Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II

Подождите немного. Документ загружается.

А.П. Зайцев

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

И ЭЛЕКТРОНИКА

Часть II

Учебное пособие

СТ2 ЦАП

.....

СГ

ЦАП

ЗАД

КН2

КН1

−

ТОМСК – 2002

Томский межвузовский центр

дистанционного образования

Корректор: Красовская Е.Н.

Зайцев А.П.

Общая электротехника и электроника: Учебное пособие: В 2-х ч. - Томск: Том-

ский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. - Часть II. - 178

с.

дистанционного образования, 2002

СОДЕРЖАНИЕ

Глава 6. Электрические машины…………………………………..……..

6.1 Асинхронные двигатели………………………………………..…..…...

6.1.1 Устройство трехфазного асинхронного двигателя………………..

6.1.2 Принцип действия асинхронного двигателя………………………

6.1.3 ЭДС статорной и роторной обмоток…………………………….…

6.1.4 Токи статора и ротора асинхронного двигателя…………………..

6.1.5 Векторная диаграмма и схема замещения асинхронного

двигателя……………………………………………………………..

6.1.6 Момент и механическая характеристика асинхронного

двигателя…………………………………………………………….

6.1.7 Двухфазные асинхронные двигатели……………………………...

6.2 Синхронные машины……………………………………………………

6.2.1 Устройство синхронной машины…………………………………..

6.2.2 Генераторный режим синхронных машин………………………..

6.2.3 Двигательный режим синхронных машин………………………..

6.3 Машины постоянного тока………………..……………………………

6.3.1 Назначение и устройство машин постоянного тока………………

6.3.2 ЭДС и электромагнитный момент машин постоянного тока…….

6.3.3 Реакция якоря в машинах постоянного тока………………………

6.3.4 Свойства генератора независимого возбуждения…………………

6.3.5 Свойства и характеристики двигателей постоянного тока……….

Глава 7. Полупроводниковые приборы………………………..…………

7.1 Общие сведения о полупроводниках…………………………..…..…..

7.2 Биполярные транзисторы………………………………………....…….

7.3 Полевые транзисторы………………………………………..…..……...

7.4 Тиристоры…………………………………………………..…..…….…

7.5 Оптоэлектронные приборы…………………………………..………..

7.5.1 Основные понятия………………………………………………….

7.5.2 Светодиод…………………………………………………………..

7.5.3 Фоторезистор……………………………………………………….

7.5.4 Фотодиод……………………………………………………………

7.5.5 Оптрон………………………………………………………………

Глава 8. Импульсная электроника………………………………..………

8.1 Транзисторные ключи……………………………………………..…….

8.1.1 Ключи на биполярных транзисторах……………………………….

8.1.2 Ненасыщенные ключи на биполярных транзисторах……………..

8.1.3 Аналоговые ключи на биполярных транзисторах………………..

8.1.4 Ключи на полевых транзисторах………………………………….

8.2 Амплитудные ограничители………………….……………………….

8.3 Генераторы прямоугольных импульсов………………………………

8.4 Генераторы линейно изменяющегося напряжения……………….….

Глава 9. Цифровая электроника…………………………………………..

9.1 Системы счисления……………………………………………..……….

9.1.1 Определение цифровых устройств…………………………………

9.1.2 Числа, используемые в цифровой электронике………...………...

9.2 Логические элементы на интегральных микросхемах………………

9.2.1 Общие сведения о логических элементах………………………….

9.2.2 Синтез комбинационных схем……………………………………..

9.3 Триггеры………………………………………………………………..

9.3.1 Тактируемые триггеры……………………………………………...

9.4 Регистры…………………………………………………………..…….

9.5 Двоичные и двоично-кодированные счетчики…………….…….…..

9.6 Мультиплексоры. Демультиплексоры. Дешифраторы………………

9.6.1 Мультиплексоры…………………………………………………….

9.6.2 Демультиплексоры. Дешифраторы и шифраторы……………..…

9.6.3 Синтез комбинационных схем на мультиплексорах……………..

9.7 Сумматоры……………………………………………………………...

9.8 Устройства двоичного умножения…………………………………...

9.9 Сопряжение цифровых и аналоговых устройств…………………….

9.9.1 Операционные усилители и компараторы………………………..

9.9.2 Цифро-аналоговые преобразователи……………………………...

9.9.3 Аналого-цифровые преобразователи……………………………...

9.10 Запоминающие устройства с произвольным доступом……….…...

9.10.1 Оперативные запоминающие устройства………………………..

9.10.2 Постоянные запоминающие устройства………………………….

Литература ……………………………………………………………….

Контрольная работа №3…………………………………………………..

Контрольная работа №4…………………………………………………..

100

105

108

112

118

124

133

136

140

142

150

154

157

159

167

172

176

177

178

Глава 6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

6.1 АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

6.1.1 Устройство трехфазного асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель представляет собой устройство, преобразую-

щее электрическую энергию в механическую энергию вращательного

движения.

Простота конструкции, низкая стоимость, высокая надежность обеспе-

чили широкое применение трехфазных асинхронных двигателей в про-

мышленности и других областях человеческой деятельности.

Асинхронные двигатели в основном бывают трехфазными, двухфазны-

ми и однофазными. На рис. 6.1 показан внешний вид двигателя общего на-

значения и исполнительного двигателя.

Рис. 6.1

На рис. 6.2 схематически представлено устройство трехфазного асин-

хронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Конструктивно двига-

тель состоит из неподвижной части (статора) и вращающегося ротора.

Статор предназначен для создания вращающегося магнитного поля при

подключении трехфазной обмотки статора к трехфазному источнику на-

пряжения.

Статор состоит из чугунного, стального или алюминиевого корпуса, в

который вмонтирован шихтованный из тонких стальных пластин сердеч-

ник. На внутренней стороне сердечника имеются пазы, в которых распола-

гаются секции трех статорных обмоток.

Ротор представляет собой цилиндрический шихтованный стальной сер-

дечник, в пазы которого методом горячей заливки помещается коротко-

замкнутая обмотка типа «беличья клетка» из алюминия или меди.

Шихтовка сердечников статора и ротора из покрытых электроизоляци-

онным лаком тонких пластин (толщиной 0,35–0,5 мм) производится с це-

лью снижения потерь в электротехнической стали от вихревых токов.

Между вращающимся ротором и неподвижным статором имеет место

воздушный зазор небольшой величины.

Обмотка статора выполняется из изолированного медного провода. Для

изоляции секций обмотки от сердечника применяются электроизоляцион-

ный картон, слюда, стекловолокно, лавсан и др.

Рис. 6.2

Обмотка статора состоит из трех отдельных обмоток, называемых фа-

зами. Фазы между собой могут быть соединены на отдельном клеммном

щитке звездой или треугольником. Начала обмоток обозначают A, B, C, а

концы – X, Y, Z соответственно.

В зависимости от соединения обмоток один и тот же двигатель может

быть подключен на напряжение U (cоединение звездой) или на напряже-

ние

3U (соединение треугольником).

Обмотки ротора бывают двух типов – короткозамкнутые и фазные. Ис-

полнение двигателя с фазными обмотками вращающегося ротора требует

наличия на валу трех контактных колец и трех контактных металлогра-

фитных щеток. К контактным кольцам подключаются резисторы для

улучшения пусковых и регулировочных характеристик.

Расположение проводников одной фазы обмотки статора в пазах услов-

но показано на развернутом сердечнике статора двухполюсного двигателя

(рис. 6.3). Обмотка состоит из трех секций, а каждая секция представлена

тремя витками. Все витки секции располагаются в одном пазу.

Две другие фазные обмотки имеют одинаковые параметры с первой об-

моткой и располагаются на сердечнике статора со сдвигом на треть длины

внутренней окружности статора (со сдвигом на 120

Рис. 6.3

Фазную обмотку ротора, если она имеется, выполняют так же, как и об-

мотку статора, и соединяют всегда звездой. Начала фаз обмотки пайкой со-

единяют с контактными кольцами, которые изолированы как друг от друга,

так и от вала. К кольцам примыкают три щетки с токоотводами. Щетки

вставляются в щеткодержатели, закрепленные неподвижно на корпусе.

Для охлаждения двигателя ротор снабжается крыльчаткой.

6.1.2 Принцип действия асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании

вращающегося магнитного поля обмоток статора (см. главу 3). При враще-

нии магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора, в результате

чего в них наводится переменная ЭДС

где В – магнитная индук-

ция, l – длина проводника, v – линейная скорость перемещения проводника

относительно нормальной составляющей индукции. В замкнутой обмотке

ротора ЭДС вызывает появление тока. При взаимодействии тока ротора с

вращающимся магнитным полем на проводник, согласно закону Ампера,

действует сила

направление которой определяется по правилу ле-

вой руки. Под действием силы возникает момент, приводящий во враще-

ние ротор двигателя в направлении вращения магнитного поля. Скорость

вращения ротора

n в двигательном режиме меньше скорости вращения по-

ля

. При

nn =

поле обмоток статора не пересекало бы проводники ро-

тора, и следовательно, момент двигателя равнялся бы нулю. Разность меж-

Секция

Паз

Виток

ду скоростью вращения поля обмоток статора и скоростью вращения рото-

ра, отнесенная к скорости вращения поля обмоток статора, называется

скольжением

s. Скольжение обычно выражают в процентах:

s 100

⋅

−

= (6.1)

Скольжение при работе двигателя под нагрузкой составляет 3…5%.

6.1.3 ЭДС статорной и роторной обмоток

Магнитная индукция распределена вдоль воздушного зазора асинхронно-

го двигателя синусоидально в фиксированный момент времени (рис. 6.4).

Вращающееся маг-

нитное поле пересекает

не только проводники

обмотки ротора, но и

проводники обмотки

статора. В проводни-

ках обмотки статора

поле индуктирует гар-

моническую ЭДС

Среднее значение ЭДС в одном витке

ср

′

опреде-

лятся согласно закону электромагнитной индукции:

,lvBE

срср 0

′

(6.2)

где

cр

B – среднее значение магнитной индукции вращающегося магнит-

ного поля, l – длина проводников обмотки статора,

v – линейная ско-

рость движения магнитного поля относительно неподвижных проводников

обмотки статора.

Линейная скорость движения магнитного поля

= (6.3)

где D – внутренний диаметр сердечника статора, pfn

– скорость

вращения магнитного поля,

f – частота напряжения на обмотке статора,

р – число пар полюсов обмотки статора.

Из совместного рассмотрения (6.2) и (6.3) получим

Рис 64

,Фf

lBE

срср 1

2 =⋅=

′

(6.4)

где

Фp/DlB

ср

– магнитный поток одного полюса.

Выразив

ср

′

через амплитудное значение (

mср

′

), а амплитудное

значение

′

через действующее значение ( EE

′

2), с учетом (6.4) по-

лучим

,Фf

ср

′

откуда

.Фf,ФfE

4444

′

Если бы оси всех секций фазы совпадали, то ЭДС обмотки была бы:

Фwf,wEE

1111

444=

′

, где

– число витков обмотки фазы. Полученное

выражение идентично выражению для трансформатора.

Но так как обмотка фазы статора состоит из сдвинутых в пространстве

на определенный угол нескольких секций, то ЭДС в каждой секции сдви-

нуты во времени на этот же угол, а результирующая ЭДС будет равна гео-

метрической сумме ЭДС секций. Она меньше арифметической суммы. По-

этому в предыдущую формулу надо ввести поправочный коэффициент

k , который называется обмоточным коэффициентом. Следовательно

.Фkwf,E

01111

444

(6.5)

Из уравнения для цепи статора следует:

,xIjrIEU

111111

&&&&

++−= (6.6)

где

x,r

– параметры обмотки статора,

– приложенное к обмотке ста-

тора напряжение.

Мгновенное значение ЭДС в одном витке обмотки ротора зависит от

относительной скорости вращения поля и ротора:

),tsin(EtcosФ

)tsinФ(d

dФ

2222

ωωω

−==−=−=

где

ФE

= – амплитудное значение ЭДС одного витка роторной об-

мотки, .sf

122

Действующее значение ЭДС в фазе роторной обмотки

,wsfФk,wФfk,E

s 210222022

444444

= (6.7)

где

k – обмоточный коэффициент роторной обмотки,

w – число вит-

ков обмотки фазы.

ЭДС ротора зависит от скольжения и имеет максимальное значение

при 1=

, когда ротор неподвижен:

,sEE

s 22

(6.8)

где

.wФfk,E

21022

444= При ;EE,sn

s22

при ,snn 0

.E 0

Коэффициент трансформации асинхронного двигателя определяется

отношением ЭДС статора к ЭДС неподвижного ротора:

202

101

== (6.9)

Для двигателей с фазным ротором

0201

и выражение (6.9) прини-

мает вид, аналогичный соответствующему коэффициенту для трансформа-

тора:

Ток обмотки статора создает вращающийся магнитный поток, основная

часть которого Ф сцеплена с обмотками статора и ротора, а небольшая

часть его

1р

Ф – только с обмоткой статора. Поток

1р

Ф , замыкающийся в

основном по воздуху, называется потоком рассеяния. Он наводит в статор-

ной обмотке ЭДС самоиндукции

.kf,E

рр 01111

444

С целью упрощения расчетов ЭДС выражают через ток обмотки и ин-

дуктивное сопротивление: