитом и, совершая обороты, вместе с валом производит вращающееся магнитное поле. При данной работе в трех фазах обмотки статора будут индуцироваться три ЭДС.
При помощи синхронных трехфазных турбо- и гидрогенераторов производится преобладающая часть электрической энергии. Также синхронные машины используют в качестве электрических двигателей, особенно в установках мощностью свыше 50 кВт. При работе синхронной машины в режиме двигателя обмотку ротора подключают к источнику постоянного тока, а обмотку статора – к трехфазной сети. В устройствах автоматического управления используют синхронные электродвигатели малой мощности – от долей до нескольких десятков ватт.
12. Системы соединения трехфазных цепей
Т рехфазной (многофазной) системой электрических цепей называется система, состоящая из трех (нескольких) электрических цепей переменного тока одной частоты, э. д. с. которых имеют разные начальные фазы.
Трехфазная система переменного тока получила широчайшее распространение, как система, обеспечивающая более экономичную передачу энергии по сравнению с однофазной системой. Кроме того, она позволяет создать простые по устройству и надежные в эксплуатация генераторы, двигатели и трансформаторы.
Изобретение трехфазной системы и создание трехфазного генератора, трехфазного электродвигателя и трехфазного трансформатора принадлежит выдающемуся русскому инженеру М. О. Доливо-Добровольскому.
Отдельные цепи трехфазной системы сокращенно называются фазами. Трехфазную систему электрических цепей, соединенных друг с другом, называют трехфазной цепью.
При соединении обмоток звездой концы обмоток X, Y, Z соединяются в одну точку, называемую нулевой точкой или нейтралью генератора (рис. 7-5). В четырехпроводной системе к нейтрали присоединяется нейтральный или нулевой провод. К началам обмоток генератора присоединяются три линейных провода.
Напряжения между началами и концами фаз, или, что то же, напряжения между каждым из линейных проводов и нулевым называются фазными напряжениями и обозначаются или в общем виде
Пренебрегая падением напряжения в обмотках генератора, можно считать фазные напряжения равными соответствующим э. д. с., индуктированным в обмотках генератора.
Напряжения между началами обмоток, или, что то же, между линейными проводами, называются линейными напряжениями и обозначаются или в общем виде
Установим соотношение между линейными и фазными напряжениями при соединении обмоток генератора звездой.
Рис. 7-5. Схема соединения обмоток генератора звездой.
Рис. 7-6. Векторная диаграмма напряжений трехфазной цепи.
Так как конец первой фазы X соединен не с началом второй фазы, а с концом ее Y, что аналогично встречному соединению двух источников э. д. с. при постоянном токе, то мгновенное значение линейного напряжения между проводами А и В будет равно разности соответствующих фазных напряжений, т. е.
аналогично мгновенные значения других линейных напряжений
Таким образом, мгновенное значение линейного напряжения равно алгебраической разности мгновенных значений соответствующих фазных напряжений.
Так как изменяются по синусоидальному закону и имеют одинаковую частоту, то и линейные напряжения будут изменяться синусоидально, причем действующие значения линейных напряжений можно определить из векторной диаграммы (рис. 7-6):
Из сказанного следует, что вектор линейного напряжения равен разности векторов соответствующих фазных напряжений.
Фазные напряжения сдвинуты друг от друга на 120°. Для определения вектора линейного напряжения из вектора напряжения нужно геометрически вычесть вектор , или, что то же, прибавить равный по величине и обратный по знаку вектор — .
Аналогично вектор линейного напряжения получим как разность векторов напряжений и вектор линейного напряжения как разность векторов и ОА.
Опуская перпендикуляр из конца произвольно взятого вектора фазного напряжения, например , на вектор линейного напряжения получим прямоугольный треугольник ОНМ, из которого следует, что
откуда
Рис. 7-7. Векторная диаграмма напряжений при соединении обмоток генератора звездой.
Из векторной диаграммы (рис. 7-6) и последней формулы следует, что действующее значение линейного напряжения в раз больше действующего значения фазного напряжения и что линейное напряжение на 30° опережает фазное напряжение ; на такой же угол линейное напряжение опережает фазное напряжение и напряжение — фазное напряжение
Смежные, линейные напряжения сдвинуты друг относительно друга на такие же углы (120°), как и смежные фазные напряжения. Звезда векторов линейных напряжений повернута в положительную сторону относительно звезды векторов фазных напряжений на угол 30°.
Необходимо обратить внимание на то, что полученные соотношения между линейными и фазными напряжениями имеют место только при симметричной системе напряжений.
Так как векторы линейных напряжений определяются как разности векторов фазных напряжений, то, соединив концы векторов фазных напряжений, образующих звезду, получим треугольник векторов линейных напряжений (рис. 7-7).
Пример 7-1. Определить линейное напряжение генератора, если фазное напряжение его 127 и 220 В.
Решение.
Если фазное напряжение 220 В, то
При соединении обмоток трехфазного генератора треугольником (рис. 7-8) конец первой обмотки X соединяется с началом второй обмотки В, конец второй обмотки У соединяется с началом третьей обмотки С и конец третьей обмотки Z с началом первой А.
Рис. 7-8. Схема соединения обмоток генератора треугольником.
Рис. 7-9. Векторная диаграмма э. д. с. при соединении генератора треугольником.
Три линейных провода, идущих к приемникам энергии, присоединяются к началам фаз А, В и С.
Из рис. 7-8 ясно, что при таком соединении обмоток фазные напряжения равны линейным, т. е.
При соединении треугольником три фазы генератора образуют замкнутый контур с весьма малым сопротивлением. Очевидно, такое соединение возможно только в том случае, если сумма э. д. с., действующих в этом контуре, будет равна нулю, так как в противном случае в контуре даже при отсутствии нагрузки возникнет значительный ток, могущий вызвать перегрев генератора.
Сумма трех симметричных э. д. с., действующих в обмотках генератора, равна нулю. В этом легко убедиться, складывая векторы э. д. с.
На рис. 7-9 даны три вектора э. д. с. Складывая и получаем вектор, равный и противоположный вектору т. е.
а следовательно, сумма трех векторов э. д. с. равна нулю, т. е.
Опасно неправильное соединение обмоток генератора треугольником.
Рис. 7-10. Неправильная схема соединения, обмоток генераторй треугольником.
Рис. 7-11. Векторная диаграмма э. д. с. генератора, соединенного по схеме рис. 7-10.
На рис. 7-10 дана одна из возможных неправильных схем соединения, в которой конец первой фазы X правильно соединен с началом второй фазы В, но конец второй фазы Y соединен не с началом третьей фазы С, а с ее концом Z, и начало третьей фазы С соединено с началом первой фазы А, вследствие чего э. д. с. не складывается с остальными э. д. с., а вычитается из их суммы. Результирующая э. д. с. может быть определена из векторной диаграммы рис. 7-11, на которой произведено сложение векторов Сумма этих трех векторов, как видно из диаграммы, равна удвоенному вектору т. е.
Таким образом, в этом случае э. д. с. замкнутого контура по абсолютной величине равна удвоенному значению фазной э. д. с., что при малом сопротивлении контура (обмоток генератора) равносильно короткому замыканию
13.Векторные диаграммы трехфазной цепи.
На рис. 7.2 изображена векторная диаграмма фазных и линейных напряжений симметричного источника.
Рис. 7.2
Из векторной диаграммы видно, что
При симметричной системе ЭДС источника линейное напряжение больше фазного
в √3 раз.
Uл = √3 Uф
Рис. 7.3
Линейный ток равен геометрической разности соответствующих фазных токов.
На рис. 7.4 изображена векторная диаграмма трехфазной цепи, соединенной треугольником при симметричной нагрузке. Нагрузка является симметричной, если сопротивления фаз одинаковы. Векторы фазных токов совпадают по направлению с векторами соответствующих фазных напряжений, так как нагрузка состоит из активных сопротивлений.
Рис. 7.4
Из векторной диаграммы видно, что
,
Iл = √3 Iф при симметричной нагрузке.
Трехфазные цепи, соединенные звездой, получили большее распространение, чем трехфазные цепи, соединенные треугольником. Это объясняется тем, что, во-первых, в цепи, соединенной звездой, можно получить два напряжения: линейное и фазное. Во-вторых, если фазы обмотки электрической машины, соединенной треугольником, находятся в неодинаковых условиях, в обмотке появляются дополнительные токи, нагружающие ее. Такие токи отсутствуют в фазах электрической машины, соединенных по схеме "звезда". Поэтому на практике избегают соединять обмотки трехфазных электрических машин в треугольник.
На рис. 7.6 изображена векторная диаграмма трехфазной цепи для симметричной нагрузки.
2. Нагрузка несимметричная, RA< RB = RC, но сопротивление нейтрального провода равно нулю: ZN = 0. Напряжение смещения нейтрали
рис. 7.6
Фазные напряжения нагрузки и генератора одинаковы
Фазные токи определяются по формулам
Вектор тока в нейтральном проводе равен геометрической сумме векторов фазных токов.
На рис. 7.7 приведена векторная диаграмма трехфазной цепи, соединенной звездой, с нейтральным проводом, имеющим нулевое сопротивление, нагрузкой которой являются неодинаковые по величине активные сопротивления.
Рис. 7.7
3. Нагрузка несимметричная, RA< RB = RC, нейтральный провод отсутствует,
В схеме появляется напряжение смещения нейтрали, вычисляемое по формуле:
Система фазных напряжений генератора остается симметричной. Это объясняется тем, что источник трехфазных ЭДС имеет практически бесконечно большую мощность. Несимметрия нагрузки не влияет на систему напряжений генератора.
Из-за напряжения смещения нейтрали фазные напряжения нагрузки становятся неодинаковыми.
Фазные напряжения генератора и нагрузки отличаются друг от друга. При отсутствии нейтрального провода геометрическая сумма фазных токов равна нулю.
На рис. 7.8 изображена векторная диаграмма трехфазной цепи с несимметричной нагрузкой и оборванным нейтральным проводом. Векторы фазных токов совпадают по направлению с векторами соответствующих фазных напряжений нагрузки. Нейтральный провод с нулевым сопротивлением в схеме с несимметричной нагрузкой выравнивает несимметрию фазных напряжений нагрузки, т.е. с включением данного нейтрального провода фазные напряжения нагрузки становятся одинаковыми.
Рис. 7.8
14. Мощности трехфазной цепи.
Трехфазная цепь является обычной цепью синусоидального тока с несколькими источниками.
Активная мощность трехфазной цепи равна сумме активных мощностей фаз
(7.5)
Формула (7.5) используется для расчета активной мощности в трехфазной цепи при несимметричной нагрузке.
При симметричной нагрузке:
При соединении в треугольник симметричной нагрузки
При соединении в звезду
.
В обоих случаях
.
15. магнитные материалы и магнитные цепи.
Как известно из курса физики, вокруг проводника с током появляется магнитное поле. Интенсивность магнитного поля характеризуется векторной величиной: напряженностью магнитного поля , измеряемой в амперах на метр (A/м). Интенсивность магнитного поля характеризуется также вектором магнитной индукции , измеряемой в теслах (Тл). Напряженность магнитного поля не зависит, а магнитная индукция зависит от свойств окружающей среды.
где μ0 - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м;
μ - относительное значение магнитной проницаемости, безразмерная величина;
μ0 = 4π·10-7 Гн/м.
В зависимости от величины относительной магнитной проницаемости, все вещества делятся на три группы.
К первой группе относятся диамагнетики: вещества, у которых μ< 1.
Ко второй группе относятся парамагнетики, вещества с μ >1.
К третьей группе относятся ферромагнетики, вещества с μ >> 1.
К ферромагнетикам принадлежат железо, никель, кобальт и многие сплавы из неферромагнитных веществ.
Магнитной цепью называется совокупность устройств, содержащих ферромагнитные вещества. Процессы в магнитных цепях описываются с помощью понятий магнитодвижущей силы, магнитного потока.
Магнитным потоком называется поток вектора магнитной индукции через поверхность S
.
Магнитный поток измеряется в веберах (Вб).
Источником магнитодвижущей силы является либо постоянный магнит, либо электромагнит (катушка, обтекаемая током).
Магнитодвижущая сила электромагнита
где I - ток, протекающий в катушке;
W - число витков катушки.
В магнитных цепях используется свойство ферромагнитного материала тысячекратно усиливать магнитное поле катушки с током за счет собственной намагниченности.
9.2. Свойства ферромагнитных материалов
Поместим ферромагнитный материал внутри катушки с током. Сначала, с увеличением напряженности намагничивающего поля, магнитная индукция быстро возрастает. Затем, из-за насыщения материала, при дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля магнитная индукция почти не меняется. При уменьшении напряженности намагничивающего поля кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса. Явление гистерезиса заключается в том, что изменение магнитной индукции запаздывает от изменения намагничивающего поля. Кривая зависимости B(H), получающаяся при циклическом перемагничивании ферромагнитного материала, называется петлей гистерезиса. Эта кривая изображена на рис. 9.1. Чем больше площадь петли, тем больше потери на перемагничивание, нагревающие материал.
Рис. 9.1
Основным законом, используемым при расчетах магнитных цепей, является закон полного тока.
(9.1)
Он формулируется следующим образом: линейный интеграл вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равен алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром. Если контур интегрирования охватывает катушку с числом витков W, через которую протекает ток I, то алгебраическая сумма токов , где F - магнитодвижущая сила.
Обычно контур интегрирования выбирают таким образом, чтобы он совпадал с силовой линией магнитного поля, тогда векторное произведение в формуле (9.1) можно заменить произведением скалярных величин H·dl. В практических расчетах интеграл заменяют суммой и выбирают отдельные участки магнитной цепи таким образом, чтобы H1, H2, . . . вдоль этих участков можно было считать приблизительно постоянными. При этом (9.1) переходит в
(9.2)
где l1, l2, …, ln - длины участков магнитной цепи;
H1·l1, H2·l2 - магнитные напряжения участков цепи. Магнитным сопротивлением участка магнитной цепи называется отношение магнитного напряжения рассматриваемого участка к магнитному потоку в этом участке
,
где S - площадь поперечного сечения участка магнитной цепи,
l - длина участка.
Рассмотрим расчет магнитной цепи, изображенной на рис. 9.2.
Ферромагнитный магнитопровод имеет одинаковую площадь поперечного сечения S.
lср - длина средней силовой линии магнитного поля в магнитопроводе;
δ - толщина воздушного зазора.
На магнитопроводе размещена обмотка, по которой протекает ток I.
Рис. 9.2
Прямая задача расчета магнитной цепи заключается в том, что задан магнитный поток Ф и требуется определить магнитодвижущую силу F. Определим магнитную индукцию в магнитопроводе
.
По кривой намагничивания найдем значение напряженности магнитного поля H, соответствующее величине В.
Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре
.
Магнитодвижущая сила обмотки
.
При обратной задаче расчета магнитной цепи по заданному значению магнитодвижущей силы требуется определить магнитный поток. Расчет такой задачи выполняется с помощью магнитной характеристики цепи F = f(Ф).
Для построения такой характеристики необходимо задаться несколькими значениями Ф и найти соответствующие значения F. С помощью магнитной характеристики по заданной магнитодвижущей силе определяется магнитный поток.
16.Устройство, принцип действия трансформатора.
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной — первичной системы переменного тока в другую — вторичную, имеющую, в частности, другое напряжение и другой ток, при неизменной частоте. Таким образом, к трансформатору подается энергия при одних напряжении и токе а получается послетрансформации энергия при других напряжении и токе .
П.Н. Яблочков (1847—1894).
В современных энергетических системах электрическую энергию, вырабатываемую на тепловых электростанциях, расположенных в районе больших запасов угля, нефти или газа, или на гидроэлектростанциях, использующих напор больших рек, передают на большие расстояния, до 1 000 км и более.
Для экономичной передачи энергии напряжение в линиях электропередачи необходимо повышать до десятков и сотен киловольт, а в местах ее использования обратно понижать до необходимого уровня. Если принять во внимание, что электрическая энергия, получаемая на электростанциях, по пути к месту использования подвергается трех- и даже четырехкратной трансформации, то необходимо, чтобы к. п. д. трансформатора был очень высок.
Изобретателем трансформатора был выдающийся конструктор и ученый П. Н. Яблочков.
ПРИНЦИП
Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции (см. § 3-18).
Упрощенная схема устройства однофазного трансформатора показана на рис. 9-1. На магнитопроводе собранном из лакированных с двух сторон листов трансформаторной стали, содержащей 4—5% кремния, помещены обмотки трансформатора 2 и 3. От питающей сети энергия подается к обмотке 2, которая называется первичной. Мощность является первичной мощностью трансформатора или мощностью на входе.
Обмотка 3 присоединена к потребителю энергии и называется вторичной, а мощность — вторичной мощностью или мощностью на выходе.
Рис. 9-1. Однофазный трансформатор.
Обычно напряжения обмоток не равны. Обмотка, рассчитанная на большее напряжение, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а вторая — обмоткой низшего напряжения (НН). Каждая обмотка состоит из двух половин, помещенных на разных стержнях магнитопровода и соединенных между собой так, чтобы их магнитодвижущие силы д. с.) складывались, создавая общий магнитный поток. Большая часть этого потока Ф замыкается вдоль магнитопровода 4 и называется полезным потоком. Он сцеплен с обеими обмотками. Часть магнитного потока, замыкающегося по воздуху и сцепленного только с одной обмоткой (5 или 6), называется потоком рассеяния.
На рис. 9-1 первичная и вторичная обмотки показаны раздельно, для упрощения чертежа, обычно же они расположены концентрично: обмотка низшего напряжения ближе к магнитопроводу, а высшего — дальше от него.
Трансформатор называется понижающим, если первичное напряжение больше вторичного в обратном случае он называется повышающим . У трехфазных трансформаторов выводы обмоток обозначаются: начала и концы соответственно А, В, С и X, Y, Z — высшего напряжения и а, Ь, с и , у, z — низшего напряжения.
Рис. 9-2. Сборка сердечника трансформатора.
Рис. 9-3. Расположение листовстали при сборке.
У однофазных трансформаторов начало и конец на стороне высшего напряжения А и X, а на стороне низшего напряжения а их. Сборка магнитопровода показана на рис. 9-2, а расположение отдельных листов в слоях — на рис. 9-3. Толщина листов равна 0,5-0,35 мм. Форма сечения сердечников трансформатора показана на рис. 9-4.
Рис. 9-4. Сечения сердечников трансформаторов.
Рис. 9-5. Броневой трансформатор.
Существуют трансформаторы имеющие сердечник с разветвленной магнитной цепью (рис. 9-5).
Номинальные величины трансформатора — мощность, напряжения, токи, частота указываются на заводском щитке. Ввиду того что к. п. д. трансформатора высок, номинальные мощности обеих обмоток считают условно равными .
17. Режимы трансформатора.
Режим холостого хода
В этом режиме вторичная обмотка разомкнута. Переключатель находится в положении 1. Ток потребляемый первичной цепью минимален и называется током холостого хода. Магнитное поле вокруг первичной обмотки называется магнитным полем холостого хода. Этот режим безвреден для трансформатора.
Рис.1.34. Режимы работы трансформатора
Режим нагрузки
Включим переключатель в положение 2, при этом трансформатор из режима холостого хода переходит в режим нагрузки. По вторичной обмотке протекает ток I2, магнитный поток которого согласно закону Ленца направлен против магнитного поля первичной обмотки Φ. В результате этого магнитный поток Φ в первый момент уменьшается, что вызывает уменьшение э. д. с. самоиндукции Е1 в первичной обмотке трансформатора. Поскольку приложенное напряжение U1 (сети, генератора) при этом остается неизменным, то электрическое равновесие между напряжением и э. д. с. самоиндукции нарушается и происходит увеличение тока в первичной обмотке. Увеличение тока приводит к увеличению магнитного потока, что в свою очередь вызывает увеличение э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится электрическое равновесие между приложенным напряжением и э. д. с. самоиндукции. Но при этом ток первичной обмотки будет больше, чем при холостом ходе, т. е. суммарный магнитный поток первичной и вторичной обмоток трансформатора в режиме нагрузки равен магнитному потоку первичной обмотки в режиме холостого хода.
В режиме нагрузки, т. е. при появлении вторичного тока, первичный ток возрастает, во вторичной обмотке создается падение напряжения и вторичное напряжение уменьшается. При уменьшении нагрузки, т. е. при уменьшении вторичного тока, размагничивающее действие вторичной обмотки уменьшается, магнитный поток в сердечнике в первый момент возрастает и соответственно возрастает э. д. с. самоиндукции Е1. Электрическое равновесие между U1 и Е1 нарушается, ток в первичной обмотке уменьшается, При этом происходит уменьшение магнитного потока и э. д. с. самоиндукции. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не восстановится временно нарушенное электрическое равновесие между U1 и Е1, но при меньшем токе I1.
Итак, уменьшение тока I2 приводит к уменьшению тока I1, падение напряжения во вторичной обмотке трансформатора уменьшается и вторичное напряжение возрастает.
Режим короткого замыкания
Включим переключатель в положение 4. Сопротивление вторичной цепи практически будет равным нулю. Ток вторичной цепи будет максимальным, магнитное поле вторичной обмотки будет максимальным. Магнитное поле первичной обмотки уменьшится и станет минимальным, следовательно и индуктивное сопротивление первичной обмотки станет минимальным.Ток потребляемый первичной цепью возрастет до максимума. Такой режим называется режимом короткого замыкания. Этот режим опасен для трансформатора и всей цепи. Для защиты от КЗ устанавливают предохранители в первичной или во вторичной цепи.
Мощность развиваемая в первичной цепи равна произведению U1·I1 во вторичной цепи U2·I2. Трансформатор выигрыша в мощности не дает так как всякое увеличение напряжения с помощью трансформатора сопровождается соответствующим уменьшением тока, т. е. во сколько раз трансформатор увеличит напряжение во столько раз он уменьшит величину тока во вторичной цепи. В понижающем трансформаторе во сколько раз трансформатор уменьшит напряжение во столько раз увеличит величину тока во вторичной цепи.
К. п. д. трансформатора это отношение вторичной мощности P2 к первичной P1 ( полезной мощности к потребляемой) выраженной в %.
η = Р2/Р1·100%
Например к. п. д. трансформатора 90% это значит что 90% энергии полученной первичной обмоткой от источника тока переходит во вторичную обмотку и 10% теряется в трансформаторе на активном сопротивлении трансформатора. Наличие потерь приводит к тому, что мощность выделяемая в нагрузке вторичной обмотки трансформатора, всегда меньше мощности, которую потребляет первичная обмотка.
Потери энергии в трансформаторе состоят из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. К потерям в сердечнике относятся потери на магнитный гистерезис и потери на вихревые токи. Потери в обмотках обусловлены обычным нагревом обмоток током.
18. Внешняя характеристика трансформатора. КПД трансформатора.
ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСФОРМАТОРА
Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки U2 = f(I2) при U1 = const и cos φ2 = const называется внешней характеристикой. Из уравнения (8.15) для упрощенной схемы замещения трансформатора следует, что с изменением тока во вторичной обмотке (тока нагрузки I2) напряжение на вторичной обмотке изменяется. Значение напряжения на вторичной обмотке определяется не падением напряжения, а потерей напряжения в обмотках. Потеря напряжения есть арифметическая разность между первичным и приведенным вторичным напряжением:
ΔU'2 = U1 - U'2.
При отсутствии нагрузки (I2 = 0) напряжение на вторичной обмотке U'2 = U'20 = U1, а поскольку напряжение U1 не зависит от нагрузки, то ΔU'2 есть изменение напряжения U'2 по сравнению с его значением при холостом ходе U'20, или
ΔU'2 = U'20 - U'2; ΔU2 = U20 - U2,
откуда
U2 = U20 - ΔU2.
Потеря напряжения определяется из векторной диаграммы упрощенной схемы замещения трансформатора (рис. 8.14):
ΔU'2 - U1 - U'2 = OB' -ОА ≈ ОВ -ОА = АВ;
ΔU'2 =I1rк cos φ2 + I1xк sin φ2 = I1(rк cos φ2 + xк sin φ2);
(8.16)
ΔU2 = ΔU'2/n.
|
Рис 8.14 Векторная диаграмма (а) упрощенной схемы замещения (б) трансформатора |
|
|
Рис 8.15 Внешние характеристики трансформаторов средней и большой мощности |
Рис. 8.16 Внешние характеристики трансформатора малой мощности |
На рис. 8.15 изображены внешние характеристики трансформатора при различных значениях коэффициента мощности потребителей. Изменение напряжения U2 во многом зависит, как это видно из выражения (8.16), не только от значений zк, cos φ2, но и от соотношения значений rк и хк. Изображенные внешние характеристики (рис. 8.15) справедливы для трансформаторов средней и большой мощности, у которых zк мало и хк > rк . У трансформаторов малой мощности zк относительно велико и rк > хк . Поэтому изменение напряжения у них более значительное и взаимное расположение внешних характеристик при различных значениях коэффициента мощности потребителей существенно отличается от трансформаторов большой мощности. Примерные внешние характеристики трансформаторов малой мощности при различных значениях cos φ2 изображены на рис. 8.16.
Коэффициентом полезного действия трансформатора называется отношение отдаваемой активной мощности или мощности на выходе к подведенной активной мощности на входе
где — потери в стали, определяемые опытом холостого хода (§ 9-3);
— потери в обмотках, определяемые опытом короткого замыкания (§ 9-6).
Коэффициент полезного действия трансформатора зависит, от его загрузки, так как потери в стали постоянны, а потери в обмотках пропорциональны квадрату тока. Если коэффициент нагрузки, к. п. д. трансформатора
где — потери в обмотках при номинальном токе, определяемые из опыта короткого замыкания.
Расчеты и опыт показывают, что наибольший к. п. д. у трансформатора будет при коэффициенте нагрузки , когда потери в обмотках равны потерям в магнитопроводе.
19. Устройство и принцип действия машин постоянного тока.
В основе работы машины постоянного тока лежат принципы, изложенные в §3-13 и 3-14. Эскиз двухполюсной машины постоянного тока представлен рис. 4-1. Машина состоит из стальной станины 1 и вращающегося якоря 2. На станине при помощи болтов укреплены полюсы 3. На полюсах (рис. 4-2) помещается обмотка возбуждения 4 (рис. 4-1), по виткам которой проходит ток возбуждения Магнитодвижущая сила (м. д. с.) обмотки возбуждения, равная создает магнитный поток возбуждения ФВ) замыкающийся через полюсы, воздушный зазор между полюсами и якорем, через якорь и станину (рис. 4-1).
Полюсы набираются из стальных листов, и тело их оканчивается полюсными наконечниками 5, форма которых определяет распределение магнитной индукции в воздушном зазоре.
Устройство якоря машины показано на рис. 4-3. Это цилиндр 1, набранный из штампованных стальных листов, изолированных друг от друга и запрессованных на валу 2 (рис. 4-3, а).
Рис. 4-1. Двухполюсная машина постоянного тока.
Рис. 4-2. Полюс машины.
Рис. 4-3. Якорь машины.
В его пазы 3 укладываются провода обмотки якоря 4 (рис. 4-3, б), соединяемые друг с другом по определенной схеме, представляющей собой последовательнопараллельное (смешанное) соединение. Обмотка якоря изолируется от пазов и крепится в них специальными клиньями или бандажами 5.
На валу якоря 2 помещается цилиндрический коллектор 6, электрически изолированный от вала.
Коллектор (рис. 4-4) состоит из клиновидных медных пластин 1, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками, набранными на втулке 2 и закрепленными на ней болтами. К выступам коллекторных пластин 3, называемых «петушками», припаиваются определенные концы проводников, составляющих обмотку якоря. К поверхности коллектора прилегают угольные или графитовые неподвижные щетки 6 (рис. 4-1), к которым присоединяются провода внешней сети. Таким образом, провода внешней сети через щетки и коллектор соединяется с вращающейся обмоткой якоря.
Другое назначение коллектора — преобразование переменных э. д. с., наводимых в проводах обмотки якоря, в постоянную э. д. с. машины на основе переключений (коммутации).
Устройство щеточного механизма показано на рис. 4-5. Щетки в форме угольных или графитных призм 1 помещены в обоймы 2 щеткодержателя. Щеткодержатель крепится на специальном пальце (болте), проходящем сквозь отверстие 4 и установленном на подшипниковом щите машины изолированно от нее.
Рис. 4-4. Конструкция коллектора.
Рис. 4-5. Щетки и щеткодер» жатель.
Рис. 4-6. Внешний вид машины постоянного тока.
Гибкие медные проводники осуществляют контакт щеток с зажимами цепи якоря на изолирующем щитке, обозначенными буквами Зажимы обмоток возбуждения, расположенные на том же щитке, обозначаются буквами — параллельная (шунтовая); — последовательная (сериесная) и — дополнительных полюсов (§ 4-11-4-13). Внешний вид машины постоянного тока показан на рис. 4-6.
Упрощенная схема работы машины постоянного тока показана на рис. 4-7. Щетки присоединены к ножам перекидного рубильника переключателя 1, что позволяет соединять якорь с нагрузкой или с питающей сетью. Обмотка возбуждения 2 подключена к внешней сети.
Рис. 4-7. Принцип работы машины постоянного тока.
Пусть якорь, соединенный с электрической нагрузкой , приводится во вращение первичным двигателем, например тепловым. Тогда в обмотке якоря, вращающейся в магнитном поле, созданном током возбуждения наводится э. д. с. Е и в сопротивлении проходит ток. Направление э. д. с. и тока в якоре найденное по правилу правой руки, показано на рис. 4-7. Направление электромагнитных сил , действующих на провода с током, находящиеся в магнитном поле, так же показано на рис. 4-7. Эти силы создают тормозной момент на валу машины. Первичным двигателем создается вращающий момент встречный тормозному мбменту. Такий образом, как это было показано в § 3-13, машина работает в режиме генератора, превращая механическую энергию в электрическую.
По закону Ома ток
Следовательно,
т. е. э. д. с. Е генератора больше напряжения U на величину падения напряжения в якоре .
Если вал этой машины отсоединить от первичного двигателя, а ножи переключателя 1 перевести в верхнее положение (рис. 4-7), то в обмотке якоря установится ток направление которого обратно рассмотренному ранее.
Электромагнитные силы, созданные взаимодействием этого тока и магнитного поля, имеют также обратное направление и будут создавать вращающий момент , под действием которого якорь будет вращаться в прежнем направлении. В этом случае электрическая энергия, поступающая из сети, превращается в механическую (см. § 3-14) и машина работает электродвигателем.
Коллектор и щетки осуществляют переключение секций обмотки вращающегося якоря таким образом, чтобы при переходе активных проводников из зоны северной полярности в зону южной в них изменялось направление тока, что необходимо для сохранения постоянного направления вращения.
В обмотке якоря электродвигателя, так же как и в обмотке генератора, наводится э. д. с. Е. Только теперь направление ее будет встречно току , в чем легко убедиться, применив правило правой руки. Эта э. д. с. называется встречной э. д. с. или противо-э. д. с.
По второму закону Кирхгофа
а ток
При работе машины электродвигателем э. д. с. Е меньше напряжения на зажимах якоря U на величину падения напряжения в обмотке якоря
Изменение направления вращения электродвигателя производится изменением направления тока в цепи якоря или в обмотке возбуждения. Одновременное изменение направлений токов в обеих обмотках не вызывает изменения направления вращения, в чем легко убедиться, рассматривая рис. 4-7.
20. Реакция якоря машины постоянного тока.
При холостом ходе машины независимо от режима работы генератором или электродвигателем ток в якоре или равен нулю, или очень мал. В этом случае магнитный поток ее создается только магнитодвижущей силой и замыкается через якорь вдоль полюсов и станины. На рис. 4-12 этот поток показан направленным сверху вниз (от полюса N к полюсу 5).
В проводах якоря нагруженной машины устанавливается ток который при генераторном режиме (рис. 4-12) направлен в одну сторону с э. д. с., определенной по правилу правой руки.
Рис. 4-12. Поперечная реакция якоря.
Рис. 4-13. Магнитная индукция в воздушном зазоре при поперечной реакции якоря.
Тогда м. д. с. якоря создает свой магнитный поток замыкающийся через якорь, воздушный зазор и полюсные наконечники. Если по отношению к направлению вращения считать левый край полюсного наконечника как бы набегающим на поверхность якоря, а правый — сбегающим, то можно заметить, что набегающий край полюса размагничивается поперечным потоком якоря, а сбегающий намагничивается. Картина перераспределения магнитной индукции в воздушном зазоре для этого случая показана на рис. 4-13.
Результирующий поток машины Ф сдвигается в направлении вращения якоря; в ту же сторону смещается и нейтраль машины, называемая в отличие от геометрической — физической нейтралью.
В результате насыщения стали (§ 3-8) размагничивающее действие поперечного потока на набегающем краю полюса больше, чем намагничивающее на сбегающем краю, и магнитный поток машины уменьшается Влияние м. д. с. якоря на величину магнитного потока машины при нагрузке называется реакцией якоря.
При работе машины электродвигателем ток в якоре (рис. 4-12) направлен навстречу э. д. с., якорь вращается в обратную сторону и поперечная реакция якоря смещает результирующий поток Ф и физическую нейтраль против направления вращения якоря.
21. Схемы возбуждения машин постоянного тока.
|
22. Внешние характеристики машин постоянного тока.
23. Пуск и регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока.
Для пуска в ход двигателей постоянного тока большой мощности, а также для широкой регулировки скорости вращения двигателей применяют схему генератор-двигатель, сокращенно Г-Д (шахтные подъемники, прокатные станы, рулевое управление судов, бумагоделательные и ситцепечатные машины). Пуск и регулировка двигателя по схеме Г-Д (фиг. 412) заключаются в следующем. Рабочий двигатель 1 получает питание от генератора постоянного тока 2, приводимого во вращение синхронным или асинхронным двигателем 3. Возбуждение рабочего двигателя и самого генератора осуществляется от специального возбудителя 4г сидящего на одном валу с генератором. Для пуска рабочего двигателя необходимо включить первичный двигатель генератора. При достижении генератором нормальной скорости вращения выводят сопротивление реостата 5 в цепи возбуждения генератора. Напряжение генератора постепенно увеличивается до номинальной величины. Рабочий двигатель, на щетках якоря которого увеличивается напряжение, приходит во вращение. Изменяя сопротивление регулировочного реостата в цепи возбуждения генератора, можно менять скорость вращения рабочего двигателя.
Система Г-Д дает возможность осуществить плавный пуск н широкую регулировку скорости вращения двигателя (100: 1). В том случае, когда по условиям работы рабочий двигатель должен изменять направление вращения, в цепи возбуждения генератора устанавливают переключатель, который меняет направление тока в обмотке возбуждения, вследствие чего полярность щеток меняется и рабочий двигатель начинает вращаться в другую сторону.
При резких колебаниях нагрузки на валу двигателя (шахтные подъемники, прокатные станы) пуск двигателя осуществляется по схеме Г-Д с маховиком. Эта схема отличается от схемы Г-Д наличием тяжелого маховика на валу, соединяющем первичный двигатель с генератором. Для работы с маховиком первичный двигатель выбирается с падающей механической характеристикой, т. е. с увеличением нагрузки на валу скорость вращения двигателя должна уменьшаться. Увеличение нагрузки на валу рабочего двигателя вызовет увеличение тока, забираемого двигателем у генератора. Мощность, необходимая для вращения нагруженного генератора, увеличивается. При отсутствии маховика первичный двигатель всю дополнительную мощность будет брать из сети, вызывая резкие колебания тока. Колебания тока в сети будут уменьшены, если на валу первичного двигателя имеется маховик. При своем вращении тяжелый маховик имеет запас кинетической энергии. С увеличением нагрузки генератора скорость вращения первичного двигателя уменьшается и освободившаяся кинетическая энергия маховика дает возможность покрывать резкие колебания механической нагрузки на валу рабочего двигателя 1.
При уменьшении нагрузки рабочего двигателя первичный двигатель увеличивает скорость и маховик запасает кинетическую энергию.
24. Устройство асинхронного двигателя
Устройство трёхфазной асинхронной машины
Неподвижная часть машины называется статор, подвижная – ротор. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 2.1 показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые закладывается трёхфазная обмотка (3). Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия.
Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами c1,c2,c3, концы – c4,c5,c6.
Рис. 2.1
Начала и концы фаз выведены на клеммник (рис. 2.2.а), закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме звезда (рис. 2.2.б) или треугольник (рис. 2.2.в). Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя. В паспорте трёхфазного двигателя задаются линейные напряжения сети и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл=660В по схеме звезда или в сеть с Uл=380В – по схеме треугольник.
Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.
Рис. 2.2
Сердечник ротора (рис. 2.3.б) набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).
Рис. 2.3
Короткозамкнутая обмотка (рис. 2.3) ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает “беличье колесо” и называют её типа “беличьей клетки” (рис. 2.3.а). Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели обладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.
Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент. Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка – сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.
На рис. 2.4 приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – контактные кольца, 5 – щетки.
Рис. 2.4
У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме звезда. Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплёнными на валу ротора, и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они должны быть изолированы друг от друга и от вала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей, закреплённых неподвижно в корпусе машины. На рис. 2.5 приведено условное обозначение асинхронного двигателя с короткозамкнутым (а) и фазным (б) ротором.
Рис. 2.5
На рис. 2.6 приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 – вал.
Рис. 2.6
На щитке машины, закреплённом на станине, приводятся данные: Pн,Uн,Iн,nн, а также тип машины.
Тип машины, например, задан в виде 4AH315S8. Это асинхронный двигатель (А) четвёртой серии защищённого исполнения. Если буква Н отсутствует, то двигатель закрытого исполнения.
25. Вращающееся магнитное поле.
Получение вращающегося магнитного поля
Условия получения:
В трёхфазной машине при одной паре полюсов (p=1) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 120°, при двух парах полюсов (p=2) оси обмоток должны быть смещены в пространстве на угол 60° и т.д.
Рассмотрим магнитное поле, которое создаётся с помощью трёхфазной обмотки, имеющей одну пару полюсов (p=1) (рис. 2.7). Оси обмоток фаз смещены в пространстве на угол 120° и создаваемые ими магнитные индукции отдельных фаз (BA,BB,BC) смещены в пространстве тоже на угол 120°.
Магнитные индукции полей, создаваемые каждой фазой, как и напряжения, подведённые к этим фазам, являются синусоидальными и отличаются по фазе на угол 120°.
Приняв начальную фазу индукции в фазе A (φA) равной нулю, можно записать:
|
BA=Bmsin(ωt), |
Магнитная индукция результирующего магнитного поля определяется векторной суммой этих трёх магнитных индукций.
.
Найдём результирующую магнитную индукцию (рис. 2.8) с помощью векторных диаграмм, построив их для нескольких моментов времени.
|
а) При |
б) При |
в) При |
Рис. 2.8
Как следует из рис. 2.8, магнитная индукция B результирующего магнитного поля машины вращается, оставаясь неизменной по величине. Таким образом, трёхфазная обмотка статора создаёт в машине круговое вращающееся магнитное поле. Направление вращения магнитного поля зависит от порядка чередования фаз. Величина результирующей магнитной индукции
B=3/2×Bm.
Частота вращения магнитного поля n0 зависит от частоты сети f и числа пар полюсов магнитного поля p.
n0=(60f)/p, [об/мин].
Обратите внимание, что частота вращения магнитного поля не зависит от режима работы асинхронной машины и её нагрузки.
При анализе работы асинхронной машины часто используют понятие о скорости вращения магнитного поля ω0, которая определяется соотношением:
ω0=(2πf)/p=πn0/30, [рад/сек].
26. Принцип действия асинхронного двигателя.
Принцип действия электрических машин переменного тока основан на физических законах взаимодействия магнитного поля и помещенного в это поле проводника, по которому проходит электрический ток, а также на явлениях, возникающих при движении этого проводника в магнитном поле.
По своему назначению электрические машины разделяются на генераторы и двигатели. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую и предназначаются для генерирования электрического тока. Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую и являются потребителями электроэнергии, так называемой двигательной нагрузкой генераторов пли электрической сети.
Для лучшего понимания принципов, на которых основана работа современного асинхронного электродвигателя, рассмотрим известный опыт Фарадея (рис. 1). В этом опыте некоторый постоянный магнит М с полюсами N — S приводится во вращение механически с помощью рукоятки Р. На сравнительно небольшом расстоянии от полюсов магнита устанавливается легкий медный диск Д на оси, которая может вращаться в подшипниках. При вращении рукоятки и соответственно магнита в медном диске наводятся токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем N— S, обеспечивают появление вращающего момента. Под влиянием этого момента диск увлекается в сторону вращения магнита. Таким образом, диск Фарадея является прототипом современного асинхронного электродвигателя.
Если в магнитное поле поместить прямолинейный проводник перпендикулярно направлению поля и пропустить через него ток I, то на него будет действовать механическая сила F, прямо пропорциональная силе (интенсивности) магнитного поля, количественно определяемого магнитной индукцией В, длине l и току I, Н:
(1)
F = l,02 ∙ 10-13BlI,
где В—магнитная индукция, Т; l — длина той части проводника, которая находится в магнитном поле, м; I— сила тока, проходящего по проводнику, А.
Численный коэффициент 1,02 ∙ 10-13 в правой части уравнения определяет размерность полученного значения. В нашем случае мы получим значение действующей на проводник силы
|
Рис. 1. Опыт Фарадея с диском. |
в ньютонах (Н).
Таким образом, электромагнитный механизм любой электрической машины должен содержать две основные части: устройство, содержащее магнитное поле, и совокупность проводников, пересекающих линии магнитного поля. В машинах электрическое поле обычно создается с помощью стальных сердечников с намотанными на них катушками. По этим катушкам проходит электрический ток и создает, таким образом, магнитное поле большой интенсивности.
Рассмотрим теперь образование магнитного (поля с помощью переменного тока, преходящего по витку катушки, имеющему форму, показанную на рис. 2,а. Промышленная сеть переменного тока обычно обеспечивает синусоидальную форму тока. На рис. 2,в изображена кривая изменения тока в рассматриваемом контуре по времени. Как видно из графика, величина тока имеет один знак, принятый положительным, на участке от 0 до t1, а затем противоположный, отрицательный знак на участке от t1 до t2 по оси времени. Максимальные величины тока Iмакс достигаются в моменты времени t' и t''.
При прохождении тока по проводнику образуется магнитное поле, направление силовых линий которого показано на рис. 2,б в плоскости, перпендикулярной контуру с током. Условно направление тока от плоскости чертежа к читателю обозначено точкой О•, а противоположное направление — крестиком О+. Пунктиром показан постоянный магнит, обеспечивающий аналогичное магнитное поле, как и контур с током в момент времени t'. Для любого другого момента времени на участке 0 — t1 магнитное поле будет иметь то же направление, но по величине оно будет слабее (например, в момент времени t''). Далее на участке характеристики t1— t2 (рис. 2,в) направление магнитных силовых линий поля (рис. 2,б) меняется на противоположное в соответствии с изменением знака, т. е. направление тока в контуре (противоположное по сравнению с изображенным на рис. 2,б) также изменится на противоположное.
|
Рис.2. Образование пульсирующего магнитного поля контуром с током. а — контур с током; |
Таким образом, при питании контура переменным током направление и величина (интенсивность) магнитного поля, образованного этим витком, периодически изменяются. Такое магнитное поле получило название пульсирующего.
Выше был рассмотрен случай образования магнитного поля при питании контура однофазным переменным током. На практике асинхронные двигатели, как правило, питаются трехфазным переменным током. Трехфазная цепь переменного тока состоит из трех однофазных цепей. В этих цепях токи или напряжения изменяются по тому же периодическому закону с той же частотой, но с некоторым сдвигом (отставанием) во времени. Величина отставания тока во второй фазе по сравнению с током в первой фазе составляет 1/3 периода Т, или 120°. Ток в третьей фазе также отстает от тока во второй фазе на 1/3 периода.
На рис. 3,б показано образование магнитного поля с помощью трех контуров, сдвинутых относительно друг друга на 120° и питающихся от трехфазной сети переменного тока. На рис. 3,а показан характер прохождения токов в каждой фазе, т. е. в каждом из контуров. Обозначение направлений токов на рис. 3,б (точка или крестик) соответствует принятому нами на рис. 2. Токи считаются положительными, если они имеют направления из плоскости чертежа (обозначено точкой) в началах контуров с током в фазах Ан, Вн, Сн и одновременно направление в плоскость чертежа (обозначено крестиком) в концах контуров фаз Ак , Вк , Ск .
|
Рис. 3. Образование вращающегося магнитного поля трехфазным током. а —изменение фазных токов во времени; б —магнитное поле в разные моменты времени. |
Такой случай, соответствующий моменту времени t1, показан на верхнем примере рис. 3,б. Пользуясь известным из физики правилом буравчика, можно построить силовые линии создаваемого магнитного поля токов. Направление этих силовых линий будет аналогично направлению силовых линий поля, создаваемого с помощью постоянного магнита, обозначенного на рисунке пунктиром.
|
Рис. 4. Изменение чередования фаз питающего напряжения для изменения направления вращения асинхронного двигателя. |
В некоторый момент времени t2 величина iВ достигнет своего наибольшего положительного значения, при этом токи iА , iС отрицательны. Такой пример рассмотрен на втором сверху рисунке (рис. 3,б). Как видно, в рассматриваемом случае две образовавшиеся зоны токов противоположного направления создают таксе же поле, как и в момент времени t1, однако, повернутое на 1/3 окружности, т. е. на 120° по часовой стрелке.
Далее сравним распределение магнитного поля на оставшихся двух примерах рис. 3,б, соответствующих моментам времени t3 и t4, с рассмотренными выше случаями для моментов времени t1 и t2. При сравнении видно, что за период изменения тока Т создаваемое этим трехфазным током магнитное поле поворачивается на целый оборот, т. е. на 360°. Такое магнитное поле называется вращающимся.
Если изменить чередование каких-либо двух фаз (рис. 4), например подключить обмотки b к фазе С и наоборот, т. е. вместо соединения по схеме на рис. 4,а выполнить его по схеме на рис. 4,б, то произойдет изменение направления вращения магнитного поля на противоположное. Это свойство обычно используется при необходимости изменения вращения асинхронного электродвигателя, т. е. при осуществлении так называемого реверса двигателя.
Как видно из простейшего примера, аналогичное магнитное поле могло быть получено с помощью электромагнита, имеющего одну пару полюсов (северный N и южный S). В дальнейшем понятием число пар полюсов мы будем часто пользоваться. В асинхронном электродвигателе имеются две основные части: вращающийся ротор и неподвижный статор. В наиболее широко распространенных трехфазных асинхронных электродвигателях статор подключается к трехфазной сети переменного тока. Трехфазный ток обмоток статора создает вращающееся магнитное поле с магнитным потоком Ф. Поле, вращаясь вокруг ротора и пересекая его обмотки, наводит в них электродвижущие силы (э. д. с), под действием которых в обмотках ротора проходит ток I2 (в дальнейшем индекс 1 будет соответствовать параметрам статора и индекс 2— ротора).
При взаимодействии тока ротора с вращающимся магнитным полем статора возникает сила, которая заставляет ротор двигаться в сторону вращения магнитного поля. Этой силе соответствует вращающийся электромагнитный момент М (Н∙м), величина которого пропорциональна магнитному потоку Ф (Вб) поля статора и току ротора I2 (А), т. е.
(2)
М = ФI2 .
Необходимо отметить, что вращающееся поле может быть двухполюсным, четырехполюсным, шестиполюсным и т. д. Число пар полюсов вращающегося поля определяется устройством создающей его обмотки статора. При одной и той же частоте питающего тока (промышленная частота 50 периодов в секунду) многополюсное магнитное поле будет вращаться медленнее двухполюсного в число раз, равное числу пар полюсов.
В асинхронном двигателе частота вращения ротора, увлекаемого магнитным полем статора, меньше частоты вращения самого поля. В самом деле, в случае равенства этих частот прекратилось бы движение поля по отношению к ротору, так как в роторе перестала бы наводиться электродвижущая сила, создающая токи в его обмотках. При этом прекратилось бы взаимодействие ротора с вращающимся полем и устранилась бы причина вращения ротора. В таком случае ротор стал бы неминуемо проскальзывать, т. е. частота его вращения стала бы меньше, чем частота вращения магнитного поля, что и соответствует действительному положению в асинхронном двигателе. Ввиду различия частот вращения поля и ротора рассматриваемые машины получили название асинхронных.
При изучении явлений, протекающих в роторе асинхронного двигателя, когда он заторможен (т. е. при неподвижном роторе), можно заключить, что машина в этом режиме по своей физической природе представляет собой трансформатор. Первичной обмоткой трансформатора служит статор, а вторичной — обмотка ротора. В общем случае асинхронный двигатель отличен от трансформатора главным образом своим конструктивным исполнением. У асинхронной машины вторичная обмотка отделена от первичной воздушным зазором, чего нет в общепромышленных трансформаторах. Кроме того, вторичная обмотка двигателя вращается по отношению к первичной. Как было отмечено выше, частота вращения п, с которой вращается ротор, должна отличаться от частоты вращения магнитного поля п1. В зависимости от соотношения этих частот существуют три режима работы асинхронной машины: двигательный, генераторный, тормозной.
При работе асинхронной машины в двигательном режиме частота вращения ротора изменяется в пределах 0<п<п1. Вращение ротора осуществляется под воздействием электромагнитного вращающего момента и его направление совпадает с направлением вращения поля статора. Этот режим является основным при работе машины. Подводимая к статору электрическая энергия преобразуется в данном режиме в механическую.
Если с помощью какой-либо другой установки, т. е. другого первичного двигателя, установленного на валу асинхронной машины, обеспечить частоту вращения ротора выше частоты вращения магнитного поля статора (n>п1), то асинхронная машина перейдет в генераторный режим. При этом направление вращения поля статора относительно ротора изменится на обратное по сравнению с работой машины в двигательном режиме. Электромагнитный момент на валу, развиваемый асинхронной машиной, становится тормозящим по отношению к двигателю, который приводит ее во вращение. Механическая энергия, передаваемая этим двигателем асинхронной машине, преобразуется в электрическую и отдается в сеть, к которой подключен ее статор. Примером может служить работа электровоза при спуске железнодорожного состава под уклон.
Режим работы асинхронной машины, когда ротор приводится во вращение против направления вращения электромагнитного поля статора, получил название режима электромагнитного тормоза. Этот режим нашел применение в ряде подъемнотранспортных устройств. Однако генераторный режим и режим электромагнитного тормоза редко используются в асинхронных машинах и в данной книге подробно не рассматриваются.
27. Энергетический баланс асинхронного двигателя.
нергетический баланс асинхронного двигателя
Асинхронный двигатель потребляет из сети активную и реактивную мощность. Рассмотрим каждую из них.
Активная мощность
(11.26)
Часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки
, (11.27)
часть – в виде магнитных потерь в магнитопроводе статора
. (11.28)
Оставшаяся часть мощности
(11.29)
представляет собой электромагнитную мощность, передаваемую с помощью магнитного поля из статора в ротор. На схеме замещения (рис. 11.6 в) этой мощности соответствует мощность, пропорциональная активному сопротивлению . Поэтому
. (11.30)
Другая часть этой мощности теряется в виде электрических потерь в активном сопротивлении обмотки ротора
. (11.31)
Остальная часть электромагнитной мощности преобразуется в механическую мощность ротора
(11.32)
или, с учетом уравнений (11.30) и (11.31)
. (11.33)
Полезная механическая мощность на валу двигателя меньше механической мощности на величину механических и добавочных потерь
. (11.34)
Из уравнений (11.30)…(11.32) следует, что
, (11.35)
. (11.36)
Таким образом, активная мощность представляет собой среднюю мощность преобразования в двигателе электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую, тепловую и другие виды энергии. Процесс преобразований активной энергии в режиме двигателя изображен на рис. 11.8 а в виде энергетической диаграммы.
Сумма потерь в двигателе
вычитается из потребляемой мощности и определяет полезную мощность на валу
.
а) б)
Рис. 11.8
КПД двигателя
. (11.37)
Непременным условием работы асинхронного двигателя является потребление реактивной мощности
. (11.38)
Часть этой мощности расходуется на создание магнитных полей рассеяния
. (11.39)
Оставшаяся мощность
(11.40)
расходуется на создание основного магнитного потока, а мощность
(11.41)
расходуется на создание полей рассеяния в роторе.
Диаграмма реактивных мощностей изображена на рис. 11.8 б.
28. Пуск и регулирование скорости асинхронного двигателя.
Способы пуска асинхронных двигателей
Общая характеристики вопроса. Прямой пуск. При рассмотрений возможных способен пуска и ход асинхронных двигателей необходимо учитывать следующие основные положения: 1) двигатель должен развивать при пуске достаточно большой пусковой момент, который должен быть больше статического момента сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной скорости вращения; 2) пусковой ток должен быть ограничен таким значением, чтобы не происходило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети; 3) схема пуска должна быть по возможности простой, а число и стоимость пусковых устройств -- малыми.
При пуске асинхронного двигателя на холостом ходу в активном сопротивлении его вторичной цепи выделяется тепловая энергия, равная кинетической энергии приводимых во вращение маховых масс, а при пуске под нагрузкой количество выделяемой энергии соответственно увеличивается. Выделение энергии в первичной цепи обычно несколько больше, чем во вторичной. При частых пусках, а также при весьма тяжелых условиях пуска, когда маховые массы приводимых в движение механизмов велики, возникает опасность перегрева обмоток двигателя. Подробно динамика движения электропривода и энергетические соотношения при пуске рассматриваются в курсах электропривода. Число пусков асинхронного двигателя в час, допустимое по условиям его нагрева, тем больше, чем меньше номинальная мощность двигателя и чем меньше соединенные с его валом маховые массы. Двигатели мощностью 3--10 кВт в обычных условиях допускают до 5--10 включений в час.
Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проще по устройству и обслуживанию, а также дешевле и надежнее в работе, чем двигатели с фазным ротором.
Поэтому всюду, где это возможно, применяются двигатели с короткозамкнутым ротором и подавляющее большинство находящихся в эксплуатации асинхронных двигателей являются двигателями с короткозамкнутым ротором.
Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора
При этом пусковой ток двигателя Iп = (4 - 7) Iн.
Современные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором проектируются с таким расчетом, чтобы они по значению возникающих при пуске электродинамических усилий, действующих на обмотки, и по условиям нагрева обмоток допускали прямой пуск. Поэтому прямой пуск всегда возможен, когда сеть достаточно мощна и пусковые токи двигателей не вызывают недопустимо больших падений напряжения в сети (не более 10--15%). Современные энергетические системы, сети и сетевые трансформаторные подстанции обычно имеют токмо мощности, что в подавляющем большинстве случаев возможен прямой пуск асинхронных двигателей.
Нормальным способом пуска двигателей с короткозамкнутым ротором поэтому является прямой пуск.
Нередко таким образом осуществляется пуск двигателей мощностью в тысячи киловатт.
Если по условиям падения напряжения в сети прямой пуск двигателя с короткозамкнутым ротором невозможен, применяются различные способы пуска двигателя при пониженном напряжении (рис. 28-1, б, в и г). Однако при этом пропорционально квадрату напряжения на зажимах обмотки статора или квадрату пускового тока двигателя Понижается также пусковой момент, что является недостатком пуска при пониженном напряжении.
Поэтому эти способы пуска применимы, когда возможен пуск, двигателя на холостом ходу или под неполной нагрузкой.
Необходимость пуска при пониженном напряжении встречается чаще всего у мощных высоковольтных двигателей. Реакторный пуск осуществляется согласно схеме рис. 28-1, б. Сначала включается выключатель В1, и двигатель получает питание через трехфазный реактор (реактивную или индуктивную катушку) Р, сопротивление которого хр ограничивает значение пускового тока. По достижении нормальной скорости вращения включается выключатель В2, который шунтирует реактор, в результате чего на двигатель подается нормальное напряжение сети.
Пусковые реакторы строятся обычно с ферромагнитным сердечником (см. § 18-4) и рассчитываются по нагреву только на кратковременную работу, что позволяет снизить их массу и стоимость.
Для весьма мощных двигателей применяются также реакторы без ферромагнитного сердечника, с обмотками, укрепленными на бетонном каркасе.
Выключатель В1 выбирается на такую отключающую мощность, которая позволяет отключить двигатель при глухом коротком замыкании за выключателем, а выключатель * В2 может иметь низкую отключающую мощность. Если составляющие сопротивления короткого замыкания двигателя равны rк и хк, то начальный пусковой ток при прямом пуске
а при реакторном пуске, при пренебрежении активным сопротивлением реактора,
Следовательно,, при реакторном пуске "начальный" пусковой ток уменьшается в
раз. Во столько же раз уменьшается также напряжение на зажимах двигателя в начальный момент пуска. Начальный пусковой момент при реакторном пуске Мп.р уменьшается по сравнению с моментом при прямом пуске Мп.п в
раз.
В приведенных соотношениях не учитывается изменение величины хк при изменении пускового тока. При необходимости его нетрудно учесть. Автотрансформаторный пуск осуществляется по схеме рис. 28-1, в в следующем порядке. Сначала включаются выключатели В1 и В2, и на двигатель через автотрансформатор АТ подается пониженное напряжение. После достижения двигателем определенной, скорости выключатель В2 отключается, и двигатель получает питание через часть обмотки автотрансформатора АТ который в этом случае работает как реактор. Наконец включается выключатель ВЗ, в результате чего двигатель получает полное напряжение.
Выключатель В1 должен быть выбран на отключающую мощность при коротком замыкании, а выключатели В2 и ВЗ могут иметь меньшие отключающие мощности. Пусковые автотрансформаторы рассчитываются на кратковременную работу и обычно имеют ответвления, соответствующие значениям вторичного напряжения, равным 73, 64 и 55% от первичного при прямой схеме включения и 45, 36 и 27% при обратной схеме включения (рис. 28-2). В каждом конкретном случае выбирается подходящая ступень напряжения.
Если пусковой автотрансформатор понижает пусковое напряжение двигателя к kат раз, то пусковой ток в двигателе или на стороне НН автотрансформатора Iп.д уменьшается также в kат раз, а пусковой ток на стороне ВН автотрансформатора или в сети Iп.с уменьшается в раз. Пусковой момент Мп, пропорциональный квадрату напряжения на зажимах двигателя, уменьшается также в раз.
Таким образом, при автотрансформаторном пуске Мп и Iп.с уменьшаются в одинаковое число раз. В то же время при реакторном пуске пусковой ток двигателей Iп.д является также пусковым током в сети Iп.с и пусковой момент Мп уменьшается быстрее пускового тока (в квадратичном отношении). Поэтому при одинаковых значениях Iп.c при автотрансформаторном пуске пусковой момент будет больше. Однако это преимущество автотрансформаторного пуска достигается ценой значительного усложнения и удорожания пусковой аппаратуры.
Поэтому автотрансформаторный пуск применяется реже реакторного, при более тяжелых условиях, когда реакторный пуск не обеспечивает необходимого пускового момента.
Пуск переключением «звезда -- треугольник» (рис. 28-1, г) может применяться в случаях, когда выведены все шесть концов обмотки статора и двигатель нормально работает с соединением обмотки статора в треугольник, например, когда двигатель на 380/220 В и с соединением обмоток Y/Д работает от сети 220 В. В этом случае при пуске обмотка статора включается в звезду (нижнее положение переключателя П на рис. 28-1, г), а при достижении нормальной скорости вращения переключается в треугольник (верхнее положение переключателя П на рис. 28-1, г). При таком способе пуска по сравнению с прямым пуском при соединении обмотки в треугольник напряжение фаз обмоток уменьшается в раза, пусковой момент уменьшается в =3 раза, пусковой ток в фазах обмотки уменьшается в раза, а в сети -- в =3 раза. Таким образом, рассматриваемый способ пуска равноценен автотрансформаторному пуску при .
Недостатком этого способа - пуска по сравнению с реакторным и автотрансформаторным являетсй то, что при пусковых переключениях цепь двигателя разрывается, что связана с возникновением коммутационных перенапряжений. Этот способ ранее широко применялся при пуске низковольтных двигателей, однако с увеличением мощности сетей потерял свое прежнее значение и в настоящее время используется сравнительно редко.
Пуск двигателя с фазным ротором с помощью пускового реостата. Двигатели с фазным ротором применяются значительно реже двигателей с короткозамкнутым ротором. Они используются в следующих случаях: 1) когда двигатели с короткозамкнутым ротором неприемлемы по условиям регулирования их скорости вращения (см. § 28-2); 2) когда статический момент сопротивления на валу при пуске МСТ велик и поэтому асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором с пуском при пониженном напряжении неприемлем, а прямой пуск такого двигателя недопустим по условиям воздействия больших пусковых токов на сеть; 3) когда приводимые в движение массы настолько велики, что выделяемая во вторичной цепи двигателя тепловая энергия вызывает недопустимый нагрев обмотки ротора в виде беличьей клетки.
Пуск двигателей с фазным ротором производится с помощью пускового реостата в цепи ротора (рис 28-3). Применяются проволочные, с литыми чугунными элементами, а также жидкостные реостаты. По условиям нагрева реостаты рассчитываются на кратковременную работу. Сопротивления металлических реостатов для охлаждения обычно помещают в бак с трансформаторным маслом. Металлические реостаты являются ступенчатыми, и переключение с одной ступени на другую осуществляется либо вручную с помощью рукоятки контроллера, существенным элементом которого является вал с укрепленными на нем контактами, либо же автоматически (в автоматизированных установках) с помощью контакторов или контроллера с электрическим приводом. Жидкостный реостат представляет собой сосуд с электролитом (например, водный раствор соды или поваренной соли), в который опущены электроды. Сопротивление реостата регулируется путем изменения глубины погружения электродов. Рассмотрим пуск двигателя с фазным ротором с помощью ступенчатого металлического реостата (рис. 28-3), управляемого контакторами К.
Перед пуском щетки должны быть опущены на контактные кольца ротора, а все ступени реостата включены. Далее в процессе пуска
поочередно включаются контакторы КЗ, К2, К1. Характеристики вращающего момента двигателя М = f (s) и вторичного тока I2 = = f (s): при работе на разных ступенях реостата изображены на рис. 28-4, а и б. Предположим, что сопротивления ступеней пускового реостата и интервалы времени переключения ступеней подобраны так, что момент двигателя М при пуске меняется в пределах от некоторого Ммакс до некоторого Ммин и при включении в сеть Мп = Ммакс > Мст (кривая 3 на рис. 28-4, а). В начале пуска двигатель работает по характеристике 3, ротор приходит во вращение, скольжение s начинает уменьшаться, и при s = s3, когда М -- Ммин,
производится переключение реостата на вторую ступень. При этом двигатель будет работать по характеристике 2, и при дальнейшем разбеге двигателя скольжение уменьшится от s = s3 до s = s2, а момент -- от значения М = Ммакс до М = Ммин. Затем производится переключение на первую ступень и т. д. После выключения последней ступени реостата двигатель переходит на работу по естественной характеристике 0 и достигает установившейся скорости. При наличии у двигателя короткозамыкающего механизма после окончания пуска щетки с помощью этого механизма поднимаются с контактных колец и кольца замыкаются накоротко, а реостат возвращается и пусковое положение. Тем самым пусковая аппаратура приводится в готовность к следующему пуску. Необходимо отметить, что дистанционное управление короткозамыкающим механизмом контактных колец сложно осуществить; это затрудняет автоматическое управление двигателем. Поэтому в последнее время фазные асинхронные двигатели строятся без таких механизмов. При этом щетки постоянно налегают на контактные кольца, что несколько увеличивает потери двигателя и износ щеток. Число ' ступеней пускового реостата с целью упрощения схемы пуска и удешевления аппаратуры в автоматизированных установках выбирается небольшим (обычно 2--3 ступени).
Пусковые характеристики асинхронного двигателя при реостатном пуске наиболее благоприятны, так как высокие значения моментов достигаются при невысоких значениях пусковых токов.
Самозапуск асинхронных двигателей. В электрических сетях в результате, коротких замыканий случаются кратковременные, длительностью до нескольких секунд, большие понижения напряжения или перерывы питания. Включенные в сеть асинхронные двигатели при этом начинают затормаживаться и чаще всего полностью останавливаются. При восстановлении напряжения начинается одновременный самозапуск не отключившихся от сети двигателей. Такой самозапуск двигателей способствует быстрейшему восстановлению нормальной работы производственных механизмов и поэтому целесообразен, а в ряде случаев даже чрезвычайно желателен. Однако одновременный самозапуск большого числа асинхронных двигателей загружает сеть весьма большими токами, что вызывает в ней большие падения напряжения и задерживает процесс восстановления нормального напряжения. Время самозапуска двигателей при этом увеличивается, а в ряде случаев значение пускового момента недостаточно для пуска двигателя. Кроме того самозапуск некоторых двигателей в подобных условиях недопустим или невозможен (например, двигатели с фазным ротором с пуском с помощью реостата и двигатели с короткозамкнутым ротором с пуском с помощью реакторов и автотрансформаторов, не снабженные специальной автоматической аппаратурой для автоматического самозапуска). Поэтому целесообразно возможность самозапуска использовать только для двигателей наиболее ответственных производственных механизмов, а все остальные двигатели снабдить релейной защитой для их отключения от сети при глубоких падениях напряжения.
Самозапуск асинхронных двигателей широко применяется для двигателей механизмов электрических станций.
2. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором
Скорость вращения ротора асинхронного двигателя
(28-3)
Способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей, согласно выражению (28-3), можно подразделить на два класса:
1) регулирование скорости вращения первичного магнитного поля
(28-4)
что достигается либо регулированием первичной частоты f1, либо изменением числа пар полюсов р двигателя;
2) регулирование скольжения двигателя s при n1 = соnst.
В первом случае к. п. д. двигателя остается высоким, а во втором случае к. п. д. снижается тем больше, чем больше s, так как при этом мощность скольжения (см. § 24-5)
(28-5)
теряется во вторичной цепи двигателя (мощность скольжения используется полезно только в каскадных установках).
Рассмотрим здесь главнейшие способы регулирования скорости вращения.
Регулирование скорости изменением первичной частоты (частотное регулирование) требует применения источников питания с регулируемой частотой (синхронные генераторы с переменной скоростью вращения, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты и др.). Поэтому данный способ регулирования используется главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей необходимо повышать (n > 3000 об/мин) скорости вращения (например, ручной металлообрабатывающий инструмент, некоторые механизмы деревообрабатывающей промышленности и др.) или одновременно и плавно их регулировать (например, двигатели рольгангов мощных прокатных станов и др.). С развитием полупроводниковых преобразователей все более перспективным становится также индивидуальное частотное регулирование скорости вращения двигателей. Схему короткозамкнутого асинхронного двигателя с частотным управлением при помощи полупроводниковых преобразователей можно получить, если на схеме рис. 11-14 заменить явно-полюсный ротор па ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и питать эту схему от сети переменного тока через полупроводниковый выпрямитель. Управление инвертором при этом производится особым преобразователем частоты вне зависимости от положения ротора двигателя. Напряжение регулируется с помощью выпрямителя.
Если пренебречь относительно-небольшим падением напряжения в первичной цепи асинхронного двигателя, то
(28-6)
Существенное изменение потока Ф при регулировании n нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование машины, уменьшение перегрузочной способности и увеличение тока I2 при том же значении М. Поэтому в большинстве случаев целесообразно поддерживать Ф =const. При этом из соотношения (28-6) следует, что одновременно с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять также напряжение, т. е. поддерживать
(28-7)
Отступление от этого правила целесообразно только в случаях, когда Мст быстро уменьшается с уменьшением n (например, приводы вентиляторов, когда Мст ~ ). В этом случае более быстрое уменьшение U по сравнению с f1 вызывает уменьшение Ф и улучшает энергетические показатели двигателя (и к. п. д.) и в то же время уменьшение Мт с точки зрения перегрузочной способности не опасно.
При широком диапазоне регулирования правильнее поддерживать
Ф~
К недостаткам частотного регулирования относится громоздкость и высокая стоимость питающей установки.
Регулирование скорости изменением числа пар полюсов р используется обычно для двигателей с короткозамкнутым ротором, так как при этом требуется изменять р только для обмотки статора. Изменять р можно двумя способами: 1) применением на статоре нескольких обмоток, которые уложены в общих пазах и имеют разные числа пар полюсов р; 2) применением обмотки специального ' типа, которая позволяет получить различные значения р путем изменения (переключения) схемы соединений обмотки. Предложено значительное количество различных схем обмоток с переключением числа пар полюсов, однако широкое распространение из них получили только некоторые. Применение нескольких обмоток невыгодно, так как при этом из-за ограниченного места в пазах сечение проводников каждой из обмоток нужно уменьшать, что приводит к снижению мощности двигателя. Использование обмоток с переключением числа пар полюсов вызывает усложнение коммутационной аппаратуры, в особенности, если с помощью одной обмотки желают получить более двух скоростей вращения. Несколько ухудшаются также энергетические показатели двигателей.
Двигатели с изменением числа пар полюсов называются многоскоростными. Обычно они выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем двухскоростные двигатели изготовляются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении р2 : p1 == 2 : 1, трехскоростные двигатели- с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением р2 : р1 = 2 : 1, четырехскоростные двигатели -- с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Например, двигатель на f1 = 50 Гц с синхронными скоростями вращения 1500/1000/750/ /500 об/мин имеет одну обмотку с переключением на 2р = 4 и 8 и другую обмотку с переключением на 2p=6 и 12.
Многоскоростные двигатели применяются в металлорежущих и деревообрабатывающих станках, в грузовых и пассажирских лифтах, для приводов вентиляторов и насосов и в ряде других случаев.
Каждая фаза обмотки с переключением числа пар полюсов в отношении 2 : 1 (рис. 28-5) состоит из двух частей, или половин, с одинаковым количеством катушечных групп в каждой части. Когда обе части обмотки обтекаются токами одинакового направления, обмотка создает магнитное поле с большим числом полюсов (рис, 28-5, а, 2р = 4), а при изменеиии направления тока в одной части обмотки на обратное, число полюсов уменьшается вдвое (рис. 28-5, б и в, 2р =2). Подобные переключения производятся во всех фазах одновременно, и переключаемые части обмотки могут соединяться последовательно (рис. 28-5, а и б) или параллельно (рис. 28-5, в).
Ширина фазной зоны, занимаемой сторонами катушек катушечной группы, и шаг обмотки в зубцовых делениях одинаковы при обоих числах полюсов. Поскольку, однако, при переключении числа пар полюсов в отношении 2 : 1 полюсное деление изменяется в два раза, то величина фазной зоны в электрических градусах и относительный шаг обмотки при этом также изменяются в два раза.
Переключаемую обмотку выполняют так, что при меньшем числе пар полюсов (р1) фазная зона б== 60° эл. Тогда при удвоенном числе пар полюсов (р2 =2р1) ширина этой зоны будет б = 120° эл.
Нормальные чередования фазных зон при одинаковом направлении вращения магнитного поля для обеих скоростей вращения должны быть такими, как показано на рис. 28-6. Из рисунка видно, что, кроме изменения направлений токов в зонах X, У, Z (рис. 28-6, а) на обратные (т. e. обращение их в зоны А, В, С), для сохранения направления вращения поля, а следовательно, и ротора при переключении числа пар полюсов (рис. 28-6, б) необходимо также переключить концы двух фаз обмотки (например, фазы В и С). Обмотка выполняется так, что ее шаг равен полному (180? эл,) при большем числе полюсов (2р2), так как кривая н. с. обмотки с зоной б = 120° наиболее близка к синусоидальной при полном шаге. Тогда при меньшем числе полюсов относительный шаг в= 0,5.
Из сказанного следует, что обмотка с переключением числа полюсов создает н. с. с большим значением бьющих гармоник поля,
чем нормальная трехфазная обмотка с б = 60° и в = 5/6. Это приводит к некоторому ухудшению энергетических показателей двигателей с переключением числа полюсов по сравнению с нормальными. На рис. 28-7 и 28-8 представлены наиболее часто употребляемые схемы обмоток с переключением числа пар полюсов в отношений p2: p1=2: 1. Определим мощности и моменты, развиваемые двигателями с такими схемами обмоток при неизменном линейном напряжении сети Uл1 наибольшем допустимом (номинальном) токе в полуфазе обмотки I?ф. Пренебрегая разницей в условиях охлаждения при изменении скорости, вращения, можно принять, что значение I?ф одинаково при обеих скоростях вращения. Приближенно можно считать, что коэффициенты мощности и к. п. д. при одинаковых значениях I?ф для обеих скоростей вращения также одинаковы.
При указанных условиях мощности на валу для схем рис. 28-7, а и б соответственно равны:
Таким образом,
и, следовательно, при переходе от меньшей скорости вращения (рис. 28-7, а) к большей (рис. 28-7, б) допустимая мощность на валу увеличивается в два раза. Момент вращения при этом, очевидно, остается постоянным, и поэтому схема переключения Y/YY (рис. 28-7) называется также схемой переключения с М =const. При схемах рис. 28-8, а и б имеем соответственно:
;
, откуда
= 1,15.
Обычно при использовании схемы рис. 28-8 для обеих скоростей вращения указывается одинаковая номинальная мощность, т. е. принимается, что Р1 == Р2. Схема переключения Д/YY (рис. 28-8) называется также схемой переключения с Р =const.
Вид механических характеристик двигателей со схемами обмоток рис. 28-7 и 28-8 изображен на рис. 28-9.
При переключении многоскоростной обмотки магнитные индукции на отдельных участках магнитной цепи в общем случае изменяются, что необходимо иметь в виду при проектировании двигателя, чтобы, с одной стороны, добиться по возможности более полного использования
материалов двигателя, а с другой -- не допустить чрезмерного насыщения магнитной цепи.
Масса и стоимость многоскоростных двигателей несколько больше, чем у нормальных асинхронных двигателей такой же мощности.
Регулирование скорости уменьшением первичного напряжения.
При уменьшении U1 момент двигателя изменяется пропорционально и соответственно изменяются механические характеристики (рис. 28-10), в результате чего изменяются также значения рабочих скольжений s1,s2 s3... при данном виде зависимости Мcт= f(s). Очевидно, что регулирование s в этом случае возможно в пределах 0 <s < sт. Для получения достаточно большого диапазона регулирования скорости необходимо, чтобы активное сопротивление цепи ротора и соответственно sт были достаточно велики (сравни рис. 28-10, а и б).
Следует учитывать, что во вторичной цепи возникают потери, равные мощности скольжения Рs и вызывающие повышенный нагрев ротора. Этот метод регулирования скорости применяется также для двигателей с фазным ротором, причем в этом случае в цепь ротора включаются добавочные сопротивления.
В связи с пониженным к. п. д. и трудностями регулирования напряжения рассматриваемый метод применяется только для двигателей малой мощности. При этом для регулирования U1 можно использовать регулируемые автотрансформаторы или сопротивления, включенные последовательно в первичную цепь. В последние годы для этой цели все чаще применяют (рис. 28-11) реакторы насыщения, регулируемые путем подмагничивания постоянным током (см. § 18-4). При изменении значения постоянного тока подмагничивания индуктивное сопротивление реактора изменяется, что приводит к изменению напряжения на зажимах двигателя. Путем автоматического регулирования тока подмагничивания можно расширить зону регулирования скорости в область s > sт и получить при этом жесткие механические характеристики.
Импульсное регулирование скорости (рис. 28-12) производится путем периодического включения двигателя в сеть и отключения его от сети либо путем периодического шунтирования с помощью контактора или полупроводниковых вентилей сопротивлений, включенных последовательно в цепь статора. При этом двигатель беспрерывно находится в переходном режиме ускорения или замедления скорости вращения ротора и в зависимости от частоты и продолжительности импульсов работает с некоторой, приблизительно постоянной скоростью вращения. Подобное регулирование скорости применяется только для двигателей весьма малой мощности (Рн << 30- 50 Вт).
Более подробно некоторые вопросы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей рассматриваются в курсах электропривода.
3. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей с фазным ротором
Для двигателей с фазным ротором можно в принципе использовать все те же способы регулирования скорости вращения, как и для двигателей с короткозамкнутым ротором. Однако на практике из числа этих способов для двигателей с фазным ротором применяется только способ регулирования скорости вращения с помощью реакторов насыщения. Ниже рассмотрим способы регулирования скорости вращения, которые специфичны для двигателей с фазным ротором и в которых используется возможность включения регулирующих устройств во вторичную цепь.
Регулирование скорости вращения с помощью реостата в цепи ротора производится по той же схеме рис. 28-3, что и реостатный пуск двигателя, но реостат при этом должен быть рассчитан на длительную работу. При увеличении активного сопротивления вторичной цепи вид механической характеристики двигателя изменяется (см. рис. 28-4; а): характеристика становится более мягкой и скольжение двигателя при том же моменте нагрузки Мст увеличивается.
При Мст=const рабочее скольжение s с большой точностью пропорционально sт и, следовательно, активному сопротивлению цепи ротора. Поэтому скольжения s и s', соответствующие случаям rд = 0 и rд? 0, находятся в соотношении
,
откуда значение rд, необходимое для получения скольжения s', равно
. (28-8)
Рассматриваемый способ регулирования скорости связан со значительными потерями энергии в сопротивлении гд и поэтому малоэкономичен. Он применяется главным образом при кратковременной или повторно-кратковременной работе (например, пуско-наладочные режимы некоторых машин, крановые устройства и пр.), а также в приводах с вентиляторным моментом. В последнем случае мощность на валу с уменьшением скорости быстро снижается, и поэтому мощность скольжения и потери в цепи ротора ограничены.
К недостаткам реостатного регулирования скорости относятся также мягкость механических характеристик и зависимость диапазона регулирования от нагрузки. В частности, регулирование скорости на холостом ходу практически невозможно.
Регулирование скорости вращения посредством введения добавочной э. д. с. во вторичную цепь двигателя.
Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя путем увеличения его скольжения всегда связано с выделением во вторичной цепи двигателя значительной электрической мощности скольжения
большая часть которой при реостатном регулировании теряется 'в реостате. Поэтому, естественно, возникает мысль о полезном использовании этой мощности и о повышении таким образом к. п. д. установки.
Полезное использование мощности скольжения возможно, если вместо реостата присоединить к контактным кольцам фазного двигателя приемник электрической энергии в виде подходящей для этой цели вспомогательной электрической машины.
Эта машина будет работать в режиме двигателя и оказывать воздействие на регулируемый асинхронный двигатель, развивая напряжение на его вторичных зажимах, так как при вращении вспомогательной машины в ее якоре индуктируется э. д. с. Можно также сказать, что задачей вспомогательной машины, как и реостата при реостатном регулировании, является создание «подпора» напряжения на контактных кольцах регулируемого асинхронного двигателя, ибо наличие определенного напряжения на кольцах U2к-- непременное условие выдачи с этих колец определенной мощности
во внешнюю цепь двигателя. Вместе с тем, вспомогательная машина в отличие от реостата позволяет полезно использовать эту мощность.
Прежде всего рассмотрим вопрос о влиянии на работу фазного асинхронного двигателя внешней добавочной э. д. с. Ед, вводимой во вторичную цепь двигателя с помощью его контактных колец, при условии, что частота этой добавочной э. д. с. всегда равна частоте вторичного тока и э. д. с. f2 = sf1 самого двигателя.
На рис. 28-13, а изображена векторная диаграмма вторичной цепи асинхронного двигателя при Ед = 0. Вторичный ток двигателя
' (28-9)
имеет значение, необходимое для создания нужного электромагнитного момента М в соответствии с моментом нагрузки Мст на валу.
Если теперь во вторичную цепь ввести э. д. с. Ед встречно э. д. с. скольжения Е2s. в этой же цепи, то вторичный ток
(28-10)
в первый момент времени уменьшится. Поэтому развиваемый двигателем момент М также уменьшится, двигатель начнет тормозиться, а скольжение s -- увеличиваться. При этом, согласно равенству (28-10), ток I2, а вместе с ним и момент М будут увеличиваться. Это будет происходить до тех пор, пока опять не наступит равновесие моментов М = Мст на валу. Двигатель при этом будет работать с увеличенным скольжением s, а векторная диаграмма вторичной цепи приобретет вид, изображенный на рис. 28-13, б. Очевидно, что посредством регулирования величины Ед можно регулировать величину s и, следовательно, скорость вращения двигателя.
Предположим теперь, что э. д. с. Ед имеет по сравнению с рассмотренным случаем противоположное направление и совпадает по фазе с э. д. с. на рис. 28-13. а. Тогда вместо выражения (28-9) получим
В первый момент после введения э. д. с. Ек ток I2 и момент М возрастут, двигатель будет ускоряться и s будет уменьшаться. При достаточном значении Ед скольжение s уменьшится до нуля, и если ток I2, создаваемый в этом случае только за счет действия Ед, все еще будет велик по сравнению с током, необходимым для создания момента М = Мст, то ускорение двигателя будет продолжаться и скорость превысит синхронную. Скольжение s и э. д. с. при этом изменят знаки и будут расти по абсолютной величине до тех пор, пока в соответствии с выражением (28-11) ток не упадет до необходимого значения. При s<0 угол -- отрицательный и векторная диаграмма вторичной цепи двигателя имеет вид, показанный на рис. 28-13, в. Ток I2 при этом будет иметь составляющую, совпадающую с Ф. Поэтому намагничивающий ток, потребляемый из первичной цепи, уменьшится и двигателя повысится.
Таким образом, с помощью добавочной э. д. с. Ед, путем изменения ее значения и направления, можно осуществить, плавное двухзонное регулирование скорости двигателя: ниже и выше синхронной.
Если пренебречь потерями, то мощность источника добавочной э. д. с. равна мощности скольжения sРэм, причем при s > 0 этот источник является приемником и потребляет энергию из вторичной цепи двигателя, а при s < 0 -- генератором и отдает мощность во вторичную цепь двигателя. Механическая мощность, развиваемая магнитным полем двигателя, при s > 0 будет меньше Рэм, а при s < 0 в соответствии с изменением знака мощности скольжения Рмх > Рэм.
Каскад асинхронного двигателя с машиной постоянного тока.
Реализация рассмотренного способа регулирования скорости вращения асинхронного двигателя посредством добавочной э, д. с. осуществляется в каскадных соединениях двигателя со вспомогательными электрическими машинами. Рассмотрим здесь каскадные соединения асинхронного двигателя с машиной постоянного тока. На рис. 28-14, а показана схема каскада фазного асинхронного двигателя АД, приводящего в движение некоторую рабочую машину РМ, с машиной постоянного тока независимого возбуждения - МПТ. Цепь якоря МПТ приключена к контактным кольцам асинхронного двигателя через ионный или полупроводниковый выпрямитель В, соединенный по трехфазной мостовой схеме.
Выпрямитель преобразовывает переменный ток частоты скольжения f2 = sf1 во вторичной цепи АД в постоянный ток в цепи якоря МПТ. Э. д. с. якоря МПТ в данном случае и является той рассмотренной выше добавочной э. д. с. Ед, которая (в данном случае с помощью выпрямителя В) вводится во вторичную цепь двигателя АД. Регулирование этой э. д. с. и скорости вращения АД производится путем регулирования тока побуждения МПТ.
На схеме рис. 28-14, а машина постоянного тока МПТ расположена на валу асинхронного двигателя АД. Она преобразовывает мощность скольжения Рs, потребляемую из вторичной цепи АД, в механическую мощность, которая через вал двигателя АД вместе с механической мощностью Рмх двигателя передается рабочей машине РМ. Такой каскад называется электромеханическим. Если при регулирований скорости вращения обеспечить полное использование мощности АД (Р1 = Рн = const) и пренебречь потерями, то в этом каскаде мощность, передаваемая рабочей машине РМ,
также остается при всех скоростях постоянной и равной номинальной мощности. В связи с этим электромеханический каскад иногда условно называют также каскадом постоянной мощности. Необходимая номинальная мощность вспомогательной машины каскада (в данном случае МПТ) зависит от пределов регулирования скорости:
Каскад с выпрямителями допускает регулирование скорости только вниз от синхронной (s>0). Если заменить выпрямитель управляемым ионным или полупроводниковым преобразователем, способным производить также обратное преобразование --постоянного тока в переменный, то можно осуществить регулирование скорости вверх от синхронной (s<0). Указанные на рис. 28-14 направления передачи мощности скольжения при s > 0 изменятся на обратные. Ввиду сложности системы управления таким преобразователем и некоторых других причин эти каскады до сих пор применения не получили. Ранее применялись также каскады, выполненные по схеме рис. 28-14, а, в которой вместо выпрямителя использовался одноякорный преобразователь переменного тока в постоянный .
На рис. 28-14, б изображена схема каскада, которая отличается от схемы рис. 28-14, а тем, что МПТ соединена механически со вспомогательной асинхронной или синхронной машиной ВМ. В этом каскаде мощность скольжения Рs при s > 0 передается с помощью ВМ, работающей в режиме генератора, обратно в сеть переменного тока. При s<0 ВМ работает в режиме двигателя. Такой каскад называется электрическим. В этом каскаде машине РМ передается только механическая мощность двигателя АД
которая при Р1 = Рн = const уменьшается пропорционально скорости вращения. Момент на валу РМ при этом остается постоянным, вследствие чего такой каскад иногда условно называют каскадом с постоянным моментом. Машины ВМ и МПТ на схеме рис. 28-14, б можно заменить трансформатором и полупроводниковым преобразователем постоянного тока в переменный и обратно.
Каскады позволяют осуществить экономичное и плавное регулирование скорости вращения асинхронного двигателя, однако вспомогательные машины и преобразователи удорожают установку. Поэтому каскады целесообразно применять только для привода мощных производственных механизмов, требующих регулирования скорости в достаточно широких пределах (например, прокатные станы, весьма мощные вентиляторы и др.). Рассмотренные выше каскадные соединений в связи с использованием в них ионных или полупроводниковых вентилей называют также вентильными каскадами.
Существуют также другие системы каскадов, в частности с использованием коллекторных машин переменного тока. Каскадные установки выполняются на мощности в сотни и тысячи киловатт с регулированием скорости вращения в пределах до 3:1 и больше.
29. Устройство синхронной машины
Конструктивная схема машины. Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 1.2, а)
Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3–3%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем.
Рис. 1.2 – Конструктивная схема синхронной машины
с неподвижным и вращающимся якорем:
1 – якорь, 2 – обмотка якоря, 3 – полюсы индуктора,
4 – обмотка возбуждения, 5 – кольца и щетки
Синхронную, машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 1.2, б) называют обращенной.
Рис. 1.3 – Роторы синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (6) машин: 1 – сердечник ротора, 2 – обмотка возбуждения
Конструкция ротора. В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную – с явно выраженными полюсами (рис. 1.3, а) и неявнополюсную – с неявно выраженными полюсами (рис. 1.3, б). Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из стали. Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят при помощи стальных массивных бандажей. Для получения распределения магнитной индукции, близкого к синусоидальному, обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 каждого полюсного деления.
Рис. 1.4 – Устройство явнополюсной машины:
1 – корпус, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – ротор,
5 – вентилятор, 6 – выводы обмотки статора, 7 – контактные кольца, 8 – щетки, 9 – возбудитель
На рис. 1–4 показано устройство явнополюсной синхронной машины. Сердечник статора собран из изолированных листов электротехнической стали и на нем расположена трехфазная обмотка якоря. На роторе размещена обмотка возбуждения.
Полюсным наконечникам в явнополюсных машинах обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.
В синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещают стержни пусковой обмотки (рис. 1–5), выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латуни и др.). Такую же обмотку (типа «беличья клетка»), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; ее называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при переходных режимах работы синхронной машины. Если синхронная машина выполнена с массивными полюсами, то в этих полюсах при пуске и переходных режимах возникают вихревые токи, действие которых эквивалентно действию тока в короткозамкну-тых обмотках. Затухание колебаний ротора при переходных процессах обеспечивается в этом случае вихревыми токами, замыкающимися в массивном роторе.
Возбуждение синхронной машины. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 1.6, а), или же отдельный вспомогательный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем.
При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель – полупроводниковый или ионный (рис. 1.6, б). Мощность, необходимая для возбуждения, невелика и составляет 0,3–3% от мощности синхронной машины.
В мощных генераторах иногда кроме возбудителя применяют подвозбудитель – небольшой генератор постоянного тока, служащий для возбуждения основного возбудителя. В качестве основного возбудителя в этом случае может быть использован синхронный генератор совместно с полупроводниковым выпрямителем. В настоящее время питание обмотки возбуждения через полупроводниковый выпрямитель, собранный на диодах или на тиристорах, все более широко применяют как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах (тиристорная система возбуждения). Регулирование тока возбуждения Iв осуществляется автоматически специальными регуляторами возбуждения, хотя в машинах небольшой мощности применяется регулирование и вручную реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения.
В последнее время в мощных синхронных генераторах начали применять так называемую бесщеточную систему возбуждения (рис. 1.6, в). При этой системе в качестве возбудителя используют синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу.
Рис. 1.5 – Размещение пусковой обмотки в синхронных двигателях:
1-полюсы ротора, 2-короткозамыкающие кольца, 3 – стержни беличьей клетки, 4 – полюсные наконечники
Обмотка возбуждения возбудителя получает питание от подвозбудителя через регулятор напряжения. При таком способе возбуждения в цепи питания обмотки возбуждения генератора отсутствуют скользящие контакты, что существенно повышает надежность системы возбуждения. При необходимости форсирования возбуждения генератора повышают напряжение возбудителя и увеличивают выходное напряжение выпрямителя.
30. Принцип действия синхронной машины.
Статор 1 синхронной машины (рис. 1.1, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения.
Рис. 1.1 – Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б):
1 – статор, 2 – ротор, 3-обмотка якоря, 4 – обмотка возбуждения,
5 – контактные кольца, 6 – щетки
Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6. При вращении ротора 2 с некоторой частотой n2 поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную э. д. с. E (рис. 1.1, б), изменяющуюся с частотой
f1=pn2/60 (1.1)
Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток Ia создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого
n1=60f1/p. (1.2)
Из (1.1) и (1.2) следует, что n1 = n2, т.е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемую машину называют синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Фрез создается совместным действием м. д. с. обмотки возбуждения и обмотки статора и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.
В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме, представленной на рис. 1.1, статор является якорем, а ротор – индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, – на статоре.
Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т.е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением Uс и частотой f1 протекающий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (1.2). В результате взаимодействия этого поля с током Iв, протекающим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме–тормозным. Таким образом, в рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной на роторе. Поэтому в установившихся режимах ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается вместе с ним с частотой вращения n1 = n2, независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.
Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности, характерные для установившихся режимов работы:
а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т.е. n2 = n1;
б) частота изменения э. д. с. Е, индуктируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;
в) в обмотке ротора э. д. с. не индуктируется, а ее м. д. с. определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы.
31. Реакция якоря синхронной машины.
еакция якоря синхронной машины
Под реакцией якоря в синхронных машинах понимают воздействие магнитного поля статора (якоря) на магнитное поле ротора. Реакция якоря оказывает сильное влияние на все электромагнитные процессы в машине. Явление реакции по определению связано с магнитным полем статора, поэтому характер и степень влияния реакции определяется током статора, т.е. нагрузкой машины.
Рассмотрим этот процесс на примере синхронного генератора. Изобразим вращающееся магнитное поле ротора вектором. При вращении оно пересекает неподвижные проводники обмоток статора и наводит в них ЭДС , отстающую от потока на . Ток статора создает магнитный поток статора , совпадающий с ним по направлению. В зависимости от характера нагрузки ток статора может иметь фазовый сдвиг по отношению к ЭДС в пределах .
При чисто активной нагрузке (R) ток и магнитный поток статора совпадают по фазе с и результирующий магнитный поток машины оказывается смещенным относительно потока ротора на некоторый угол в сторону запаздывания. В результате смещения потока магнитное поле ослабляется под набегающими краями полюсов ротора и усиливается под сбегающими. Несмотря на то, что в результате смещения сбегающие края полюсов подмагничиваются, результирующее поле машины ослабляется, т.к. из-за насыщения полюсов в зоне подмагничивания оно проявляется слабее, чем размагничивание на набегающих краях. В целом при активной нагрузке магнитное поле ослабляется и деформируется.
При чисто индуктивной нагрузке (L) ток статора и магнитный поток отстают от ЭДС на . Поток статора оказывается направленным встречно по отношению к потоку ротора и сильно размагничивает машину. Однако, в отличие от активной нагрузки, искажения поля за счет смещения потока не происходит.
При чисто емкостной нагрузке (C) ток статора и магнитный поток опережают ЭДС на и поле в машине усиливается потоком реакции, направленным согласно с потоком ротора. Искажения поля в этом случае также не происходит, а усиление поля вследствие насыщения оказывается выраженным слабо.
В случае активно-реактивной нагрузки (RL и RC) поток статора оказывается смещенным на угол меньший, чем , в сторону запаздывания или опережения. В этом случае магнитный поток статора , можно разложить на продольную и поперечную составляющие. Продольная составляющая будет оказывать при RL нагрузке размагничивающее действие, а при RC нагрузке – подмагничивающее. Поперечная составляющая будет вызывать деформацию поля, аналогичную деформации при активной нагрузке.
Таким образом реакция якоря в синхронной машине изменяет величину и направление магнитного потока, в отличие от асинхронной машины, у которой . Негативное влияние реакции якоря в синхронных машинах снижают увеличением рабочего зазора.
Магнитный поток вызывает искажение магнитного поля ротора, которое проявляется в статоре в виде ЭДС . Так как поток линейно связан с током статора , то эту ЭДС можно представить в комплексной форме через некое индуктивное сопротивление в виде .
32. Внешняя характеристика синхронного генератора.
Внешние характеристики. Зависимости напряжения U от тока нагрузки Iа при неизменных токе возбуждения Iв , угле φ и частоте f1 (постоянной частоте вращения ротора п2 ) называют внешними характеристиками генератора. Их можно построить с помощью векторных диаграмм. Допустим, что при номинальной нагрузке Iа ном генератор имеет номинальное напряжение Uном , что достигается путем соответствующего выбора тока возбуждения. При уменьшении тока нагрузки до нуля напряжение генератора становится равным ЭДС холостого хода Е0. Следовательно, векторная диаграмма, построенная при номинальной нагрузке, сразу дает две точки внешней характеристики. Форма внешней характеристики зависит от характера нагрузки, т. е. от угла сдвига фаз φ между Ú и Íа , так как в зависимости от этого изменяется вектор É0 (при заданном значении U = Uном ).
На рис. 6.27 показаны упрощенные векторные диаграммы генератора с неявно выраженными полюсами для активной (а), активно-индуктивной (б) и активноемкостной (в) нагрузок. При активной и активно-индуктивной нагрузках ЭДС Е0 > U; при активно-емкостной нагрузке ЭДС Е0 < U. Таким образом, в первых двух случаях при увеличении нагрузки напряжение генератора уменьшается, в третьем — увеличивается. Это объясняется тем, что при активно-емкостной нагрузке имеется продольная намагничивающая составляющая реакции якоря, а при активной и активно-индуктивной нагрузках — продольная размагничивающая составляющая (при чисто активной нагрузке угол ψ > 0).
|
Рис. 6.27. Упрощенные векторные диаграммы |
|
Рис. 6.28. Внешние характеристики синхронного генератора при различных видах нагрузки |
На рис. 6.28, а изображены внешние характеристики генератора при различных видах нагрузки, полученные при одинаковом для всех характеристик значении Uном а на рис. 6.28,б - при одинаковом значении U0 = E0 . При U = 0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока Iк .
При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки изменение напряжения характеризуется величиной (%)
(6.22)
Δu = [(U0 - Uном )/Uном ]100.
Обычно генераторы работают с cos φ = 0,9 ÷ 0,85 при отстающем токе. В этом случае Δu = 25 ÷ 35 %. Чтобы подключенные к генератору потребители работали при напряжении, близком к номинальному, применяют специальные устройства, стабилизирующие его выходное напряжение U, например быстродействующие регуляторы тока возбуждения. Чем больше Δu, тем более сложным получается регулирующее устройство, а поэтому желательно иметь генераторы с небольшой величиной Δu. Однако для получения небольшого изменения Δu
|
Рис. 6.29. Регулировочные характеристики синхронного генератора при различных видах нагрузки |
необходимо снижать синхронное индуктивное сопротивление Хсн (в неявнополюсных машинах) или соответственно Хd и Xq (в явнополюсных машинах), для чего требуется увеличивать воздушный зазор между ротором и статором. Это, в свою очередь, требует увеличения МДС обмотки возбуждения, т. е. ее размеров, что в конечном итоге делает синхронную машину более дорогой.
В турбогенераторах большой мощности мощность ограничивается именно размерами ротора, на котором размещена обмотка возбуждения. Поэтому в современных турбогенераторах с повышением мощности машины одновременно возрастает и изменение напряжения Δu. В гидрогенераторах (по сравнению с турбогенераторами) воздушный зазор обычно имеет гораздо большую величину, поэтому у них относительно слабее проявляется реакция якоря, т. е. они имеют меньшие синхронные индуктивные сопротивления, выраженные в относительных единицах, что обусловливает и меньшее изменение напряжения Δu.
34.Уравнения движения электропривода.
еханическая часть электропривода представляет собой систему твёрдых тел, движение которых определяется механическими связями между телами. Если заданы соотношения между скоростями отдельных элементов, то уравнение движения электропривода имеет дифференциальную форму. Наиболее общей формой записи уравнений движения являются уравнения движения в обобщенных координатах (уравнения Лагранжа):
(2.19)
где
Wk – запас кинетической энергии системы, выраженный через обобщенные координаты qi и обобщенные скорости ;
Qi– обобщенная сила, определяемая суммой работ δAiвсех действующих сил на возможном перемещении .
Уравнение Лагранжа можно представить в другом виде:
(2.20)
Здесь L– функция Лагранжа, представляющая собой разность кинетической и потенциальной энергий системы:
L=Wk – Wn.
Число уравнений равно числу степеней свободы системы и определяется числом переменных – обобщенных координат, определяющих положение системы.
Запишем уравнения Лагранжа для <двухмассовой упругой системы (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Расчетная схема двухмассовой механической части.
Функция Лагранжа в этом случае имеет вид
Для определения обобщенной силы необходимо вычислить элементарную работу всех приведённых к первой массе моментов на возможном перемещении:
Следовательно, т.к. обобщенная сила определяется суммой элементарных работ δA1 на участке δφ1 , то для определения величины получим:
=
Аналогично, для определения имеем:
Подставив выражение для функции Лагранжа в (2.20), получим:
или
Обозначив , получим:
(2.21)
Примем механическую связь между первой и второй массами абсолютно жёсткой, т.е. (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Двухмассовая жесткая механическая система.
Тогда и второе уравнение системы примет вид:
Подставив его в первое уравнение системы, получим:
или
(2.22)
Это уравнение иногда называют основным уравнением движения электропривода. С его помощью можно по известному электромагнитному моменту двигателя М, моменту сопротивления и суммарному моменту инерции оценить среднее значение ускорения электропривода, рассчитать время, за которое двигатель достигнет заданной скорости, и решить другие задачи, если влияние упругих связей в механической системе существенно.
Рассмотрим механическую систему с нелинейными кинематическими связями типа кривошипно-шатунных, кулисных и других подобных механизмов (рис. 2.11). Радиус приведения в них является переменной величиной, зависящей от положения механизма: .
Рис. 2.11. Механическая система с нелинейными кинематическими связями
Представим рассматриваемую систему в виде двухмассовой, первая масса вращается со скоростью ω и имеет момент инерции , а вторая движется с линейной скоростью V и представляет суммарную массу m элементов, жёстко и линейно связанных с рабочим органом механизма.
Связь между линейными скоростями ω и V нелинейная, причём . Для получения уравнения движения такой системы без учёта упругих связей воспользуемся уравнением Лагранжа (2.19), приняв в качестве обобщенной координаты угол φ. Определим обобщенную силу:
где
- суммарный момент сопротивления от сил, воздействующих на линейно связанные с двигателем массы; приведённый к валу двигателя;
FC – результирующая всех сил, приложенная к рабочему органу механизма и линейно связанным с ним элементам;
– возможное бесконечно малое перемещение массы m.
Нетрудно видеть, что
где
- радиус приведения.
Момент статической нагрузки механизма содержит пульсирующую составляющую нагрузки, изменяющуюся в функции угла поворота φ:
Запас кинетической энергии системы:
Здесь - суммарный приведённый к валу двигателя момент инерции системы.
Левую часть уравнения Лагранжа (2.19) можно записать в виде:
Таким образом, уравнение движения жёсткого приведённого звена имеет вид:
(2.23)
Оно является нелинейным с переменными коэффициентами.
Для жёсткого линейного механического звена уравнение статического режима работы электропривода соответствует и имеет вид:
.
Если при движении то имеет место или динамический переходный процесс, или принуждённое движение системы с периодически изменяющейся скоростью.
В механических системах с нелинейными кинематическими связями статические режимы работы отсутствуют. Если и ω=const, в таких системах имеет место установившийся динамический процесс движения. Он обусловлен тем, что массы, движущиеся линейно, совершают возвратно-поступательное движение, и их скорости и ускорения являются переменными величинами.
С энергетической точки зрения различают двигательные и тормозные режимы работы электропривода. Двигательный режим соответствует прямому направлению передачи механической энергии к рабочему органу механизма. В электроприводах с активной нагрузкой, а также в переходных процессах в электроприводе, когда происходит замедление движения механической системы, происходит обратная передача механической энергии от рабочего органа механизма к двигателю.
35. Нагревание и охлаждение электродвигателя.
Правильное определение мощности электродвигателей для различных станков, механизмов и машин имеет большое значение. При недостаточной мощности нельзя полностью использовать производственные возможности станка, осуществить намеченный технологический процесс. При недостаточной мощности электродвигатель преждевременно выходит из строя.
Завышение мощности электродвигателя влечет за собой систематическую недогрузку его и вследствие этого неполное использование двигателя, работу его с низким к. п. д. и небольшим коэффициентом мощности (у асинхронных двигателей). Кроме этого при завышенной мощности двигателя возрастают капитальные и эксплуатационные затраты.
Необходимая для работы станка мощность, а следовательно, и мощность, развиваемая электродвигателем, изменяются во время работы станка. Нагрузка электродвигателя может быть охарактеризована нагрузочным графиком (рис. 1), представляющим собой зависимость мощности на валу электродвигателя, его момента или тока от времени. После окончания обработки заготовки останавливают станок, измеряют деталь и меняют заготовку. Затем нагрузочный график снова повторяется (при обработке однотипных деталей).
Для обеспечения нормальной работы при подобной переменной нагрузке электродвигатель должен развивать наибольшую мощность, требуемую в процессе обработки, и не перегреваться свыше нормы при длительной работе по данному нагрузочному графику. Допустимая перегрузка электродвигателей определяется их электрическими свойствами.
Рис. 1. Нагрузочный график при обработке однотипных деталей
При работе двигателя в нем возникают потери энергии (и мощности), что вызывает его нагрев. Часть потребляемой электродвигателем мощности расходуется на нагрев его обмоток, на нагрев магнитопровода от гистерезиса и вихревых токов, на трение в подшипниках и на трение о воздух. Потери на нагрев обмоток, пропорциональные квадрату тока, называют переменными (ΔРпер). Остальные потери в двигателе от его нагрузки зависят мало и их условно называют постоянными (ΔРпос).
Допустимый нагрев электродвигателя определяется наименее теплостойкими материалами его конструкции. Таким материалом является изоляция его обмотки.
Для изоляции электрических машин применяют:
• хлопчатобумажные и шелковые ткани, пряжу, бумагу и волокнистые органические материалы, не пропитанные изолирующими составами (класс нагревостойкости У);
• те же материалы, пропитанные (класс А);
• синтетические органические пленки (класс Е);
• материалы из асбеста, слюды, стекловолокна с органическими связующими веществами (класс В);
• те же, но с синтетическими связующими и пропитывающими веществами (класс F);
• те же материалы, но с кремнийорганическими связующими и пропитывающими веществами (класс Н);
• слюду, керамику, стекло, кварц без связующих веществ или с неорганическими связующими составами (класс С).
Изоляции классов У, А, Е, В, F, Н соответственно допускает предельные температуры в 90, 105, 120, 130, 155, 180° С. Предельная температура класса С превышает 180° С и ограничивается свойствами примененных материалов.
При одной и той же нагрузке электродвигателя нагрев его будет неодинаковым при разных температурах окружающей среды. Расчетная температура t0 окружающей среды равна 40° С. При этой температуре определяют значения номинальной мощности электродвигателей. Превышение температуры электродвигателя над температурой окружающей среды называют перегревом:
Расширяется применение синтетических изоляций. В частности, кремнийорганические изоляции обеспечивают высокую надежность электрических машин при эксплуатации в тропических условиях.
Тепло, выделяемое в различных частях электродвигателя, в различной степени влияет на нагрев изоляции. Кроме того, между отдельными частями электродвигателя происходит теплообмен, характер которого изменяется в зависимости от условий нагрузки.
Различный нагрев отдельных частей электродвигателя и теплообмен между ними затрудняет аналитическое исследование процесса. Поэтому для упрощения условно принимают, что электродвигатель представляет собой однородное в тепловом отношении и бесконечно теплопроводное тело. Обычно считают, что тепло, отдаваемое электродвигателем в окружающую среду, пропорционально перегреву. Излучением тепла при этом пренебрегают, так как абсолютные температуры нагрева двигателей невелики. Рассмотрим процесс нагрева электродвигателя при указанных допущениях.
При работе в электродвигателе за время dt выделяется теплота dq. Часть этой теплоты dq1 поглощается массой электродвигателя, вследствие чего повышаются температура t и перегрев τ двигателя. Остальная теплота dq2 выделяется двигателем в окружающую среду. Таким образом, может быть записано равенство
По мере повышения температуры электродвигателя возрастает тепло dq2. При некотором значении перегрева окружающей среде будет отдаваться столько тепла, сколько ее выделяется в электродвигателе; тогда dq = dq2 и dq1 = 0. Температура электродвигателя перестает повышаться, и перегрев достигает установившегося значения τу.
При указанных выше допущениях уравнение может быть записано так:
где Q — тепловая мощность, обусловленная потерями в электродвигателе, Дж/с; А—теплоотдача двигателя, т.е. количество теплоты, выделяемое двигателем в окружающую среду в единицу времени при разности температур двигателя и окружающей среды в 1oС, Дж/с-град; С — теплоемкость двигателя, т.е. количество теплоты, необходимое для повышения температуры двигателя на 1°С, Дж/град.
Разделив переменные в уравнении, имеем
Интегрируем левую часть равенства в пределах от нуля до некоторого текущего значения времени t и правую часть в пределах от некоторого начального перегрева τ0 электродвигателя до текущего значения перегрева τ:
Решая уравнение относительно τ, получим уравнение нагрева электродвигателя:
Обозначим C/A=T и определим размерность этого соотношения:
Рис. 2. Кривые, характеризующие нагрев электродвигателя
Рис. 3. Определение постоянной времени нагрева
Величину Т, имеющую размерность времени, называют постоянной времени нагрева электродвигателя. В соответствии с этим обозначением уравнение нагрева может быть переписано в виде
Как видно из уравнения при получим — установившееся значение перегрева.
При изменении нагрузки электродвигателя изменяется величина потерь, а следовательно, и значение Q. Это влечет за собой изменение величины τу.
На рис. 2 приведены кривые нагрева 1, 2, 3, соответствующие последнему уравнению, для различных значений нагрузки. Когда τу превышает величину допустимого перегрева τн, недопустима продолжительная работа электродвигателя. Как следует из уравнения и графиков (рис. 2), нарастание перегрева носит асимптотический характер.
При подстановке в уравнение значения t = 3T получим значение τ, примерно лишь на 5% меньшее τу. Таким образом, за время t = 3Т процесс нагрева практически можно считать законченным.
Если в произвольной точке с кривой нагрева (рис. 3) провести касательную к кривой нагрева, затем через ту же точку провести вертикаль, то отрезок de асимптоты, заключенный между касательной и вертикалью, в масштабе оси абсцисс равен Т. Если в уравнении принять Q = 0, получим уравнение охлаждения электродвигателя:
Этому уравнению соответствует кривая охлаждения, изображенная на рис.4.
Величина постоянной времени нагрева определяется размерами электродвигателя и формой защиты его от воздействий окружающей среды. У открытых и защищенных электродвигателей малой мощности постоянная времени нагрева равна 20—30 мин. У закрытых электродвигателей большой мощности она доходит до 2—3 ч.
Как было указано выше, изложенная теория нагрева электрических двигателей является приближенной и основана на грубых допущениях. Поэтому кривая нагрева, снятая экспериментально, существенно отличается от теоретической. Если для различных точек опытной кривой нагрева выполнить построение, показанное на рис. 3, то окажется, что значения Т возрастают по мере увеличения времени. Поэтому все расчеты, производимые по уравнению следует рассматривать как приближенные. В этих расчетах целесообразно использовать постоянную Т, определенную графически для начальной точки кривой нагрева. Это значение Т является наименьшим и при его использовании обеспечивается некоторый запас мощности двигателя.
Рис. 4. Кривая охлаждения электродвигателя
Кривая охлаждения, снятая экспериментально, еще более отличается от теоретической, чем кривая нагрева. Постоянная времени охлаждения, соответствующая отключенному двигателю, значительно больше постоянной времени нагрева вследствие уменьшения теплоотдачи при отсутствии вентиляции.
36. Режимы работы электродвигателя.
Возможные режимы работы электроприводов отличаются огромным многообразием по характеру и длительности циклов, значениям нагрузок, условиям охлаждения, соотношения потерь в период пуска и установившегося движения и т.п., поэтому изготовление электродвигателей для каждого из возможных режимов работы электропривода не имеет практического смысла.
На основании анализа реальных режимов выделен специальный класс режимов - номинальные режимы, для которых проектируются и изготавливаются серийные двигатели.
Данные, содержащиеся в паспорте электрической машины, относятся к определенному номинальному режиму и называются номинальными данными электрической машины. Заводы-изготовители гарантируют при работе электродвигателя в номинальном режиме при номинальной нагрузке полное использование его в тепловом отношении.
Действующим ГОСТ предусматриваются 8 номинальных режимов, которые в соответствии с международной классификацией имеют условные обозначения S1 - S8.
Продолжительный режим работы S1 - работа машины при неизменной нагрузке достаточно длительное время для достижения неизменной температуры всех ее частей.
Продолжительный режим работы электродвигателя S1
Кратковременный режим работы S2 — работа машины при неизменной нагрузке в течение времени, недостаточного для достижения всеми частями машины установившейся температуры, после чего следует остановка машины на время, достаточное для охлаждения машины до температуры, не более чем на 2°С превышающей температуру окружающей среды.
Для кратковременного режима работы нормируется продолжительность рабочего периода 15, 30, 60, 90 мин.
Кратковременный режим работы электродвигателя S2
Повторно-кратковременный режим работы S3 - последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время работы при неизменной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.
В этом режиме цикл работы таков, что пусковой ток не оказывает заметного влияния на превышение температуры. Продолжительность цикла недостаточна для достижения теплового равновесия и не превышает 10 мин. Режим характеризуется величиной продолжительности включения в процентах:
ПВ = (tр / (tр + tп)) х 100%
Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя S3
Нормируемые значения продолжительности включения: 15, 25, 40, 60 %, или относительные значения продолжительности рабочего периода: 0,15; 0,25; 0,40; 0,60.
Для режима S3 номинальные данные соответствуют только определенному значению ПВ и относятся к рабочему периоду.
Режимы S1 - S3 являются в настоящее время основными, номинальные данные на которые включаются отечественными электромашиностроительными заводами в каталоги и паспорт машины.
Номинальные режимы S4 - S8 введены для того, чтобы впоследствии упростить задачу эквивалентирования произвольного режима номинальным, расширив номенклатуру последних.
Повторно-кратковременный режим работы с влиянием пусковых процессов S4 - последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает время пуска, достаточно длительное для того, чтобы пусковые потери оказывали влияние на температуру частей машины, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.
Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов S4: tп и tн - время пуска и торможения
Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5 - последовательность идентичных циклов работы, каждый из которых включает достаточно длительное время пуска, время работы при постоянной нагрузке, за которое машина не нагревается до установившейся температуры, время быстрого электрического торможения и время стоянки, за которое машина не охлаждается до температуры окружающей среды.
Повторно-кратковременный режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S5
Перемежающийся режим работы S6 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с постоянной нагрузкой и время работы на холостом ходу, причем длительность этих периодов такова, что температура машины не достигает установившегося значения.
Перемежающийся режим работы S6: to — время холостого хода
Перемежающийся режим с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает достаточно длительный пуск, работу с постоянной нагрузкой и быстрое электрическое торможение. Режим не содержит пауз.
Перемежающийся режим работы с влиянием пусковых процессов и электрическим торможением S7
Перемежающийся режим с периодически изменяющейся частотой вращения S8 — последовательность идентичных циклов, каждый из которых включает время работы с неизменной нагрузкой и неизменной частотой вращения, затем следует один или несколько периодов при других постоянных нагрузках, каждой из которых соответствует своя частота вращения (например, этот режим реализуется при переключении числа пар полюсов асинхронного двигателя). Режим не содержит пауз.
Перемежающийся режим работы с периодически изменяющейся частотой вращения S8
Учет режима работы имеет большое значение при подборе двигателя. Мощности двигателей, указанные в каталогах, приведены для режима S1 и нормальных условий работы, кроме двигателей с повышенным скольжением.
Если двигатель работает в режиме S2 или S3, он нагревается меньше, чем в режиме S1, и поэтому он допускает большую мощность на валу.
При работе в режиме S2 допустимая мощность может быть повышена на 50 % при длительности нагружения 10 мин, на 25 % — при длительности нагружения 30 мин, на 10% — при длительности нагружения 90 мин.
Для режима S3 рекомендуются двигатели с повышенным скольжением.
37. Расчет мощности электродвигателя.
|
Методика расчета мощности электродвигателя при неизменяющейся нагрузке. Существует много механизмов, работающих продолжительно с неизменной или мало меняющейся нагрузкой без регулирования скорости, например насосы, компрессоры, вентиляторы и т.п. При выборе электродвигателя для такого режима необходимо знать мощность, потребляемую механизмом. Если эта мощность неизвестна, ее определяют теоретическими расчетами или расчетами по эмпирическим формулам с использованием коэффициентов, полученных из многочисленных опытов. Для малоизученных механизмов необходимую мощность определяют путем снятия нагрузочных диаграмм самопишущими приборами на имеющихся уже в эксплуатации аналогичных установках либо путем использования нормативов потребления энергии, полученных на основании статистических данных, учитывающих удельный расход электроэнергии при выпуске продукции. При известной мощности механизма мощность электродвигателя выбирается по каталогу с учетом КПД промежуточной передачи. Расчетная мощность на валу электродвигателя: |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Номинальная мощность электродвигателя, принятого по каталогу, должна быть равна или несколько больше расчетной. Выбранный электродвигатель не нуждается в проверке по нагреву или по перегрузке, так как завод-изготовитель произвел все расчеты и испытания, причем основанием для расчетов являлось максимальное использование материалов, заложенных в электродвигателе при его номинальной мощности. Иногда, однако, приходится проверять достаточность пускового момента, развиваемого электродвигателем, учитывая, что некоторые механизмы имеют повышенное сопротивление трения в начале трогания с места (например, транспортеры, некоторые механизмы металлорежущих станков). Мощность (кВт) электродвигателя для насоса определяется по формуле: Подставив необходимые значения, Вы можете рассчитать мощность прямо сейчас
где - коэффициент запаса, принимаемый 1,1-1,3 в зависимости от мощности электродвигателя; - ускорение свободного падения; - подача (производительность) насоса, м³/с; - расчетная высота подъёма, м; - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³; - КПД насоса (для поршневого 0,7-0,9; для центробежного с давлением свыше 0,4×105 Па 0,6-0,75, с давлением до 0,4×105 Па 0,45-0,6); - КПД передачи, равный 0,9-0,95; - давление, развиваемое насосом, Па. Для центробежного насоса особенно важен правильный выбор частоты вращения электродвигателя, так как производительность насоса Q, расчетная высота H, момент М и мощность Р на валу электродвигателя зависят от угловой скорости W. Для одного и того же насоса значения Q1, H1, M1, P1 при W1 связаны со значениями Q2, H2, M2, P2 при скорости W2 соотношениями Q1/Q2=W1/ W2; H1/H2=M1/M2=W21/ W22; P1/ P2=W31/ W32. Из этих соотношений следует, что при завышении угловой скорости электродвигателя потребляемая им мощность резко возрастает, что приводит к перегреву его и выходу из строя. При заниженной скорости создаваемый насосом напор может оказаться недостаточным, и насос не будет перекачивать жидкость. Мощность (кВт) электродвигателя для поршневого компрессора
где - подача (производительность) компрессора, м³/с; - работа изотермического и адиабатического сжатия 1 м³ атмосферного воздуха давлением p1=1,1×105 Па до требуемого давления p2, Дж/м³; для давлений до 10×105 Па значения A следующие:
- индикаторный КПД компрессора, равный 0,6-0,8; - КПД передачи, равный 0,9-0,95; - коэффициент запаса, равный 1,05-1,15. Определив мощность поршневого компрессора, Вы можете подобрать электродвигателю соответствующие частотные преобразователи СТА. Мощность (кВт) электродвигателя для вентилятора
где - производительность вентилятора, м³/с; - давление на выходе вентилятора, Па; - КПД вентилятора, равный 0,5-0,85 для осевых, 0,4-0,7 - для центробежных вентиляторов; - КПД передачи; - коэффициент запаса, равный 1,1-1,2 при мощности более 5 кВт, 1,5 - при мощности до 2 кВт и 2,0 - при мощности до 1 кВт. По этой формуле также определяется мощность электродвигателя для центробежного вентилятора. Эксплуатационные свойства механизмов центробежного типа (насосов, компрессоров и вентиляторов) определяются зависимостью напора (давление жидкости или газа на выходе механизма) от производительности при различных угловых скоростях механизма. Эти зависимости, называемые Q - H характеристиками, обычно приводятся в виде графиков в каталогах для каждого конкретного механизма. |
38. Выбор электродвигателя.
|
39. Элементы физики полупроводников.
Элементы физики полупроводников. Полупроводниковые диоды. Движение свободных носителей заряда в полупроводниках — диффузия и дрейф. Уравнение непрерывности. Электронно-дырочные переходы и их характеристики. Барьерная и диффузионная емкости. ПП диоды. Контакт металл-полупроводник. Диоды Шоттки. Быстродействие ПП диодов.
40. Полупроводниковые диоды, тиристоры, транзисторы, микросхемы, электронно-оптические приборы.
12.1. Электровакуумные приборы
Принцип работы электровакуумных приборов основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Электровакуумные приборы условно можно разделить на электронно-управляемые, газоразрядные и электронно-оптические 1.
В электронно-управляемых приборах – лампах – проводимость обусловлена только свободными электронами, возникающими за счет эмиссии. Лампа представляет собой стеклянный или металлический баллон, в котором создается вакуум. В баллон помещают положительный электрод (катод) и отрицательный электрод (анод). Кроме того, в лампе могут быть один или несколько управляющих электродов (сеток). Катод нагревают до температуры, при которой свободные электроны покидают металл катода и перемещаются в вакууме к аноду. Число электронов, следовательно, и ток, проходящий через прибор, можно регулировать, изменяя электрический потенциал на управляющих электродах.
Электронные лампы используются в электронных приборах для выпрямления переменного тока, усиления сигналов и т.д.
В газоразрядных приборах проводимость обеспечивается в основном наличием в баллоне какого-либо инертного газа. При воздействии на прибор различных внешних факторов – электромагнитного поля, температуры, светового потока – газ ионизируется (появляются, кроме электронов, положительно и отрицательно заряженные ионы) и в газовой среде возникает электрический разряд. Газоразрядные лампы используют в качестве различных электронных индикаторов и указателей.
^ 12.2. Полупроводниковые приборы
12.2.1. Элементы физики полупроводников
К полупроводникам относятся твердые вещества (чаще всего – кристаллические), электропроводность которых, как и в проводниках, связана с перемещением электронов, но значительно меньше электропроводности проводников. По электропроводности полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Под влиянием различных причин их электропроводность может изменяться в очень широких пределах.
Полупроводниками являются химические элементы (германий, кремний, теллур, селен и др.), окислы металлов, сернистые соединения (сульфиды), соединения с селеном (соленоиды), а также сплавы некоторых металлов.
Упрощенная схема структуры кристалла четырехвалентного элемента (например, германия) показана на рис. 12.1. Четыре электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют в связях с четырьмя соседними атомами. Поскольку все валентные электроны заняты в междуатомных связях, то в веществе не оказывается свободных электронов, которые могли бы перемешаться для образования тока.
Рис. 12.1
Такое вещество не проводит электрического тока, т.е. ведет себя как изолятор.
Во многих случаях электропроводность можно создать усилением тепловых колебаний с помощью нагрева. Тогда отдельные валентные электроны могут разрывать свои связи с атомами вещества. Вырвавшийся из междуатомной связи электрон, нарушает равновесие электрических зарядов – в элементе кристаллической решетки создается недостаток отрицательного заряда. «Пустое место», образующееся в результате выхода электрона, получившее название «дырки», соответствует, таким образом, положительному заряду.
Схематическое изображение этого состояния показало на рис. 12.1, где дырки отмечены буквами Д. Освободившиеся электроны движутся в участках кристаллической решетки, в которых дырки отсутствуют. При сближении с дыркой они могут заполнять недостающую связь, после чего восстанавливается равновесное электрическое состояние. Этот процесс называется рекомбинацией.
Если приложить к кристаллу электродвижущую силу и создать таким образом электрическое поле, то свободные электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом источника электродвижущей силы и притягиваться к положительному. Перемещаясь в направлении электрического поля, эти электроны будут участвовать в создании тока. В свою очередь, наличие дырок также создает возможность для прохождения тока. Качественная картина электропроводности в этом случае может быть пояснена схемой (рис. 12.2), где для наглядности действительная структура из атомов, взаимно связанных через валентные электроны, условно заменена простой цепочкой из атомов.
При отсутствии свободных электронов и дырок (рис. 12.2 а) электрический ток в цепи отсутствует. В случае наличия дырок притяжение со стороны нескомпенсированных положительных зарядов действует на электроны соседних нейтральных атомов и способствует вырыванию их из связей, в которых они участвуют. В процессе теплового движения атомов и при наличии указанного дополнительного воздействия возможно высвобождение электронов из соседних элементов кристаллической решетки. При этом электроны могут переходить в недостающие связи, например, как это показано стрелкой на рис.12.2 б. При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок происходит беспорядочно.
Схемы (рис. 12.2 б–г) поясняют картину явлений при наличии электрического поля, созданного приложенной извне электродвижущей силой. В этом случае на электроны действует дополнительное напряжение, направленное к положительному полюсу эдс.
В результате переход электронов упорядочивается и при данной полярности ЭДС происходит в направлении «плюса», как это показано стрелкой на рис. 12.2 б. После перехода электрона дырка Д оказывается правее своего первоначального положения (рис. 12.2 в). Аналогично происходят и дальнейшие переходы электронов, причем дырка постепенно перемещаются вправо (рис. 12.2 г). Нетрудно видеть, что ток в цепи в этом случае по-прежнему связан с движением электронов, однако это движение проявляется в изменении положения положительных зарядов (т. е. мест, в которых недостает электрона).
Рис. 12.2
В реальных условиях полный ток в чистом полупроводнике связан с одновременным перемещением свободных электронов и дырок.
В полупроводниках, в отличие от диэлектриков, количество свободных носителей электрических зарядов, т.е. электронов и дырок, оказывается сравнительно большим уже при комнатной температуре. Однако оно неизмеримо меньше количества свободных электронов в металле. Поэтому ток в электрической цепи, содержащей полупроводник, зависит от количества свободных носителей зарядов. Благодаря сильной зависимости количества свободных носителей электрического заряда от температуры, температурный коэффициент сопротивления полупроводника оказывается значительно больше, чем температурный коэффициент сопротивления металла.
При изменении тока в электрической цепи, содержащей полупроводник, изменяется и сопротивление этой цепи. Причина этого заключается в следующем. Увеличение тока связано с увеличением количества движущихся в полупроводнике электронов. Эти электроны, отдавая часть своей энергии атомам вещества, вызывают увеличение числа высвобождающихся из междуатомных связей электронов, т.е. увеличение количества свободных электронов и дырок. Сопротивление цепи при этом уменьшается. Ток, проходя по стержню из полупроводника, нагревает его, а нагревание увеличивает электропроводность. В результате сопротивление полупроводникового элемента резко изменяется с изменением тока, и падение напряжения оказывается не прямо пропорциональным току, как это имеет место в обычной цепи с постоянным сопротивлением, а зависящим от него по другому, более сложному закону.
При освещении полупроводника энергия света, передаваясь электронам, вызывает усиленное высвобождение их из связей с атомами, что при наличии электродвижущей силы так же, как и нагревание, ведет к увеличению тока в полупроводнике. Это явление называется фотопроводимостью. На электропроводность влияют и излучения, связанные с радиоактивным распадом.
Принцип действия многих полупроводниковых приборов основан на получении в полупроводнике электропроводности, связанной с присутствием свободных носителей электрического заряда какого-либо одного типа: только электронов или только дырок. Такая электропроводность может быть получена добавлением в кристалл полупроводника примесей других элементов (фосфора, сурьмы, мышьяка, бора, алюминия, индия). Получаемая при этом электропроводность, называемая часто примесной, может быть значительно большей, чем электропроводность чистого полупроводника, называемая собственной. Если, например, в кристаллической решетке один из атомов заменен примесным атомом, имеющим на один валентный электрон больше, чем соседние атомы основного полупроводника, то «лишний» электрон не участвует в валентных связях с соседними атомами и может сравнительно легко оторваться от своего атома. В этом случае ионизация примесного атома приводит к образованию свободного электрона, участвующего в электронной электропроводности. Такая примесь называется донорной. Положительный местный заряд, возникающий после потери электрона нейтральным атомом примеси, неподвижен и не участвует в электропроводности. Если, наоборот, примесный атом имеет на один валентный электрон меньше, чем атомы основного вещества, то при ионизации он может захватывать и сравнительно прочно связывать электрон соседнего атома, что приводит к образованию дырки. Такая примесь называется акцепторной. Ток в полупроводнике в этом случае связан главным образом с перемещением не избыточных электронов, а дырок, т. е. возникает дырочная электропроводность.
Поскольку в первом случае свободные носители зарядов отрицательны (negative), а во втором – положительны (positive), электронная электропроводность обычно обозначается буквой n, а дырочная – буквой p.
Если при нормальной температуре примесная электропроводность преобладает над собственной, то при повышении температуры быстро возрастающая собственная электропроводность начинает играть главную роль, т.е. прохождение тока оказывается связанным с перемещением зарядов обоих типов, а не только электронов или только дырок.
Одной из особенностей полупроводников, обладающих примесной электропроводностью, является возможность получения сравнительно большой электродвижущей силы Холла. Сущность эффекта Холла состоит в отклонении подвижных носителей электрического заряда магнитным полем в направлении, перпендикулярном направлению тока и магнитному полю. Известно, что действие магнитного поля на провод с током вызывает движение провода. Если провод неподвижен, то в направлении его предполагаемого движения смещаются внутри него носители электрического заряда, которые образует ток. Если носителями заряда являются электроны, то смещение их в одном направлении соответствует отрицательному заряду соответствующего участка провода. С противоположной стороны, где создается недостаток электронов, возникает соответствующий положительный заряд, как это показано на рис. 12.3 а.
При дырочном характере электропроводности происходит смещение дырок, т. е. положительных зарядов. Поперечная поляризация в этом случае оказывается противоположной по сравнению с предыдущим случаем (рис. 12.3 б).
а) б)
Рис. 12.3
При наличии в полупроводнике смешанной электропроводности (электронной и дырочной) смещение этих разнотипных носителей заряда при действии магнитного поля привело бы к появлению разности потенциалов только при неодинаковом количестве свободных электронов и дырок. При этом поперечная разность потенциалов оказывается малой. Отрицательный суммарный заряд смещенных электронов компенсируется положительным суммарным зарядом смещенных дырок. Если магнитное поле действует на полупроводник с примесной электропроводностью одного типа (электронной или дырочной), то взаимная компенсация зарядов не возникает. В этом случае поперечная разность потенциалов может получаться сравнительно большой.
Поперечная электродвижущая сила, обусловленная эффектом Холла, прямо пропорциональна произведению тока на напряженность магнитного поля и зависит от концентрации свободных носителей заряда. Она может значительно превышать электродвижущую силу Холла в металлах при том же токе и той же напряженности магнитного поля.
Введением примесей в различные участки кристалла полупроводника в нем можно получить зоны с различной электропроводностью. Полупроводники, с чередующимися участками электронной и дырочной электропроводности, наиболее часто применяют в современной техники. Такими свойствами обусловлено, например, выпрямительное действие электронно-дырочного перехода.
^ 12.2.2. Полупроводниковые диоды
В пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу, и при их встрече происходит рекомбинация. В цепи, таким образом, протекает ток (рис. 12.4 а).
Если изменить направление тока на обратное (рис.12.4 б), то изменится и направление движения дырок и электронов. Носители зарядов при этом не приближаются к граничной поверхности полупроводников, а удаляются от нее.
а) б)
Рис. 12.4
В результате в пограничной области образуется слой, лишенный свободных носителей зарядов. Постоянный ток через этот слой проходить не может. В реальных условиях очень малый ток проходит через этот слой вследствие наличия в полупроводнике, наряду с примесной, некоторой собственной электропроводности. Однако сопротивление цепи в этом случае (рис. 12.4 б) во много раз больше, чем в предыдущем случае (рис. 12.4 а).
Электронно-дырочный, или p-n, переход представляет собой электрический переход между p и n зонами полупроводника. Электронный прибор с таким переходом называется полупроводниковым диодом. Он обладает односторонней проводимостью. Все полупроводниковые диоды по конструктивному исполнению делят на точечные и плоскостные. Точечный диод состоит из пластины германия или кремния с электропроводностью n-типа и вплавленной в нее стальной проволочкой (рис. 12.5 а). У точечного диоды линейные размеры p-n - перехода много меньше его толщины. Из-за малой площади контакта пря-
а) б)
Рис. 12.5
мой ток таких диодов, а также их межэлектродная емкость сравнительно малы, поэтому их используют в основном для выпрямления тока в слаботочных устройствах сверхвысокой частоты. Вольт–амперные характеристики точечных диодов приведены на рис. 12.5 б.
В плоскостных диодах p-n - переход образован двумя полупроводниками с различными токами электропроводности, причем линейные размеры перехода много больше его толщины. Площадь перехода колеблется в широких пределах: от долей мкм2 до нескольких см2, поэтому прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Конструкция и вольт-амперные характеристики плоскостных диодов показаны на рис. 12.6 а, б.
а) б)
Рис.12.6
Основными параметрами диодов являются: прямой максимальный ток диода , прямое напряжение , максимально допустимое обратное напряжение , обратный ток диода .
12.2.3. Стабилитроны
Стабилитрон представляет собой специальный полупроводниковый диод, напряжение электрического пробоя которого очень слабо зависит от протекающего через него тока. Стабилитрон служит для стабилизации напряжения в различных электронных устройствах (например, блоках питания). Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 12.7.
Рис. 12.7
Из характеристики видно, что напряжение стабилизации слабо изменяется при достаточно больших изменениях тока стабилизации . Это свойство стабилитрона используют для получения стабильного напряжения в стабилизаторах напряжения.
Одним из основных параметров, учитываемых при выборе стабилитронов, является напряжение стабилизации (пробоя). В справочных данных указывается номинальное напряжение стабилизации для определенного тока. В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются стабилитроны с напряжением стабилизации в диапазоне 5…300 В и с допусками на разброс номинального напряжения 5, 10, 15 %. Наличие разброса ограничивает применение некоторых схем включения стабилитронов и приводит иногда к усложнению схем.
Напряжение стабилизации зависит также от температуры стабилитрона. Количественно эта зависимость выражается температурным коэффициентом напряжения , представляющим собой отношение изменения напряжения стабилизации к изменению температуры стабилитрона, приведенное к одному вольту, %/°C
, (12.1)
где и – напряжения стабилизации при температурах и .
Дополнительными характеристиками стабилитрона являются динамическое сопротивление на участке стабилизации , минимальный и максимальный ток стабилизации.
Параметры схем со стабилитронами выбираются так, чтобы длительный средний ток через них был меньше максимально допустимого Значение тока ограничено допустимой по тепловому режиму мощностью рассеяния и представляет собой отношение этой мощности к напряжению стабилизации. Кратковременно же стабилитрон способен выдерживать токи, значительно большие Значение температурного коэффициента возрастает с увеличением напряжения стабилизации. Поэтому в ряде случаев целесообразно заменить один высоковольтный стабилитрон цепочкой низковольтных, соединенных последовательно.
Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично выпрямительным диодам.
12.2.4. Тиристоры
Тиристоры представляют собой кристаллическую структуру из четырех слоев чередующихся электронной и дырочной проводимостей (рис. 12.8) с тремя электродами: анодом А, катодом К и управляющим электродом УЭ, отходящими от слоев p1, n2 и n1 соответственно (тиристор с N-управля-ющим электродом). Полупроводниковым материалом для изготовления тиристоров является кремний.
Напряжение питания тиристора является обратным напряжением для электронно-дырочного перехода П2. Соответственно ток (при = 0) тиристора, представляющий собой обратный ток перехода П2, является прямым током для переходов П1 и П3. Тиристор имеет релейную проходную характеристику (рис. 12.9).
Напряжение питания подается на тиристор таким образом, что переходы П1 и П3 открыты, а П2 закрыт. Вследствие этого ток через тиристор не протекает. Если повышать напряжение , то ток тиристора будет незначительно увеличиваться, пока не достигнет определенного значения.
|
|
|
|
|
|
Происходит лавинообразный пробой внутреннего перехода, ток через тиристор резко возрастает, и тиристор открывается.
Напряжение включения может быть снижено, если в слой ввести дополнительные носители заряда от независимого источника энергии. В зависимости от тока управления можно получить семейство характеристик тиристора (рис. 12.9). Важными параметрами при выборе тиристора являются ток управления и максимальное обратное напряжение
Тиристоры маркируют буквами и цифрами, например, КУ202Н, 2У202Н, где К- или 2 – кремниевые; У-тиристоры; 202Н – обозначение параметров прибора (мощность, частота, напряжение, ток).
Иногда изготовляют тиристоры с симметричной ВАХ. Это достигается встречным соединением двух одинаковых четырехслойных структур или специальных пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами. На рис. 12.10 показана структура симметричного тиристора (симистора), предназначенного для работы в цепях переменного тока. Симистор состоит из пяти слоев чередующихся электронной и дырочной
Рис. 12.10 проводимостей. Металлические слои М () обеспечивают выключение одного из р-n переходов (П3 или П4) в зависимости от направления ЭДС () источника питания. Поэтому при каждом из направлений основного (прямого) тока () функционируют три перехода, как у обычного тиристора.
Возможность работы симистора в цепи переменного тока и управления переменным током является важной для практики его применения. Симистор может управляться и постоянным током.
12.2.5. Холлотроны
Холлотрон представляет собой магнитно-полупроводниковый прибор, действующий на основе гальваномагнитного эффекта возникновения ЭДС в кристалле проводника или полупроводника, находящемся в магнитном поле, при прохождении по нему электрического тока на основе эффекта Холла. По существу эффект возникновения ЭДС является особым случаем явления электромагнитной индукции. Электродвижущая сила Холла, как и в электромеханическом генераторе, возникает вследствие взаимодействия движущихся электронов с магнитным полем. Разница состоит лишь в том, что электроны проводника обмотки электромеханического генератора перемещаются относительно магнитного поля вместе с проводником за счет механической энергии, а электроны твердого тела, в котором возникает ЭДС Холла, перемещаются в его кристаллической решетке под воздействием электрической энергии.
В полупроводнике с электронной проводимостью в виде удлиненной пластинки прямоугольной формы при показанных на рис. 12.11 направлениях тока и магнитного поля , электроны отклоняются на боковую грань а и образуют на ней отрицательный заряд. Противоположная грань б заряжается положительно. Таким образом, ЭДС Холла обусловливается пространственно разделенными разноименными зарядами. Как и ЭДС электромеханического генератора , она определяется мгновенным значением магнитной индукции ^ В, скоростью и геометрическими размерами полупроводника b в направлении ЭДС (длиной проводника обмотки генератора)
. (12.2)
Поскольку концентрация электронов в полупроводнике намного ниже, а подвижность выше, чем у проводников, то ЭДС в полупроводниках получается достаточной для технического использования гальваномагнитного эффекта Холла.
Холлотрон (рис. 12.12 а) состоит из магнитопровода 1 с обмоткой w возбуждения магнитного поля и полупроводникового элемента (пластины) 2 прямоугольной формы (рис.12.12 б), расположенной в воздушном зазоре магнитопровода. Характеристики холлотронов определяются прежде всего свойствами и характеристиками полупроводниковых элементов, которые имеют четыре электрода. Токовые электроды 1 и 2 для создания равномерной плотности тока соприкасаются с пластиной по всей поверхности ее торцевых граней. Электроды Холла 3 и 4, наоборот, выполняются точечными, и располагают их на середине узких боковых граней.
Электродвижущая сила Холла зависит от размеров пластины, главным образом от ее толщины d. Уменьшение отношения длины пластины к ширине снижает ЭДС связи с усиливающимся влиянием токовых электродов, шунтирующих грани, между которыми возникает ЭДС. По мере снижения
а) б)
уменьшается сопротивление пластины между токовыми электродами. Поэтому при сохранении поверхности пластины (условий теплоотдачи) может быть увеличен ток и соответственно ЭДС Холла. При неизменной мощности оптимальной в отношении значения ЭДС является квадратная пластина. При квадратной форме сопротивления и между токовыми электродами и между электродами Холла одинаковы. В целях снижения свойственной полупроводникам зависимости удельного сопротивления от магнитной индукции обычно используются пластины с соотношением = 2. Элементы Холла изготовляются в виде пластин, вырезанных из кристалла, или в виде пленок путем напыления полупроводникового вещества на изоляционную подложку, например, на тонкий слой слюды. На слюду обычно наклеивают и вырезанные из кристаллов пластины. Толщина пластин составляет несколько десятых долей миллиметра, а пленок – микроны. Однако подвижность электронов пленок значительно ниже подвижности электронов кристаллов.
Для изготовления холлотронов применяются следующие полупроводниковые вещества: антимонид (InSb) и арсенид (1пSb) индия, германий (Ge), теллурид (HgTe) и селенид (HgSe) ртути.
Основными количественными показателями полупроводниковых элементов холлотронов являются: коэффициент чувствительности по ЭДС и коэффициенты преобразования напряжения и мощности.
^ 12.2.6. Биполярные транзисторы
Транзисторы являются управляемыми полупроводниковыми приборами, обеспечивающими усиление сигналов. По принципам действия их делят на управляемые электрическим током (биполярные) и управляемые электрическим полем (полевые).
Рис. 12.13
Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух электронно-дырочных переходов с общей n-областью (или р-областью), взаимодействующих между собой так, что обратный ток одного из р-n – переходов является функцией прямого тока второго перехода (рис. 12.13). В основе указанного взаимодействия лежит явление инжекции – ввода неосновных носителей тока в общую область, например дырок в
р-области в общую n-область.
Ввод дырок одной из р-областей в общую n-область происходит в несимметричном p-n – переходе при прохождении через него прямого тока . Таким образом, действие биполярного транзистора основано на процессе управления концентрациями неосновных носителей тока.
Если, например, к левому р-n – переходу подключить источник напряжения , то через первый переход пойдет прямой ток , который в
р-области левого перехода будет практически дырочным током . Поток дырок, создающих , вводится (инжектируется) в n-область. Часть инжектированных дырок рекомбенирует в n-области с электронами, поступающими от источника Однако, большинство дырок, которые в n-области являются неосновными носителями, захватывается электрическим полем правого перехода, создавая ток . Поэтому через правый р-n – переход проходит в обратном направлении ток
, (12.3)
где – ток, обусловленный собственными носителями; – ток, обусловленный инжектированными носителями.
Таким образом, левый р-n – переход с прямым током поставляет в
n-область неосновные носители тока – эмиттирует и поэтому называется эмиттерным. Он является управляющим переходом. Правый p-n – переход собирает поставленные в n-область неосновные носители тока и называется коллекторным. Общая n-область называется базой. Отходящие от соответствующих областей металлические выводы (электроды) называются эмиттером Э, коллектором К и базой Б биполярного транзистора (рис. 12.14), а токи, проходящие по ним – токами эмиттера , коллектора и базы . База, как указывалось, может иметь электронную и дырочную проводимость. Соответственно различаются биполярные транзисторы типа p-n-p и n-p-n.
Рис. 12.14
Биполярный транзистор выполняется из кристалла германия или кремния, в котором путем вплавления, диффузии (или другим технологическим способом) примесей, например, индия, формируются два электронно-дырочных перехода (рис. 12.14).
Различают входные и выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора. Входная, или базовая, характеристика – это зависимость между током и напряжением на входе транзистора (рис. 12.15 а).
Известны три схемы включения транзисторов:
1) с общей базой (рис. 12.16 а) – используют в устройствах для усиления напряжения и мощности;
2) с общим эмиттером (рис. 12.16 б) – применяют для усиления мощности;
3) с общим коллектором (рис. 12.16 в) – схема обладает большим выходным сопротивлением, и ее используют в так называемых эмиттерных повторителях для повышения входного сопротивления электронного устройства.
а) б)
Рис. 12.15
а) б) в)
Рис.12.16
Биполярные транзисторы обозначают буквами ГТ (германиевые) и КТ (кремниевые) с цифрами, характеризующими параметры транзистора. Основные электрические параметры транзистора следующие: , – ток базы и ток коллектора соответственно, – напряжение между базой и эмиттером, – напряжение между коллектором и эмиттером. Кроме этих параметров для расчета и анализа устройств с биполярными транзисторами используются так называемые h-параметры: – входное сопротивление транзистора, – коэффициент обратной связи по напряжению, – коэффициент передачи по току (характеризует усилительные свойства транзистора), – характеризует выходную проводимость.
^ 12.2.7. Полевые транзисторы
Полевые транзисторы разделяют на униполярные (с одним p-n - переходом) и полевые с изолированным затвором (без p-n - перехода) или со структурой МДП (металл – диэлектрик – полупроводник). Действие полевых транзисторов основано на процессах управления основными носителями тока электрическим полем, перпендикулярным направлению их движения в полупроводнике. По способам управления указанные разновидности полевых транзисторов существенно различаются.
Униполярный транзистор представляет собой полупроводник с электронно-дырочным переходом, управляемым обратным напряжением. Конструкция и условные обозначения транзистора показаны на рис. 12.17.
а) б) в)
Рис. 12.17
Вывод З базы (в данном случае р-типа переход) принято называть затвором полевого транзистора. Вывод И от канала, из которого при электронном канале (n-типа) ток выходит, называется истоком. Второй вывод С называется стоком. Токи, проходящие по ним, называются токами истока и стока .
Униполярный транзистор выполняется из кристалла кремния или германия, например р-типа (подложка), в котором создаются две области n-типа: исток И и сток С – и р-n переход, область n которого является каналом.
Транзистор с изолированным затвором (металл М), (рис. 12.18) представляет собой полупроводник П с токопроводящим слоем у поверхности соприкосновения с диэлектриком Д, концентрация носителей тока в котором изменяется в функции напряженности электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Токопроводящий канал формируется (индуцируется) из неосновных носителей полупроводника, например из электронов n полупроводника с дырочной р электропроводностью (подложки) и электрическим полем, обусловленным напряжением .
В канале электроны являются основными носителями тока. Токопроводящий канал имеет противоположную подложке электропроводность и называется инверсионным слоем полупроводника. Инверсионный слой образуется у поверхности соприкосновения полупроводника с диэлектриком, поскольку электрическое поле сосредоточено практически только в диэлектрике (непроводящем слое). На границе их раздела происходит разрыв вектора напряженности поля, что в соответствии с электромагнитной теорией означает наличие поверхностного заряда.
Концентрация носителей тока в канале определяется количеством перемещенных электрическим полем из объема полупроводника электронов и, следовательно зависит от напряжения на затворе. Изменяется, в данном случае увеличивается, при возрастании напряжения и ток стока Iс, пропорциональный концентрации основных (для канала) носителей. В рассмотренном МДП-транзисторе с индуцированным каналом происходит обогащение канала носителями тока при положительном (канал n-типа) или при отрицательном (р-типа) напряжении . Как и униполярный, МДП-транзистор с индуцированным каналом может управляться напряжением одного знака. Однако образование инверсионного слоя возможно и при отсутствии напряжения на затворе. Поэтому существуют МДП-транзисторы со встроенным каналом. Их особенностью является возможность работы как с обогащением, так и с объединением канала, то есть возможность управления напряжением с изменяющейся полярностью. Истоком МДП-транзистора с каналом n-типа является область полупроводника, подключенная к отрицательному зажиму источника , а каналом р-типа – к положительному.
Транзистор со структурой МДП выполняется обычно на полупроводниковом кристалле П, кремния с дырочной проводимостью, в котором создают две области n-типа – исток И и сток С (рис. 12.19 а). Поверхность кристалла между истоком и стоком покрывают диэлектриком Д – двуокисью кремния, на котором располагается металлический слой М затвора З. Условные графические обозначения транзисторов с изолированным затвором и каналами n- и p-типов приведены на рис.12.19 б, в.
а) б) в)
Рис.12.19
Полевые транзисторы, особенно с изолированным затвором, имеют очень большое входное сопротивление и практически не требуют мощности для управления ими. Для действия полевых транзисторов используются основные носители заряда полупроводника. Поскольку концентрация неосновных носителей является функцией внутренней энергии твердого тела (тепловой и др. видов), а концентрация основных носителей практически не зависит от нее, то полевые транзисторы менее подвержены воздействию температуры, радиационного излучения и других факторов, изменяющих внутреннюю энергию твердого тела.
Важная особенность полевых транзисторов состоит в возможности их работы при переменном напряжении UСИ, поскольку при симметричной конструкции исток и сток транзистора одинаковы, т. е. их можно использовать в цепях переменного тока как управляемые резисторы.
^ 12.2.8. Интегральные микросхемы
Постоянное усложнение схем электронных устройств привело к существенному увеличению количества входящих в них элементов. В связи с этим возникает проблема все большей миниатюризации электронных приборов. Это стало возможным только на базе современного научно-технического направления электроники – микроэлектроники, основным принципом которой является объединение в одном сложном микроэлементе многих простейших – диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др. Эти достаточно сложные элементы обладают высокой надежностью и быстродействием, энергии потребляют мало, а стоят недорого. Такие сложные микроэлементы называют интегральными микросхемами (или просто микросхемами). Внешний вид одной из таких микросхем показан на рис. 12.20.
|
|
|
В зависимости от технологии изготовления микросхемы разделяют на гибридные и полупроводниковые. Гибридная микросхема представляет собой диэлектрическое основание (стекло, керамика), на которое в виде различных пленок наносят пассивные элементы – резисторы, конденсаторы, соединительные проводники. Для этого используют напыления из золота, серебра, меди.
Активные элементы – бескорпусные полупроводниковые приборы – навешивают на диэлектрик. Все это объединяют в одном корпусе с выводами (рис. 12.21). Плотность расположения элементов в гибридной микросхеме может достигать 500 шт./см2.
Основным достоинством гибридных микросхем является высокая точность параметров элементов, входящих в микросхему, например, резисторы, выполненные из пленочного тантала имеют точность не хуже 0,5 %.
Полупроводниковые микросхемы изготовляют из единого кристалла полупроводника (рис. 12.22), отдельные области которого представляют собой различные активные и пассивные элементы.
Рис. 12.22
Элементы полупроводников микросхем получают в едином технологическом процессе. Резисторы, например, получают посредством легирования полупроводника. Сопротивление резистора зависит от размеров данной области полупроводника и его удельного сопротивления. Высокоомные резисторы получают посредством создания эмиттерных повторителей в кристалле.
Диоды и транзисторы получают путем избирательного травления исходного кристалла на нанесенной ранее маске и создания изоляционного слоя окиси кремния. Затем напыляют или наращивают слой поликристаллического кремния и после повторного травления в определенные области кристалла с помощью диффузии вводят акцепторные и донорные примеси, то есть получают участки с электропроводностью р- и n-типа. Для соединения отдельных элементов микросхемы между собой используют золотые и алюминиевые пленки, которые наносят с помощью напыления. Все элементы помещают в металлический или пластмассовый корпус и соединяют с выводами с помощью золотой или алюминиевой проволоки диаметром до 10 мкм.
Интегральные микросхемы в зависимости от назначения подразделяют на линейно-импульсные и логические и могут иметь в отличие от обычных электронных приборов несколько входных и выходных параметров, которые строго нормируются. Микросхемы представляют собой целые функциональные узлы электронных устройств, например, генераторы, усилители, счетчики импульсов и др.
Глава 13. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
^ 13.1. Индикаторные приборы
Индикаторные приборы служат для преобразования электрических сигналов в визуально воспринимаемую информацию. В зависимости от назначения индикаторные приборы могут иметь разную степень сложности и базироваться на различных физических принципах. В настоящее время для отображения знаковой информации наибольшее распространение получили электронно-лучевые, вакуумно-люминесцентные, газоразрядные, полупроводниковые и жидкокристаллические индикаторы.
^ 13.1.1. Электронно-лучевые индикаторы
Действие электронно-лучевых индикаторов основано на управлении сформированным потоком электронов, называемым электронным лучом. Эти приборы позволяют не только регистрировать электрические сигналы в их непрерывном виде (например, в осциллографе), но и получать изображение (в телевидении). Электронно-лучевыми индикаторами комплектуют многие измерительные и диагностические установки и системы визуального наблюдения за технологическими процессами производства.
Рис. 13.1
Электронно-лучевой индикатор состоит из электронно-лучевой трубки, представляющей собой вытянутый в направлении луча стеклянный баллон с глубоким вакуумом, внутрь которого помещают источник свободных электронов и различные управляющие электроды. Утолщенная часть трубки, на которой фокусируется луч электронов, называется экраном. Изнутри он покрыт специальным слоем – люминофором, способным светиться при попадании на него электронов. Управление лучом осуществляется специальной электронной схемой с помощью электростатических или магнитных полей. На рис. 13.1 схематично показано устройство электронно-лучевой трубки. Основным элементом электронно-лучевой трубки является прожектор. Он состоит из катода К, представляющего собой металлический стакан, подогреваемый нитью накала Н. Катод по периметру охвачен цилиндрическим модулятором М с осевым отверстием. Модулятор управляет интенсивностью потока электронов, срывающихся с катода. Электроны, прошедшие модулятор, попадают в электрическое поле, создаваемое несколькими анодами (А1 и А2), ускоряются и фокусируются в тонкий луч.
Управление отклонением луча на экране осуществляется с помощью двух пар отклоняющих пластин Х и Y, которые расположены перпендикулярно друг другу. За счет разности потенциалов пластины Х управляют лучом в горизонтальном направлении, а пластины Y – в вертикальном.
Основными характеристиками электронно-лучевой трубки являются:
– послесвечение – время, за которое восстанавливается цвет экрана после прекращения бомбардировки его электронами;
– разрешающая способность – минимальный диаметр светового пятна на экране;
– чувствительность – отношение отклонения луча к напряжению отклоняющих пластин (по вертикали и по горизонтали).
^ 13.1.2. Вакуумно-люминесцентные индикаторы
Рис. 13.2
Вакуумно-люминесцентный индикатор представляет собой электронную лампу – триод (рис. 13.2), состоящую из накаливаемой током металлической нити – катода 1, металлической сетки 2 и анодов – сегментов 3, покрытых люминофором. Все элементы конструкции размещены в вакуумном стеклянном баллоне с выводами от электродов.
Принцип действия индикатора основан на преобразовании кинетической энергии электронов в видимое излучение люминофорного покрытия анодов-сегментов. Электроны, покинувшие катод вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются полем сетки, положительно заряженной относительно катода, частично проходят сквозь сетку и бомбардируют сегменты анода, вызывая их свечение. Подключением анодов-сегментов в определенных комбинациях к источнику положительного напряжения можно получить требуемый светящийся знак. В зависимости от типа люминофорного покрытия анодов-сегментов индикаторы имеют свечение красного или зеленого цвета. Конструкция индикатора может быть как одно-, так и многоразрядной.
Вследствие низкого напряжения питания (20...25 В) и малой потребляемой мощности вакуумно-люминесцентные индикаторы хорошо сочетаются с интегральными микросхемами. В настоящее время их широко применяют в микрокалькуляторах, измерительных приборах и часах.
^ 13.1.3. Газоразрядные индикаторы
Газоразрядный индикатор относится к ионным приборам тлеющего разряда и выполняется с холодным катодом. Индикатор имеет два или более электродов, помещенных в стеклянный баллон, заполненный инертным газом при давлении 0,1...103 Па (рис. 13.3).
Рис. 13.3
При напряжении между электродами (анодом и катодом), достаточном для лавинообразной ионизации инертного газа движущимися в электрическом поле электронами и выбивания вторичных электронов с катода ускоренными электрическим полем положительными ионами, в пространстве между анодом и катодом возникает тлеющий разряд. Одновременно идет процесс рекомбинации электронов и положительно заряженных ионов. При этом выделяется энергия в виде фотонов, т.е. газ светится. Цвет свечения определяется составом газа-наполнителя.
Ионизация и рекомбинация наиболее интенсивно происходят вблизи катода, где концентрации свободных электронов и ионов максимальны. Поэтому наиболее интенсивное свечение наблюдается в прикатодной области.
Рис. 13.4
Простейшие приборы этого типа – сигнальные индикаторы (неоновые лампы). Они представляют собой два металлических электрода, выполненные в виде дисков, стержней или коаксиальных цилиндров и помещенные в стеклянный баллон, заполненный неоном. Устройство сигнального индикатора показано на рис. 13.4.
Пространство этих ламп вблизи катода светится оранжево-красным светом, наблюдаемым обычно через торец лампы. Для ограничения тока в неоновых лампах последовательно с ними необходимо включать балластный резистор, который может находиться в цоколе лампы.
Напряжение питания сигнальных индикаторов колеблется от 60 до 235 ^ В, рабочий ток – от 0,15 до 30 мА. Неоновые лампы широко используют как сигнальные в устройствах автоматики, вычислительной техники и в приборостроении. Особенно часто их применяют в качестве индикаторов напряжения питания.
Знаковые газоразрядные индикаторы – это многокатодные приборы тлеющего разряда, предназначенные для индикации знаков-цифр, букв или математических символов. Катоды могут быть выполнены как в виде соответствующих знаков, так и в виде отдельных элементов этих знаков – сегментов. В первом случае катоды располагаются друг за другом, представляя собой пакет тонких проволочных знаков, а анодом является сетка, не мешающая восприятию знаков (рис. 13.5). Во втором случае изображение буквы, цифры или символа составляется из светящихся сегментов. Например, 13 сегментов знакового индикатора типа ИН-23 позволяют синтезировать цифры от 0 до 9 и все буквы алфавита на одном знакоместе. Условное графическое обозначение индикатора ИН-23 показано на рис.13.6.
|
|
|
|
|
|
Газоразрядные индикаторы отличаются надежностью и простотой конструкции, потребляют мало энергии и позволяют получать высокие яркости и контрастность изображения.
Недостатком газоразрядных индикаторов является слрожность их прямого подключения к интегральным микросхемам из-за высокого напряжения питания (100...250 В).
^ 13.1.4. Полупроводниковые индикаторы
Принцип действия полупроводникового индикатора основан на излучении квантов света при рекомбинации носителей заряда в области р-n – перехода, к которому приложено прямое напряжение. К полупроводниковым индикаторам относится светодиод – полупроводниковый диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области р-n – перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. Цвет определяется материалом, из которого выполнен светодиод. Выпускают светодиоды красного, желтого и зеленого свечения.
П
олупроводниковые индикаторы подразделяются на дискретные (точечные), предназначенные для отображения цветной световой точки (рис. 13.7 а), и знаковые – для отображения цифр и букв (рис. 13.7 б). В знаковых сегментных индикаторах каждый сегмент представляет собой отдельный диод. Из 7 сегментов можно синтезировать цифры от 0 до 9 и 12 букв русского алфавита.
а) б) в)
Рис. 13.7
Существенно большими информативными возможностями обладают полупроводниковые знаковые индикаторы в виде матриц точечных элементов (рис.13.7 в), где 36 элементов матрицы сгруппированы в 5 колонок и 7 рядов (плюс одна светящаяся точка в 7 ряду). Катоды элементов каждого ряда соединены между собой и имеют общий вывод, также как и аноды элементов каждой колонки. Подавая напряжение на выводы выбранных ряда и колонки, можно вызывать свечение заданного элемента матрицы.
Матричные элементы позволяют отображать все цифры и буквы русского и латинского алфавитов. На их основе можно создавать буквенно-цифровые дисплеи, в частности, в виде бегущей строки.
Полупроводниковые индикаторы работают при прямом напряжении 2...6 В и токе 10...40 мА в расчете на сегмент или на точку. Их применяют для индикации в измерительных приборах, системах автоматики и вычислительной техники.
Достоинствами полупроводниковых индикаторов являются: возможность их прямого подключения к интегральным микросхемам благодаря низкому рабочему напряжению; большой срок службы; высокая яркость свечения и хороший обзор.
Основной их недостаток состоит в сравнительно высокой потребляемой мощности – 0,5…1 Вт на один сегментный светодиод.
^ 13.1.5. Жидкокристаллические индикаторы
Жидкокристаллические индикаторы не излучают собственный свет, а только воздействуют на свет, проходящий через индикатор. Поэтому для них необходим внешний источник света. Основу индикаторов этого типа составляют жидкокристаллические вещества, молекулы которых могут поворачиваться под действием электрического поля и вследствие этого изменять прозрачность слоя жидкого кристалла.
Индикатор (рис.13.8) представляет собой две стеклянные пластинки 1, между которыми размещен тонкий слой (10...20 мкм) жидкого кристалла 2.
На внутренние поверхности пластин нанесены тонкопленочные проводящие электроды, причем на верхней пластине электроды выполнены прозрачными, а на нижней электрод – вертикально отражающими свет. Зазор между пластинами и герметичность объема, занятого жидким кристаллом, обеспечиваются изолирующими прокладками. Для подключения управляющего напряжения проводящие электроды снабжены выводами.
Рис. 13.8
При отсутствии электрического поля молекулы жидкого кристалла ориентированы вдоль одной оси и образуют прозрачную для света структуру. Падающий на индикатор свет проходит сквозь прозрачный электрод, слой жидкого кристалла и, отразившись от нижнего электрода, возвращается к наблюдателю. В этом случае слой жидкого кристалла выглядит светлым. При подаче управляющего напряжения ориентация молекул жидкого кристалла изменяется, прозрачность слоя уменьшается, и слой жидкого кристалла под прозрачным электродом выглядит темным.
Если прозрачные электроды выполнить в виде сегментов, то, создавая напряжение между отражающим электродом и соответствующим сегментом, можно получать темные знаки на светлом фоне.
По электрическим параметрам жидкокристаллические индикаторы хорошо согласуются с полупроводниковыми микросхемами, изготовленными по планарной технологии, имеют наименьшую потребляемую мощность среди всех индикаторов (5...50 мкВт/см2), а срок их службы достигает 104 ч.
Промышленность выпускает индикаторы сегментного типа, позволяющие синтезировать цифры, буквы и другие знаки на панелях, содержащих от 1 до 23 знакомест.
Жидкокристаллические индикаторы находят широкое применение в часах, микрокалькуляторах и измерительных приборах. Основные их недостатки – необходимость во внешнем источнике света и относительно узкий диапазон рабочих температур (1...50 °С).
^ 13.2. Оптоэлектронные приборы
Оптоэлектронными называют приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические. К оптоэлектронным приборам относят светоизлучающие диоды, оптопары и волоконно-оптические приборы.
^ 13.2.1. Светоизлучающие диоды
Светоизлучающий диод – это полупроводниковый диод, излучающий энергию в видимой области спектра в результате рекомбинации электронов и дырок. В качестве самостоятельного прибора излучающий диод применяется в световых индикаторах, в которых используется явление излучения света
р-n переходом при прохождении через него прямого тока. Кванты света возникают при рекомбинации инжектируемых р-n переходом в базу диода неосновных носителей с основными носителями заряда (явление люминесценции).
Рис. 13.9
Устройство светодиода и его условное обозначение показаны на рис. 13.9. Часто светодиод снабжают пластмассовой светорассеивающей линзой. В таком виде его используют в качестве светосигнального индикатора. Яркость его свечения зависит от плотности тока, цвет свечения – от ширины запрещенной зоны и типа полупроводника. Цвета свечения: красный, желтый, зеленый. Так, например, светодиод 2Л101А имеет желтое свечение, яркость – 10 кДж/м2, ток – 10 мА, напряжение – 5 В.
13.2.2. Оптопары
Оптопара (оптрон) – это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и светоприемного элементов, электрически изолированных друг от друга и имеющих между собой оптическую связь.
Рис. 13.10
Простейший оптрон состоит из светодиода и фотодиода, размещенных в одном корпусе. В качестве светоприемника также могут использоваться фототранзисторы, фототиристоры и фотосопротивления; при этом источник и приемник светового излучения выбирают спектрально согласованными.
Устройство простейшей диодной оптопары и ее условное графическое обозначение приведены на рис. 13.10.
Оптическая среда распространения сигнала может представлять собой прозрачное соединение на основе полимеров или особых стекол. Применяют также длинные волоконные светодиоды, с помощью которых можно разнести излучатель и приемник на значительное расстояние, обеспечив их надежную электрическую изоляцию друг от друга и помехоустойчивость. Это позволяет управлять высокими напряжениями (сотни киловольт) с помощью низких напряжений (несколько вольт).
Важным показателем работы оптрона является его быстродействие. Время переключения фоторезисторных оптопар составляет не более 3 мс.
^ 13.2.3. Волоконно-оптические приборы
Волоконно-оптический прибор – это диэлектрический волновод, по которому энергия передается в виде электромагнитных волн оптического диапазона (f ≈ 1014 Гц). Если энергия передается в форме видимого излучения, то такой волновод называется световодом. Схематично конструкция диэлектрического волновода и ход лучей в нем показаны на рис. 13.11.
Рис. 13.11
Простейший световод (диэлектрический волновод) представляет собой круглый или прямоугольный диэлектрический стержень 1, называемый сердечником, окруженный диэлектрической оболочкой 2. Для передачи энергии по световоду используется явление полного внутреннего отражения на границе двух диэлектрических сред. Если показатель преломления материала сердечника , а оболочки – , то условие существования полного внутреннего отражения имеет вид , где E1 и E2 – относительные диэлектрические проницаемости соответственно сердечника и оболочки. Показатель преломления оболочки n2 неизменный, а показатель преломления сердечника n1, является в общем случае функцией его поперечной координаты r (рис. 13.11). Функцию называют профилем показателя преломления. Если показатель преломления n1 возрастает от оболочки к продольной оси сердечника, то световые лучи «прижимаются» к продольной оси волновода (рис. 13.11). Таким образом, энергия электромагнитных волн за счет полного внутреннего отражения локализуется в сердечнике волновода и распространяется в нем с очень незначительными потерями.
Волоконные световоды изготовляют из кварцевого стекла путем вытяжки из расплава. Причем оболочку изготовляют из чистого кварцевого стекла, а в кварцевое стекло сердечника для увеличения показателя преломления добавляют легирующие элементы (германий, фосфор, бор, титан). Типичные размеры волновода: диаметр сердечника – 50 мкм, диаметр оболочки – 125 мкм. Для защиты от воздействия окружающей среды на световод поверх оболочки наносят защитное покрытие из диэлектрика, например, полимера или металла (индия, алюминия, олова) толщиной 3...5 мкм.
На базе световодов изготавливают так называемые волоконно-оптические линии связи, по которым передается различная информация. Для передачи больших объемов информации на значительные расстояния используют оптические кабели.
Рис. 13.12
Одна из возможных конструкций оптического кабеля показана на рис. 13.12. Кабель состоит из армирующего элемента (металлического троса) 1, заключенного в пластмассовую оболочку 2. Вокруг армирующего элемента расположены волоконные световоды 3, имеющие защитное покрытие 4. Все элементы конструкции кабеля заключены в общую полиэтиленовую оболочку 5. Оптические кабели используют в связи, радиоэлектронике, медицине, атомной энергетике, космическом машиностроении и др.
Структурная схема волоконно-оптических линий связи для передачи информации на большие расстояния приведена на рис. 13.12.
Электрический информационный сигнал после модулятора с помощью лазера или светодиода преобразуется в световой, передается по волоконно-оптическому кабелю и попадает на фотоприемник. Здесь он преобразуется в электрические импульсы, которые демодулируются и усиливаются. В волоконно-оптических линиях связи, рассчитанных на большие расстояния, устанавливают ретрансляторы, где происходит преобразование оптических сигналов в электрические, усиление и восстановление исходной формы сигнала. После этого электрические сигналы вновь преобразуются в оптические.
Рис.13.13
Любая система связи может быть охарактеризована тремя основными параметрами: информационной емкостью, затуханием сигнала и помехозащищенностью. По сравнению с электропроводящими линиями связи волоконно-оптические имеют значительные преимущества. По информационной емкости, определяемой числом каналов связи, они в 104 …105 раз превосходят электропроводящие линии, работающие на частотах до 109 Гц. Затухание сигналов в волоконно-оптических линиях связи составляет всего 0,5…1 дБ/км, что позволяет устанавливать ретрансляторы через 30...50 км.
Применение волоконно-оптических линий дает возможность при одинаковых условиях уменьшить на порядок массу и габариты аппаратуры, а также существенно снизить стоимость оборудования для передачи информации.
41. 1. Основные понятия Метрология - область знаний и вид деятельности, связанной с измерениями (ГОСТ Р 8.000-00). Метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Как следует из определения, суть метрологии как науки и профессиональной деятельности составляет ОЕИ. Измерение - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины [ФЗ «Об обеспечении единства измерений»]. Согласно РМГ 29-99 «ГСИ Метрология. Основные термины и определения», измерение физической величины - совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. 2. Структурные элементы (цели, задачи и принципы) метрологии Как и любой деятельности, метрологии присущи основные элементы, но эти элементы имеют специфическое назначение, свойственное только метрологической науке и деятельности. Структурные элементы метрологии представлены на рис. 2.1. Основополагающая цель метрологии - обеспечение единства измерений (ОЕИ) с необходимой и требуемой точностью. Достижению этой цели служит результат измерения, который с достаточной достоверностью отражает количественную характеристику измеряемой величины. Для достижения поставленной цели в метрологии решаются следующие важнейшие задачи: установление и воспроизведение в виде эталонов единиц измерения физических величин; совершенствование эталонов единиц измерения для повышения их точности; усовершенствование способов передачи единиц измерения от эталона к измеряемому объекту; разработка и совершенствование средств и методов измерения, а также повышение их точности; разработка новой и совершенствование действующей правовой и нормативной базы метрологической деятельности. Как и любая деятельность, метрология базируется на основополагающих принципах, а именно на принципах: • единства измерений; • научной обоснованности. Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в РФ единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы [ФЗ ОЕЗ]. Этот принцип достигается применением общих для всех единиц измерений. Так, в России большинство применяемых единиц измерений физических величин входят в Международную систему (СИ) единиц физических величин. Научная обоснованность заключается в том, что разработка и/или применение метрологических средств, методов, методик и приемов основывается на научном эксперименте и анализе. Указанный принцип позволяет определять и достоверно доказывать необходимость требуемой точности измерений (классов точности), возможность применения конкретных технических устройств и методик для проведения измерений с учетом специфики измеряемого объекта. 3. Разделы метрологии. ОЕИ занимаются метрологи, профессиональная деятельность которых имеет три направления, определяющие следующие разделы метрологии: теоретический, практический, законодательный. Для каждого из указанных разделов метрологии свойственны определенные цели и задачи. Теоретическая метрология - раздел метрологии, посвященный изучению ее теоретических основ: терминологии, физических величин, основ теории измерений, единиц измерения и их эталонов, средств и методов измерения. Практическая метрология - раздел метрологии, рассматривающий вопросы практического применения в различных областях деятельности результатов теоретических исследований, а также законодательных и нормативных актов. Законодательная метрология - раздел метрологии, в котором рассматриваются правила, требования и нормы, обеспечивающие регулирование и контроль за единством измерений. 4. Значение метрологии. Метрологическую деятельность в основном осуществляют специалисты - метрологи. Однако отдельные элементы этой деятельности, связанной с измерениями, выполняет производственный и обслуживающий персонал предприятий большинства отраслей народного хозяйства. Известно, что ежегодно в мире осуществляется более 200 млрд измерений. даже если специалисты тех или иных организаций не проводят непосредственно измерений, они обязательно используют определенные метрологические понятия, о которых должны иметь представление. К числу наиболее распространенных метрологических понятий относятся физические величины и единицы их измерений. Например, экономисты, коммерсанты, менеджеры, юристы непосредственно не измеряют количество товаров, работ и услуг, а оперируют их стоимостными характеристиками. Однако стоимостные характеристики без увязки с количественными теряют всякий смысл. Важна не просто цена, а цена за определенную единицу измерения (килограмм, метр, литр и т.п.). Не случайно, в Правилах продажи отдельных видов товаров (п. 19) установлено, что в ценниках должна быть указана цена за единицу измерения. При заключении внешнеторговых сделок в контрактах должна определяться не только цена за товары, но и единица измерений, тем более что национальные внесистемные единицы в ряде стран отличаются от российских и системных единиц СИ. Например, существует короткая тонна, применяемая в США и Англии, масса которой составляет 907,185 кг. Торговая унция «весит» 28,3195 г, а тройская и аптекарская - 31,1035 г. Практически во всех областях знаний и отраслях народного хозяйства применяются элементы метрологии, поэтому ее относят к фундаментальной науке, определяющей развитие других наук. Наибольшее применение метрологическая деятельность находит при производстве продукции и предоставлении услуг, в том числе и торговых. Измерение - неотъемлемая процедура при многих производственных операциях, а также сдаче и приемке товаров от изготовителя продавцу, отпуске товаров покупателям. В связи с этим персонал обязан уметь измерять, знать правила эксплуатации средств измерения, в том числе и требование работы только на поверенных средствах измерения, если это определено законодательством.
42. Общие свойства и элементы измерительных приборов
43. СИСТЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Общие принципы действия
Все электрические приборы электромеханического действия снабжены неподвижной проградуированной шкалой, отсчёт по которой обычно производится по указательной подвижной стрелке (иногда светового зайчика, образуемого подвижным зеркалом), положение которой определяется равенством вращательного момента и момента сопротивления. Обычно момент сопротивления создаётся пружиной или торсионом (растяжкой), работающей на скручивание. Для логометрических и индукционных систем момент сопротивления создаётся иными способами, которые рассматриваются в соответствующих разделах. Приборы вибрационного типа вообще подвижной стрелки не имеют и её принцип индикации основан на иной основе, чем равенство вращательного момента и момента сопротивления (см. вибрационная система). Как правило, разновидности систем приборов различаются по способу создания вращательного момента и конструктивным особенностям.
Разновидности систем приборов
Магнитоэлектрические приборы по своему принципу действия измеряют среднюю величину тока, протекающего тока по рамке провода, а направление отклонения стрелки зависит от направления тока в катушке: магнитоэлектрические приборы могут применяться только для измерения знакопостоянных токов[1].
Теоретическая основа данного прибора — это закон взаимодействия тока и ферромагнитной массы. Особенностью электромагнитной системы является квадратичная зависимость вращающего момента от тока в катушке, откуда следует возможность применения таких систем для измерения как постоянных так и переменных токов, а также неравномерная шкала. Аналогом такой системы является реактивный двигатель, работающий в соответствии с законом сохранения импульса.
Электродинамические и ферродинамические системы применяют в вольтметрах и амперметрах, но чаще всего в — ваттметрах и варметрах.
Дополнительные элементы
В качестве дополнительных элементов приборов применяют гасители колебаний гидравлического, пневматического и электромагнитного действия.
Дополнительным элементом является экранировка прибора ферромагнитным экраном и создание астатических приборов.
Поскольку электромагнитные приборы имеют слабое внутренне поле, то внешние поля могут сильно повлиять на их показания. Для этого создаются астатические приборы с двумя неподвижными катушками и двумя сердечниками, включёнными так, что их электромагнитные моменты складывались. Внешнее магнитное поле ослабляя поле одной катушки будет усиливать поле другой и суммарный вращающий момент останется практически постоянным.
Дополнительным элементом являются также термоэлектрические преобразователи — с помощью их измеряется не само значение тока, протекающего по проводнику, но его тепловой эквивалент и значит подключив к такому преобразователю магнитоэлектрический прибор можно измерять им переменные токи достаточно высокой частоты и высокой точности (тогда без такого преобразователя показания магнитоэлектрического прибора будут равны нулю). Термоэлектрические преобразователи могут использоваться для гальванической развязки прибора.
Для измерения переменных токов с помощью магнитоэлектрической системы применяют также выпрямительные системы (т. н. «магнитоэлектрические системы с выпрямлением») — в основном в стрелочных мультиметрах и токоизмерительных клещах. В этом случае прибор будет показывать точное значение действующей величины только при синусоидальной форме измеряемого сигнала, при несинусоидальной форме будут появляться значительные погрешности в показаниях прибора.
Наличия астатизма, термоэлектрического преобразователя, выпрямителя и усилителя обозначается специальными символами, дополняющий основной символ системы измерительных приборов.