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
Полное представление о поведении электромагнитных механизмов может быть составлено при анализе мех-го сост-я этих устройств. Чаще используются не динамич., а статич. хар-ки
-Статич хар-ки
1) Эл/мех хар-ки (тяговые, нагрузочные) FT = f(δ)(при U = const), FT = f(δ)(при i = const)
2)Мех. хар-ки
Нагруз: FT = f(i)(при δ = const)
FT = f(U)(при δ = const)
Wм – удельная энергия на ед. объёма
Вδ – среднее значение индукции в квадрате
ΔWм = Вδ*Нδ/2 = В2δ/(2μ0)
ΔWм = Δwм*V = В2δ*S*δ /(2μ0) – изменение магн энергии FT = В2δ*S/(2μ0)
Вδ~1/ δ => FT ~1/ δ
-Мех. хар. – завис. Сил сопр-я от величины воздуш. зазора δ
-Факторы препятствующие движению Я.:
1. реакция возвращающ. Пружины
2.реакц. контакт. Пружины
3. потери на трение
Все приводим к неподвиж (.) O
FК – сила р-ции контакт. пружины
F`K – приведен. сила р-ции контакт. пружины
FC = F`В + F`К + FТР F`В*lЯ = FВ*lВ => F`В = FВ*lВ/ lЯ ; F`К = FК*lК/ lЯ
F`В, F`К ~ δ
-Рассмотрим мех. и эл/мех хар-ку для некотор. механизма.
S – перемещение якоря
– работа по перемещен. Я. с места
(*) – чем больше эта площадь, тем выше быстродействие мех-ма (больше кин. эн. Я)
ХМЕХ = WП/WМЕХ - коэффициент исп. мех. эн. (ХМЕХ<1)
Чем выше ХМЕХ тем ниже быстродействие
Вывод: Желание получить большее быстродействие приводит к снижению эффективности оценивания с пом. коэфф. использ-я, и эл/мех-м с высоким ХМЕХ имеет большее время движ-я Як. Чем ближе распологается хар-ка, тем медленнее двиг-ся Я, но тем более быстродейственен Я (т.к. больше энергии расходуется на него)
-Рассмотрим коэффициент замаса: устанавливает соотношении между IУСТ и IСРАБ (номин. ток), но IСРАБ≈ IТРОГ => соотн. между IУСТ и IТРОГ опред. запас по току, чтобы дотич уст. значе-е
KЗАП = Iу/Iсраб
KЗАП≈1,4
KЗАП=1,5 … 2 – на практике
Для получения min врем. трог. IТРОГ должен составлять 70% от Iу
-Коэффициент возврата: определяет чувствительность эл/мех-ма. Отношение намагничивающей силы, соотв-й знач тока, при котором происходит возврат Я в первонач-е положение к намагнич-й силе сраб-я
KВОЗВ = Iотп/Iсраб
KВОЗВ = 0,1 … 0,8
KВОЗВ будет max, когда мех хар-ка приближ-ся к тяговой или уменьш-ся (Sк - Sн), т.е. уменьшение хода эл/мех-ма
--Параметры:
1) Условная полезная работа Wпу = Fэ(Sк - Sн)
Fэ – эл/маг сила, соотв данн полож Я
Wпу – площ прямоуг (*)`
2)время срабат-я tСРАБ
3) Хар-ка нагрева – зависимость температуры обмотки от продолжительности вкл сост
4) показатель добротности Д = вес устр-ва/Wпу
5)показатель экономичности Э = потр мощн/ Wпу
В аппаратах переменного тока элементы конструкции, составляющие магнитную цепь, должны быть выполнены из листов электротехнической стали для снижения потерь на вихревые токи.
Возьмем электромагнитный механизм, который имеет тяговое усилие РТ = const на постоянном токе и запитаем его синусоидальным током с амплитудой, равной установившемуся значению постоянного тока:
.
Следовательно, , Ф, также будут меняться по синусоидальному закону (амплитудные значения будут равны установившемся значениям на постоянном токе).
Тяговое усилие на переменном токе, при амплитуде переменного тока равной установившемуся значению постоянного тока, будет изменяться от 0 до тягового усилия на постоянном токе, по закону косинуса с двойной частотой. Среднее значение за период будет равно половине тягового усилия на постоянном токе.
РТ ≈
Вδ
π
2π
ωt
ωt
РТ + РТ ПФ
РТ0
0.5РТ0
Если система достаточно легкой подвижности, то в моменты снижения тягового усилия ниже усилия возвратной пружины будет наблюдаться отпуск (оттяг) якоря. Это приведет к эффекту, который называется дребезг контакта.
Использовать электромагнитные механизмы, у которых тяговое усилие снижается до 0 невозможно. Чтобы избежать этого применяют:
1. Размещение дополнительного сердечника и катушки, ток в которой должен отставать по фазе на 900. Соответственно тяговое усилие будет в противофазе с первоначальным.
РТ
РТ ПФ
UУ
С – фазосмещающая емкость.
2. Экранирование части сердечника или размещение короткозамкнутого витка на сердечнике аппарата.
Практические методы устранения дребезга
Наиболее распространенный способ:
1. Экранирование сердечника механизма.
α
φК
Применяется в электрических машинах малой мощности, а также в однофазных АД. Рассмотрим электромагнитный механизм переменного тока с прямоугольным сечением сердечника.
ФЭ
НЭ
Э
ФНЭ
Экранированная часть
листы стали
КЗ виток (медь)
Под действием ФЭ в КЗ витке будет индуцироваться ЭДС. При синусоидальном изменении потока ЭДС отстает от потока на π/2. Под действием ЭДС в КЗ витке будет протекать ток IК, который отстает от ЭДС на угол φК. В фазе с этим током будет изменяться МДС КЗ витка FK и, соответственно, поток в магнитной цепи, обусловленный этим током. Суммарный поток в экранированной части сердечника – это поток неэкранированной части сердечника + поток КЗ витка:
.
Построив , можно судить о суммарных потоках в неэкранированной и экранированной частях сердечника. опережает на угол α, и суммарный поток экранированной части по модулю будет меньше, за счет КЗ витка. Угол α определяется соотношением между активным и индуктивным сопротивлением КЗ витка.
.
РТ
π
π
2
ωt
3π
2
РТ
РТНЭ
РТЭ
РТнач
РТ = РТНЭ + РТЭ;
РТЭ - тяговое усилие, обусловленное потоком ФЭ;
РТНЭ - тяговое усилие, обусловленное потоком ФНЭ;
В случае экранирования части сердечника суммарное тяговое усилие не в одной точке не будет достигать нулевого значения (колеблется от РТНАЧ до РТМАКС). Появляется постоянная составляющая тягового усилия РТНАЧ.
Условие отсутствия дребезга: РТНАЧ > РТОТП.
Современные общепромышленные коммутационные аппараты (контакторы) выпускаются с унифицированными сердечниками, набранными из листовой стали, а тип аппарата (постоянного или переменного тока) определяется только катушкой. Для переменного тока катушка содержит КЗ виток для экранирования части сердечника.
3. Потребляемая электромагнитным механизмом контактного ЭА реактивная мощность; оценка качества потребляемой реактивной мощности при последовательном и параллельном включении.
Расход эл.эергии зависит от порядка включения обмоток устройства.
1.Параллельное включение. (Процесс опишем на плоскости Ψ, i.
Ψ – потокосцепление, соответствующая срабатыванию устройства
(.)1 - Достигает iнач , которое соответствует троганию якоря.
(.)2 – Якорь меняет свое положение , приходя в конечное положение.
– это энергия , запасенная в устройстве
- это энергия компенсации потерь противоЭДС
2.Последовательное включение.
Рис.
(.)1 достигает iнач потом ток не меняется, т.к. зависит от внешних устройств.
Энергия на (1-2) расходится на поддержание нужного значения магн.потока:
- для преодоления сил сопр.якоря.
- на перемещение якоря.
1-2 – это перемещение якоря из нач. в конечное положение.
Выражения для параллельной обмотки.
Ψm= сл-но Iнач =
Начальное значение магн.энергии:
Wmнач = Ψ Iнач I=Iк = Wmкон = Ψ Iк
Тогда изменения энергии при переходе из (.)1 в (.)2:
ΔWm = Ψ( Iнач - Iк ) = ΔА Это изм.энергии расходуется на совершение полезной работы.
Известоно, что значение Ψ в момент срабатывания:
Ψ=
Δ I = 4 ΔА
ΔQ = Δ I – реактивная мощность, потребляемая из сети, нажная для срабатывания механизма.
ВЫВОД: Для того, чтобы эл.механизм сработал(совершил работу по перемещению якоря), необходимо потребление определенной реактивной мощности из питающих устройств сети.
Увеличив частоту сети, мы увеличиваем потребляемую реактивную мощность. ΔQ~f
В момент срабатывания, чтобы механизм был надежен, мы считаем ,что Uуст = kзап
Тогда (ΔQ)потр = kз ΔQ
Но даже когда якорь уже притянут, то все равно из сети берется энергия для компенсации падения магн.потока в стали.
(ΔQ)потр = kз ΔQ + Qк
Величина есть мера качества потребляемой реакт.мощности.
Выражения для последовательной обмотки.
Здесь ток не меняется но есть Δ Ψ
4.Сравнение Э.механизмов постоянного и переменного тока
1.По тяговому усилию:
При заданной площади сечения полюсов, образующий рабочий в.зазор, средняя величина силы(по площади):
В э/м перем.тока в 2 раза меньше, чем в э/м пост.тока. Это значит, что использование железа в случае перем.тока по крайней мере в 2 раза хуже, чем в пост.тока. А если сдвиг фаз не равен 900, то различие может быть больше!
2.По весу:
При заданных силе тяги и ходу якоря:
Э/м перем.тока значительно большего веса, чем э/м пост.тока(надо в 2 раза больше стали(как мин.) и больше меди для обеспечения определенной величины кажущейся мощност )
3.Необходимый минимум реактивной мощности:
Реактивная мощность в момент включения э/м перем.тока однозначно связана с величиной мех.работы, которую надо получить от э/м. Она не может быть снижена путем увеличения его размеров.
В э/м пост.тока такой связи нет. Если не касается вопроса о быстродействии, то потребляемая мощность может быть уменьшена через увеличение размеров.
4.По влиянию вихревых токов:
Необходимость уменьшения потерь от вихр.токов в э/м перем.тока требует шихтовки и разрезности исполнения этих конструктивных элементов.
В э/м пост.тока такое надо только для быстродействия магнитов. Такое исполнение уменьшает заполнение объема стали(ухудшает). А также предопределяет форму заполнения магнитопровода, а это приводит к изменению ср.ветка обмотки(она увеличивалась) и другим конструкт. и технологич. особенностям.
Потери на в.токи и намагничивание для э/м перем.тока увеличивают нагрев и эл.потребление. В э/м пост.тока данное ограничение не существует.
ПРИМЕНЕНИЕ:
В обычных стац.промышленных установках питающихся от сети перем.тока достаточной мощности многие минусы э/м перем.тока не являются препядствием для их использования.Больш. потр. реакт. мощности в начале хода несущественно отражается на др.потребителях. А потом потребл. мощность не велика.
Есть еще ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ э/м.
5.Время трогания и время движения при включении и отключении электромагнитного механизма ЭА
tсраб=tтрог+ tдвиж Это время можно качественно оценить
это для парал.включения обмоток(поток не изменили)
tсраб определяется в разных случаях
1.Включение механизма
Найдем tтрог и tдвиж :
уравнение равенства напряжений
Расчетное значение Ψ связано с Ф: Ψ= Фw , w-число витков обмотки
Сл-но:
Время:
tтрог
Если в момент времени tтрог магн.поток принимает значение Ψтрог то время трогания:
(*)
Если свести этот интеграл к МДС, то:
Если магнитопровод не насыщен, то связь между магн.потоком и МДС линейная : – эквивалентная проводимость для всей системы
И в данном случае либо
Видна экспаненциальная зависимость потока от времени.
Вообще считается, что (мы получаем секунды по размерностям)
Т – постоянная времени системы
– коэф.запаса
Для ненасыщенной цепи:
Но цепь всегда насыщена.Чтобы учитывать это, надо использовать (*) и метод графического интегрирования.
(если нам это известно , то мы можем построить график )
(зная можно найти площадь S, которая и определит время трогания)
tдвиж
Поступаем аналогично. При переходе из 1 в 2 мы имеем переходный процесс, где в каждый момент времени выполняется равенство напряжений.
но здесь еще появл. движ. якоря. Ему сообщается кинетическая энергия. Появляются механические параметры: U, M
э/м сила движ. якорь . - сила препятствующая движ. Я.
В момент трогания . Потом нет. - перемещение
M , где М - масса приведенная для всех подвижных элементов. U – скорость центра масс всех подвижных элементов. Центр масс – это точка приведения.
Вот система основных уравнений описывающих переходный процесс . Система нелинейная и должна решаться численно. С помощью тяговых м механических характеристик можно делать приближенное решение. Тяговая хар.:
Если знаем результирующую силу :
Сила действ. на якорь постоянна. И не зависит от перемещения якоря. Тогда уравнение (**) примет вид
Результирующую силу можно получить, если воспользоваться статическими характеристиками.
(Это наиболее часто используемы способ приближ. оценки)
Для более точного решения (**) используется графо-аналитический метод с использованием способа последовательных приближений.
6. Методы ускорения и замедления срабатывания электромагнитных механизмов ЭА.
В ряде случаев на практике необходимо замедлить или ускорить действие электромагнита.
Замедление действие электромагнита постоянного тока может быть достигнуто увеличением его постоянной времени, либо увеличением индуктивности самой катушки, либо последовательным включением дополнительной катушки индуктивности L (рис. а). Последнее применяется редко.
Включение параллельно катушке конденсатора С ( рис. Б) также дает замедление срабатывания. При соответствующем подборе емкости нарастание напряжения на катушке происходит постепенно по мере заряда конденсатора.
Широко применяется замедление действия электромагнита при помощи короткозамкнутого витка, имеющего малое электрическое сопротивление (рис. в). Короткозамкнутый виток (обмотка) замедляет нарастание потока при включении электромагнита и в гораздо большей степени его уменьшение при отключении электромагнита.
При отсутствии короткозамкнутого витка нарастание тока в катушке происходило бы по кривой 1 (рис.а), а потока и тяговой силы – по кривой 4. В момент времени t= тяговое усилие достигло бы значения силы трогания и якорь начал бы двигаться. При наличии короткозамкнутого витка ток в катушке будет изменяться по кривой 2, а индуцированный в витке ток – по кривой 3. Ток в витке направлен встречно току в катушке. Поток в системе обусловлен разностью токов в катушке и короткозамкнутом витке и будет нарастать по кривой 5. Поток и тяговое усилие достигнут соответственно значений через время Срабатывание электромагнита будет замедленно на время которое носит название выдержки времени на включение.
При отключении катушки и отсутствии короткозамкнутого витка ток в катушке спадал бы по кривой 1, а поток и тяговое усилие – по кривой 4 (рис. Б). Время трогания было бы . При наличии короткозамкнутого витка ток в катушке в катушке будет уменьшатся по кривой 2, а индуцированный в короткозамкнутом витке ток будет изменяться по кривой 3, т.е. система стремится препятствовать изменению потока. Поток и тяговое усилие будут спадать гораздо медленнее (кривая 5), чем при отсутствии витка. Значения тяговое усилие достигнет через время Время называют выдержкой времени на отключение.
Спадание тока в короткозамкнутом витке следует по закону
- максимальное значение индуцированного тока в короткозамкнутом витке в момент отключения; - постоянная времени короткозамкнутого витка; t – время. Таким образом, чем больше постоянная времени короткозамкнутого витка, тем медленнее будет спадать в нем ток и тем большую выдержку времени он даст.
Ускорение действия электромагнита может быть получено за счет уменьшения его постоянной времени. В этом случае наличие короткозамкнутого витка (обмотки), массивных частей магнитопровода, металлических каркасов катушки и всяких короткозамкнутых витков, образованных из крепежных и прочих деталей, лежащих на пути потока, является недопустимым, так как они будут увеличивать время действия электромагнита. Шихтованный магнитопровод также приводит к ускорению действия электромагнита.
Включение последовательно с катушкой дополнительного активного сопротивления (рис. А) приводит к уменьшению постоянной времени всей цепи и ускорению действия электромагнита. При этом катушка должна быть рассчитана только на часть напряжения сети:
Энергия теряется в этой схеме бесполезно.
Еще большее ускорение может быть получено при включении электромагнита по схеме рис. Б. В момент включения конденсатор представляет собой очень маленькое сопротивление. Сопротивление оказывается как бы шунтированным. Почти все напряжение сети оказывается приложенным к катушке, рассчитаной только на часть напряжения. Ток в катушке электромагнита быстро нарастает, и включение электромагнита ускоряется. Когда конденсатор зарядится, ток в цепи будет определяться суммарным сопротивлением , как в схеме на рис. А.
7. Контакты и контактные соединения; переходное контактное электрическое сопротивление : основные составляющие, изменение со временем, сопротивление стягивания.
Электрические аппараты состоят из отдельных деталей (проводников), электрически соединенных между собой. Соприкосновение тел, обеспечивающее непрерывность электрической цепи, называется электрическим контактом; деталь, соприкасающаяся с другой деталью при образовании электрического контакта, - контакт-деталью.
Электрическое контактирование весьма сложное явление. Контактные поверхности всегда имеют некоторую шороховатость и, как правило, всегда покрыты пленками, которые образуются под воздействием кислорода воздуха, озона, азота и других химических реагентов. Пленки имеют толщину примерно до см и удельное сопротивление Омсм. Металлическое контактирование осуществляется не по всей поверхности, а лишь в немногих точках. Имеющаяся на поверхности металла пленка может быть в одних случаях продавлена силой, сжимающей контакты (рис. А), в других случаях пробита под влиянием разности электрических потенциалов. В месте пробоя может образоваться металлический перешеек (рис. Б), проводящий электрический ток.
Чисто металлическое контактирование – явление редкое. Такой контакт при значительной площади соприкосновения поверхностей невозможно было бы разорвать теми силами, которые раельно существуют в электрических аппаратах. Чисто металлическое контактирование может наблюдаться лишь в местах очень узких металлических перешейков, которые могут образоваться при пробое пленок и развиваться под воздействием электростатических сил. Явления электрического контактирования окончательно еще не изучены.
По форме контактирования различают три вида контактов: точечный, линейный, поверхностный.
Точечный электрический контакт – электрический контакт, при котором соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит в точке.
Линейный электрический контакт – электрический контакт, при котором соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по линии.
Поверхностный электрический контакт – электрический контакт, при котором соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по поверхности.
Под рабочей поверхностью контакт-детали понимают часть поверхности контакт-детали, предназначенную для осуществления электрического контакта. При этом часть рабочей поверхности контакт-детали, по которой происходит соприкосновение с другой контакт-деталью, называют условной площадью контактирования, а ту часть условной площади контактирования, по которой электрический ток переходит из одной контакт-детали в другую, - эффективной площадью контактирования.
В зоне перехода тока из одной детали в другую имеет место относительно большое электрическое сопротивление, называемое переходным сопротивлением контакта.
Переходное сопротивление контакта определяется сопротивлением суженных участков, по которым проходит ток к площадкам сжатия (рис. А), и сопротивлением узких металлических перешейков, возникающих вследствие фриттинга ( разрушения пленки под действием разности потенциалов ).
С уточнениями на основании опытных данных значение переходного сопротивления определяется выражением
Где - некоторая величина, зависящая от материала и формы контаткта, способа обработки контакта и состояния контактной поверхности; P – сила, сжимающая контакты; n – показатель степени, характеризующий число точек соприкосновения.
С увеличением числа точек соприкосновения переходное сопротивление электрического контакта уменьшается. В выражении показатель степени принимает значения: для одноточечного контакта , для многоточечных ( для линейного контакта для поверхностного ).
Переходное сопротивление чрезвычайно чувствительно к окислению поверхности ввиду того, что оксиды многих металлов (в частности меди) являются плохими проводниками. У медных открытых контактов вследствие их окисления с течением времени переходное сопротивление может возрасти в тысячи раз.
В процессе длительного пребывания под током на поверхности замкнутых контактов также возникают оксидные, плохо проводящие ток пленки. Они проникают к площадкам контактирования и, увеличивая тем самым переходное сопротивление, могут вывести контакты из строя. Повышение температуры ускоряет рост поверхностных пленок и сокращает промежуток времени, приводящий к выходу контактов из строя. Повышение контактного нажатия, наоброт, затрудняет проникновение оксидных пленок к площадкам контактирования, повышая тем самым срок службы контактов.
Оксиды серебра имеют электрическую проводимость, близкую к проводимости чистого серебра. При повышенных температурах они разрушаются. Поэтому переходное сопротивление контактов из серебра, а также из серебросодержащих металлокерамик практически не изменяется с течением времени. Оно даже может понизиться вследствие медленной пластической деформации материала в площадках контактирования. Для медных контактов необходимо применять меры борьбы с окислением их рабочих поверхностей.
В разборных соединениях производят антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей – серебрят, лудят, кадмируют, иногда никелируют и цинкуют.
Чем выше электрическая проводимость и теплопроводность материала, тем ниже переходное сопротивление.
Переходное сопротивление контакта может быть представлено как сумма сопротивления стягивания и сопротивления пленки
Сопротивление стягивания – сопротивление, появляющееся в результате стягивания линий тока к истинной площадке соприкосновения.
Сопротивление пленок может меняться в процессе эксплуатации в очень широких пределах. Сопротивление стягивания зависит от материала контактов, числа площадок соприкосновения и силы сжатия
Сопротивление стягивания составляет основную часть сопротивления контакта, поскольку сопротивление тонкой пленки из адсорбированных газов незначительно. Для окисленных контактов сопротивление стягивания велико вследствие меньшего числа и меньших размеров контактных точек.
8. Нагрев контактов, влияние разных зон контактов на нагрев проводника
Сопротивлеие контактов не остается постоянным в процессе эксплуатации. Контактное сопротивление представляет собой источник дополнительных джоулевых потерь. Поэтому температура контактов всегда выше температуры прилегающих к нему проводников.
Тепловой режим контактов при длительном токе должен быть таким, чтобы температура их нагрева не вызывала размягчения и холодного сваривания материала. Размягчение наступает при температуре, превышающей температуру рекристализации материала, когда наступает разрушение его кристаллической структуры. Эта температура для распространенных контактных материалов равна 150-200.
Рассмотрим процесс нагрева точечного торцевого контакта (рис. А). Обозначим через Р мощность тепловых потерь в различных точках контакта.
Ток I, проходя по телу контакта, нагревает его. Тепло входит в торец контакта. Одновременно через боковую поверхность тепло отдаётся в окружающее пространство. При установившемся режиме тепло, которое входит в элемент толщиной dX, равно теплу, которое из него выходит:
(5)
Где – тепло, которое подошло к элементу справа;
q - сечение контакта; - периметр сечения контакта; λ – теплопроводность материала контакта.
Обозначим и подставим в (5) мощности ,,, выраженные через ток и определяющие их параметры.
После преобразования получим
Решая это уравнение с учетом начальных условий, получаем
Тогда температура контактной поверхности (при х=0)
Где превышение температуры контакта относительно окружающей среды;
- превышение температуры контакта в начале области стягивания, определяемое
Сопротивление пленки плюс сопротивление стягивания – контактное (переходное) сопротивление.
Зависимость сопротивления от превышения температуры:
(9)
Где сопротивление стягивания при температуре, равной температуре на границе области стягивания - температурный коэффициент сопротивления материала контактов, 1/.
При увеличении тока через контакт увеличивается падение напряжения , соответственно возрастает превышение температуры контактной площадки . Это вызывает увеличение сопротивления согласно (9). Зависимость сопротивления от напряжения характеризует RU – характеристика. Можно получить эксперимнтально участок АВ этой кривой вплоть до точки В. В точке В (превышение температуры около 180) начинается размягчение металла. Контактная площадка увеличивается, сопротивление контакта уменьшается (участок ВД).
После этого кривая вновь возрастает (участок ДЕ), но её наклон меньше вследствие продолжающегося размягчения. В точке Е температура контакта достигает температуры плавления. При уменьшении напряжения (тока) можно получить ветвь EG , параллельную АВС, что доказывает постоянство контактной площадки вследствие происшедшего сваривания контактных частей.
Зависимомть (9) справедлива для неизменных размеров контактной точки.
Нагрев контактной пары
Оценить нагрев можно только в условиях нормальной эксплуатации. Рассмотрим процесс в нормальных условиях нормальной эксплуатации.
- мощность, расходуемая на нагрев контактной пары и окружающей среды;
.
Энергия, которая выделиться, будет расходоваться на нагрев контактной пары и отводиться в окружающую среду за счет конвективный теплообмена.
На нагрев самой контактной пары расходуется энергия, которая зависит от прироста температуры и теплоемкости контактной пары.
dT – прирост температуры;
CM – удельная массовая теплоемкость материала;
m – масса;
Энергия, которая будет отдаваться в окружающую среду за счет конвективного теплообмена, зависит от коэффициента теплоотдачи, площади поверхности охлаждения и разности температур контактной пары и окружающей среды.
α – коэффициент теплоотдачи;
SОХЛ – площадь поверхности охлаждения;
ТОК – температура окружающей среды;
Θ = Т – ТОК – превышение температуры;
Излучение применительно к номинальным режимам работы аппаратов будет играть незначительную роль.
- дифференциальное уравнение первого порядка.
Нагревание:
.
Охлаждение:
.
, (постоянная времени нагрева).
t
θ
нагрев
≈ 3τH
охлаждение
Применительно к аппаратам низкого напряжения установившаяся температура контакта обычно принимается равной 60-80 градусов (для силовых аппаратов).
Процессы при размыкании контактов
Процессы при размыкании контактов очень влияют на предельную коммутационную способность.
Только когда имеем дело с идеальной неиндуктивной цепью (активная нагрузка), в момент касания – замыкание цепи (идеальный ключ), в момент размыкания – не возникает избытка реактивной энергии – мгновенное выключение. Переход включение-выключение должен быть мгновенным.
При коммутации контактов между контактами может наблюдаться образование электрических разрядов: искровой, дуговой и тлеющий.
Искровой разряд обусловлен тем, что напряжение на контактах превышает электрическую прочность воздуха между контактами (20 - 30 кВ/см). Физически – это кратковременный импульс тока. Если наступает явление вторичной ионизации (ионизация дугового пространства (газового промежутка)), то этот разряд может перерасти в дуговой разряд.
Устойчивое горение дуги возможно для медных электродов при I = 80-100 мА U > 20 В. Электрическая дуга – это поток заряженных частиц в газовом промежутке. Это раскаленная газовая область, плазменное состояние газов. Заряженные частицы вызывают вторичную ионизацию газового промежутка. Ионизация делится на:
Классификация дуг в зависимости от температуры катода:
Одновременно с процессом ионизации происходит деионизация, за счет:
А
ΔUТ(С)
ΔUА
ΔUК
l
К
Рассмотрим распределение напряжения по длине дуги (постоянного тока).
Околоэлектродные области – области с высоким градиентом напряжения;
ΔUК – катодное падение напряжения;
ΔUА – анодное падение напряжения;
ΔUТ – напряжение тела дуги (столба дуги).
Распределение напряжения по длине дуги существенно неравномерное. Выделяются две области в близи поверхности электродов, в которых градиент напряжения велик. Для условий, характерных применительно к аппаратам низкого напряжения (минимальные значения):
ΔUК 10 - 20 В;
ΔUА 10 В.
В зависимости от соотношения ΔUТ и ΔUК (а это порядка нескольких микрон (зависит от материала, от электродов, от условий эксплуатации), ΔUА все дуги разделяются на короткие и длинные.
ΔUТ > ΔUК + ΔUА – длинные;
ΔUТ ΔUК + ΔUА – короткие.
Работаем как правило с длинной дугой. ВАХ дуги нелинейная, зависит от условий проведения эксперимента. Для статического режима, когда изменения параметров дуги происходят медленно, ВАХ имеет вид (для дуги постоянного тока, e и T (тела дуги) = const):
U
i
e1
e2
e2 > e1
(D↑)
(D↓)
Каждой точке ВАХ соответствуют свои условия горения дуги (темп, плотность свободных зарядов). Если быстро изменять ток дуги (уменьшать), то динамическая ВАХ будет иметь меньшую крутизну (при быстром изменении тока не успевает измениться температура и концентрация свободных зарядов).
Зная все основные параметры дуги, можно определить условия, при которых дуга гарантированно погаснет.
9.Дуга в контактах ЭА и ее характеристики; условия гашения дуги постоянного тока; перенапряжения при отключении дуги постоянного тока; способы гашения электрической дуги.
Электрическая дуга – поток заряженных частиц. В начальный момент этот поток обусловлен собственными зарядами в пространстве между электродами.
Ионизация
- ударная – электрические частицы за счёт электрического поля ускоряется, соударяется с нейтроном, в результате чего распадается
- газовая – за счёт нагрева газового пространства
Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов материалом при высокой температуре .
Электрические дуги с холодным катодом (до 6000˚С)
Электрические дуги с горячим катодом (6000-12000˚С)
Одновременно с процессом ионизации происходит процесс деионизации
- нейтрализация заряда частиц на металлических поверхностях
- рекомбинация
- диффузия свободных зарядом
Условия гашения дуги постоянного тока
Рассмотрим простейшую цепь постоянного тока, в которой наблюдается дуга (в момент размыкания дуги).
+
L
i
UД
R
Баланс напряжений по второму закону Кирхгофа:
- нелинейное дифференциальное уравнение первого порядка.
При отключении ключа возникла дуга.
1
1’
1’’
2
2’
2’’
Ri
UД
UД
E=iR
i
i
E
U
В точках 1 и 2 (пересечения ВАХ) ЭДС самоиндукции равна 0, а значит равна 0 и производная . Если производная равна 0, то точка, в которой наблюдается это равенство, соответствует режиму равновесия (устойчивый режим). Точки 1 и 2 – точки равновесия. Рассмотрим устойчивость равновесия в этих точках.
Рассмотрим устойчивость равновесия в точке 2.
Дадим положительное приращение току за счет внешних воздействий. Δi > 0 – режим будет характеризоваться точкой 2’. Область, где находиться точка 2’ соответствует отрицательной ЭДС самоиндукции. Следовательно, положительное приращение тока вызывает появление отрицательной ЭДС самоиндукции. Под действие этой ЭДС система возвратиться в исходное равновесное состояние.
Если Δi < 0, то попадем в точку 2’’, которая расположена в области положительной ЭДС самоиндукции. Под действие этой ЭДС система вернется в равновесное состояние. Следовательно, равновесие в точке 2 устойчивое.
Рассмотрим устойчивость равновесия в точке 1.
Дадим положительное приращение току за счет внешних воздействий. Δi > 0 – режим будет характеризоваться точкой 1’. Область, где находиться точка 1’ соответствует положительной ЭДС самоиндукции, за счет которой появиться еще большее приращение тока. Следовательно, процесс увеличения тока будет развиваться лавинообразно. До тех пор, пока не переместимся в точку устойчивого положения (2).
Если Δi < 0, то попадем в точку 1’’, которая расположена в области отрицательной ЭДС самоиндукции. Под действие этой ЭДС ток еще больше уменьшиться. Процесс идет лавинообразно, пока не переместимся в точку устойчивого равновесия, где ток равен 0.
Следовательно, равновесие в точке 1 является неустойчивым, и снижение тока в этой точке приводит к гарантированному погасанию дуги. Чтобы гарантированно погасить дугу постоянного тока, необходимо в точке неустойчивого равновесия уменьшить ток.
U
i
e1
e2
l2 > l1
R2 > R1
E
2
1
В исходном состоянии ВАХ пересекаются в точках 1 и 2. Меняя параметры l и R, мы можем изменить положение точек пересечения на ВАХ и можем получить другое соотношение ВАХ. Если ВАХ дуги и линейной части не пересекаются, то дуги не будет.
Длина дуги, при которой для заданных параметров цепи ВАХ линейной части является касательной к ВАХ дуги, называется критической.
Из анализа простейшей цепи можно сделать практический вывод: для ускорения гашения дуги необходимо увеличить ее длину и уменьшить ток дуги.
.
В момент погасания дуги напряжение на дуговом промежутке может превышать напряжение сети (источника) – коммутационные перенапряжения. Перенапряжение равно ЭДС самоиндукции в момент погасания дуги.
UД
t
U, i
tP
E
iУСТ
i
ΔU - перенапряжение;
tР – время (момент) расхождения.
Способы гашения электрической дуги
1. Предотвращение появления дуги.
В аппаратах низкого напряжения – искрогасящие дополнительные контакты (вольфрам).
На гибких пружинных элементах крепятся дополнительные таким образом, чтобы при замыкании основных контактов сначала замыкались дополнительные, а потом продолжали сближаться основные контакты. Дополнительные контакты удерживаются во включенном состоянии за счет гибких пластин. При размыкании – сначала основные контакты, а потом дополнительные. В случае возникновения искрения или дуги между дополнительными контактами, искрового или дугового разряда между основными контактами не наблюдается. Используются только в слаботочных цепях.
2. Герконовые (герметичные) контакты.
N
S
Ф
i
Конструктивно представляет собой стеклянный баллон, заполненный газовой смесью, в корпус которого впаяны две гибкие пластины из ферромагнитного материала. Для повышения электропроводности пластин они обычно лудятся. Внутри колбы газовая смесь. Она снижает вероятность искрообразования и эрозии.
Если поместить геркон в продольное магнитное поле, то магнитный поток будет сконцентрирован в пластинах. Замыкание контакта осуществляется под действием магнитного поля на пластины. В герконе отсутствуют электромагнитные механизмы, а управление осуществляется при помощи магнитного поля.
dl
e
i
3. Использование естественных свойств дуги.
.
2. Любая реактивная система стремиться к состоянию, при котором запасенная энергия имеет наибольшую величину.
.
Собственные силы, действующие на проводник с током, называются пондемоторными силами. Они способствую ускорению погасания дуги.
Если есть линейный контакт, при расхождении которого возникает дуга, то для ускорения ее погасания к этому контакту крепят металлические пластины под определенным углом, которые называются дугогасительный рог. Дуга загорается и начинает перемещаться, пока не погаснет.
Для того, чтобы пондемоторные силы действовали эффективно, рога должны быть расположены так, чтобы дуга перемещалась вверх. Контакты лучше расположить горизонтально.
Дугогасительные устройства
1. Устройство магнитного дутья.
Надо расположить магнитное поле так, чтобы на дугу действовала магнитная сила (сила Ампера), направленная вверх.
FА
Катушку включают последовательно с контактами. Если меняется полярность и поля и тока, то направление действия сил остается постоянным.
2. Дугогасительная камера переменного сечения.
Конструкция из изоляционных материалов (фибра) с переменным сечением внутреннего объема.
А
S2
К
А
S1
К
В дугогасительной камере происходит увеличение длины дуги, и, за счет соприкосновения дуги с элементами конструкции, дуга охлаждается.
3. Де-ионная решетка.
Корпус из изоляционных материалов, в котором закрепляются металлические пластины (стальные анодированы).
К
А
Дуга втягивается в область деионной решетки и разбивается на несколько участков (принцип коротких дуг). За счет теплоемкости металла происходит охлаждение дуги. Количество околоэлектродных областей увеличивается:
ΔUОЭ = n(ΔUА + ΔUК) – околоэлектродное падение напряжения для этой дуги растет, следовательно, уменьшается напряжение на теле дуги – уменьшается ток дуги. Облегчаются условия гашения дуги. Нейтрализация свободных зарядов на металлических поверхностях – деионизация.
Используются в автоматах гашения поля в мощных ЭМ.
4. Устройства газового дутья.
ΔР
Используются в основном в аппаратах высокого напряжения. Дуга начинает выдуваться в отверстия в стенке камеры с помощью газа или принудительно. Ускоренное погасание дуги за счет обдува и увеличения длины дуги. Бывают двух типов:
1. С принудительным дутьем (избыточное давление – за счет внешнего устройства);
2. Автогенераторное газовое дутье (при редких коммутациях). При появлении дуги начинает выделяться газ из стенок камеры за счет увеличения температуры. Одноразовые.
10) Контакторы: устройство и назначение, рабочий цикл контактора, характеристики.
Электрический аппарат низкого напряжения предназначенный для коммутации силовых цепей.
Конструктивно содержит электромагнитный механизм для привода контактной системы, силовую контактную систему (, , или полюсную).
Контакторная система может содержать как нормальноразомкнутые, так и нормальнозамкнутые контакты. Обязательно содержит дугогасительное устройство и как минимум одну пару дополнительных контактов (блок контактов).
Современные общепромышленные контакторы выполняются унифицированными по конструкции магнитной системы для постоянного и переменного тока.
Основные параметры контакторов:
, номинальные напряжение и ток силовой цепи.
Предельная коммутационная способность ()
Максимальный ток который может быть отключен без повреждения контактной системы и дугогасительных устройств
Параметры управления:
12, 24, 110, 220 В
12, 27, 127, 220, 330, 660
Динамические параметры:
,
Надёжность определяется числом срабатываний до первого отказа.
Число срабатываний зависит от величины и характера нагрузки.
Для контактов серии ПМЕ зависимость числа срабатываний от тока имеет вид:
Для малоиндуктивной нагрузки АС 1, АС 3
- время отпадания контакта
- время выбора провала
- отпускание
– срабатывания (трогания)
– движения
- включения
Контактор – электрический аппарат низкого напряжения, предназначенный для коммутации силовых цепей. Классификация: постоянного и переменного тока.
Конструктивно обязательно содержат электромагнитный механизм для привода контактной системы и силовую контактную систему (1-, 2-, 3- и 4-полюсную). Контактная система может содержать как нормально разомкнутые, так и нормально замкнутые контакты (общепромышленные контакторы с нормально разомкнутыми контактами наиболее распространены). Обязательно содержат какие-нибудь дугогасительный устройства. Как правило, содержат минимум одну пару вспомогательных контактов (для построения различных схем управления).
Современные общепромышленные контакторы выполняются унифицированными по конструкции магнитной системы для постоянного и переменного тока. Габариты и конструкция определяются силовой цепью.
Основные параметры контакторов:
1. Номинальное напряжение UН и ток IН силовой цепи (силовых контактов);
2. Предельная коммутационная способность (в некоторых случаях мощность или ток КЗ) IК (РПР) – максимальный ток, который при заданных условиях эксплуатации может быть отключен без повреждения контактной системы и дугогасительных устройств;
3. Параметры управления:
По постоянному току: 12; 24; 110; 220 В;
По переменному току: 12; 27; 127; 220; 380; 660 В.
Динамические параметры: время включения tВКЛ и время отключения tВЫКЛ.
Надежность контактора определяется числом срабатываний до первого отказа. Число срабатываний зависит от величины и характера нагрузки, коммутируемой контактором.
Для контакторов серии ПМЕ зависимость максимального числа срабатываний от тока для мало индуктивной нагрузки (АС1):
1
N*106
I
IH
5
10
2
3
iУ
tТР
tДВ
iОТП
t1
tОТПАД
tОТКЛ
tПРОВ
tДУГИ
t
t
0
IH
iТР
iН
tВКЛ
Цикл работы контактора может разбить на несколько отрезков:
tОТПАД – время отпадания контактов;
tПРОВ – время выбора провала;
Предполагается, что в момент времени t = 0 подается напряжение на обмотку контактора. Начинает возрастать ток по экспоненте до момента перегорания якоря (он начинает двигаться). С движением якоря меняется воздушный зазор, соответственно меняется индуктивность, появляется ЭДС перемещения, за счет которой ток несколько снизиться. Как только закончится перемещение якоря, силовые контакты замкнуться. Ток управления возрастает до кого-то установившегося значения с другой постоянной времени. Ток нагрузки с постоянной времени нагрузки возрастает до установившего значения. Время от момента подачи управляющего сигнала до начала перемещения якоря называется временем трогания tТР. Соответственно, время от начала перемещения до замыкания силовых контактов называется временем движения tДВ. Сумма tТР + tДВ = tВКЛ. Пусть в какой-то момент времени t1 отключаем напряжение управления. Если обмотка защищена диодом, ток управления начнет затухать до нуля. Как только ток достигнет значения тока отпускания iОТП, начинается возвращение якоря под воздействием возвратной пружины. После того, как растянутся контактные пружины, расходятся силовые контакты – возникает дуга.
Условно графическое обозначение:
Электромагнитный механизм;
Обычный контакт;
Силовой контакт;
Силовой контакт, снабженный дугогасительным устройством.
11) АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ (АВТОМАТЫ)
Общие сведения
Автомат служит для отключения электрической цепи при ненормальных и аварийных режимах — перегрузках, коротких замыканиях, чрезмерном понижении напряжения питания, изменении направления мощности и т. п. Автоматом можно также пользоваться для редких включений и отключений номинальных токов нагрузки.
К автоматам предъявляются следующие требования.
1. Токоведущая цепь автомата должна пропускать номинальный ток в течение сколь угодно длительного времени. Режим продолжительного включения для автомата является нормальным. С другой стороны, токоведущая система автомата подвергается воздействию больших токов короткого замыкания как при замкнутом положении контактов, так и при включении на существующее короткое замыкание.
2. Автомат должен обеспечивать многократное отключение предельных токов короткого замыкания, которые могут достигать десятков и даже сотен килоампер. После отключения этих токов автомат должен быть пригоден для длительного пропускания номинального тока.
3. Для повышения электродинамической и термической стойкости энергоустановок, уменьшения разрушений, вызываемых токами короткого замыкания, автоматы должны иметь малое время отключения. С целью уменьшения габаритов распределительного устройства и повышения безопасности обслуживания необходимо сокращение зоны выхлопа нагретых и ионизированных газов в процессе гашения дуги.
Принципиальная схема автомата на ток более 200А приведена на рис. 1. Токоведущая цепь имеет основные (3) и дугогасительные (1) контакты. Включение автомата может производиться вручную (рукояткой 12$) или электромагнитом 4. Звенья 6, 7 и упор 13 являются механизмом свободного расцепления. Отключение автомата может производиться вручную (12) или от расцепителей 5, 8, 10, 11. Скорость расхождения контактов обеспечивается пружиной 9. Гашение дуги, образующейся при отключении, происходит в камере 2).
Основными параметрами автоматов являются: номинальный длительный ток, номинальное напряжение, предельный ток отключения, собственное и полное время отключения.
Под собственным временем автомата понимают время от момента наступления условия срабатывания до момента прекращения соприкосновения его контактов. После расхождения контактов возникающая электрическая дуга должна быть погашена за наименьшее время с перенапряжением, не представляющим опасности для остального оборудования.
На рис. 2, а даны кривые изменения тока и напряжения на контактах в процессе отключения для обыкновенного (небыстродействующего) автомата, а на рис. 2, б— для быстродействующего. От момента начала короткого замыкания ток растет по закону экспоненты до значения (время ). После этого проходит еще время до момента размыкания контактов. Это время тратится на расцепление защелки и выбор провала контактов. После расхождения контактов дуга гаснет за время . Время зависит от уставки по току срабатывания и скорости нарастания тока, которая определяется параметрами цепи короткого замыкания.
Время —собственное время автомата. Оно зависит от способа расцепления, конструкции контактов, массы подвижных частей и других факторов.
Если собственное время ≥0.01 с, то автомат называется обыкновенным(небыстродействующим). В этом случае, как правило, к моменту размыкания ток в цепи достигает установившегося значения. Такой автомат не облегчает работу аппаратуры и оборудования при коротких замыканиях. Самому автомату также приходится отключать установившийся ток короткого замыкания.
В быстродействующих автоматах время сокращается до 0,002—0,008 с. К моменту расхождения контактов ток не достигает установившегося значения. Такой автомат, как правило, отключает ток значительно меньший, чем установившийся ток короткого замыкания. Благодаря этому облегчается работа самого автомата, уменьшается термическая и динамическая нагрузка аппаратуры и оборудования. С увеличением скорости возрастания тока эффект токоограничения уменьшается, так как к моменту расхождения контактов ток достигает больших значений. Для получения токоограничения в настоящее время в этих автоматах применяются устройства, реагирующие не на ток, а на скорость его нарастания. В зависимости от вида воздействующей величины автоматы делятся на максимальные автоматы по току, минимальные автоматы по току, минимальные автоматы по напряжению, автоматы обратного тока, максимальные автоматы, работающие по производной тока, поляризованные максимальные автоматы и неполяризованные, реагирующие на возрастание тока в любом направлении. Для построения селективно действующей защиты автоматы должны иметь регулировку тока срабатывания и времени срабатывания.
В некоторых случаях требуется комбинированная защита— максимальная по току и минимальная по напряжению. Автоматы, удовлетворяющие этим требованиям, называются универсальными.
Автоматы общепромышленного и бытового применения обычно имеют лишь максимально-токовую защиту, отрегулированную на заводе. В эксплуатации характеристики автомата не могут быть изменены. Для уменьшения возможности соприкосновения персонала с деталями, находящимися под напряжением, эти автоматы закрыты пластмассовым кожухом и практически не выбрасывают дугу из-под кожуха. Такие автоматы называются установочными. Во всяком автоматическом выключателе можно найти следующие основные узлы: токоведущую цепь, дугогасительную систему, привод автомата, механизм автомата, механизм свободного расцепления и элементы защиты— расцепители.
Автоматические воздушные выключатели – это электрические аппараты низкого напряжения, предназначенные для защиты сети и потребителей от токов перегрузки и КЗ (при наличии нулевых расцепителей – защита от пониженных напряжений).
Особенности конструкции:
Это аппарат с ручным приводом, у которого при замыкании контакта взводиться отключающая пружина. При возникновении аварийной ситуации механизм, удерживающий отключающую пружину, освобождается и под действием этой пружины происходит размыкание контактов. Обязательно автомат содержит дугогасительное устройство (обязательно деионная решетка). В некоторых случаях дополнительный аксессуары: вспомогательный блок контактов, который срабатывает при отключении автомата, либо при срабатывании его расцепителя. Рабочий диапазон общепромышленных серий автоматов 1-63 А. Могут быть одно-, двух- и трехполюсными.
Могут использовать для редких оперативных коммутаций защищаемых цепей. Нормальный режим работы автомата – режим продолжительного включения. Основные параметры:
Характеристики защитных свойств:
t
I
IУЭ
IУТ
По виду характеристики выделяют:
Характеристика типа В: . Используют там, где нет заметных пусковых токов (бытовые приборы);
Характеристика типа С: . Используют для запуска асинхронных двигателей;
Характеристика типа Д: . Рассчитаны для АД с тяжелыми условиями пуска (большой момент сопротивления при пуске) – электрички, тяговые установки, центробежные насосы и др.
Кинематическая схема автомата представляет собой:
6
1
2
3
4
5
Конструктивно:
Главный рычаг (1) закреплен в точке опоры. С помощью пружины (5) может переходит в отключенное состояние. На главный рычаг помещается подвижный контакт (2). На элемент конструкции помещен неподвижный контакт (3). В выключенном состоянии под действие пружины главный рычаг отводиться, контакт размыкается. Для того, чтобы включить автомат, необходимо переместить главный рычаг до момента замыкания контакта, при этом, с помощью защелки (4), будем удерживать рычаг во включенном состоянии. При включении автомата, взводиться отключающая пружина.
Чтобы отключить автомат достаточно освободить защелку (обычно делается, чтобы включить и выключить автомат можно было одним рычагом). Чтобы обеспечить защитные свойства, автомат содержит расцепители (6). В аварийных ситуациях расцепители действуют на защелку и освобождают главный рычаг, который под действием пружины отключается.
Защелка + расцепитель = механизм расцепления.
Устройство, которое обеспечивает расцепление главных контактов называется расцепителем.
В качестве расцепителя может применяться аналог теплового реле на основе металлической пластинки. Такие расцепители – тепловые и обеспечивают зону перегрузок. Зону КЗ обеспечивают электромагнитные (или максимально токовые) расцепители.
Электромагнитные расцепители включаются последовательно в коммутируемую цепь и, если ток через автомат достигает максимального значения, якорь (плунжер) освобождает защелку. Также действую и тепловые расцепители: металлическая пластинка нагревается, отклоняется и через заданное время автомат отключается.
Кроме тепловых и электромагнитных расцепителей автоматы общепромышленных серий комплектуют независимыми расцепителями (не связанными с режимом работы самого автомата).
Автоматы обеспечивают селективность защиты (как и предохранители), причем как по току, так и по времени.
Условно графическое обозначение:
12. Транзисторные ключи: виды, элементы и характеристики
Транзисторные ключи
В зависимости от назначения все транзисторные ключи делятся на аналоговые и цифровые.
Цифровыми ключами называются устройства импульсной и цифровой техники для формирования кодовых импульсов, поскольку информативным является сам факт существования сигнала. Требования к его амплитуде не столь существенны, а основными характеристиками являются характеристики быстродействия.
Аналоговыми ключами называют элементы, которые в открытом состоянии передают сигнал с минимальными искажениями, а в закрытом состоянии обеспечивают отключение источника сигнала от цепи потребления. В этом случае существенными являются как параметры быстродействия, так и характеристики ключа в открытом и закрытом состоянии.
Особое положение в этой классификации занимают силовые ключи. Основные требования к ним – это минимальные потери, как в открытом, так и закрытом состоянии.
Основные параметры транзисторных ключей:
Статические характеристики биполярного транзистора в ключевом режиме
Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор, содержащий три зоны с разным типом проводимости. Свойства биполярного транзистора определяются параметрами p-n перехода.
iK
IБ1
IБ=0
IБ2
А
В
I
III
II
IV
EK
Eк
RH
IКБО
RH
EK
Э
RБ
К
Б
UУ
Рассмотрим простейший ключ на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером.
Четыре характерных режима работы транзистора:
I – зона насыщения;
II – линейная (активная) зона;
III – зона отсечки;
IV – зона лавинного пробоя.
В ключевом режиме транзистор работает в зоне насыщения (открытое состояние) и в зоне отсечки (закрытое состояние). Чтобы точно аналитически рассчитать режим работы транзистора, используют эквивалентную схему замещения транзистора (модель Молла – Эберса). Она позволяет рассчитать как статические, так и динамические режимы, прежде всего в линейной области. Но также можно использовать упрощенны модели.
Отсечка
Ключ разомкнут (точка А на диаграмме). Для инженерного расчета эквивалентная схема замещения может быть представлена в виде:
Э
К
Б
IКБО
Состояние отсечки характеризуется тем, что оба перехода БЭ и БК находятся в закрытом состоянии (смещены в обратном направлении). В режиме отсечки мощность, рассеиваемая на транзисторе, определяется только током утечки или начальным током. В практике расчетов эта мощность, как правило, не учитывается. Чтобы снизить значение тока утечки, на базу может подаваться запирающие напряжение, но при этом точка А будет смещаться к оси (х).
Мощность рассеяния может определяться током утечки и напряжением на коллекторе:
Состояние насыщения
Ключ открыт. Характеризуется тем, что оба перехода смещены в прямом направлении (открыты). На диаграмме нагрузки этот режим характеризуется точкой В. Эквивалентная схема замещения, применяемая в инженерных расчетах, представляет собой пассивный узел:
К
Э
Б
В состоянии насыщения ток коллектора ограничен величиной нагрузочного сопротивления.
Режим насыщения может быть достигнут при токе управления (ток базы) равном току базы насыщения:
- мощность, рассеиваемая на транзисторе в режиме насыщения.
Динамические характеристики биполярного транзистора в ключевом режиме
hβ
t
t
iБ
Для анализа динамических характеристик используют модель Молла - Эберса. По модели определяют переходную характеристику транзистора в схеме с общим эмиттером.
,
τβ – время жизни неосновных носителей в зоне базы;
τα – постоянная времени коэффициента передачи по току в схеме с общей базой (время пролета неосновных носителей через зону базы).
,
β – коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером;
α – коэффициент передачи по току в схеме с общей базой;
Q – заряд неосновных носителей в зоне базы.
- дифференциальное уравнение, описывающие изменение заряда в зоне базы.
Изменение заряда может происходит за счет рекомбинации и тока базы. Общее решение:
.
Вид решения будет зависеть от граничных и начальных условий. Рассмотрим сначала для режима включения. В какой-то момент времени подаем на транзистор отпирающий сигнал:
iК
t
t
t
t
iБ
Q
QГР
QИЗБ
IКН
IБН
UК
EК
UКЭН
tЗ
tД
Величина, при которой ток коллектора достигнет насыщения, называется граничным зарядом. Величина заряда, превышающая граничное значение называется избыточным зарядом.
, - степень насыщения.
Таким образом, быстродействие определяется свойствами самого транзистора. Необходимо учитывать также емкости образовавшегося перехода и емкости внешнего монтажа:
Перезаряд паразитных емкостей, монтажных соединений:
,
СВХЭ – емкость p-n перехода и монтажа;
UБЗЭ – напряжение запирания транзистора;
UПОР – пороговое напряжение на переходе ЭБ.
UЭБ
iБ
U0
;
Если мы управляем сильным сигналом, т.е. SН >> 1:
Рассмотрим процесс выключения:
В некоторый момент времени на базу активного транзистора подается запирающий перепад тока.
t
iБ
IБ (1)
IБ (0)
IБ0
QГР
Q
iК
IКH
tЗ (ВЫКЛ)
tФ (ВЫКЛ)
t
t
При этом начинается рассасывание избыточного заряда, накопившегося в зоне базы. Очевидно, что пока избыточный заряд не снизиться до величины граничного, изменение тока коллектора происходить не будет. Время рассасывания избыточного заряда – время задержки на включение:
- время рассеивания избыточного заряда;
- степень запирания.
- время фронта на запирание.
Если управляем сильным сигналом, то время задержки на выключение определяется постоянной времени (SЗ >> 1):
.
Для мощных транзисторов при токах коллектора в десятки А, основное время, которое сказывается на быстродействии – tЗ(ВЫКЛ).
Полевые транзисторы в ключевом режиме.
Полевой транзистор – это униполярный полупроводниковый элемент, рабочий ток которого обусловлен носителями одного типа в канале между двумя электродами (стоком и истоком). Управление током канала осуществляется изменением толщины канала. Существует два типа приборов:
1. с управляемым p-n переходом – ширина канала определяется величиной обратносмещенности p-n перехода;
2. с изолированным затвором – ширина канала определяется напряжением между затвором и подложкой.
В приборах с изолированным затвором канал может быть создан или индуцирован, т.е. МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) и МОП (металл-оксид-полупроводник) структуры.
Рассмотрим простейший ключ на полевом транзисторе с управляемым p-n переходом по схеме с общим истоком.
iС
UЗ
UСИ
iС
UЗ
С
З
И
В пологой области усилительные свойства полевого транзистора определяются с помощью крутизны: . Особенности полевого транзистора:
- для образования тока используются носители заряда только одного типа;
- потенциальное управление;
- управление осуществляется за счет изменения потенциала.
UЗ
iС
Для транзисторов с изолированным затвором выходные характеристики iC=f(UC) такие же, а передаточная характеристика (управления) имеет вид:
И
С
З
(n)
- МДП -
UЗ
iС
UПОР
Для получения характеристик полевых транзисторов с индуцированным каналом (подложка – технологический электрод) подложку соединяют с истоком. Характеристика управления имеет следующий вид:
И
С
З
(n)
При использовании полевых транзисторов в ключевых режимах подложку можно использовать как второй затвор прибора. В этом случае крутизна будет гораздо меньше. При использовании подложки и затвора для формирования сигнала управления мы можем получать гальванически развязанные схемы.
Быстродействие определяется паразитными емкостями между электродами и емкостью монтажа.
Отличие полевых транзисторов от биполярных (дополнительно):
В приборах соизмеримой мощности сопротивление в открытом состоянии у полевых транзисторов больше, чем у биполярных. Отношение сопротивлений закрытого прибора к сопротивлению открытого прибора у полевых транзисторов хуже, чем у биполярных, т.е. качество ключа. Входное сопротивление полевого транзистора на несколько порядков выше, чем у биполярного. На все параметры полевых транзисторов температура влияет меньше, чем на параметры биполярных. Температурный коэффициент сопротивления канала у полевых транзисторов положительный, а ТКС коллектора у биполярных транзисторов – отрицательный. Задержки у полевых транзисторов не наблюдается. Влияние фронтов достаточно заметное. Для простейшего ключевого элемента:
З
RC
RЭ
СЭ
IЗ
С
И
При открывании ключа начинается процесс разряда эквивалентной емкости СЭ. Время фронта на отпирание:
При закрывании - в формуле вместо Rн RC.
Время заряда больше чем время разряда.
Силовые транзисторные ключи.
Работают на комплексную нагрузку. При активной нагрузке необходимо использовать защитные элементы для ограничения перенапряжений при быстрых изменениях тока. При активно-емкостной нагрузке необходимо предусматривать ограничение тока заряда-разряда конденсатора при изменении напряжения.
Основными характеристиками силовых ключей являются быстродействие и КПД. Быстродействие определяется паразитными емкостями между электродами и емкостью монтажа.
Перезаряд (время задержки) паразитных емкостей, монтажных соединений (для биполярного ТР):
,
СВХЭ – емкость p-n перехода и монтажа;
UБЗЭ – напряжение запирания транзистора;
UПОР – пороговое напряжение на переходе ЭБ.
КПД зависит от статических и динамических характеристик.
Полные потери транзисторного ключа имеют две составляющие: статические и динамические потери. Для силового ключа на биполярном транзисторе с R-L нагрузкой потери могут быть рассчитаны при следующих допущениях:
t
t
tИ
IK
1
2
3
4
EK
UK
UНАС
T
При этих условиях расчетные потери мощности в ключе на биполярном транзисторе с R-L нагрузкой:
CЭ
ЕК
VC
LH
RH
Весь период может быть разбит на 4 интервала: 1- фронт, 2 – открытое состояние, 3 – спад, 4 – закрытое состояние. Статические потери на 2 и 4 интервале, динамические – на 1 и 3 интервале. Среднее значения потерь за период: .
Первый участок: 0 < t < tФ (время фронта);
- - ток коллекторного насыщения;
;
Второй участок: tФ < t < tИ (время импульса);
; ;
Третий участок: tИ < t < tИ + tС;
;
;
Четвертый участок: tИ + tС < t < Т;
;
Подставив эти значения под интеграл, мы получим мощность потерь в транзисторе:
.
Аналогично для диода:
.
Общие потери складываются из потерь статического и динамического режимов.
Силовой ключ хорошо спроектирован, если потери в статическом режиме соизмеримы с потерями в динамическом режиме. При проектировании силовых ключей необходимо согласовывать статические и динамические характеристики диода.
В настоящие время используются биполярные мощные транзисторы (БМТ), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) и MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором, MOSFET - полевые транзисторы структуры металл/окисел/полупроводник.
13. Тиристорные ключи: типы и параметры.
Используются следующие типы тиристоров:
1. Однооперационный тиристор (просто тиристор).
Это четырех слойная полупроводниковая структура со следующими характеристиками управления:
А
К
У
UПРОБ
UНЕ
UВ
UА
i
IН
ВАХ – почти как у диода;
IН – ток удержания;
UНЕ – обратное неповторяющееся напряжение;
UВ – напряжения переключения;
При положительном напряжении на аноде и подаче импульса управления тиристор открывается.
uА
t
t
t
iУ
i0
2. Динисторы (с управляющим электродом).
Управляющий электрод
Используют свойство перехода на ВАХ при определенном напряжении (напряжение переключения).
3. Симметричный тиристор (симистор).
Конструктивно и физически представляет собой два встречно параллельно включенных тиристора. Благодаря такой конструкции, обладает двух сторонней проводимостью.
4. Оптотиристоры.
Можно создавать бестрансформаторные схемы управления. Задается ток светодиода.
5. Двухоперационные (запираемые) тиристоры.
Имеет такую же ВАХ, как и у тиристора.
Включение осуществляется подачей импульса управления. Выключение за счет подачи импульса управления противоположной полярности. iЗАП = (20 – 50)iОТПРИАНИЯ. При запирании подается большой ток управления.
Отличает от обычных тиристоров малое быстродействие. После запирания для восстановления запирающих свойств необходимо времени гораздо больше, чем у обычных тиристоров.
Регулятор постоянного напряжения
В современных установках основным способом регулирования мощности или напряжения является импульсный способ. Простейший регулятор:
Rн
Uc=
K
Если нагрузка R-L, то надо обеспечить защиту коммутационного элемента. Наиболее эффективно – поставить обратный диод. Два принципа управления:
1. Широтно-импульсную регулирование ШИР.
Период следования импульсов Т = const. Длительность импульсов tИ = var. Мощность передаваемая в нагрузку - . Коэффициент заполнения .
, Q – скважность.
Среднее за период напряжение UНС = UС=γ. Временная диаграмма для ШИР:
Uн1
Uн2
Uср1
Uср2
tи
t
t
T
2. Частотно – импульсное регулирование (ЧИР).
tИ = const, f(T) = var.
Временная диаграмма для ЧИР:
Виды ЧИР и ШИР
Ток нагрузки повторяет форму напряжения. Величина тока прямо пропорциональна напряжению питания сети UН = ЕСγ. При R-L нагрузке форма тока будет зависеть от длительности периода и импульса:
Uн
iH
t
t
Суммарный ток нагрузки – среднее значение тока нагрузки за период.
.
Среднее значение тока определяется сопротивлением и скважностью. Суммарный ток через нагрузку не зависит от постоянной времени нагрузки.
t
iН
T
Режим работы преобразователя будет зависеть от вида нагрузки. Среднее значение тока нагрузки: . Когда ток имеет прерывистый характер:
Регуляторы переменного напряжения
Могут быть и ШИР и ЧИР.
При активной нагрузке для регулятора с фазовым регулированием мощность отдаваемая в нагрузку: , где UН – действующие значение напряжение, зависит от угла управления α.
u
α
α
π
2π
V1
V2
ωt
Uн
От α до π накапливается электромагнитная энергия в индуктивности. Если α < чем угол задержки тока по отношению к напряжению, то подача импульса ничего не меняет в схеме. Чтобы преобразователь работал при малых углах, надо подавать широкие импульсы управления.
Для надежной работы регулятора надо подавать широкие импульсы. Ширина должна быть больше угла отставания. Регулировочная характеристика будет зависеть от характера нагрузки.
Uн/Uс
α
π
π/2
φ
1
L
R