Мухин В.И. Электротехника с основами электроники. Учебное пособие. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

191

Вт 25604,080rIР

яня

=⋅=⋅=∆

; (8.27)

Потери мощности в обмотке возбуждения

Вт 4601152rIР

вв

=⋅=⋅=∆

; (8.28)

Остальные потери:

Вт 7801018

100

33,4

РР

мехм

=⋅⋅=∆+∆

; (8.29)

Суммарные потери при номинальной нагрузке:

;кВт 8,3Вт 3800

7804602560РРРРР

мехмвян

=++=∆+∆+∆+∆=∆

∑

(8.30)

Механическая мощность на валу при номинальной нагрузке:

кВт8,218,318РРР

ннн.мех

=+=∆+=

∑

;

Номинальный КПД:

% 5,85

8,21

100

мех

=⋅=⋅=η

8.3.4. Работа машины постоянного тока в режиме

двигателя [7]

Электрические машины постоянного и переменного тока об-

ратимы, т.е. они могут работать в качестве генератора и в качестве

двигателя. Переход генератора в режим двигателя можно объяснить

следующим образом.

Если включить машину в сеть постоянного тока, то в обмотках

якоря и электромагнитов установится ток. При этом электромагниты

создадут постоянное магнитное поле и на проводники якоря будут дей-

ствовать силы взаимодействия, которые приведут якорь во вращение.

Применяя правило левой руки можно убедиться, что при изме-

нении направления только в якоре (рис.8.20,а) и только в обмотке воз-

буждения (рис.8.20,б) направление вращения изменится на противопо-

ложное, а при одновременном изменении направления тока в обоих об-

мотках, направление вращения не изменится.

Рис.8.20

192

Рассмотрим некоторые особенности режима двигателя. Если

двигатель с сопротивлением обмотки якоря R

включить в сеть с напря-

жением U, то в момент пуска в якоре установится пусковой ток I

.RUI

яп

(8.32)

Этот ток при малом сопротивлении R

может превышать но-

минальный ток в (10–30) раз. Это может привести к разрушению коллекто-

ра или может сгореть обмотка якоря двигателя. Ограничение пускового тока

можно осуществить включением пускового реостата в цепь якоря, тогда:

()

.RRUI

пяп

+= (8.33)

Величину R

выбирают так, чтобы пусковой ток не превышал

боле чем в 1,5 раза номинальный ток.

В результате взаимодействия якоря с магнитным полем якорь

придет во вращение и в нем будет индуцироваться ЭДС самоиндукции

Е, полярность которой противоположна полярности напряжения сети.

Величина Е = СnФ. По мере разгона двигателя ток будет уменьшаться,

поэтому пусковой реостат можно вывести до нуля. При этом ток якоря

будет равен:

()

.RЕUI

яя

−= (8.34)

Для цепи якоря, в соответствии со вторым законом Кирхгофа

напряжение:

фяяя

RIcnФRIEU +=⋅+=

, (8.35)

Поэтому:

()()

.сФRIn

яя

−= v

(8.36)

Из формулы видно, что скорость вращения двигателя пропор-

циональна подводимому напряжению и обратно пропорциональна маг-

нитному потоку Ф. Регулировка скорости также зависит от изменения

сопротивления в цепи якоря.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения

к якорю двигатели различают: на независимого, параллельного, после-

довательного и смешанного возбуждения.

Двигатели параллельного и независимого возбуждения.

Схема включения двигателя постоянного тока с параллельным

возбуждением изображена на рис.8.21. Если обмотку возбуждения (ОВ)

такого двигателя включить через реостат R

к напряжению другого ис-

точника, то получится двигатель независимого возбуждения.

В двигателях постоянного тока также, так и в асинхронных дви-

гателях, номинальный момент на валу рассчитывают по формуле:

193

[]

мН

мин/обn

]кВт[Р

9550М

⋅= . (8.37)

Механическую характеристику строят

по двум точкам. Одна точка соответствует но-

минальному режиму, а вторую точку определя-

ют для условия холостого хода двигателя. Как

следует из анализа момент на валу М = С⋅Ф⋅I

Когда ЭДС самоиндукции

,ФсnUЕ

н 0

== то мо-

мент будет равен нулю. Отсюда следует:

сФ

, где n

– число оборотов якоря в ре-

жиме, когда М = 0. На основании второго закона Кирхгофа для якорной

цепи:

,ФсnRIU

няянн

=⋅−

где

яянн

RIU

сФ

⋅−

. Значит:

яяннн

RIU

⋅−

, и

яянн

н0

RIn

⋅−

⋅=

. (8.37)

Таким образом, по двум точкам 1 и 2 можно построить механи-

ческую характеристику, представленную на рис.8.22.

Регулирование скорости.

Один из возможных вариантов регулирования скорости враще-

ния за счет включения сопротивления в якорную цепь. Используя выра-

жение: М = К⋅Ф⋅I

, (где К – конструктивный параметр данной машины)

и что обороты

⋅−

RIU

яя

, (8.39)

получим:

()

(

)

(

)

сkФRМсUn −ϕ⋅=

. (8.40)

При включении добавочно-

го сопротивления R

доб

получим:

сkФ

Мnn

дя

−=

. (8.41)

На основе этого уравнения

построим механическую характери-

стику 2, которую называют реостат-

Рис.8.21

Рис.8.22

194

ной. Механическую характеристику без добавочного сопротивления в

цепи якоря называют естественной механической характеристикой (1)

рис.8.23. Регулирование скорости можно выполнить с помощью регули-

ровочного реостата, включаемого в цепь возбуждения. При номиналь-

ном магнитном потоке

обороты:

сkФ

сФ

n −=

. (8.42)

Номинальный магнитный

поток соответствует работе двигате-

ля при номинальном напряжении

Uн, номинальной нагрузке М

и но-

минальной скорости n

При увеличении нагрузки

обороты уменьшаются и характери-

стика 2 (рис 8.23) пойдет круче, чем

естественная (1).

Двигатель последовательного возбуждения.

Схема включения двигателя постоянного тока последовательного

возбуждения показана на рис. 8.24. Обмотка возбуждения двигателя

включена последовательно с якорем, поэтому магнитный поток двигате-

ля изменяется вместе с изменением нагрузки. Обмотка возбуждения (ОВ)

имеет небольшое число витков. Скоростную характеристику

)I(Fn

можно построить на основе уравнения

()

cФ

RRIU

вяя

+−

(8.43)

где R

– сопротивление обмотки возбуждения.

Из рис. 8.25 следует, что при увеличении

нагрузки растет потребляемый ток I

и одновремен-

но растет магнитный поток, приводящий к значи-

тельному снижению оборотов. Но при нагрузке

меньше 25% от номинальной магнитный поток ста-

новится слабым, что может привести к резкому воз-

растанию оборотов. Поэтому такие двигатели применяют в устройствах,

где механизм нагрузки имеет зубчатую передачу, а не приводной ремень,

который может соскочить и двигатель при этом полностью разгрузится

и пойдет в «разнос».

Рис.8.23

Рис.8.24

195

Вращающий момент у двигателя

последовательного возбуждения :

.IсIIсФIсМ

я1яв1я

=⋅⋅=

′

(8.44)

Эта характеристика имеет форму ветви

параболы, что является его второй особен-

ностью, благодаря чему эти двигатели лег-

ко переносят большие кратковременные

перегрузки, развивая большой пусковой

момент. Такие двигатели оказались неза-

менимыми на электротранспорте (трам-

вай, метро, троллейбус и т.д.).

Двигатель смешанного возбуждения.

Схема включения двигателя постоянного тока смешанного воз-

буждения изображена на рис. 8.26. На каждом полюсе такого двигателя

имеются обмотки – параллельная и последовательная. Обмотки можно

включить согласно (при этом их магнитные потоки

складываются) или встречно (при этом их потоки

вычитаются). Уравнения скорости вращения и мо-

мент вращения для них выражаются формулами:

()

послпар

яя

ФФc

RIU

−

, (8.45)

(

)

послпаря

ФФсIМ ±=

, (8.46)

где знак “плюс” относится к согласному включе-

нию обмоток возбуждения, “минус” – к встречно-

му. Используя различные комбинации включения

обмоток, есть большие возможности получения

различных характеристик.

Коллекторные двигатели переменного тока.

Одновременное изменение тока в якоре и обмотках возбужде-

ния двигателя постоянного тока не изменит направления его вращения.

Это свойство используется в коллекторных двигателях переменного тока,

где ток с частотой сети одновременно изменяет свое направление в обе-

их обмотках. Конструкция таких двигателей значительно сложнее, чем

двигателей постоянного тока. Всю магнитную систему набирают из от-

дельных изолированных листов электротехнической стали. Для умень-

шения реактивного сопротивления двигателя, ухудшающего cosϕ сети,

Рис.8.25

Рис.8.26

196

станину снабжают компенсационной обмоткой, расположенной равно-

мерно по окружности статора и соединенной последовательно с якорем.

Почти все коллекторные двигатели переменного тока имеют пос-

ледовательное возбуждение.

Иногда встречаются маломощные, так называемые универсаль-

ные двигатели, которые работают как от постоянного, так и от перемен-

ного тока. Широкое распространение получили маломощные двигатели

до 200 Вт, универсальные коллекторные двигатели последовательного

возбуждения. Их применяют для нужд бытового электропривода (швей-

ных машин, пылесосов, вентиляторов, электродрелей и т.д.)

Пример: Двигатель постоянного тока с параллельным возбуж-

дением имеет следующие данные: Р

= 25 кВт; U

= 110 В;

= 1000 об/мин; r

= 0,04 Ом; r

= 27,5 Ом; η

= 0,85. Определить номи-

нальные токи I

, I

ян

, I

вн

, пусковой ток при отсутствии пускового реоста-

та. Найти сопротивление пускового реостата для ограничения пусково-

го тока до величины I

я пуск

= 1,5 I

ян

Определить потери мощности ∆Р

, ∆Р

+∆Р

макс

, а также мо-

мент на валу двигателя М

при номинальной нагрузке.

Решение:

Номинальная электрическая мощность:

кВт 4,29

85,0

эн

; (8.47)

Номинальный ток двигателя:

эн

267

110

10429

⋅

; (8.48)

Номинальный ток возбуждения:

А 4

5,27

110

вн

===

; (8.49)

Номинальный ток якоря:

А 2634267III

вннян

=−=−=

; (8.50)

Ток якоря в момент пуска при n=0:

2750

040

110

===

; (8.51)

Сопротивление пускового реостата находим из выражения:

197

А ,I,

r,rr

н я

яяд

пуск я

3942635151

040

110

=⋅==

; (8.52)

Ом24,004,0

394

110

ïóñê

=−=−=

. (8.53)

Потери мощности в обмотке якоря при номинальной нагрузке:

Вт 277004,0263rIР

янян

=⋅=⋅=∆

; (8.54)

Потери мощности в обмотке возбуждения при номинальной на-

грузке:

Вт 4405,274rIР

внвн

=⋅=⋅=∆

; (8.55)

Общие потери в двигателе при номинальной нагрузке:

Вт 44002500029400РРР

нэн

=−=−=∆

∑

; (8.56)

Магнитные и механические потери:

Вт119044027704400РРРРР

внянмехм

=−−=∆−∆−∆=∆+∆

∑

; (8.57)

Момент на валу при номинальной нагрузке:

м.Н

⋅=

⋅

= 240

1000

955025

9550

(8.58)

9. Основы электроники

9.1. Общие сведения о полупроводниковых

элементах

Электроника – область науки и техники, изучающая физи-

ческие явления в полупроводниковых, электровакуумных приборах

и их применение.

В настоящее время в электронных приборах широко использу-

ются полупроводниковые элементы, обладающие высокой надежностью

в работе, экономичные в потреблении энергии, имеющие малую массу,

высокий КПД и большой срок службы. Работа полупроводниковых эле-

ментов основана на использовании электрических свойств материалов,

называемых полупроводниками. По электропроводности полупроводни-

ки занимают промежуточное положение между металлами и диэлектри-

ками. Удельное сопротивление полупроводников при комнатной темпе-

ратуре находится в пределах (10

-3

÷10

)

Ом⋅см.

198

Для изготовления полупроводниковых приборов используют эле-

менты IV группы периодической системы Менделеева кремний, герма-

ний, а также селен, арсенид галлия и др. При температуре абсолютного

нуля эти материалы являются диэлектриками. Между атомами вещества

существуют ковалентные связи. Свободных электронов нет. При повы-

шении температуры или другой определенной энергии электроны

вырываются из связи кристаллической решетки и становятся сво-

бодными, а освободившееся место в решетке приобретает положи-

тельный заряд, равный заряду электрона. Это вакантное для элект-

рона место получило название “дырки”. Наряду с генерацией носите-

лей заряда, при их хаотическом движении, происходит процесс реком-

бинации - воссоединение пары носителей заряда при встрече свободно-

го электрона с дыркой. Устанавливается динамическое равновесие меж-

ду количеством возникших и исчезающих пар и при неизменной темпе-

ратуре общее количество свободных носителей заряда остается посто-

янным. Если приложить внешнее электрическое поле, движение свобод-

ных носителей упорядочивается. Электроны и дырки движутся во вза-

имно противоположных направлениях вдоль силовой линии поля.

Электропроводность чистого полупроводника называется соб-

ственной. При обычных температурах количество свободных носителей

невелико, (10

÷10

) в 1 см

вещества. Такой полупроводник по своим

свойствам приближается к диэлектрикам.

Электрические свойства полупроводников существенно изменя-

ются при введении в них определенных примесей из элементов III и V

групп периодической системы Менделеева. Введение в кремний в каче-

стве примесей атомов мышьяка (элемент V группы) создает избыток сво-

бодных электронов за счет пятого валентного электрона на внешней обо-

лочке атомов примеси. Удельное сопротивление такого полупроводника

значительно уменьшается и в нем будет преобладать электронная прово-

димость, а сам полупроводник называют полупроводник “n”-типа. Но-

сители заряда, концентрация которых выше, называют основными (в дан-

ном случае электроны), а с меньшей концентрацией (дырки) – неоснов-

ными.

Введение атомов примеси III группы, например, индия, создает

дырочную электропроводность, в результате чего образуется полупро-

водник типа «р». Здесь дырки – основные носители заряда, а электро-

ны – неосновные.

199

В одном кристалле можно получить зоны различной прово-

димости. Область их соприкосновения называется электронно-ды-

рочным переходом или p-n-переходом. На основе полупроводников раз-

личной проводимости создают полупроводниковые диоды, транзис-

торы, тиристоры, резисторы, варисторы (их сопротивление зависит

от приложенного к ним напряжения), термисторы (сопротивление за-

висит от температуры), фоторезисторы (их параметры зависят от осве-

щенности), тензорезисторы (параметры зависят от деформации этих эле-

ментов), магниторезисторы – величина сопротивления которых зави-

сит от магнитного поля, в среде которых находится этот элемент.

На границе раздела полупроводников различной проводимости

происходит рекомбинация электронов и дырок, т. е. свободные электро-

ны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в ва-

лентной зоне полупроводника р-типа. В результате, на границе двух по-

лупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заря-

да, и потому он обладает высоким электрическим сопротивлением, при

этом, полупроводник “n”-типа приобретает положительный заряд, а по-

лупроводник “р”-типа – отрицательный.

Таким образом, на р-n-пере-

ходе создается потенциальный ба-

рьер, препятствующий прохожде-

нию через него основных носите-

лей, рис. 9.1(а,б), где d – ширина р-

n-перехода.

Если подключить внешний

источник плюсом к “р”-слою, мину-

сом к “n”, то на р-n-переходе будет

действовать электрическое поле за

счет напряжения внешнего источни-

ка

вн

, которое скомпенси-

рует внутреннее электрическое поле

и в цепи пойдет прямой ток. При подключении внешнего источника

противоположной полярности, основные носители будут притянуты к

внешнему источнику питания и при этом зона границы раздела «d» рас-

ширится. Напряженность на р-n-переходе от внешнего источника будет

действовать в одном направлении с внутренним полем. В результате, по-

Рис.9.1

200

тенциальный барьер на р-n-переходе

возрастет, полное сопротивление цепи

будет очень большим, ток в цепи будет

близким к нулю.

Величина тока будет опреде-

ляться только неосновными носителя-

ми полупроводникового элемента. Это

свойство односторонней проводимости

диода используется в электронике для

выпрямления переменного тока в по-

стоянный, для формирования импуль-

сов, в диодных матрицах дешифрато-

ров, в ограничителях сигналов и т. д.

На рис. 9.2 приведены вольт-

амперные характеристики диода

(ВАХ) при двух различных температурах: t°C = 20° и t°С = 50°. Следует

обратить внимание, что обратный ток диода во много раз меньше прямого

тока. Потому, для маломощных диодов он исчисляется в микроамперах.

Характерными параметрами при выборе диодов являются: допус-

тимый прямой ток и допустимое обратное напряжение (U

), превыше-

ние которых приводит к тепловому пробою р-n-перехода и выходу диода

из строя. В зависимости от технологии изготовления диоды подразделяют-

ся на плоскостные и точечные. В точечных диодах используются пластин-

ки из германия или кремния с проводимостью n-типа, толщиной (0,1÷0,6)

мм, площадью (0,5÷1,5 мм

). В пластинку вплавляется заостренная игла из

металла или сплава с содержанием необходимых примесей. В процессе

вплавления иглы, в кристалле и области контакта с иглой образуется слой

р-типа. Такие диоды используют для выпрямления токов высокой частоты.

В плоскостных полупроводниковых диодах p-n-переходы обра-

зуются двумя полупроводниками с различной проводимостью. Площадь

перехода лежит в пределах от сотых долей микрометра до нескольких

квадратных сантиметров (силовые диоды). Благодаря большой площади

переходов прямой ток составляет от единиц до тысяч ампер. Для обеспе-

чения работоспособности германиевого диода его температура не долж-

на превышать (+85°С), Для снижения температуры диодов их размеща-

ют на радиаторах или делается обдув вентилятором.

Разновидностью диодов являются стабилитроны или опорные

диоды. Они широко используются для стабилизации напряжений. Рабо-

Рис.9.2