Общие сведения о биполярном транзисторе. Синхронные двигатели: конструкция, принцип действия. Автоматическое повторное включение. Условные обозначения, применяемые в схемах: стандартизация, способы построения. Оказание первой помощи при переломах.
46
БИЛЕТ №6
6
1 Простейший усилительный каскад: схемы включения транзистора, принцип работы, обратная связь
Усиление электрических сигналов.Классификация и основные характеристики усилителей. Входной и выходной импедансы. Эмиттерный повторитель. Параметрический стабилизатор. Генератор стабильного тока. Резистивно-ёмкостной каскад усилителя. Многокаскадный усилитель. Коррекция частотной характеристики. Избирательные усилители. Обратная связь в усилителях. Влияние обратной связи на основные характеристики усилителей. Усилители постоянного тока, дифференциальный каскад. Усилители мощности с трансформаторной связью и на основе комплиментарных транзисторов.Операционные усилители. Основные схемы включения — инвертирующий, неинвертирующий и дифференциальный усилители. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).
Фазовые и частотные характеристики операционных усилителей. Влияние отрицательной обратной связи на параметры и характеристики операционных усилителей. Операционный усилитель как базовый элемент функциональных устройств. Сумматор, интегратор, дифференциатор, логарифмический усилитель, релаксационный генератор, триггер Шмитта, фазовращатель, компенсационный стабилизатор напряжения.
Общие сведения о биполярном транзисторе, Основные определения
Биполярным транзистором
Режимы работы транзистора
активный режим
Схемы включения биполярного транзистора
с общей
входной цепью является цепь эмиттера, а выходной — цепь коллектора. Схема ОБ в наибольшей мерепроста для анализа, поскольку в ней каждое из внешних напряжений прикладывается к конкретному переходу: напряжение u ЭБ прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение u КБ — к коллекторному. Следует заметить, что падениями напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно меньше сопротивлений переходов. Нетрудно убедиться, что приведенные на рисунке полярности напряжений (u ЭБ <0; u КБ >0) обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора.
Разработка усилителей мощности СВЧ диапазона
... транзисторов VT1 и VT3 в режиме молчания. При увеличении величины резистора R8 коллекторные токи в режиме молчания уменьшается и наоборот. Для возможности линеаризации амплитудной характеристики усилителя ... выходного трансформатора сопротивлений и корректирующих цепей усилителя предназначенного для работы в 50-омном тракте ( = 50 Ом) в составе радиостанции диапазона 140...150 МГц с выходной мощностью ...
В схеме с общим эмиттером
u КЭ = u КБ + u БЭ . Для того, чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо u КБ = u КЭ — u БЭ > 0, что обеспечивается при u КЭ > u БЭ > 0.
В схеме с общим коллектором, Принцип работы биполярного транзистора
Рассмотрим в первом приближении физические процессы, протекающие в транзисторе в активном режиме, и постараемся оценить, каким образом эти процессы позволяют усиливать электрические сигналы.
Для простоты анализа будем использовать плоскую одномерную модель транзистора, представленную на рис. 3.4. Эта модель предполагает, что p-n — переходы транзистора являются
плоскими, и все физические величины в структуре, в частности, концентрации носителей заряда, зависят только от одной продольной координаты x, что соответствует бесконечным поперечным размерам структуры. С учетом того, что в реальной структуре транзистора (см. рис. 3.1) ширина базы значительно меньше поперечных размеров переходов, плоская одномерная модель достаточно хорошо отражает процессы, протекающие в транзисторе. Рассмотрим вначале статическую ситуацию, при которой на переходы транзистора от внешних источников питания подаются постоянные напряжения u ЭБ и u КБ — см. рис. 3.4. Заметим, что приведенный на рисунке транзистор включен по схеме с общей базой. Напряжения u ЭБ <0 и u КБ >0 обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора. Через открытый эмиттерный переход протекают основные носители заряда. Как уже отмечалось в п. 3.1, из-за резкой асимметрии эмиттерного перехода инжекцию через него можно считать односторонней, то есть достаточно рассматривать только поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу — см. рис. 3.4. Этот поток очень сильно зависит от напряжения на эмиттерном переходе u ЭБ , экспоненциально возрастая с увеличением ? u ЭБ ?. Инжектированные в базу электроны оказываются в ней избыточными (неравновесными) неосновными носителями заряда. Вследствие диффузии они движутся через базу к коллекторному переходу, частично рекомбинируя с основными носителями — дырками. Достигнувшие коллекторного перехода электроны экстрагируются полем закрытого коллекторного перехода в коллектор. В связи с тем, что в коллекторном переходе отсутствует потенциальный барьер для электронов,
движущихся из базы в коллектор, этот поток в первом приближении не зависит от напряжения на коллекторном переходе u КБ . Таким образом, в активном режиме всю структуру транзистора от эмиттера до коллектора пронизывает сквозной поток электронов, создающий во внешних цепях эмиттера и коллектора токи i Э и i К , направленные навстречу движению электронов. Важно подчеркнуть, что этот поток электронов и, соответственно, ток коллектора i К , являющийся выходным током транзистора, очень эффективно управляются входным напряжением u ЭБ и не зависят от выходного напряжения u КБ . Эффективное управление выходным током с помощью входного напряжения составляет основу принципа работы биполярного транзистора и позволяет использовать транзистор для усиления электрических сигналов.
Полевые транзисторы и их применение
... напряжения; 7 - амперметр. В 1952 г. Шокли изобрел полевой транзистор с управляющим электродом. Эта конструкция представляла собой обратно смещенный p-n - переход (см. рис. 3). Конструкция полевого транзистора ... сторон. p-n-переход формируется таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Основные носители заряда для данного канала - электроны, определяющие проводимость канала ...
Схема простейшего усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОБ, приведена на рис. 3.5. По сравнению со схемой, приведенной на рис. 3.4, в эмиттерную цепь введен источник переменного напряжения u ЭБ- , а в коллекторную цепь включен нагрузочный резистор R К . Переменное напряжение u ЭБ — наряду с напряжением, подаваемым от источника питания, воздействует на сквозной поток электронов, движущихся из эмиттера в коллектор. В результате этого воздействия коллекторный ток приобретает переменную составляющую i К- , которая благодаря очень высокой эффективности управления может быть значительной даже при очень маленькой величине u ЭБ — При протекании тока коллектора через нагрузочный резистор на нем выделяется напряжение, также имеющее переменную составляющую u КБ- = i К — R К . Это выходное переменное напряжение при достаточно большом сопротивлении R К может значительно превосходить величину входного переменного напряжения u ЭБ — (u КБ — >>u ЭБ- ) . Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОБ, усиливает электрические сигналы по напряжению. Что касается усиления по току, то рассмотренная схема его не обеспечивает, поскольку входной и выходной токи примерно равны друг другу (i Э ? i К ).
Примесная проводимость полупроводниковСобственная проводимость полупроводников обычно невелика из-за малого числа свободных электронов. Но проводимость полупроводников очень сильно зависит от примесей. Именно это свойство сделало проводники тем, чем они являются в современной технике. При наличие примесей в полупроводнике наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная —
примесная проводимость
— Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменить число носителей заряда того или иного знака.Донорные примесиПри добавлении в полупроводник атомов пятивалентных элементов, например мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Четыре валентные электрона участвуют в создании ковалентной связи, а пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называются
донорными примесями
- Поскольку полупроводники, обладающие донорными примесями имеют большее число электронов (по сравнению с числом дырок), их называют полупроводниками n-типа.В полупроводнике n-типа электроны являются
основными носителями заряда
, а дырки —
неосновными
-Акцепторные примесиЕсли в качестве примеси использовать трехвалентный элемент, например индий, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования ковалентных связей атому индия не хватает электрона. В результате образуется дырка. Такого рода примеси называют
акцепторными
— При наличии электрического поля дырки начинают перемещаться, возникает дырочная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками p-типа.Основными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются дырки, а неосновными — электроны.Электрический ток через контакт полупроводников p- и n-типовНаиболее важные свойства полупроводников происходят при контакте полупроводников n- и p-типов. Рассмотрим полупроводник, одна часть которого содержит донорные примеси, и поэтому является полупроводником n-типа, а другая — акцепторные примеси и представляет собой полупроводник p-типа. При включении полупроводника с p-n переходом в электрическую цепь так, чтобы потенциал полупроводника p-типа был положительным, а n-типа — отрицательным. При этом ток через p-n переход будет осуществляться основными носителями: из области n в область p — электронами, а из области p в область n — дырками. Следовательно, проводимость проводника велика. Такой переход называют
прямым
— Вольтамперная характеристика прямого перехода изображена сплошной линией. Если переключить полюсы батареи, то переход через контакт будет осуществляться неосновными зарядами. Следовательно, проводимость будет маленькой. Такой переход называют
обратным
- Вольтамперная характеристика обратного перехода изображена пунктирной линией.Полупроводниковый диод.Полупроводниковый диод — прибор, в котором используется один
p-n
переход. Бывает точечным и плоскостным. Диод — представитель нелинейных проводников.Транзистор.
Транзистор — полупроводниковый прибор, в котором использовано два p-n перехода. Бывает точечным и плоскостным. Их можно использовать для усиления электрических сигналов.
6 —2 Устройство синхронной машины и конструктивные особенности. Принцип действия синхронной машины в режиме двигателя и генератора. V-образные характеристики
Синхронные двигатели. Конструкция, принцип действия
В отличие от асинхронного двигателя частота
В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.
Роторы синхронных машин могут быть явнополюсными (с явновыраженными полюсами) и неявнополюсными (с неявновыраженными полюсами).
На рис. 12.10а изображен сердечник 1 явнополюсного ротора с выступающими полюсами. На полюсах размещены катушки возбуждения 2. На рисунке 12.10б изображен неявнополюсной ротор, представляющий собой ферромагнитный цилиндр 1. На поверхности ротора в осевом направлении фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения 2.
Рис. 12.10
Рассмотрим принцип работы синхронного двигателя на модели (рис. 12.11).
|
Рис. 12.11 |
Вращающееся магнитное поле статора представим в виде магнита 1. Намагниченный ротор изобразим в виде магнита 2. Повернем магнит 1 на угол б. Северный магнитный полюс магнита 1 притянет южный полюс магнита 2, а южный полюс магнита 1 — северный полюс магнита 2. Магнит 2 повернется на такой же угол б. Будем вращать магнит 1. Магнит 2 будет вращаться вместе с магнитом 1, причем частоты вращения обоих магнитов будут одинаковыми, синхронными, n 2 = n1 . |
|
Синхронный двигатель, на роторе которого отсутствует обмотка возбуждения, называется синхронным реактивным двигателем.
Ротор синхронного реактивного двигателя изготавливается из ферромагнитного материала и должен иметь явновыраженные полюсы. Вращающееся магнитное поле статора намагничивает ротор. Явнополюсный ротор имеет неодинаковые магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям полюса. Силовые линии магнитного поля статора изгибаются, стремясь пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением. Деформация магнитного поля вызовет, вследствие упругих свойств силовых линий, реактивный момент, вращающий ротор синхронно с полем статора.
Если к вращающемуся ротору приложить тормозной момент, ось магнитного поля ротора повернется на угол и относительно оси магнитного поля статора.
С увеличением нагрузки этот угол возрастает. Если нагрузка превысит некоторое допустимое значение, двигатель остановится, выпадет из синхронизма.
У синхронных двигателей отсутствует пусковой момент. Это объясняется тем, что электромагнитный вращающий момент, воздействующий на неподвижный ротор, меняет свое направление два раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.
В настоящее время применяется асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка.
Вращающее магнитное поле статора индуктирует в короткозамкнутой пусковой обмотке вихревые токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем статора образуется асинхронный электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения статорного поля, двигатель втягивается в синхронизм и вращается с синхронной скоростью. Короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.
Синхронные двигатели
В синхронном двигателе (СД) ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля, т.е. д =Ф или S=0. Механическая характеристика СД горизонтальна (=).
СД практически не используются в САР, т. к. регулирование скорости возможно только частотным методом. Кроме того, многие СД не имеют собственного пускового момента.
Обмотки статора СД создают вращающееся магнитное поле и по конструкции принципиально не отличаются от таковых в АСД. В зависимости от конструкции ротора, устройство и материал которого в значительной мере определяют природу возникновения электромагнитного момента и рабочие характеристики, СД подразделяются на три типа: с активным ротором (постоянными магнитами); реактивные; гистерезисные. Особую группу составляют двигатели дискретного действия — шаговые двигатели, которые в силу слежения ротора за магнитным полем следует отнести к синхронным двигателям.
Синхронные двигатели с активным ротором
Ротор таких СД состоит из двух основных частей: а) постоянных магнитов, создающих магнитный поток возбуждения ротора и обеспечивающих возникновение электромагнитного момента в синхронном режиме; б) короткозамкнутой обмотки типа «беличья клетка», обеспечивающей возникновение электромагнитного момента в процессе асинхронного пуска.
Электромагнитный момент создается в результате взаимодействия вращающегося поля статора с полем возбуждения ротора, которые вращаются с одинаковой скоростью.
Электромагнитный момент СД в синхронном режиме в случае симметричной магнитной цепи и при незначительном активном сопротивлении обмотки статора определяется уравнением, известным из общей теории синхронных машин активного типа [2]:
(3.1)
где m — число фаз статора; U — фазное напряжение на обмотке статора; E о — э.д.с., наводимая магнитным потоком ротора в обмотке фазы статора; с — синхронная угловая скорость; Xс — индуктивное сопротивление обмотки статора; — сдвиг по фазе между векторами U и Eо .
Угол в синхронном режиме зависит от момента нагрузки на валу двигателя. Угловая характеристика, соответствующая уравнению (3.1), изображена на рис. 3.1. сплошной линией.
В реальных СД с постоянными магнитами магнитная система несимметрична. Активное сопротивление обмотки статора СД небольшой мощности, обычно используемых в САУ, соизмеримо с индуктивными сопротивлениями. Поэтому существенная часть потребляемой мощности теряется на активном сопротивлении обмотки статора.
Оба указанных фактора влияют на значение электромагнитного момента M с и его зависимость от угла . Эта зависимость приведена на рис. 3.1. пунктиром.
У СД с постоянными магнитами применяют асинхронный метод пуска. Вращающееся магнитное поле статора во взаимодействии с токами, наведенными в короткозамкнутой обмотке ротора, создает асинхронный момент M а . Особенность пуска таких двигателей заключается в том., что поток от постоянных магнитов ротора при вращении ротора наводит в обмотках статора э.д.с., частота которой не равна частоте напряжения питания. Под действием э.д.с. в цепи обмоток статора проходят токи, которые во взаимодействии с вызвавшим их потоком ротора создают тормозной момент Mт . Для уменьшения тормозного момента Mт необходимо снижать поток постоянных магнитов ротора.
Оптимальной является такая степень возбуждения ротора, которая обеспечивает наилучшие характеристики в синхронном режиме при заданных пусковых характеристиках.
В мощных СД может использоваться электромагнитное возбуждение ротора. На обмотку ротора через коллектор подается постоянное напряжение, создающее магнитное поле возбуждения ротора. При пуске постоянное напряжение отключается от обмотки ротора, которая на время пуска подключается к сопротивлению. Пусковой момент создается обмоткой типа «беличья клетка».
Такие СД имеют в наибольшей мереоптимальные рабочие и пусковые характеристики. При этом они практически не применяются в САУ, где энергетические характеристики не являются решающими. Основные причины этого заключаются в следующем:
1) для работы двигателя необходимы два источника питания: переменного и постоянного тока;
2) скользящий контакт кольца-щетки снижает надежность двигателя и усложняет его конструкцию;
3) требуется специальная пусковая схема, отключающая на период разгона обмотку ротора от источника постоянного тока и подключающая ее к внешнему сопротивлению.
Реактивные синхронные двигатели
Ротор реактивных СД является невозбужденным, но его магнитное сопротивление непостоянно вдоль окружности воздушного зазора.
Принцип действия реактивного СД рассмотрим на статической модели, представленной на рис. 3.2. Вращающееся магнитное поле статора Ф d заменим полем постоянного магнита. Угол между продольной осью ротора d и осью магнитного потока Фd обозначим .
В том случае, когда =0 (рис. 3.2, а), магнитные силовые линии проходят по пути наименьшего сопротивления и не деформируются. Реактивный вращающий момент M р =0. Ротор находится в положении устойчивого равновесия. Если принудительно повернуть на угол по часовой стрелке (рис. 3.2, б), то магнитные силовые линии изогнутся. Деформация магнитного поля вследствие упругих свойств силовых линий вызовет реактивный вращающий момент, стремящийся повернуть ротор против часовой стрелки. Очевидно, что при наличии внешнего момента Mн , ротор установится в такое положение, когда Mр = Mн .
В реальных реактивных СД обмотки статора создают вращающееся магнитное поле, а ротор увлекается реактивным моментом вслед за полем и вращается с угловой скоростью поля.
Важной характеристикой реактивного СД является удельный реактивный момент, который определяется как
при =0.
Величина удельного момента зависит от формы ротора и величины потока возбуждения в квадрате.
Реактивный СД не имеет собственного пускового момента, поэтому у таких двигателей применяется асинхронный метод пуска. В качестве пусковой обмотки на роторе служит либо обмотка типа «беличья клетка», либо алюминиевые части ротора. Когда скорость д достигает величины, близкой к синхронной (0,95с ), явнополюсный ротор взаимодействует с полем и втягивается в синхронизм. Ток коротко замкнутой обмотки падает до 0.
Характерной особенностью реактивных СД является нестабильность вращения ротора при постоянстве средней скорости вращения. Мгновенная угловая скорость ротора может колебаться в пределах одного оборота относительно средней скорости (рис. 3.3).
Это явление присуще и другим СД и называется качанием ротора. Оно нежелательно, т. к. дает ошибку в положении ротора относительно расчетного, что недопустимо при использовании СД в точных системах передачи угловых перемещений.
Причиной этого явления является нестабильность реактивного момента и момента нагрузки. Существуют внешние и внутренние (конструктивные) причины, приводящие к нестабильности моментов: эллиптичность вращающегося магнитного поля; неравномерность магнитной проводимости по различным осям двигателя; неточная балансировка ротора; тормозные моменты в подшипниках; колебания и несинусоидальность напряжения питания; неравномерность нагрузки на валу двигателя.
К уменьшению амплитуды качаний ротора приводят следующие факторы: увеличение удельного реактивного момента; улучшение технологии изготовления двигателей; использование электрического демпфирования. Так коротко замкнутая пусковая обмотка является одновременно и демпфирующей, т. к. при качаниях ротора относительно поля в ней наводятся токи, создающие момент, препятствующий качаниям ротора.
На рис. 3.4 показаны механическая (а) и регулировочная (б) характеристики реактивного СД. Механическая характеристика горизонтальна вплоть до величины максимального момента M макс , при котором двигатель выпадает из синхронизма и останавливается. На рис. 3.4 также показана механическая характеристика для пусковой обмотки (кривая 2).
Регулировочная характеристика линейна и идет из начала координат. Начальный участок показан пунктиром из-за трудности реализации низких угловых скоростей.
Реактивные СД имеют много разновидностей, которые можно разделить на три основные группы: 1) реактивные СД с распределенными обмотками статора; 2) редукторные реактивные СД; 3) реактивные СД с сосредоточенными обмотками статора (будут рассмотрены в разделе «шаговые двигатели»).
Реактивные синхронные двигатели с распределенными обмотками статора.
Ротор — явнополюсный. На рис. 3.5 изображены конструкции явнополюсных роторов. На рис. 3.5, а, б ротор выполнен из электротехнической стали. В нем находится «беличья клетка» для асинхронного пуска двигателя. Различная магнитная проводимость достигается за счет внешних (рис. 3.5, а) или внутренних пазов (рис. 3.5, б) в магнитном материале. В конструкции на рис. 3.5, в различная магнитная проводимость ротора достигается за счет выполнения его из двух разнородных по магнитным свойствам материалов.
Реактивные СД имеют невысокие энергетические показатели. Для рассматриваемой конструкции к.п.д. лежит в диапазоне от 5% до 40%.
Реактивный редукторный двигатель.
Статор и ротор такого двигателя имеют зубцы, как показано на рис. 3.6. Числа зубцов статора z с и ротора zр различны, причем обычно zр >zс . На статоре уложена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле Фс .
Если в данный момент времени поток Ф с занимает положение А, то реактивный вращающий момент заставит ротор повернуться в положение наибольшей магнитной проводимости, т.е. напротив статорных зубцов 1 и 4 будут находиться роторные зубцы 1 и 5. При перемещении потока Фс в положение Б, т.е. на угол 3600 /zс , ротор под действием реактивного момента встанет в положение, когда напротив зубцов статора 2 и 5 встанут зубцы ротора 2 и 6, т.е. ротор повернется на угол 3600 /zс 3600 /zр .
Следовательно, угловая скорость ротора д меньше угловой скорости поля статора с в раз. Коэффициент редуцирования скорости . Для рассмотренного случая (рис. 3.6) Kр =4. Если zр =100 и zc =98, то Kр =50. При этом следует иметь ввиду, что число зубцов ограничивается технологическими соображениями.
Реактивные редукторные СД имеют недостатки, характерные для всех реактивных СД — малый вращающий момент, низкие энергетические показатели и большую массу.
Синхронные гистерезисные двигатели
В синхронных гистерезисных двигателях (СГД) вращающий момент возникает за счет гистерезиса при перемагничивании ротора. Статор СГД обычный, служит для создания вращающегося магнитного поля. Ротор выполнен из магнитотвердого материала. Используются материалы типа викалоя и ални с широкой петлей гистерезиса. Ротор выполняется сборным: на немагнитной или магнитомягкой втулке 2 напрессовано кольцо из магнитотвердого материала 1 (рис. 3.7).
При ограниченной мощности возбуждения оптимальное по намагничиванию использование магнитотвердого материала кольца и наилучшие энергетические показатели достигаются при определенном соотношении между толщиной кольца и диаметром ротора.
Для выяснения природы гистерезисного момента рассмотрим физические процессы, происходящие в роторе при асинхронном вращении, т.е. когда материал ротора непрерывно перемагничивается. На рис. 3.8, а магнитный поток статора Ф с занимает положение А, а элементарные магнитики ротора ориентированы вдоль этого потока. Силы взаимодействия Fэм элементарных магнитиков с потоком статора Фс направлены вдоль этого потока и вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение Б в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики (рис. 3.8, б).
При этом вследствие явления гистерезисного запаздывания магнитики не повернутся на тот же угол, что и поток Ф1 , а будут отставать от него на угол гистерезисного запаздывания г .
Таким образом между направлением потока статора Ф 1 и направлением намагниченности ротора образуется угол г , который определяется коэрцитивной силой материала ротора. Силы взаимодействия Fэм будут иметь тангенциальные составляющие Ft , которые и создадут гистерезисный момент асинхронного режима Mг . Этот момент пропорционален модулю векторного произведения пространственных векторов магнитного потока ротора Фр , образованного элементарными магнитиками, и м.д.с. статора Fс , которые вращаются со скоростью поля со сдвигом на угол г :
M г =kFс Фр sinг , (3.2)
где k — конструктивный коэффициент.
Пространственный угол г не зависит от угловой скорости ротора и зависит только от коэрцитивной силы материала ротора, при которой начинается его перемагничивание (изменение направления поля элементарных магнитиков).
Поэтому не зависит от угловой скорости ротора и вращающий гистерезисный момент Mг .
Механическая характеристика идеального гистерезисного двигателя приведена на рис. 3.9. Характеристика абсолютно жесткая, а пусковой момент равен моменту при синхронной угловой скорости (M п =Mг ).
В синхронном режиме магнитное поле статора и ротор вращаются с одинаковой угловой скоростью и перемагничивания материала ротора не происходит. Магнитный поток ротора Ф р сохраняется вследствие остаточного магнетизма и вращается вместе с ротором с синхронной угловой скоростью. Двигатель работает как обычный СД с постоянными магнитами на роторе.
Момент двигателя в синхронном режиме равен моменту нагрузки M н , но не может превышать величины Mг . В зависимости от момента нагрузки Mн на валу двигателя изменяется угол отставания оси поля ротора от оси поля статора. При Mн =0 (холостой ход) =0. При Mн =Mг (максимальное значение момента) =г . При дальнейшем увеличении момента Mн начинается перемагничивание материала ротора, а вращающий момент остается постоянным, равным Mг . При Mн >Mг ротор двигателя выходит из синхронизма и останавливается.
В том случае, если момент нагрузки зависит от скорости вращения ротора M н =f(), то возможен как синхронный, так и асинхронный режим работы двигателя. Если момент нагрузки во всем диапазоне скоростей на превышает Mг (прямая 1 на рис. 3.9), то установится синхронная скорость с , и вращающий момент будет соответствовать точке А на механической характеристике. Если изменение момента нагрузки идет по прямой 2, то установится асинхронная скорость 2 <с , а момент двигателя будет равен Mг . Следует отметить, что использование гистерезисного двигателя в асинхронном режиме неэкономично вследствие больших потерь на перемагничивание ротора, особенно при больших скольжениях.
Синхронные гистерезисные двигатели обладают рядом ценных качеств. Они развивают большой пусковой момент и способны входить в синхронизм плавно, без рывков благодаря постоянному значению пускового момента во время пуска при изменении от 0 до с . Потребляемый ток незначительно (на 20-30%) изменяется при изменении режима работы от короткого замыкания (=0) до холостого хода (Mн =0, =с ), что позволяет эффективно использовать гистерезисные двигатели в повторно-кратковременном режиме. Гистерезисные двигатели просты по конструкции и надежны в эксплуатации.
Энергетические показатели гистерезисных двигателей не высоки, т. к. магнитный поток ротора является вторичным, т.е. наведенным рабочим потоком статора, и режим работы такого двигателя соответствует режиму синхронной машины с недовозбуждением. К.п.д. гистерезисного двигателя можно повысить путем подмагничивания ротора с помощью кратковременного повышения значения магнитного потока статора за счет увеличения подводимого к нему напряжения.
Шаговые синхронные двигатели
Шаговые двигатели (ШД) преобразуют команду, заданную в виде импульсов, в фиксированное угловое или линейное перемещение. ШД являются дискретными преобразователями и широко используются при управлении с использованием цифровой вычислительной техники.
Шаговые двигатели можно подразделить на три основные конструктивные группы: с постоянными магнитами (активный ротор), реактивные и индукторные.
Шаговые двигатели могут иметь различное число фаз, но наибольшее распространение получили двух-, трех- и четырехфазные ШД. Обмотка фазы статора либо целиком является обмоткой управления, либо ее разделяют на две (выводом от средней точки), магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на 180 0 .
Напряжение питания обмоток управления шагового двигателя представляет собой последовательность однополярных или разнополярных импульсов.
Принцип действия ШД рассмотрим на примере конструкции, представленной на рис. 3.10. Статор имеет явновыраженные полюса (зубцы), на которых расположены обмотки управления. В рассматриваемом примере ШД имеет 4 фазы. Каждая фаза состоит из двух обмоток, расположенных на противоположных полюсах. Начало обмоток обозначено цифрами 1, 2, 3, 4. Конец обмоток — цифрами 1, 2, 3, 4.
Ротор явнополюсный, и может быть как намагниченным (активного типа), так и намагниченным (как у индукторных СД).
Рассмотрим сначала не намагниченный ротор.
При подаче импульса тока на обмотку 1-1 ротор за счет реактивного момента встанет напротив соответствующих зубцов (полюсов) статора. Если затем подать импульс на обмотку 2-2, то ротор повернется против часовой стрелки на угол 45 0 и встанет напротив соответствующих зубцов. Если подавать импульсы на обмотки в последовательности 1-2-3-4, то ротор будет вращаться против часовой стрелки. Для вращения по часовой стрелке последовательность подключения фаз должна быть 1-4-3-2. При пассивном роторе импульсы управления могут быть однополярными. Если подать импульсы управления на две соседние фазы одновременно (например, 1 и 2), то ротор займет промежуточное положение между зубцами 1 и 2. Это явление называется электрическим дроблением шага.
Если используется ротор активного типа, то импульсы управления должны быть разнополярными. В рассматриваемом примере для вращения против часовой стрелки подаются положительные импульсы в последовательности 1-2-3-4 (поворот на первые 180 0 ), а затем отрицательные в последовательности 1-2-3-4 (вторые 1800 ).
При вращении по часовой стрелке последовательность 1-4-3-2-1-4-3-2 (поворот на 3600 ).
Цифра с чертой означает, что на данную фазу подается отрицательный импульс. Управление разнополярными импульсами усложняет схему управления двигателем, поэтому в ШД чаще используется пассивный ротор.
В реактивных ШД ротор так же как и статор имеет зубчатую конструкцию. На рис. 3.11 статор имеет 12 зубцов, а ротор — 16 зубцов. Обмотки 1-4-7-10 соединены последовательно и составляют одну фазу (Ф 1 ).
Аналогично обмотки 2-5-8-11 и 3-6-9-12 составляют фазы Ф2 и Ф3 . Таким образом имеется всего 3 фазы.
При подаче импульса на фазу Ф 1 магнитный поток замыкается, как показано на рис. 3.11. Напротив зубцов статора 1-4-7-10 стоят зубцы ротора 1-5-9-13. Если следующий импульс подать на фазу Ф2 (2-5-8-11), то магнитный поток должен найти другой путь. Наименьший зазор оказывается между зубцами 2-5-8-11 статора и зубцами 2-6-10-14 ротора соответственно. Появится реактивный момент, который повернет ротор так, что указанные зубцы ротора и статора окажутся напротив друг друга. Угол поворота ротора составит 300 22,50 =7,50 . При подаче импульса на Ф3 ротор повернется еще на 7,50 и т.д. Подавая импульсы тока в последовательности 1-2-3-1, мы получим вращение ротора шагами по часовой стрелке. Для вращения ротора против часовой стрелки импульсы нужно подавать на фазы в последовательности 1-3-2-1.
Угол поворота на один шаг определяется числом фаз N ф и числом зубцов ротора Nр :
- (3.3)
Имеет место много конструктивных разновидностей ШД. Если статор и ротор развернуть в линию, то получится линейный ШД (рис. 3.12).
Очевидно, что в этом случае линейное перемещение ротора будет ограничено его длиной.
Индукторные ШД отличаются от рассмотренных реактивных тем, что в них применяется подмагничивание ротора, например, униполярным постоянным магнитным потоком со стороны статора (рис. 3.13).
В торце двигателя на статоре расположен кольцевой магнит с осевой намагниченностью. Постоянный магнитный поток подмагничивания Ф п по ротору замыкается в осевом направлении, а в воздушном зазоре между ротором и статором — в радиальном. При этом увеличивается синхронизирующий момент, улучшаются энергетические и динамические характеристики ШД.
Режим работы ШД в значительной мере определяется частотой следования управляющих импульсов f.
Статический режим (f=0) соответствует прохождению постоянного тока по обмоткам управления, создающим неподвижное магнитное поле. Основной характеристикой этого режима является зависимость статического синхронизирующего момента M с от угла рассогласования между продольной осью ротора и м.д.с. статора (моментная характеристика).
На рис. 3.14 показаны положения ротора для различных значений . При =0 синхронизирующий момент Mс =0. При 0 реактивный синхронизирующий момент Mс 0. Он стремится повернуть ротор в согласованное положение. Если угол рассогласования равен половине угла между зубцами ротора =р , то на каждый зубец действуют равные по величине и противоположные по направлению силы. Результирующий момент Mс =0. Таким образом в диапазоне изменения от 0 до р синхронизирующий момент имеет максимум. Зависимость Mс =f() показана
Под действием момента нагрузки на валу ШД ротор отклонится от согласованного положения на угол . Если M н превысит Mмакс , то будет потеряна синхронизация между положением ротора и управляющими импульсами. Поэтому для нормальной работы ШД всегда должно выполняться условие Mн < Mмакс .
Для определения пускового момента на рис. 3.15 приведена пунктиром моментная характеристика для второй фазы. При подаче импульса на вторую фазу и указанном угле рассогласования момент M п , показанный на рисунке, и будет являться пусковым. Очевидно, что для него также должно выполняться требование Mп >Mн , иначе произойдет потеря синхронизации. Максимально допустимое значение момента нагрузки Mн макс определяется точкой пересечения моментных характеристик для первой и второй фазы.
При отработке ШД импульсов управления возможны два режима: пошаговый и скоростной.
Пошаговый режим соответствует частоте управляющих импульсов, при которой переходный процесс, чаще всего колебательный, на каждом шаге заканчивается к началу следующего шага, т.е. угловая скорость ротора в начале каждого шага равна нулю (рис. 3.16).
Основными показателями ШД в пошаговом режиме являются: а) перерегулирование , т.е. максимальное отклонение ротора от нового устойчивого положения при переходном процессе; б) максимальное значение мгновенной угловой скорости ротора в процессе шага; в) время затухания свободных колебаний ротора на одном шаге t з .
Средняя угловая скорость ротора определяется выражением
(3.4)
Скоростной режим работы ШД соответствует частоте управляющих импульсов, при которой t з больше периода следования импульсов (рис. 3.17).
Устойчивая работа ШД в таком режиме зависит от момента нагрузки на валу двигателя. Обычно в паспортных данных ШД приводится зависимость допустимого момента нагрузки от частоты управляющих импульсов для пошагового и для скоростного режимов (рис. 3.18).
При переходе от пошагового режима к скоростному частоту импульсов управления нельзя изменять скачком, т. к. из-за влияния момента инерции ротора и нагрузки в переходном режиме возможны пропуски импульсов управления (потеря синхронизации).
Частота импульсов управления должна изменяться постепенно, как при переходе от пошагового режима к скоростному, так и наоборот (рис. 3.19).
Одной из причин ограничения скорости работы ШД является постоянная времени обмоток управления , где L ф и Rф — индуктивность и активное сопротивление обмотки управления (фазы).
При большой частоте f импульсов управления ток в обмотке не успевает нарасти до номинального значения. На рис. 3.20 показана форма тока в обмотке управления с Tф =10-3 с при различной частоте управляющих импульсов. Так при частоте 500 шагов в секунду ток в обмотке за время импульса достигает значения 0,6 Iном , а при 1000 шагов в секунду — 0,4 Iном .
Для уменьшения постоянной времени используется добавочное сопротивление, включаемое последовательно с обмоткой управления. Соответственно увеличивается амплитуда импульсов управления. Так при R д =4Rф и Uимп =5Uном ток в обмотке управления при скорости 100 шагов в секунду будет достигать 0,9 Iном . Соответственно улучшается и частотная характеристика. На рис. 3.21 показано улучшение зависимости M=f(f) для одного из двигателей при включении добавочного сопротивления Rд =4Rф .
6 —3 Автоматическое повторное включение(АПВ): Назначение и сущность АПВ, требования, предъявляемые к защите
Автоматическое повторное включение
Автоматическое повторное включение
А. п. в. выполняется с помощью автоматических устройств, воздействующих на высоковольтные выключатели после их аварийного автоматического отключения от релейной защиты. Многие из этих автоматических устройств обеспечивают А. п. в. при самопроизвольном отключении выключателей, например при сильных сотрясениях почвы во время близких взрывов, землетрясениях и т.п. Эффективность А. п. в. тем выше, чем быстрее следует оно за аварийным отключением, т.е. чем меньше время перерыва питания потребителей. Это время зависит от длительности цикла А. п. в. В электрических системах применяют однократное А. п. в. — с одним циклом, двукратное — при неуспешном первом цикле, и трёхкратное — с тремя последовательными циклами. Цикл А. п. в. — время от момента подачи сигнала на отключение до замыкания цепи главными контактами выключателя — состоит из времени отключения и включения выключателя и времени срабатывания устройства А. п. в. Длительность бестоковой паузы, когда потребитель не получает электроэнергию, выбирается такой, чтобы успело произойти восстановление изоляции (деионизация среды) в месте короткого замыкания, привод выключателя после отключения был бы готов к повторному включению, а выключатель к моменту замыкания его главных контактов восстановил способность к отключению поврежденной цепи в случае неуспешного А. п. в. Время деионизации зависит от среды, климатических условий и других факторов. Время восстановления отключающей способности выключателя определяется его конструкцией и количеством циклов А. п. в., предшествовавших данному. Обычно длительность 1-го цикла не превышает 0,5-1,5 сек, 2-го — от 10 до 15 сек, 3-го — от 60 до 120 сек.
Наиболее распространено однократное А. п. в., обеспечивающее на воздушных линиях высокого напряжения (110 кв и выше) до 86%, а на кабельных линиях (3-10 кв) — до 55% успешных включений. Двухкратное А. п. в. обеспечивает во втором цикле до 15% успешных включений. Третий цикл увеличивает число успешных включений всего на 3-5%. На линиях электропередачи высокого напряжения (от 110 до 500 кв ) применяется однофазовое А.п. в.; при всём этом выключатели должны иметь отдельные приводы на каждой фазе.
Применение А. п. в. экономически выгодно, т. к. стоимость устройств А. п. в. и их эксплуатации несравнимо меньше ущерба из-за перерыва в подаче электроэнергии.
6-4 Условные обозначения, применяемые в схемах: стандартизация, способы построения
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ1.1. Условные буквенно-цифровые обозначения (в дальнейшем условные обозначения) предназначены:а) для записи в сокращенной форме сведений об элементах,
устройствах и функциональных группах (в дальнейшем объекты)
изделия, показанных в конструкторских документах в графической
2.1. Требования к применяемым знакам
|
Тип условного обозначения |
Квалифицирующий символ |
Наименование применяемого знака |
|
|
I. Обозначение высшего уровня |
= |
Равно |
|
|
2. Обозначение функциональной группы |
? |
Не равно |
|
|
3. Обозначение конструктивного расположения (конструктивное обозначение) |
+ |
Плюс |
|
|
4. Позиционное обозначение |
— |
Минус |
|
|
5. Обозначение электрического контакта |
: |
Двоеточие |
|
|
6. Адресное обозначение |
() |
Обозначение заключают в круглые скобки |
|
2.2.7. Если необходимо уточнить тип условного обозначения, используемого самостоятельно (не входящего в составное обозначение), то допускается записывать его с квалифицирующим символом в соответствии с требованиями п. 2.2.4, например., + Е12.
3. Правила построения условных обозначения отдельных типов
3.1 — Обозначение высшего уровня3.1.1. В качестве обозначения высшего уровня следует использовать:а) позиционное обозначение устройства, присвоенное на схеме изделия и записанное в перечень элементов;б) обозначение типа изделия, установленное ib стандарте или технических условиях.Примечание. Если обозначения типов изделий стандартами или техническими условиями не установлены, допускается применять условные обозначения, установленные в их конструкторской или нормативно-технической документации.3.2. Обозначение функциональной группы3.2.1. Обозначение функциональной группы образуют из букв или букв и цифр, в сокращенной форме указывающих функциональное назначение (функцию) группы, например:Ф — фильтр;УПЧ — усилитель промежуточной частоты;RG8 — 8-разрядный регистр;TJK — JK-триггер и т.д.Допускается обозначать функциональные группы только цифрами. В этом случае обозначение должно быть записано с квалифицирующим символом ?, например, ?273.2.2. Одинаковым функциональным группам (т.е. группам, имеющим тождественные принципиальные схемы) следует присваивать одно и то же условное обозначение.Допускается в условные обозначения одинаковых функциональных групп включать порядковые номера, отделяя их от основного обозначения одним из методов, установленных в п. 2.2.2, например, УПЧ1, УПЧ2 или УПЧ.1, УПЧ.2.3.3. Обозначение конструктивного расположения (конструктивное обозначение)3.3.1. Устанавливаются два метода построения конструктивных обозначений — координатный и последовательный-3.3.2. Конструктивное обозначение, построенное координатным методом, должно состоять из нескольких частей, каждая из которых обозначает одну координату объекта* в условной системе координат, принятой для данной конструкции. При этом обозначения координат должны быть разделены в соответствии с требованиями п. 2.2.2, например:
- + С24 — конструктивное обозначение места в изделии, имеющего координаты: ряд С, колонка 24;+ 5.24 — то же, координаты: ряд 5, колонка 24.3.3.3. Конструктивное обозначение, построенное последовательным методом, должно представлять собой цифровое (порядковый номер) или буквенное обозначение, присвоенное данному месту в конструкции и установленное в конструкторском документе (например, на сборочном чертеже), например:+ 204 — место №204;+ В.2 — зона В, вторая часть.3.3.4. Для изделий, конструктивно выполненных в виде нескольких уровней входимости (например, изделия цифровой вычислительной техники), допускается применять конструктивные обозначения, представляющие собой последовательную запись конструктивных обозначений различных уровней. При этом порядок записи конструктивных обозначений должен соответствовать конструктивной входимости;
- обозначения различных уровней должны разделяться в соответствии с требованиями п. 2.2.2, например:+ 2.05.4В12 — конструктивное обозначение, указывающее четыре уровня входимости: стойка 2, рама 05, панель 4, плата В12.3.3.5. Содержание и способ записи конструктивных обозначений (например, принятая система координат, условные направления координатных осей, метод обозначения каждой координаты и т.п.) определяются особенностями конкретной конструкции и должны быть пояснены в соответствующем конструкторском документе (например, на сборочном чертеже) или установлены в нормативно-технической документации. 3.4. Позиционное обозначение3.4.1. Позиционные обозначения должны быть присвоены всем элементам и устройствам изделия в конструкторском документе, показывающем полный состав элементов и (или) устройств изделия (например, на принципиальной схеме).3.4.2. Позиционное обозначение должно состоять, в общем случае, из трех частей, имеющих самостоятельное смысловое значение я записываемых без разделительных знаков и пробелов.3.4.3. В первой части позиционного обозначения должен быть указан вид элемента (устройства).
Она должна содержать одну или несколько букв, например:
- Геометрическая форма, размеры и ориентация объекта не учитываются.
- Примеры конструктивных обозначений для наглядности приведены с квалифицирующим символом +.R — резистор;С — конденсатор;DS — запоминающее устройство.3-4.4.
Во второй части позиционного обозначения должен быть указан порядковый номер элемента (устройства) в пределах элементов (устройств) данного вида. Она должна содержать одну или несколько цифр, например: R1, R2,… R12; С1, С2…С14.При изображении на схеме элемента или устройства разнесенным способом допускается к порядковому номеру добавлять условный номер изображенной части элемента, разделяя порядковый и условный номера точкой, например:D13.2 — цифровая интегральная микросхема D13, часть 2 (второй логический элемент).
Примечание. Условный номер части элемента (устройства) в перечне элементов не указывают.
3. 4,5. В третьей части позиционного обозначения допускается: указывать функциональное назначение данного элемента или устройства, примененного в схеме данного изделия. Она должна содержать одну или несколько букв, например:C4J — конденсатор С4, используемый как интегрирующий; D7S — микросхема D7, выполняющая (в данном применении) функцию памяти.Позиционные обозначения с одинаковой первой частью могут иметь в третьей части различные обозначения, например: R1 — резистор R1;R2N — резистор R2, используемый как измерительный; R3F — резистор R3, используемый как защитный (предохранительный).Применяемые буквенные коды, указывающие функциональное назначение, должны быть пояснены в соответствующем конструкторском документе (например, на принципиальной схеме) или установлены в нормативно-технической документации.В конструкторской документации на изделия, разрабатываемые по заказам Министерства обороны СССР, применение в позиционных обозначениях буквенных кодов функционального назначения должно быть согласовано с заказчиком.Перечень буквенных кодов функционального назначения, рекомендуемых Публикацией МЭК 113-2 и рекомендацией СЭВ по стандартизации PC 3490-72, приведен в справочном приложении 2Таблица 2
|
Буквенный код обяз ательный |
|
