метпособие. Методическое пособие.. Материалы для подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию оборудования
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
II (рисунок 1.18). При устройстве, например в квартире, питания групп электроприемников по нескольким цепям со своими автоматами защиты и со своими УЗО (часто в функции защиты от коротких замыканий и защиты от небаланса токов объединяют в одном корпусе и УЗО в таком случае называют дифавтоматом) для каждой группы иногда нулевой провод проводки после выхода из УЗО объединяют (что неправильно), считают, что нуль – то ведь общий. Здесь возможна ложная работа УЗО из – за того, что часть обратного тока может возвращаться не через свое устройство, создавая в УЗО небаланс – условие для срабатывания (рисунок 1.19). Дифавтомат 1 - й группы электроприем- ников Дифавтомат 2 - й группы электроприем- ников Дифавтомат 3 - й группы электроприем- ников 220 В Фаза Нуль I 1 I 1 I 1-1 I 1-2 I 1-3 39 Рисунок 1.19 – Неправильное выполнение проводки на выходе УЗО Возвращающийся ток делится на три составляющие, в результате чего в каждом УЗО возникает небаланс, который может привести к ложному срабатыванию. Чтобы избежать ложных срабатываний, нужно убрать объединение «нулей» на выходах УЗО. Начальные сведения об электронных компонентах Эту тему мы начнем с понятия вольт – амперной характеристики (ВАХ) двухполюсника. В математике есть термин «функция». Когда каждому значению переменной величины соответствует одно или несколько значений другой переменной величины, то говорят, что эти две величины связаны функциональной зависимостью. Первую из этих величин называют аргументом, другую – функцией. Функцию можно задать аналитически (формулой), графически и таблично. Так вот ВАХ – это графический способ задания тока через двухполюсник от приложенного к нему напряжения (или наоборот). Наиболее принятой считается зависимость тока от напряжения: I = f (U), когда независимой величиной (аргументом) является напряжение, а ток считается зависимой величиной – функцией. Примеры ВАХ различных двухполюсников в координатах U – I показаны на рисунке 1.20. 40 Рисунок 1.20 – Примеры ВАХ различных двухполюсников 1 – Линейный резистор; 2 – Лампа накаливания; 3 – Полупроводниковый диод (прямая ветвь); 4 – Динистор. Пример 1 – это линейный резистор, в любой точке его ВАХ отношение напряжения к току имеет одно и тоже значение. По другому можно сказать, что сопротивление данного двухполюсника не зависит от приложенного к нему напряжения или от протекающего через него тока. Примеры 2 – 4 являются примерами нелинейных элементов. Особое внимание следует обратить на элемент 4 – динистор. У него одному и тому же значению напряжения U 1 соответствуют три значения тока: I 1 – I 3 . Между точками А и В вольт – амперной характеристики динистора расположен участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке увеличению напряжения соответствует уменьшение тока. В природе абсолютно линейных элементов не существует. Можно говорить только о линейности на каком – либо интервале изменений напряжения или тока. Вообще же, нужно отметить, что всему многообразию электронной и компьютерной техники мы обязаны именно нелинейным элементам. Рассмотрим простой пример определения тока через последовательное соединение линейного элемента и нелинейного, пусть лампы накаливания (рисунок 1.21). U I 1 2 3 4 U 1 I 1 I 2 I 3 A B 41 Рисунок 1.21 – Последовательное соединение линейного и нелинейного элементов Цепь состоит из последовательного соединения двух резисторов: линейного и нелинейного. Это соединение может быть заменено эквивалентным резистором, который также будет нелинейным. ВАХ эквивалентного резистора может быть представлена суммой абсцисс ВАХ R 1 и ВАХ R 2 , то есть напряжений на R 1 и R 2 при одном и том же токе. Рабочая точка цепи определяется по ВАХ R Э проекцией на нее подведенного к цепи напряжения U 1 – 3 , а проекция рабочей точки на ось ординат даст значение искомого тока I 1 = I 2 Этот же пример может быть решен другим способом (рисунок 1.22). Напряжение на R 2 – это разность между подведенным к цепи напряжением U 1 – 3 и напряжением на R 1 : U R2 = U 2 – 3 = U 1 – 3 – U R1 Это означает, что нужно из точки, соответствующей U 1–3 на оси 1 2 3 1 3 R 1 R 2 R Э U I ВАХ R 1 ВАХ R 2 ВАХ R Э U 1 – 3 U 1 – 2 U 2 – 3 I 1 = I 2 I 1 = I 2 42 напряжений провести ВАХ R 1 в обратном направлении. Точка пересечения ВАХ R 2 и ВАХ R 1 – это рабочая точка цепи, определяющая ток в цепи. Рисунок 1.22 – Определение I 1 = I 2 другим способом Существует два вида нелинейных сопротивлений. Одни из них можно назвать инерционными, например лампа накаливания – при включении в цепь переменного тока вследствие тепловой инерции ее нелинейность в течение периода изменения тока никак не проявляется. Второй вид нелинейности – это безинерционные нелинейные сопротивления: в них нелинейность вызывается не изменением сопротивления при нагревании, а другими процессами. Рассмотрим простейший элемент электронной техники – полупроводниковый диод. На рисунке 1.23 показана ВАХ идеального и реального полупроводникового диода. ВАХ R 1 , проведена в обратном направлении ВАХ R 2 U I I 1 = I 2 U 1 – 3 U 2 – 3 U 1 – 2 43 Рисунок 1.23 – ВАХ идеального и реального диодов 1 – Идеальный диод; 2 – Реальный диод, масштаб напряжения и тока для обратной ветви увеличен; 3 – Условное обозначение диода на схеме; U 0 – Напряжение отсечки. Напряжение отсечки составляет около 0,3 В для германиевых диодов и около 0,5 В – для кремниевых. Диод – это двухполюсник с односторонней проводимостью. Направление проводимости соответствует стрелке на условном обозначении. В отличие от диода тиристор является трехэлектродным прибором. Его ВАХ подобна характеристике динистора (кривая 4 на рисунке 1.20). Он также может находиться в одном из двух состояний: включен или выключен. Включается тиристор кратковременной подачей включающего импульса на управляющий электрод (УЭ) – рисунок 1.24. После включения тиристора включающий импульс может быть снят, тиристор остается включенным, то есть, он встает на самоудержание, как магнитный пускатель. У тиристора можно выделить силовую цепь (анод – катод) и цепь управления (УЭ – катод). Отключение тиристора происходит по силовой цепи – путем U I 1 2 2 U 0 3 Вывод анода Вывод катода 44 уменьшения проходящего по нему тока до величины, называемой током удержания. Здесь тиристор подобен автоматическому выключателю, который после включения встает на защелку. Рисунок 1.24 – ВАХ тиристора Ток удержания почти не зависит от мощности тиристора и составляет около 0,25 А. Биполярный транзистор – это тоже трехэлектродный прибор (рисунок 1.25). В отличие от тиристора, который может работать только в ключевом режиме (включен – выключен), транзистор (рисунок 1.18) может работать и в промежуточном – активном режиме. Силовая цепь транзистора (эмиттер – коллектор) управляется током в управляющей цепи (база – эмиттер). Рисунок 1.25 – Биполярный транзистор структуры p – n – p Вывод катода Вывод управляющего электрода (УЭ) I УД U I Вывод анода Б К Э 45 Выражение: «транзистор усиливает сигнал» не совсем верно отражает смысл процесса. В действительности, не усиливается входной сигнал, а создается в гораздо более мощной выходной цепи (эмиттер – коллектор) копия входного сигнала. Это эквивалентно включению в мощную выходную цепь регулируемого резистора, управляемого слабым входным сигналом (рисунок 1.26). Рисунок 1.26 – Эквивалентная схема выходной цепи R РЕГ – Участок коллектор – эмиттер транзистора; Е К – Источник питания коллекторной цепи; R H – Сопротивление нагрузки. Для поддержания тока в силовой цепи транзистора необходим непрерывный ток управления. Здесь транзистор подобен магнитному пускателю, который остается включенным, пока в его катушке протекает ток. Понятие о векторных и топографических диаграммах Переменный ток долгое время не находил практического применения. Это было связано с тем, что первые генераторы электрической энергии вырабатывали постоянный ток, который вполне удовлетворял технологическим процессам электрохимии, а двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными характеристиками. Однако по мере развития производства постоянный ток все менее стал удовлетворять возрастающим требованиям экономичного электроснабжения. В настоящее время центральное производство и распределение электрической энергии U ВХ R H R РЕГ Е К 46 осуществляется в основном на переменном токе. Из всех возможных форм периодических токов наибольшее распространение получил ток, изменяющийся по синусоидальному закону. Только при использовании синусоидального тока удается сохранить неизменными (синусоидальными) формы кривых напряжений и токов на всех участках сложной линейной цепи. То есть при приложении синусоидального переменного напряжения к линейным элементам (R, L или C) токи, протекающие по этим элементам будут тоже синусоидальными. Математически это объясняется тем, что производная от синусоидальной функции и интеграл от нее дают также тригонометрические функции (функции косинуса), формы которых для которых выглядят одинаково – только со сдвигом по оси времени. Известно, что синусоидально изменяющаяся величина (какой – либо параметр режима сети) может быть представлена графиком – синусоидой, как проекция конца равномерно вращающегося против часовой стрелки со скоростью 50 об./с вектора на равномерно движущуюся поступательно вертикальную плоскость (рисунок 1.27). 47 Рисунок 1.27 – Получение графика синусоидально изменяющейся величины Аналитическое выражение зависимости r = f(α): r = R × sin α. Здесь r – это функция, а α – ее аргумент. Так как аргумент α (угол поворота радиус – вектора) неразрывно связан со временем (непрерывное вращение с постоянной скоростью), то можно записать, что α = ω × t, где ω – угловая частота (скорость нарастания угла, измеряется количеством радиан в секунду), t – время в секундах. Фазовый угол при вращении отсчитывается от положительной полуоси абсцисс. Синусоидальная функция является функцией периодической, то есть после прохождения радиус – вектором полного оборота (цикла) картина на вертикальной плоскости повторяется. Ось вращения радиус – вектора Направление проекции Плоскость вращения радиус – вектора R Направления движения вертикальной плоскости 360º α max max α 270º 90º 180º 0 R r α = 90º α = 270º Вертикальная плоскость – плоскость проекций Синусоида – график проекций конца радиус – вектора α = 180º Направление вращения радиус – вектора R 48 Необходимо отметить, что изменение переменных величин по синусоидальному закону принято не случайно. При изменении по синусоиде все процессы в цепях переменного тока протекают наиболее плавно, наиболее гармонично, без рывков и скачков (длина радиус – вектора постоянна, то есть не зависит от угла поворота, и скорость вращения радиус – вектора также неизменна). То есть можно сказать, что синусоидальный закон изменения – это наиболее простой закон для непрерывно изменяющихся величин, чего нельзя сказать о любой другой переменной величине, изменяющейся по более сложному закону, например на рисунке 1.28. Рисунок 1.28 – Более сложный закон изменения переменной величины Такую кривую может «нарисовать» конец радиус – вектора, вращающегося с постоянной скоростью, но с зависимой от положения (угла поворота) длиной, или при постоянной длине, но вращающийся с переменной скоростью (рывками), либо с изменением и длины и скорости. В любом случае, все кривые, отличающиеся от синусоидальной формы, называются несинусоидальными. В математике доказывается, что несинусоидальные кривые могут быть представлены суммой синусоидальных кривых с частотами, кратными основной частоте 0 π / 2 (90º) π (180º) 3π / 2 (270º) 2π (360º) ωt, рад. (α, град.) r 49 (гармоник). При этом каждая гармоника может иметь свою частоту и свою начальную фазу. Кривая по рисунку 1.28 может быть представлена суммой 1–й (основной) и 3–ей (в три раза большей по частоте) гармоник. В электроэнергетике высшие гармоники, которые искажают, можно сказать, «загрязняют», основную гармонику, вызывают целый ряд нежелательных эффектов и с ними борются. Далее будет показано, откуда возникают гармоники, и какие они вызывают нежелательные явления. Известно также, что в цепи переменного тока имеется целый ряд различных синусоидально изменяющихся величин (токи в различных ветвях, напряжения на различных участках цепи). Даже в одной из самых простых цепей переменного тока – цепи с R и L, можно выделить несколько переменных во времени величин, например: напряжение на зажимах цепи, ток в цепи, напряжение на катушке индуктивности. Каждая из этих величин может быть представлена синусоидой как проекция конца своего вращающегося вектора. Известно также, что в цепях переменного тока существуют фазовые сдвиги между векторами токов и напряжений. Все векторы можно расположить на одной вращающейся оси со своими фазовыми сдвигами относительно друг друга. Соответственно, проекция конца каждого вращающего вектора – это своя синусоида (рисунок 1.29). 50 Рисунок 1.29 – Синусоидальные величины в цепи R – L А теперь представим себе, что наблюдатель (то есть, мы с Вами) вращается вместе с системой векторов вокруг той же оси вращения, в том же направлении и с той же скоростью. Тогда система вращающихся векторов, исходящих из одной точки, будет для такого наблюдателя казаться неподвижной. Изображенная отдельно от «вращающего механизма» и проекционной плоскости, такая система векторов и называется векторной диаграммой (рисунок 1.30). Ось вращения радиус – векторов Направление проекции Направление вращения радиус – векторов, за положительное направление принято считать направление против часовой стрелки Направления движения вертикальной плоскости 360º α I 270º 90º 180º 0 U u ; u L ; i α = 90º α = 270º Вертикальная плоскость U L φ 90º φ α = 180º u = U × sin α i = I × sin (α – φ) u L = U L × sin (α – φ + 90º) 51 Рисунок 1.30 – Цепь R – L и ее векторная диаграмма Применительно к рисунку 1.28 – кривую, изображенную на этом рисунке может «нарисовать» проекция конца вращающегося вектора, представляющего сумму двух векторов: R = R 1 + R 3 , где вектор R 3 вращается с частотой, в три раза большей, чем вектор R 1 (рисунок 1.30). На рисунке с индексом 1 обозначен в положениях I (α 1 = 0), II (α 1 = 30°) и III (α 1 = 90°) вектор 1 – й (основной) гармоники R 1 ; с индексом 3 – в тех же положениях вектор 3 – ей гармоники R 3 ; без индекса – суммарный вектор R. Теперь, если также, как и для рисунков 1.27 и 1.29 представить, что наблюдатель вращается вместе с системой векторов вокруг того же центра вращения, в том же направлении и с той же скоростью, что и вектор основной гармоники, то неподвижным будет казаться только вектор R 1 . Вектор R 3 будет вращающимсявокруг конца неподвижного R 1 соскоростью теперь уже не в три, а в два раза большей чем скорость вращения вектора R 1 , а суммарный U L U U L 90º φ I U R U R U R L I 52 вектор R будет качающимся по углу в окрестности среднего положения и изменяющимся по длине (рисунок 1.32). При этом проекция вектора R = R 1 + + R 3 будет равна: r = R 1 × sin α 1 + R 3 × sin α 3 , где α 3 = 3 α 1 Рисунок 1.31 – Плоскость вращения радиус – векторa R = R 1 + R 3 Рисунок 1.32 – Векторная диаграмма для векторa R = R 1 + R 3 α 1 = 30° α 3 = 3α 1 = 90° α 1 = 90° α 3 = 3α 1 = 270° R R 1 R 3 R 1 R R R 3 R 3 R 1 II III I R 1 R 3 R α 3 = 2α 1 Направления качания вектора R Направление вращения вектора R 3 |