Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
. Схематичный поперечный разреза) и изображение однофазного двигателя (б) Припуске однофазный двигатель не может создать вращающий момент, так как от действия вращающихся в разные стороны симметричных полей не образуется результирующего вращающего электромагнитного момента, те. такой двигатель не имеет пускового момента. Если каким-либо способом придать угловую скорость ротору, вращая его в любую сторону, то электромагнитные вращающие моменты, создаваемые каждым вращающимся полем, будут разными по величине. Для одного из полей, направление вращения которого соответствует направлению движения ротора, (назовём его прямым, скольжение будет определяться соотношением пр = (Ω 0 - Ω 2 )/ Ω 0 < 1. Для обратного поля S обр = (-Ω 0 - Ω 2 )/( -Ω 0 ) > 1, где Ω 0 – частота вращения поля (синхронная скорость) ; Ω 2 – частота вращения ротора. Это значит, что обратное поле перемещается относительно ротора с большей скоростью. Индуцируемые этим полем ЭДС и токи имеют большие амплитуду и частоту, чем созданные прямым полем, и, следовательно, больше компенсируют обратную составляющую мдс F обр . В этом случае, F рез . обр < F рез.пр , где F рез . обр – результирующая мдс обратного поля, F рез.пр – результирующая мдс прямого поля. В результате возникает электромагнитный вращающий момент, отличный от нуля. Следовательно, если ротор приведен во вращение в какую-то сторону, то возникает вращающий момент, отличный от нуля и действующий в этом же направлении. Механические характеристики показаны на рис. 6.8. Рис. 6.8. Механические характеристики однофазного асинхронного двигателя без пусковой обмотки ас пусковой обмоткой б и схема питания двигателя спусковой обмоткой в С целью получения пускового момента в асинхронном однофазном двигателе делают на статоре еще одну обмотку, называемую пусковой см. рис. 6.8, в. Её назначение – компенсировать в момент пуска обратную составляющую пульсирующего магнитного поля, те. преобразовать пульсирующее поле в круговое или эллиптическое. Это достигается путем сдвига по фазе тока пусковой обмотки (за счет включения конденсатора) и пространственным сдвигом в теле статора оси пусковой обмотки на некоторый угол относительно оси главной обмотки. Пусковая обмотка в однофазном двигателе подключается только на время пуска, а при достижении заданной скорости отключается от сети. Такие двигатели часто используются там, где не требуется большая мощность и большой пусковой момент. В промышленных приводах исполнительных механизмов часто используются двухфазные асинхронные двигатели, которые часто называют конденсаторными. Схема подключения такого двигателя показана на рис. 6.9. В двухфазном двигателе пусковая обмотка делается такой же, как и основная, и постоянно подключена к сети через конденсатор С р Пусковой конденсатор С п также используется, но его ёмкость будет значительно меньше. Две обмотки создают поле, близкое к круговому вращающемуся, за счет сдвига по фазе около 90 ◦ между токами обмоток. Сдвиг между токами достигается включением последовательно со второй обмоткой конденсатора р С . Конденсатор п С подключается только на время пуска для повышения величины пускового момента и отключается при достижении нужной скорости (см. рис. 6.9). Рис. 6.9. Схема подключения к сети двухфазного асинхронного двигателя аи механические характеристики припуске б) Двухфазные (конденсаторные) двигатели применяют в маломощных приводах с трудными условиями пуска. В системах автоматического управления применяют асинхронные маломощные двигатели (микродвигатели) различных конструкций, однофазные и двухфазные, с полым цилиндрическим ротором из немагнитного материала, с двумя концентрическими сблокированными статорами [50]. Синхронные микродвигатели. Для приводов механизмов, требующих постоянной частоты вращения, используются синхронные двигатели. У синхронных двигателей частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля. Обычно синхронные двигатели выполняют небольшой мощности (от долей Вт до 200 Вт, поэтому их можно отнести к категории микродвигателей. Двигатель состоит из статора с обмотками, создающими вращающееся магнитное поле, и ротора, имеющего или образующего чаще всего явно выраженные полюсы. Синхронные двигатели могут иметь однофазные или трехфазные статорные обмотки. Различные виды синхронных двигателей отличаются, в основном, исполнением ротора. Ротор может быть выполнен в виде постоянного магнита, на котором размещается короткозамкнутая стержневая обмотка типа беличье колесо для обеспечения пускового момента. Если ротор выполнить из магнитомягкого материала и придать ему форму магнита с явно выраженными полюсами, то можно создать вращающий синхронный момент. Такие двигатели называют реактивными [50]. Вращающий момент в них возникает за счет стремления ротора, подобно стрелке компаса, занять положение, при котором силовые линии магнитного поля статора будут проходить по пути с минимальным магнитным сопротивлением. Недостатком синхронных реактивных двигателей и двигателей с постоянными магнитами является слабый пусковой момент. Для приводов механизмов с относительно большим моментом инерции применяют синхронные гистерезисные двигатели, сочетающие в себе признаки асинхронного двигателя и синхронного двигателя с явно выраженными полюсами. Схематичное изображение конструкции ротора такого двигателя показано на риса. Тело ротора синхронного двигателя изготавливают из алюминия или стали, гильзу выполняют из магнитотвёрдого материала с широкой петлёй гистерезиса. Рис. 6.10. Конструкция ротора аи механическая характеристика б гистерезисного микродвигателя Результирующей вращающий момент, создаваемый в таком двигателе, можно представить состоящим из двух составляющих асинхронный момент М а и гистерезисный момент М : М рез = М + М а рис. 6.10, б, причем значение гистерезисного момента не зависит от скорости. Шаговые электродвигатели Шаговые электродвигатели находят широкое распространение в системах цифрового управления механизмами, так как обеспечивают возможность достаточно точного позиционирования механизма при относительно несложном импульсном управлении. Принцип действия шагового двигателя аналогичен принципу действия синхронного реактивного двигателя с явно выраженными полюсами на статоре и роторе. В простейшей конструкции шагового двигателя каждая пара обмоток образует электромагнит с импульсным управлением. Очевидно, что если в обмотки поочередно подавать импульсы тока, то ротор, следуя за магнитным полем, будет вращаться в направлении очередности следования импульсов. Например, если, согласно рис. 6.11, подавать импульсы тока в обмотки Н 1 К 1 - Н 2 К 2 - Н 3 К 3 - Н 1 К 1 и т.д., то ротор будет шагать вслед за магнитным полем, те. вращаться почасовой стрелке. Организуя очередность и комбинации подаваемых импульсов можно уменьшить дискретность угла поворота и сделать вращение более равномерными устойчивым. Рис. 6.11. Схематичное представление конструкции реактивного шагового двигателя с импульсным управлением Удовлетворительными характеристиками обладают шаговые двигатели с ротором, выполненным с постоянными магнитами из магни- тотвердого материала. В таких двигателях удается сделать шаг до 15 ◦ , что бывает часто недостаточно. Для уменьшения шага двигателя до единиц и долей градуса шаговые двигатели выполняют с зубчатым ротором и зубчатыми полюсами статора. Такие двигатели называют редукторными [50]. 6.5. Электрические машины постоянного тока Электрические машины постоянного тока находят широкое при- меприменение на транспорте, в металлургии, в электрохимии, в сварочном производстве [40]. Для нужд народного хозяйства изготавливаются машины мощностью от сотен кВт до долей ватта. Замечательным свойством машин постоянного тока является их обратимость, те. возможность использования машины одной конструкции как в качестве генератора, таки в качестве двигателя. Двигатели постоянного тока (ДПТ) имеют преимущества перед другими в части обеспечения нужных характеристик электрического привода большой пусковой момент, плавный пуск, большой диапазон регулирования скорости. В электронных системах управления ДПТ широко используются в качестве сервоприводов в различных электромеханических устройствах и системах автоматизации. Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока похожи на таковые для асинхронного двигателя переменного тока, так как в обоих случаях используется закон электромагнитной индукции и силовое взаимодействие магнитного поля и проводника стоком. Машина постоянного тока (как и любая другая) состоит из двухосновных частей статора и ротора, причём эти части в машинах постоянного тока часто называют соответственно станиной и якорем (рис. 6.12). Рис. 6. 12. Схематичный поперечный разрез машины постоянного тока аи условное изображение машины в электрической схеме (б 1– станина (статор 2 – ротор (якорь 3 – обмотка возбуждения 4 – полюсные наконечники электромагнитов статора 5 – неподвижный щёточный узел с электрическими проводниками 6 – вал якоря В машине постоянного тока магнитное поле неподвижно и возбуждается либо постоянными магнитами (у маломощных машин, либо электромагнитами постоянного тока (см. рис. 6.12) с помощью обмотки возбуждения 3, размещённой на полюсных наконечниках полюсах) 4. В реальных машинах помимо основных полюсов обычно имеются дополнительные, обеспечивающие улучшение работы машины в переходных режимах. Основная часть магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, замыкается через полюсные наконечники, воздушный зазор между ротором и статором, тело ротора и станину. Самым сложным узлом машины постоянного тока является якорь, так как на нём размещается основная (силовая) обмотка, в которую необходимо подавать (для двигателя) или сне снимать (для генератора) относительно большие токи при её вращении. Этот процесс осуществляется с помощью специфического для машины постоянного тока устройства, называемого коллектором, и щёточного узла. Схематичное изображение якоря показано на рис. 6.13, где обозначено 1– вал якоря 2 – коллектор 3 – тело якоря с обмоткой. Рис. 6.13. Схематичное изображение якоря машины постоянного тока Коллектор представляет собой пакет нескольких десятков медных клинообразных пластин, изолированных слюдяными прокладками и закреплённых по окружности вала якоря (см. рис. 6.13). Коллектор вращается вместе с валом, причём каждая пластина коллектора одним концом с помощью проводников соединяется свитками якорной обмотки, размещённой в пазах тела якоря. Медно-графитовые щётки (см. рис. 6.12) обеспечивают электрическую связь внешней цепи с вращающейся обмоткой якоря через скользящие контакты, образованные поверхностями медных пластин коллектора и контактной частью щёток. Принцип действия машины постоянного тока состоит в следующем. В двигательном режиме в цепь якоря через щёточный узел пода тся постоянный ток. В обмотку возбуждения подаётся постоянный ток возбуждения. На проводники обмотки якоря действует электромагнитная сила, так как проводники обтекаются током и находятся в магнитном поле, созданном обмоткой возбуждения. Силы, действующие на проводники обмотки якоря, приводят его в движение, создавая крутящий момент навалу якоря. В генераторном режиме якорь приводится во вращение каким либо двигателем, например двигателем внутреннего сгорания, а в обмотку возбуждения подаётся ток возбуждения. Теперь в проводниках обмотки якоря наводится ЭДС, так как проводники пересекают магнитное поле, созданное обмоткой возбуждения. Если к выводам обмотки якоря через щёточный узел подключить внешнее сопротивление, тов замкнутой цепи поте- чёт ток, сохраняющий постоянное направление, зависящее от направления вращения якоря и направления тока возбуждения в обмотке возбуждения. Детальное описание принципов действия машин постоянного тока можно найти, например в [25]. Следует заметить, что машины постоянного тока постепенно вытесняются более надёж- ными машинами переменного тока, так как наличие коллектора и щ- ток заметно снижает надёжность этих машин. 7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 7.1. Классификация систем питания К системам питания электронных устройств предъявляются повышенные требования в отношении стабильности, надежности, габаритных и весовых показателей. Все средства питания можно разделить на первичные и вторичные. К первичным источникам принято относить такие средства, как электромеханические и электрохимические генераторы, термоэлектрические и фотоэлектрические источники. Непосредственное использование первичных средств питания обычно затруднено по многим причинам, поэтому любое электронное устройство содержит источник вторичного электропитания (ИВЭП), который получает энергию от первичного источника. ИВЭП предназначены для формирования напряжений с заданными параметрами, нужными для обеспечения нормальной работы электронного устройства. Основная задача ИВЭП – преобразование энергии первичного источника в энергию, необходимую для функционирования устройства (энергию нагрузки. Классификацию ИВЭП можно выполнить по различным признакам. Примерная схема классификации показана ниже [30]. Классификация ИВЭП По принципу По назначению По количеству По виду преобразования действия и мощности каналов энергии первичных Трансформа- Микромощные Одноканальные источников торные до Вт Многоканальные Преобразователь Непрерывные Маломощные С индивидуальной Преобразователь Безтрансформа- 1-100 Вт стабилизацией Преобразователь /= торные Средней С групповой Преобразователь / Импульсные мощности стабилизацией Вт Мощные Свыше кВт 7.2. Основные характеристические параметры источников вторичного электропитания (ИВЭП) Входные параметры - значение и вид напряжения первичного источника питания входного напряжения - нестабильность входного напряжения - частота входного напряжения и пределы её отклонения от номинального значения - количество фаз входного напряжения - допустимый коэффициент гармоник входного напряжения. Выходные параметры - значения напряжений на выходе ИВЭП; - нестабильность выходного напряжения - ток нагрузки или выходная мощность по каждому каналу - наличие и параметры средств защиты от перегрузки, к.з. и повышения напряжения на выходе - наличие и величина сопротивления изоляции входа от выхода. Эксплуатационные параметры - диапазон рабочих температур - допустимое значение давления и влажности окружающей среды - допустимые механические нагрузки - кпд - удельная мощность, Вт/кг; - вид исполнения и степень защиты от окружающей среды - показатели надежности. 7.3. Типовые структурные схемы ИВЭП Структура ИВЭП определяется типом первичного источника электроэнергии, который может быть источником переменного или постоянного тока. Источником постоянного напряжения служат аккумуляторные или солнечные батареи. Напряжения источников постоянного напряжения первичных источников имеют фиксированные значения из ряда 6, 12, 24 и 48 В. Первичные источники переменного напряжения могут иметь фиксированные значения напряжения 110, 127, 220 или 380 В и фиксированные значения частоты 50, 400 или 1000 Гц. Все ИВЭП можно разделить на два больших класса непрерывные и импульсные. Непрерывные ИВЭП используют в качестве входного устройства трансформаторы, обычно понижающие уровень напряжения и обеспечивающие гальваническую развязку ИВЭП от первичного источника. Структурные схемы ИВЭП с трансформатором на входе показаны на рис. 7.1. В структурных схемах аи б) отсутствует стабилизатор. Структура б) используется, если необходимо иметь изменяющийся уровень выходного напряжения ИВЭП. Структура в) может иметь в своем составе вместо выпрямителя 2 регулируемый выпрямитель 4 и блок управления 5. Рис. 7.1. Структурные схемы ИВЭП с трансформатором на входе 1 – трансформатор 2 – выпрямитель 3 – фильтр 4 – регулируемый выпрямитель 5 – устройство управления 6 – стабилизатор Следует отметить, что структуры ИВЭП, показанные на рис. 7.1, ещё широко используются, но быстро уступают место импульсным ИВЭП, имеющим более высокий кпд и гораздо большую удельную мощность, меньшие веси габаритные размеры. В настоящее время наибольшее распространение получили два вида импульсных ИВЭП (ИИВЭП). Структурные схемы ИИВЭП показаны на рис. 7.2. Рис. 7.2. Структурные схемы импульсных ИВЭП: ас регулируемым инвертором б с регулируемым сетевым выпрямителем НСВ – нерегулируемый сетевой выпрямитель РСВ – регулируемый сетевой выпрямитель РИ – регулируемый инвертор НИ – нерегулируемый инвертор Т – трансформатор повышенной частоты В – выпрямитель ФВЧ – фильтр высокой частоты Принцип действия ИИВЭП основан на двойном преобразовании входного напряжения первое преобразование – переменное сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем постоянное напряжение преобразуется в переменное повышенной частоты, после чего переменное напряжение повышенной частоты опять выпрямляется и фильтруется обычным способом. За счет такого преобразования обеспечиваются гальваническая развязка потребителя от сети с помощью трансформатора и стабилизация выходного напряжения за счет введения обратной связи по выходному напряжению. Схема в целом существенно усложняется, однако выигрыш в компактности и весе по сравнению с источниками непрерывного типа значительный. ИИВЭП позволяют обеспечить многоканальность в тракте повышенной частоты и одновременную стабилизацию всех выходных напряжений индивидуальным или групповым способом. 7.4. Системы бесперебойного питания (СБП) электронных средств СПБ применяют для повышения безопасности работы радиоэлектронного оборудования, питающегося от источников электроэнергии низкого качества [20]. Наиболее простая архитектура СБП может быть представлена в виде двух ветвей, одну из которых составляет путь от первичного источника (сети) через сетевой фильтр и коммутатор к нагрузке, а второй путь образован от сети к аккумуляторной батарее через инвертор и коммутатор к нагрузке (рис. 7.3). Рис. 7.3. Структурная схема системы бесперебойного питания Принцип действия СБП весьма прост. При нормальной работе сети напряжение в нагрузку подается через фильтр и коммутатор. Одновременно обеспечивается подзаряд аккумуляторной батареи. При пропадании, завышении или понижении сетевого входного напряжения устройство управления инициирует с помощью коммутатора подключение нагрузки к выходу инвертора И (см. рис. 7.3), действие которого обеспечивается аккумуляторной батареей АБ. Время переключения мс. (Компьютерные системы переносят безболезненно отключение питания на 10 – 20 мс. Такие СБП способны поддержать, например, работу персонального компьютера в течение 5 – 10 мин. СБП такой структуры можно использовать при редких отключениях и малых отклонениях от стандартов питающей сети. Пример более надежной структуры СБП приведен в [20] (рис. 7.4). Рис. 7.4. Структура СПБ с двойным преобразованием 1 – сетевой выпрямитель 2 – преобразователь постоянного напряжения повышенного уровняв постоянное напряжение низкого уровня 3 – инвертор 4 – аккумуляторная батарея 5 – коммутатор Питание на инвертор 3 может быть подано как от аккумулятора 4, таки от сети через выпрямитель 1 и преобразователь 2. При нормальном входном напряжении инвертор 3 питается от выпрямителя 1, а при отклонениях питающей сети от нормы на входе инвертора будет действовать напряжение батареи 4. Наличие обходной цепи (показано пунктиром на рис. 7.4) позволяет подключать нагрузку к сети в аварийных ситуациях. Недостаток такой СБП – невысокий кпд (85 – 90 %) и более сложная структура. ЧАСТЬ 2. ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Вводные замечания Электроника – отрасль науки и техники, изучающая законы взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электромагнитными полями и разрабатывающая методы создания электронных приборов, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производственных процессов, создания аппаратуры, устройств и средств контроля, измерения и управления [51]. Различают три основных направления электроники Наноэлектроника Исторические этапы развития электроники Электроника как наука возникла в конце XIX начале XX веков. Ее появлению предшествовали величайшие открытия и обширные научные исследования. 1861 – 1873 гг. – Д.К. Максвелл, английский физик, создал основы электродинамики. Электроника, (радиоэлектроника) Твердотельная Вакуумная |