лекции. Лекции Общая электротехника. Лекции по дисциплине Общая электротехника для студентов специальностей

• Название: Лекции по дисциплине Общая электротехника для студентов специальностей
• Анкор: лекции
• Дата: 17.04.2022
• Размер: 4.27 Mb.
• Имя файла: Лекции Общая электротехника.docx
• Тип: Лекции; #480717
• страница: 9 из 11

Пример 1.Трехфазный асинхронный двигатель с числом пар полюсов р = 4 работает от сети с частотой тока f₁= 50 Гц. Определить частоту вращения двигателя при номинальной нагрузке, если скольжение при этом составляет 6%.

Решение

Синхронная частота вращения по (1)

об/мин

Номинальная частота вращения по (3)

об/мин.
3. Электромагнитный момент асинхронной машины

Важнейшим вопросом в работе асинхронного двигателя является процесс преобразования электрической энергии, потребляемой из сети, в механическую. Диаграмма, характеризующая этот процесс преобразования, называется энергетической диаграммой (рис.9).



Рис. 9. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

Пусть к статору из сети подводится мощности Р₁Часть этой мощности тратится на покрытие электрических потерь в активном сопротивлении обмотки статора ΔР_э1 и магнитных потерь в его магнитопроводеΔР_м1. Оставшаяся часть мощности – электромагнитная. Она посредством вращающегося магнитного поля передается в ротор:



Если бы в роторе отсутствовали потери, то эта мощность целиком преобразовывалась в механическую Р_мех. Однако часть электромагнитной мощности тратится на покрытие электрических потерь в его обмотке -ΔР_э2. Магнитные потери в стали ротораиз-за малой частоты перемагничивания при номинальной частоте вращения отсутствуют. Поэтому:

.

Полезно отдаваемая мощность меньше мощности механической на величину механических потерь и добавочных:



Электромагнитный момент в асинхронной машине, как было отмечено выше, создается в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля и токов, наведенных полем в обмотке ротора:

(4)

, (5)

где 
4. Механическая характеристика

Наибольшее значение для оценки свойств асинхронной машины, в особенности для двигателя, отводится механической характеристике, представляющей собой графическую зависимость частоты вращения ротора от электромагнитного момента. Часто пользуются другой формой механической характеристики – зависимостью электромагнитного момента М_эм от скольжения S.

Таким образом, полученное выше уравнение (5), является математическим описанием механической характеристики асинхронного двигателя.

Для определения максимального значения момента, который может развивать двигатель при изменении скольжения от 1 до 0, найдем величину скольжения, при котором этот момент наступает. С этой целью возьмем производную dM/dSи приравняем ее к 0. После преобразований получим:

(6)

Это скольжение называется критическим. Решая совместно уравнения (6) и (5), получим выражение для максимального электромагнитного момента:

(7)

Знак плюс в уравнениях (6) и (7) соответствует двигательному, а знак минус – генераторному режимам работы асинхронной машины.

На рис. 10 показана механическая характеристика асинхронной машины М=f(S) с указанием зон, соответствующих различным режимам работы:двигательный режим (0 генераторный режим(-∞
При переходе в генераторный режим скольжение меняет свой знак на обратный, соответственно чему момент становится отрицательным, т.е. тормозным. Характер изменения кривой момента такой же, как и двигателя, номаксимум момента несколько больше.

Кривая электромагнитного момента в режиме электромагнитного тормоза представляет собой продолжение кривой момента двигателя.

Анализ выражения (7) показывает, что в случае изменения величины активного сопротивления цепи ротора изменяется величина критического скольжения при сохранении максимума электромагнитного момента, т.е. механическая характеристика сдвигается вправо.

Характерной особенностью асинхронной машины является то, что устойчивая работа ее возможна лишь при определенной величине скольжения.

Под статической устойчивостью машины понимают ее способность при весьма малых возмущениях продолжать работу в установившемся режиме.

На механической характеристике можно выделить область статической устойчивости, которая включает в себя скольжение от –S_кр до +S_кр. Область всех остальных скольжении является областью статической неустойчивости (рис.11).



Рис. 10. Механическая характеристика асинхронной машины



Рис. 11. К вопросу о статической устойчивости асинхронного двигателя

Действительно, установившийся режим работы, характеризуется равновесием моментов, при постоянстве частоты вращения: М_эм=М₂+ М₀

где М₀- момент обусловлен потерями в роторе, момент холостого хода.

В случае нарушения моментов на ротор действует динамический момент, вызывающий изменение частоты вращения асинхронной машины.

Рассмотрим (см. рис.11) поведение двигателя при скольжениях соответствующих точками 1 и 2, когда М_Д=М_ст=М₂+М₀(установившийся режим работы).

При работе двигателя в точке 1 случайное увеличение скольжения ведет к появлению динамического момента положительного знака. В результате ротор получает положительное ускорение ведущее к увеличению частоты вращения, а значит к восстановлению скольжения.

В тоже время при работы двигателя в точке 2 увеличение скольжения создает отрицательную разность моментов, которая обуславливает дальнейшее уменьшение скорости вращения, до тех пор пока двигатель не остановится.

Таким образом точка 1 является точкой устойчивого режима работы двигателя, а точка 2 - точкой неустойчивого режима работы.

Режимы работы асинхронной машины

В соответствии с принципом обратимости электрических машин асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Кроме того, возможен еще и режим электромагнитного торможения противовключением.

Двигательный режим. При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое, сцепляясь с короткозамкнутой обмоткой ротора, наводит в ней ЭДС. При этом в стержнях обмотки ротора появляются токи. В результате взаимодействия этих токов с вращающимся магнитным полем на роторе возникают электромагнитные силы. Совокупность этих сил создает электромагнитный вращающий момент, под действием которого ротор асинхронного двигателя приходит во вращение с частотой n₂<n₁ в сторону вращения поля статора. Если вал асинхронного двигателя механически соединить с валом какого-либо исполнительного механизма ИМ (станка, подъемного крана и т.п.), то вращающий момент двигателя М, преодолев противодействующий (нагрузочный) момент М_нагр, исполнительного механизма, приведет механизм во вращение. Следовательно, электрическая мощностьР₁, поступающая в двигатель из сети, в основной своей части преобразуется в механическую мощность P₂и передается исполнительному механизму ИМ (рис.12, б).



Рис.12 Режимы работы асинхронной машины
Генераторный режим. Если обмотку статора включить в сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигателя ПД (двигатель внутреннего сгорания, турбина и т.п.), являющегося источником механической энергии, вращать в направлении вращения магнитного поля статора с частотойn₂>n₁, то направление движения ротора относительно поля статора изменится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы этой машины), так как ротор будет обгонять поле статора. При этом скольжение станет отрицательным, а ЭДС, наведенная в обмотке ротора, изменит свое направление. Электромагнитный момент на роторе М также изменит свое направление, т.е. будет направлен встречно вращающемуся магнитному полю статора и станет тормозящим по отношению к вращающемуся моменту приводного двигателя М₁ (рис.12, а). В этом случае механическая мощность приводного двигателя в основной своей части будет преобразована в электрическую активную мощность Р₂ переменного тока. Особенность работы асинхронного генератора состоит в том что вращающееся магнитное поле в нем создается реактивной мощностью Q трехфазной сети, в которую включен генератор и куда он отдает вырабатываемую активную мощность Р₂. Следовательно, для работы асинхронного генератора необходим источник переменного тока, при подключении к которому происходит возбуждение генератора, т.е. в нем возбуждается вращающееся магнитное поле.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне - ∞ < s< 0, т.е. оно может принимать любые отрицательные значения.

Режим торможения противовключением. Если у работающего трехфазного асинхронного двигателя поменять местами любую пару подходящих к статору из сети присоединительных проводов то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении. Другими словами, ротор и поле статора асинхронной машины будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие (рис.12,в). Этот режим работы асинхронной машины называется электромагнитным торможением противовключением. Активная мощность, поступающая из сети в машину при этом режиме, частично затрачивается на компенсацию механической мощности вращающегося ротора, т.е. на его торможение.

Лекция 15. Основы электроники
1. Свойства полупроводников.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.

На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.(Рис.1)



Рис. 1 Взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны. (Рис. 2)



Рис. 2 Кристалл полупроводника

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

Рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике. (Рис. 3)



Рис. 3 Явление возникновения тока в полупроводнике.
Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.

Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.