Оглавление. Однофазные и трехфазные электрические цепи. Магнитные цепи Действующие значения синусоидального тока, эдс и напряжения Средние значения синусоидального тока, эдс и напряжения 3
 Скачать 7.93 Mb.
|
|
I A I C I B U AB U CA U BC I BC I CA I AB -15- мощностей фаз потребителя Комплексная мощность каждой фазы потребителя представим в виде φ A = P A + jQ A S B = U B I B cosφ B + jU B I B sinφ B = P B + jQ B S C = U C I C cosφ C + jU C I C sin φ C = P C + jQ C , где, I i – фазные напряжения и токи потребителя P i – активная мощность фазы потребителя, Q i – реактивная мощность фазы потребителя, φ i – угол между фазными векторами тока и напряжения фазы потребителя. Тогда комплексная мощность приемника =(P A + P B + P C )+ j(Q A + Q B + Q C )= P+ jQ , где, Q – активная и реактивная мощность потребителя. При этом активная мощность потребителя равна сумме активных мощностей отдельных фаз. Реактивная мощность потребителя равна алгебраической сумме реактивных мощностей отдельных фаз. Модуль полной мощности Если нагрузка симметричная, то фазные активные и реактивные мощности равны: P A = P B = P C = P Ф ;Q A = Q B = Q C = Q Ф ;φ A = φ B = φ C = φ Ф Тогда активная и реактивная мощности потребителя равны: Q=3Q Ф = 3U Ф I Ф sin φ Ф P=3P Ф = 3 U Ф I Ф cos φ Ф При соединении фаз потребителя звездой: I Ф = I Л ;U Л = √ 3U Ф а присоединении треугольником: U Ф = U Л ; Л I Ф Мощности для звезды и треугольника: P= √ 3U Л I Л cosφ Ф Q= √ 3 U Л I Л sinφ Ф S = √ P 2 + Q 2 = √ 3 U Л I Л = 3 U Ф I Ф Отсюда следует вывод, что при симметричной нагрузке мощности потребителя независимо от способа соединения определяются по одними тем же формулам -16- 16. Соединение трехфазного потребителя электрической энергии звездой с проводом (схема и формула для расчета напряжения Л 2 − j √ 3 2 ) Y B +(− 1 2 + j √ 3 При наличии нейтрального провода с сопротивлением, стремящимся к нулю, проводимость нейтрального провода Y N стремится к бесконечности ⇒Y N = 1 Z N →∞ ⇒ U N ∼ 1 Y N → 0 U N = 0 17. Коэффициент мощности потребителей электроэнергии и его экономическое значение. Измерение активной мощности трехфазных электрических цепей методом двух ваттметров. Методом двух ваттметров можно пользоваться при симметричной и несимметричной нагрузке фаз. Три равноценных варианта включения ваттметров Активная мощность вычисляется как сумма показаний приборов P=W 1 + W 2 A I A Z B Z C I B I C B C Z A U AB U BC n N U CA I N U A U B U C -17- 19. Основные понятия о магнитных цепях и методах их расчета. Магнитные цепи с постоянной магнитодвижущей силой. Магнитное поле определяется как одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на движущиеся заряженные частицы, магниты и пр. Интенсивность магнитного поля характеризуется двумя величинами напряженностью магнитного поля и вектором магнитной индукции. Первая не зависит, а вторая зависит от свойств окружающей среды, где B — вектор магнитной индукции, H – напряженность магнитного поля, μ 0 = 4π*10 -7 Гн/м — абсолютная магнитная проницаемость, μ — относительная магнитная проницаемость. В зависимости от величины μ все вещества делятся натри группы диамагнетики (μ<1), парамагнетики (μ>1) и ферромагнетики (Магнитной цепью называется совокупность устройств, содержащих ферромагнитные вещества. Процессы в магнитных цепях описываются с помощью понятий магнитодвижущей силы (МДС), магнитного потока. Магнитным потоком Ф называется поток вектора магнитной индукции B через поверхность S: Φ = ∫ S ⃗ B⃗ dS =B S cos α , где α — угол между векторами B и S. Магнитный поток измеряется в веберах (Вб). Теория всех электромагнитных явлений базируется на двухосновных законах законе электромагнитной индукции и законе полного тока. Закон электромагнитной индукции гласит ЭДС, индуктированная через поверхность, ограниченную контуром цепи, равна скорости изменения магнитного потока, взятой с обратным знаком. Закон полного тока гласит линейный интеграл вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равен алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром. Он выражается формулой = ∮ ⃗ H ⃗ dl= ∑ k=1 n i k , где H – вектор напряженности магнитного поля, dl – вектор бесконечно малого элемента контура, по которому осуществляется обход i k – токи, пронизывающие контур. В общем случае, полный ток складывается из токов проводимости, переноса и смещения (возникающие при изменениях электрического поля. Знаки токов определяются поправило правого винта. Источником МДС является либо постоянный магнит, либо электромагнит (катушка, обтекаемая током. МДС электромагнита = I W , где I – полный ток, W – число витков катушки. В магнитных цепях используется свойство ферромагнитного материала тысячекратно усиливать магнитное поле катушки стоком за счет собственной намагниченности. Рассмотрим расчет магнитной цепи, изображенной на рис. Ферромагнитный магнитопровод имеет одинаковую площадь поперечного сечения S. l ср - длина средней силовой линии магнитного поля в магнитопроводе - толщина воздушного зазора. На магнитопроводе размещена обмотка, по которой протекает ток Прямая задача расчета магнитной цепи заключается в том, что задан магнитный поток Фи требуется определить магнитодвижущую силу Рисунок 1. Магнитная цепь с постоянной МДС -18- F. Определим магнитную индукцию в магнитопроводе: По кривой намагничивания найдем значение напряженности магнитного поля H, соответствующее величине В. Напряженность магнитного поля в воздушном зазоре: Магнитодвижущая сила обмотки При обратной задаче расчета магнитной цепи по заданному значению магнитодвижущей силы требуется определить магнитный поток. Расчет такой задачи выполняется с помощью магнитной характеристики цепи F = f(Ф). Для построения такой характеристики необходимо задаться несколькими значениями Фи найти соответствующие значения F. С помощью магнитной характеристики по заданной магнитодвижущей силе определяется магнитный поток. Магнитные цепи с переменной магнитодвижущей силой Магнитные цепи, магнитное поле которых обычно возбуждается катушками с ферромагнитными сердечниками, питающимися от источников переменного тока, называются магнитными цепями с переменными МДС. Они широко применяют при создании разнообразной электрической аппаратуры и электрических машин переменного тока. Для усиления магнитного поля и придания ему требуемой конфигурации электрические машины и аппараты снабжают ферромагнитными сердечниками. Одной из особенностей магнитных цепей с переменной МДС является то, что токи в обмотках и магнитные потоки в сердечниках взаимосвязаны, те. магнитный поток зависит от токов в обмотках, а токи зависят от характера изменения магнитного потока. Эта взаимосвязь усложняет их исследование. Другой их особенностью является то, что наряду с активной мощностью, расходуемой в активном сопротивлениикатушки, эта мощность расходуется также на нагрев ферромагнитного сердечника, что обусловлено гистерезисом и вихревыми токами. Активную мощность, расходуемую на нагрев сердечника, часто называют потерями мощности встали. Нагревание магнитопроводов ухудшает их энергетические показатели. В ферромагнитном сердечнике под действием переменного магнитного потока, пронизывающего сердечник, возникают вихри тока, которые замыкаются в сердечнике. Такие токи называются также токами Фуко. Вихревые токи производят размагничивающее действие на магнитопровод, так как, согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов является размагничивающим по отношению к магнитному полю, их индуцирующему. Размагничивающее действие вихревых токов сильнее проявляется в середине сердечника и меньше на его поверхности, так как участки в середине сердечника охватываются большими вихревыми токами, чем участки, близкие к поверхности. Так как размагничивающее действие вихревых токов уменьшается от центра сердечника к его поверхности, то происходит как бы вытеснение основного магнитного потока из середины сердечника к поверхности, те. создается магнитный поверхностный эффект. Иными словами, вихревые токи экранируют внутренние участки магнитопровода от основного магнитного потока, создаваемого током катушки. Магнитный поверхностный эффект растет с повышением частоты переменного тока и особенно заметно начинает проявляться при частотах порядка тысяч герц и выше. Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов и снижения их экранирующего действия магнитопроводы изготовляют набранными в большинстве случаев из тонких листов стали, -19- изолированных друг от друга лаком. Катушка с ферромагнитным сердечником. Для увеличения индуктивности катушек их наматывают на замкнутые сердечники из ферромагнитного материала. В устройствах работающих на низких частотах для сердечников используют электротехническую сталь. При высоких частотах используются сердечники из спрессованного ферромагнитного порошка. Но независимо от конструкции и материала все катушки с ферромагнитным сердечникомобладают рядом свойств и особенностей, которые мы рассмотрим. В основном катушки имеют конструкцию, показанную на рис. 1. На замкнутый сердечник из ферромагнитного материала различной формы и размеров наматываются проводники, по которым протекает переменный ток. Протекающий ток создает вокруг катушки переменный магнитный поток, большая часть которого вследствие высокой магнитной проницаемости ферромагнетика замыкается по материалу Ф. Существенно меньшая часть магнитного потока охватывает витки катушки, замыкаясь по воздуху, и образует т.н. поток рассеяния Ф. Основной потоки поток рассеяния отличаются друг от друга не только количественно, но и принципиально. Поток рассеяния замыкается по среде, магнитная проницаемость которой не зависит от напряженности магнитного поля. Поэтому его величина линейно связана с величиной тока катушки. Основной поток замыкается по ферромагнетику, обладающему сильно выраженной нелинейной зависимостью магнитной проницаемости от напряженности поля и неоднозначной связью между ними. Все это делает невозможным общий точный анализ процессов в катушке и требует принятия допущений, позволяющих рассматривать катушку как объект с линейными характеристиками. Переменный магнитный поток, пронизывающий материал сердечника, вызывает появление в массе материала ЭДС индукции. Так как все ферромагнетики относятся к проводникам, то под действием этой ЭДС в сердечнике возникают электрические токи, протекающие по замкнутым контурам, расположенным в плоскостях перпендикулярных направлению магнитного потока, и называемые вихревыми токами или токами Фуко. Вихревые токисоздают свой магнитный поток, стремящийся, в соответствии с правилом Ленца, ослабить изменение основного потока. Поэтому они действуют размагничивающим образом, уменьшая основной поток. Протекающий по материалу сердечника электрический ток вызывает его нагрев. Если это тепло не используется, то говорят о потерях на вихревые токи. Снижение потерь достигается увеличением удельного сопротивления материала и разделением его на отдельные изолированные друг от друга слои вдоль линий магнитного потока. Промышленная электроника. Полупроводниковый p-n переходи его свойства. Полупроводниковые вещества — вещества, удельное сопротивление которых при комнатной температуре больше, чему проводников (ρ=10 -3 -10 -2 Ом*см) , но меньше, чему непроводников (ρ=10 -6 -10 -4 Ом*см). Электронно-дырочная проводимость обусловлена структурой кристаллической решетки Рисунок 2. Катушка с ферромагнитным сердечником -20- некоторых веществ, например кремния На рисунке 6.1 представлен фрагмент, где электроны атомов кремния образуют валентные связи. Если по каким-либо причинам из решетки будет выбит электрон, тона его месте образуется положительно заряженная дырка, которая ведет себя подобно частице с элементарным положительным зарядом. Электроны и дырки являются носителями зарядов, которые под действием разности потенциалов создают ток в полупроводнике. Если в кристаллическую решетку Si ввести примесные атомы, то можно изменить соотношение между свободными электронами и дырками в кристалле. У пятивалентного атома фосфора, введенного в решетку Si (риса, четыре его валентных электрона вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон может легко отрываться и становиться свободным. Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам, поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно электронной, те. n-типа. Если в решетку Si ввести трехвалентный атом бора (рис. 6.2 б, то для образования устойчивой оболочки из восьми электронов требуется дополнительный электрон, который может быть взят от соседнего атома кремния. На месте изъятого электрона образуется дырка. Дырки, образованные примесными атомами, добавляются к собственным дыркам, поэтому проводимость полупроводника становится преимущественно дырочной, те. p-типа. Свойства p-n перехода. При соединении полупроводников p- и типа идеальной прокладкой возникает пограничный слой, или p-n переход. В пограничной области часть дырок (+) из слоя переходит в слой, оставляя в слое неподвижные отрицательные ионы (-), а часть электронов из слоя перейдет в слой, оставляя в слое неподвижные положительные (+) ионы. Тов пограничном слое образуется обедненный электронами и дырками запирающий слой, и возникает разность потенциалов между неподвижными примесными -21- ионами (з) — запирающее напряжение. Возникающее между этими слоями электрическое поле - потенциальный барьер - препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу раздела, и ток через p-n прекращается. Если ЭДС Ев приложена минусом к слою, а плюсом к слою (обратное включение, то высота потенциального барьера увеличивается (результирующее напряжение, U pn =U з +U в ), и ток через p-n переход не идет, где впадение напряжения на p-n переходе от внешнего источника тока (Ев. Ток в полупроводнике I=I пр +I обр При увеличении U pn прямой ток I np уменьшается до нуля, а обратный ток I обр увеличивается до тока насыщения. То. I=I обр Если ЭДС включена плюсом к слою, а минусом — к слою (прямое включение, высота потенциального барьера уменьшается U pn =U з -U в . Ток в полупроводнике I=I пр -I обр , где пр — прямой ток, образованный основными носителями заряда (дырками, I обр — обратный ток, образованный неосновными носителями заряда (электроны). Через p-n переход потечет ток после преодоления потенциального барьера (когда з в. В идеальном p-n переходе электрический ток может быть только одного направления рис. 6.3). Приуменьшении напряжения на p-n переходе (U pn ) обратный ток I обр уменьшается до нуля. Следовательно, при прямом включении ток образован основными носителями зарядов, те. пр. Полупроводниковые диоды, их свойства и область применения. Полупроводниковый диод — прибор, состоящий из двух слоев си- проводимостью и с одним p-n переходом. Ток через p-n переход потечет только если з в, в этом случае сопротивление диода мало. Если же U з >U в , то ток не течет, сопротивление диода велико. На свойстве диодов пропускать ток только водном направлении основано широкое из применение. В первую очередь они служат для формирования тока одного направления. Также их часто применяют для преобразования переменного тока в постоянный и для -22- защиты разных устройств от неправильной полярности включения. Принцип действия транзистора. Транзистор — трехслойный (p-n-p или n-p-n) полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами для усиления входного сигнала. Наибольшее применение получили биполярный и полевой транзисторы, их отличие в способе управления током, протекающим через транзистор. Транзисторы представляют собой тонкую пластинку слаболегированного германия или кремния с электронной или дырочной проводимостью, на которой получены два электронно- дырочных перехода. Транзисторы имеют три вывода эмиттер Э, база Б и коллектор КВ зависимости от комбинации p-n перехода транзисторы делятся на два типа p-n-p и n-p-n. Обе разновидности транзистора отличаются только типом основных носителей заряда и полярностью внешних напряжений. Принцип действия одинаков. Поясним его на примере транзистора типа p-n-p, включение которого в цепь источников питания показано на рисунке Для того, чтобы полупроводниковый триод начал усиливать, его надо соединить с двумя внешними источниками тока так, чтобы один электронно-дырочный переход был включен в прямом направлении, а второй — в обратном. Переход, включаемый в прямом направлении, называется эмиттерным, в обратном — коллекторным. Источник ЭДС Е к выходной цепи транзистора включен между коллектором и базой в непроводящем направлении, поэтому коллекторный n-p переход закрыт и через него проходит только небольшой тепловой ток I КБО , обусловленный дрейфом через коллекторный переход неосновных носителей зарядов электронов (-) из коллектора в базу и дырок (+) из базы в коллектор Если во входную цепь транзистора включить в прямом направлении источник Е э , то эмиттерный n-p переход откроется и через него в обоих направлениях пойдут основные носители зарядов электроны из базы в эмиттер и дырки из эмиттера в базу через открытый pn 1 переход. Поскольку дырки в базе являются неосновными носителями зарядов, а ширина базы меньше диффузионной длины, на которую успевают продвинуться дырки до рекомбинации нейтрализации) с электронами, то подавляющее большинство дырок, инжектированных из эмиттера в базу, создадут диффузионный ток в направлении к коллекторному n-p переходу и там, попадая в электрическое поле закрытого коллекторного перехода, создадут дрейфовый ток, вызывая резкое увеличение коллекторного тока. В силу закона электрической нейтральности заряды дырок, прошедших из эмиттера через базу в коллектор, будут компенсированы свободными электронами, приходящими в коллектор из внешней цепи и создающими в ней ток коллектора I к Электроны, являющиеся основными носителями зарядов в базовой области транзистора, под действием электрического поля источника ЭДС Е э пройдут через эмиттерный n-p переходи создадут ток базы транзистора I Б Одной из характеристик транзистора является коэффициент передачи потоку |