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

Подождите немного. Документ загружается.

6.3.5 Свойства и характеристики двигателей постоянного тока

Свойства и характеристики двигателей постоянного тока зависят от

способа их возбуждения. Различают двигатели независимого, параллель-

ного, последовательного и смешанного возбуждения.

Приложенное к якорной цепи двигателя напряжение

U должно уравно-

вешиваться падением напряжения на суммарном сопротивлении цепи яко-

ря и ЭДС вращения

E, которая имеет место по той же причине, что и в ге-

нераторном режиме работы машины. Благодаря свойству саморегулирова-

ния двигателя ЭДС

Е всегда меньше напряжения U.

Баланс напряжения для цепи якоря:

,rIEU

∑

(6.38)

где

rr =

∑

– суммарное сопротивление цепи якоря.

Заменив в (6.38) ЭДС известным выражением nФcE

, получим

Фc

rIU

∑

−

= (6.39)

Выражение (6.39) указывает на принципиальные возможности регулиро-

вания частоты вращения двигателей постоянного тока независимо от их типа.

Эти возможности сводятся к изменению суммарного потока возбуждения

или подводимого к якорной цепи напряжения

U. При малых нагрузках или на

холостом ходе можно считать частоту вращения обратно пропорциональной

потоку возбуждения. Поэтому чрезвычайно опасен обрыв цепи обмотки воз-

буждения двигателей. В этом случае за счет небольшого остаточного потока

возбуждения двигатель развивает большую частоту вращения и по условиям

механической прочности может выйти из строя.

По выражению (6.39) строятся электромеханические характеристики

n(I

), показывающие зависимость частоты вращения якоря от тока якоря

при различных условиях.

Уравнение механической характеристики

n(M) можно получить из урав-

нения электромеханической характеристики, если выразить ток якоря

через вращающий момент:

.ФcMI

Тогда

Фсс

Фc

rIU

ме

яя

−=−=

−

(6.40)

где

– частота вращения при идеальном холостом ходе, соответствую-

щая отсутствию момента нагрузки двигателя. Поскольку в установившихся

режимах вращающий момент двигателя равен моменту нагрузки, то и вра-

щающий момент двигателя при идеальном холостом ходе равен нулю.

Для изменения направления вращения двигателей постоянного тока

необходимо изменить направление тока якоря либо потока возбуждения.

Схема включения двигателя независимого возбуждения показана на рис. 6.31.

Реостат в цепи обмотки возбуждения может быть включен для получе-

ния частоты вращения больше номинальной. При уменьшении тока возбу-

ждения уменьшается поток возбуждения и возрастает частота вращения.

Рис. 6.31

На рис. 6.32 показано семейство теоретических электромеханических

характеристик двигателя независимого возбуждения. Характеристика

построенная при номинальных значениях напряжения якоря, сопротивле-

ния цепи якоря и потока возбуждения, называется естественной.

Если к двигателю приложить момент нагрузки противоположного зна-

ка, который бы подкручивал якорь в сторону увеличения частоты враще-

ния, то двигатель будет вращаться с

nn > и перейдет в генераторный ре-

жим, так как его ЭДС станет больше приложенного напряжения. Переход в

генераторный режим работы будет сопровождаться сменой направления

рег

−

Рис. 6.32

номя

ном

прохождения тока якоря. С физической точки зрения, смена знака момента

двигателя означает, что двигатель работает в режиме торможения.

Характеристики

2 и 3 соответствуют пониженным напряжениям цепи якоря.

На рис. 6.33 представлено семейство электромеханических характери-

стик двигателя, построенных по выражению (6.39) при номинальном на-

пряжении якоря и различных значениях тока возбуждения. Характеристика

3 соответствует наименьшему установленному значению тока возбужде-

ния. Все характеристики выходят из одной точки, соответствующей пуско-

вому току

∑

.пускя

rUI

Ввиду малости сопротивления

∑

r пусковой ток двигателей постоянно-

го тока имеет большое значение, и необходимо применять меры для его

ограничения. Для ограничения пускового тока двигателя включают допол-

нительно в цепь якоря пусковые сопротивления или осуществляют его

пуск при пониженном напряжении.

Рис. 6.34

−

рег

ОВ

w,r

ов

Рис. 6.33

пускя

На рис. 6.34 показана

схема включения двига-

теля последовательного

возбуждения.

Семейство электро-

механических характе-

ристик двигателя после-

довательного возбужде-

ния для различных зна-

чений напряжения якоря

U представлено на рис.

6.35. Характеристика

является естественной, а

характеристики

2 и 3 со-

ответствуют пониженным напряжениям цепи якоря.

Характерной особенностью электромеханических характеристик двига-

теля последовательного возбуждения является отсутствие точки идеально-

го холостого хода, которая теоретически расположена в точке

∞=

При возрастании момента нагрузки возрастают падение напряжения на

суммарном сопротивлении цепи якоря

∑

r и магнитный поток. Это приво-

дит к дополнительному снижению частоты вращения якоря. Характери-

стики двигателя последовательного возбуждения более «мягкие», чем у

двигателей других типов.

Двигатель смешанного возбуждения (рис. 6.36) при работе без нагрузки

имеет последовательную обмотку возбуждения

ПОВ и параллельную об-

мотку

ШОВ.

Рис. 6.36

Рис. 6.35

номя

ном

−

ОВ

рег

ОВ

w,r

ов

За счет обмотки параллельного возбуждения двигатель имеет точку

идеального холостого хода. Последовательная обмотка возбуждения обес-

печивает двигателю свойство увеличивать частоту вращения в области не-

больших значений момента, что весьма важно для подъемных и транс-

портных механизмов.

Семейство электромеханических характеристик двигателя смешанного

возбуждения показано на рис. 6.37. Характеристика

1 является естествен-

ной, а характеристики

2 и 3 соответствуют пониженным напряжениям в

цепи якоря. При расчете характеристик необходимо принимать

,rrr

овя 1

∑

рег

По своим свойствам двигатель смешанного возбуждения занимает

промежуточное положение между двигателем независимого возбуждения

и двигателем последовательного возбуждения.

Анализ свойств двигателей постоянного тока показывает, что они обес-

печивают относительно простыми способами регулирование частоты

вращения. Это основное положительное свойство двигателей постоянного

тока, которое несмотря на сложность конструкции и более высокую стои-

мость обеспечивает им широкое применение и в настоящее время.

Двигатели независимого и параллельного возбуждения имеют «жест-

кие» естественные электромеханические характеристики. Их целесообраз-

но применять в механизмах, требующих постоянной частоты вращения.

Для повышения «жесткости» электромеханических характеристик некото-

рые типы двигателей снабжаются дополнительной последовательной об-

моткой возбуждения, незначительная МДС которой направлена встречно

МДС основной обмотки. Действие дополнительной МДС направлено на

уменьшение потока возбуждения при увеличении тока якоря, а следова-

тельно, на стабилизацию частоты вращения.

Рис. 6.37

номя

ном

Двигатели независимого, параллельного и смешанного возбуждения

обеспечивают как движущий, так и тормозящий момент.

Особенности двигателей последовательного возбуждения были рас-

смотрены ранее. Подчеркнем лишь, что они позволяют большую кратко-

временную перегрузку по моменту. Если допустить, что магнитная систе-

ма двигателя не насыщена, то

кIФIсМ ≈= . На самом деле в момент

пуска двигателя последовательного возбуждения насыщение имеет место,

но тем не менее при равных условиях пусковой момент у него больше,

чем у двигателей других типов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему асинхронный электродвигатель не развивает момент при

скольжении, равном нулю?

2. Какого типа бывают обмотки ротора асинхронного двигателя?

3. Что понимают под критическим моментом асинхронного двигателя?

4. Почему сердечники статора и ротора асинхронного двигателя

изготавливают из тонких листов электротехнической стали?

5. Почему ротор синхронного электродвигателя не может вращаться с

частотой, отличной от частоты вращения поля статора?

6. Каким образом осуществляют пуск синхронного двигателя?

7. В чем проявляется действие реакции якоря синхронной машины?

8. В чем заключаются достоинства и недостатки электрических машин

постоянного тока?

9. Какие способы возбуждения магнитного потока применяются в

машинах постоянного тока?

10. В чем проявляется явление реакции якоря в машинах постоянного

тока?

11. Какое назначение имеет коллектор машины постоянного тока?

12. В чем заключается принцип обратимости машины постоянного тока?

13. При каких условиях возникает генераторный режим работы двига-

теля независимого возбуждения?

14. Что такое геометрическая и физическая нейтрали машины

постоянного тока?

15. Почему двигатель последовательного возбуждения не может рабо-

тать в генераторном режиме?

Глава 7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

7.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость кото-

рых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями

металлов и диэлектриков. Граница между полупроводниками и диэлектри-

ками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести

себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких темпера-

турах ведут себя как диэлектрики. В полупроводниках носители заряда

возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энер-

гии от другого источника.

Типичными полупроводниками являются углерод (C), германий (Ge) и

кремний (Si). Из двуокиси кремния химическим путем получают чистый

кремний – широко используемый полупроводниковый материал.

Рассмотрим образование электронов проводимости в полупроводниках

на примере кремния. В состав его атома входят 14 электронов, 4 из кото-

рых находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо свя-

занными. Эти электроны называются валентными и обуславливают четыре

валентности кремния. Атомы кремния способны объединять свои валент-

ные электроны с другими атомами кремния с помощью так называемой

ковалентной связи (рис. 7.1).

Рис. 7.1

При ковалентной связи валентные электроны являются общими для

различных атомов, что приводит к образованию кристалла. Повышение

температуры кристалла приводит к увеличению тепловых колебаний ре-

Si Si

шетки и к разрыву некоторых валентных связей. Вследствие этого часть

электронов, находившихся ранее в валентных связях, освобождается и ста-

новится электронами проводимости. При наличии электрического поля

они перемещаются против поля и образуют электрический ток.

При освобождении электрона в кристаллической решетке образуется

незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующи-

ми электронами получили название «дырок». Возникновение дырок в кри-

сталле полупроводника создает дополнительную возможность для перено-

са заряда. Действительно, дырка может быть заполнена электроном, пере-

шедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В резуль-

тате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но в другом

месте появится дырка. В эту новую дырку, в свою очередь, может перейти

какой-либо из других электронов связи и т.д. Последовательное заполне-

ние свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в на-

правлении, противоположном движению электронов, что равноценно пе-

ремещению положительного заряда. Следовательно, в полупроводнике

имеются два типа носителей тока – электроны и дырки, а общая проводи-

мость полупроводника является суммой электронной проводимости (n-

типа) и дырочной проводимости (p-типа).

Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное,

существуют обратные переходы, при которых электрон проводимости

улавливается на одно из свободных мест электронов связи. Этот процесс

называют рекомбинацией электрона и дырки. В равновесном состоянии

устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентра-

ция дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу

времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупроводниках на-

зывается собственной проводимостью. В отличие от металлов, собствен-

ная проводимость в полупроводниках быстро возрастает с повышением

температуры.

Чистые полупроводники в полупроводниковых приборах не применя-

ются и имеют только теоретический интерес, а основные разработки по-

лупроводников связаны с введением примесей в чистые материалы. Вве-

дение примесей обеспечивает одностороннюю проводимость полупровод-

никовым материалам. Без этих примесей в электронике не существовало

бы большинства полупроводниковых приборов.

Для увеличения проводимости чистых материалов используется леги-

рование – добавление примесей. Используются два типа примесей. Приме-

си первого типа – пятивалентные – состоят из атомов с пятью валентными

электронами (например, мышьяк и сурьма). Примеси второго типа – трех-

валентные – состоят из атомов с тремя валентными электронами (напри-

мер, индий и галлий).

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалент-

ным материалом, таким как мышьяк (As), то некоторые атомы полупро-

водника замещаются атомами мышьяка (рис. 7.2). Атом мышьяка вводит

четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними ато-

мами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать сво-

бодным. Атом мышьяка называется донорским, поскольку он отдает свой

лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале нахо-

дится достаточное количество донорских атомов, а следовательно, и сво-

бодных электронов для поддержания тока.

При комнатной тем-

пературе количество до-

полнительных свобод-

ных электронов превы-

шает количество элек-

тронно-дырочных пар.

Это означает, что в ма-

териале больше электро-

нов, чем дырок. Поэтому

электроны называют ос-

новными носителями.

Дырки называют неос-

новными носителями.

Поскольку основные но-

сители имеют отрица-

тельный заряд, такой ма-

териал называется полу-

проводником n-типа.

Когда полупровод-

никовый материал леги-

рован трехвалентными

атомами, например ато-

мами индия (In), то эти

атомы разместят свои

три валентных электрона

среди трех соседних атомов (рис. 7.3). Это создаст в ковалентной связи

дырку.

Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфо-

вать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают

электроны, то атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные

дырки, называются акцепторными.

При обычных условиях количество дырок в таком материале значи-

тельно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются

основными носителями, а электроны – неосновными. Поскольку основные

GeGe

Ge Ge

Рис. 7.2

носители имеют положительный заряд, материал называется полупровод-

ником р-типа.

Полупроводниковые материалы n- и р-типов имеют значительно более

высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость

может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества при-

месей.

Рис. 7.3

Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его

электрическое сопротивление.

Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости

называется p-n-переходом и обладает очень важным свойством – его со-

противление зависит от направления тока. Такой контакт нельзя получить,

прижимая друг к другу два полупроводника. p-n-переход создается в одной

пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными

типами проводимости.

Итак, в монокристаллической полупроводниковой пластине между

двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n-переход.

На пластине имеет место значительный перепад концентраций носителей

зарядов. Концентрация электронов в n-области во много раз больше их

концентрации в р-области. Вследствие этого электроны диффундируют в

область их низкой концентрации (в р-область). Здесь они рекомбинируют с

дырками и таким путем создают пространственный отрицательный заряд

⊕

Дырка