Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца

• Название: Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца
• Дата: 29.10.2022
• Размер: 1.79 Mb.
• Имя файла: 216781-51125.docx
• Тип: Закон; #761326
• страница: 15 из 17

31. Электрический привод. Структура и преимущества электропривода. Трехфазные синхронные электродвигатели. Их преимущества и недостатки. Устройство и принцип работы. Основные характеристики. Режим синхронного компенсатора.

Электрический привод (ЭП) – это электромеханическая система, предназначенная для преобразования ЭЭ в механическую, управление потоком этой энергии и содержащая:

- преобразователь ЭЭ (ПЭЭ) - служит для изменения параметров ЭЭ (трансформаторы, выпрямители, частотные преобразователи);

- электромеханический преобразователь (ЭМП) - преобразует электрическую энергию в механическую (электромагнитные и электромашинные преобразователи - различные типы двигателей);

- преобразователь механической энергии (ПМЭ) - служит для изменения параметров механической энергии (редукторы, кулачковые механизмы, кулисные механизмы и др.);

- система управления ЭП (СУЭП) - управляет режимом работы ЭП (включение, выключение, реверсирование, торможение, изменение частоты вращения ЭП);

- рабочая машина (РМ) или исполнительный механизм (ИМ) - преобразует механическую энергию в требуемую работу. 

Структурная схема электропривода

В настоящее время на получение механической энергии в электроприводе расходуется около 80 % электрической энергии, потребляемой в промышленности, или около 60 % всей вырабатываемой электрической энергии. Широкое распространение электропривода связано с такими его преимуществами, как

1. Простота подвода и распределения электрической энергии;

2. Высокая надежность, безопасность и экономичность электрических двигателей;

3. Простота и удобство обслуживания и эксплуатации электрических двигателей, управления, контроля и автоматизации работы электропривода;

4. Широкий выбор типов, конструктивных исполнений и мощностей электрических двигателей;

5. Широкий диапазон регулирования частоты вращения и хорошие регулировочные свойства электрических двигателей;

6. Высокая экологическая чистота производства при использовании электропривода.

 Другой весьма распространенный в промышленности тип машин переменного тока - синхронные двигатели – отличаются сложной конструкцией и высокой стоимостью, практически не регулируются, однако обладают высокими экономическими характеристиками и применяются в нерегулируемом электроприводе большой мощности (более 50 – 100 кВт) для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов, дымососов.

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения).

Якорь (обычно расположенный на статоре) представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока[1] или постоянных магнитов. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи Фуко.

Принцип действия

Двигательный режим

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося переменного магнитного поля якоря и постоянных магнитных полей полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт), в маломощных — постоянные магниты. Есть также обращённая конструкция двигателей, где якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до номинальной скорости вращения, прежде чем сможет работать самостоятельно. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это называется «вошёл в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, когда обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко. После выхода на номинальную скорость индуктор запитывают постоянным током от выпрямителя.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель (обычно асинхронный).

Существуют комбинированные варианты, в которых на роторе, вместе с постоянными или электромагнитами, установлены короткозамкнутые обмотки. Иногда на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от очень малых до номинальных величин.

Возможен и обратный вариант, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Частота вращения ротора [об/мин] остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети [Гц] соотношением: ,где p— число пар полюсов ротора.

Синхронные двигатели обладают ёмкостной нагрузкой, поэтому их выгодно использовать для компенсации индуктивной нагрузки (повышения коэффициента мощности). Синхронные двигатели применяют там, где нет необходимости частого пуска/остановки и регулирования скорости вращения (например в системах вентиляции).

Генераторный режим

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки якоря, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120°, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС [Гц] связана с частотой вращения ротора [об/мин] соотношением: , где p— число пар полюсов ротора.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям.

Синхронный компенсатор - синхронная электрическая машина, работающая в режиме электродвигателя без активной нагрузки. Включение синхронного компенсатора эквивалентно присоединению к электрической сети ёмкостной или индуктивной нагрузки (в зависимости от режима синхронного компенсатора); меняя характер нагрузки, регулируют напряжение и повышают коэффициент мощности (cosφ) сети.


32. Основы силовой промышленной электроники. Свойства электронно-дырочного перехода. Полупроводниковый диод. Свойства диода при прямом и обратном включении. Вольтамперная характеристика. Структурная схема выпрямительного устройства.

Основы промышленной электроники

Промышленная электроника является одним из важнейших разделов технической электроники, занимающейся изучением и практическим использованием электронных электровакуумных и полупроводниковых приборов и устройств в различных отраслях промышленности.

В промышленной электронике в зависимости от области практического применения можно выделить три направления:

1.     Информационная электроника является основой электронно-вычислительной и информационно-измерительной техники и устройств автоматики. К ней относятся электронные устройства и системы, связанные с получением, обработкой, хранением, передачей и использованием информации, а также контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами;

2.     Энергетическая (силовая) электроника занимается изучением и промышленным использованием электронных устройств, связанных с преобразованием электрической энергии средней и большой мощности в системах электрического привода.

3.   Электронная технология занимается изучением и промышленным использованием электронных устройств в технологических процессах, основанных на использовании энергии электромагнитных волн, электронных и ионных излучений и др.

Современная промышленная электроника основана на широком применении полупроводниковых приборов, которые по сравнению с электровакуумными приборами обладают большими достоинствами: высокий коэффициент полезного действия, низкое энергопотребление, высокая надёжность и долговечность, незначительные габариты и масса.

ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО - ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

 В большинстве полупроводниковых приборов исполь­зуются кристаллы комбинированного полупроводника с двумя и более слоями (зонами), образованными примесными полупроводниками с различным типом проводимости, т. е. полупроводниками р и n - типа.

Область комбинированного полупроводника, расположенная вблизи ме­таллургической границы, разделяющей полупровод­ник на две части с разнотипной проводимостью ( pиn - зоны), называется электронно - дырочным переходом или р – п - переходом.

Электронно-дырочный переход (рис. 7) обычно получают вплавлением или диффузией соответствую­щих примесей в пластинку монокристалла чистого полупроводника. Электронно-дырочный переход представляет собой очень тонкий (не более де­сятых долей микрометра) слой, разделяющий р и n – полупроводники (р и n – зоны) и в отличие от примесных или чистых полупроводников обладающий свойством односторонней проводимости, на использовании которой основана работа полупроводниковых приборов.

 Образование электронно-дырочного перехода обусловлено различием концентраций подвижных носителей заряда в электронной и дырочной областях (зонах) комбинированного р - n – полупроводника. В отсутствие внешнего электрического поля в зоне контакта полупроводников р и n – типа из-за разности концентраций подвижных носителей заряда в р и n - зонах происходит процесс диффузии основных носителей электрических заряда из зоны с повышенной концентрацией носителей в зону с по­ниженной концентрацией носителей заряда (диффузионный ток I_ДИФ), т. е. дырки, концентрация которых повышена в полупроводнике р – типа, диффундируют в n - зону, а электроны, концентрация которых повышена в полупроводнике n – типа - диффундиру­ют в р – зону. При встречном движении положительных (дырок) и отрицательных (электронов) носителей зарядов они взаимно нейтрализуются (рекомбинируют) и вблизи границы раздела полупроводников р и n – типа возникает область, обеднённая подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким электрическим сопротивлением (запирающий слой).

 

Рис. 7. Структура электронно-дырочного перехода

Если бы электроны и дырки были нейтральными, то в процессе диффузии произошло бы в конечном итоге полное выравниванию их концентраций по всему объ­ему кристалла. Однако в действительности этого не происходит, поскольку диффузионный ток через р и n - пере­ход приводит к нарушению баланса положительных и отрица­тельных зарядов и возникновению в запирающем слое электрического поля, препятствующего диффузии носителей зарядов. Уход электронов из n - зоны полупроводника приводит к тому, что их концентрация вблизи р и n - пере­хода уменьшается и здесь возникает не скомпенсированный положительный заряд неподвижных ионов донорной примеси. В другой части полупроводника - в р – зоне - вследствие ухода дырок их концентрация вблизи р и n - пере­хода снижается и здесь возникает не скомпенсированный отрицательный заряд неподвижных ионов кристаллической решётки.

Таким образом, в результате диффузии носителей заряда в запираю­щем слое нарушается баланс положительных и отрица­тельных зарядов и на границе раздела полупроводников р и n – типа возникают два слоя противоположных по знаку зарядов, образованных неподвижными ионами кристаллической решётки: отрицательными в р - зоне, в положительными в n– зоне, т. е. возникает так называемый двойной электрический слой.

Этот двойной электрический слой (контактная разность потенциалов), образованный пространственными зарядами ионов кристаллической решётки, создает внутри запирающего слоя электри­ческое поле напряженностью E_ПЕР(поле перехода или потенциальный барьер), направленное от n - зоны полупроводника к р – зоне, т. е. направленное навстречу диффузионному току. Под действием поля перехода возникает встречное движение неосновных носителей заряда через р – п - переход – дырок из n– зоны и электронов – из р – зоны, т. е. возникает так называемый дрейфовый ток I_ДР , направленный навстречу диф­фузионному току.

Разделение носителей заряда на диффундирующие и дрейфующие довольно условно, т.к. в действительности каждый носитель заряда в запирающем слое находится в движении под одновременным действием сил диффузии и внутреннего электрического поля перехода. Через некоторое время дрейфовый ток полностью компенсирует диффузионный и в области р – п - перехода наступает динамическое равновесие, когда результирующий ток через переход равен нулю

I= I_ДИФ - I_ДР = 0.

Такой режим соответствует равновесному со­стоянию р – п - перехода при отсутствии внешнего электри­ческого поля.

 

Свойства электронно - дырочного перехода при наличии внешнего напряжения

Включение электронно - дырочного  перехода в прямом направлении

 Если двухслойный р – п - полупроводник включить в элек­трическую цепь в прямом направлении, т. е. так, что плюс приложен к р - слою, а минус к n– слою (рис. 8), то напря­жение внешнегоэлектрического поляE_ВНпрактически все оказывается приложенным к запирающему слою, как к участку с наибольшим сопро­тивлением. Из-за встречного направления внутреннего E_ПЕРи внешнего E_ВНполей результирующая напряженность электрического поля в запирающем слое и потенциальный барьер снижаются: E_РЕЗ = E_ПЕР- E_ВН.

Снижение потенциального барьера приводит к уменьшению объемного заряда и сужению за­пирающего слоя, в результате чего возрастает количество основных носителей заряда, обладающих энергией, достаточной для преодоления р – п - перехода, а как следствие этого - увеличивается диффузионная со­ставляющая тока через переход. При этом дрейфовая составляющая тока практически остаётся постоянной, поскольку не зависит от приложенного напряже­ния, а определяется напряжением поля перехода E_ПЕР и количеством неосновных но­сителей заряда, концентрация которых в примесных полупроводниках по сравнению с основными носителями очень мала.

Поэтому при прямом включении р – п - перехода возникает результирующий ток - прямой ток, протекающий через переход в прямом направлении из р – зоны в п - зону: I_ПР = I_ДИФ - I_ДР > 0.

 

Рис. 8. Прямое включение электронно-дырочного перехода

 Поскольку величина потенциального барьера р – п - перехода обычно составляет несколько десятых долей вольта, то даже небольшое прямое напряжение U _ПР (порядка десятых долей вольта), приложенное к р – п – переходу, вызывает появление большого прямого тока I_ПР , обусловленного высокой концентрацией основных носителей заряда – дырок в р – зоне и электронов в п - зоне и в зависимости от мощности полупроводникового прибора достигающего величины порядка сотен и тысяч ампер. В случае, если прямой ток превышает некоторое значение, допустимое по условиям теплового нагрева полупроводника, то вследствие повышенного тепловыделения происходит быстрый перегрев полупроводника и тепловое разрушение р – п – перехода.

Другими словами при прямом включении р – п – перехода его электрическое сопротивление R _ПР = U _ПР/ I_ПРочень мало (порядка десятых – сотых долей ома), поэтому им часто пренебрегают, принимая практически равным нулю (R _ПР ≈ 0) и в этом случае используют выражение « р – п – переход открыт ».

Включение электронно-дырочного  перехода в обратном направлении

Если двухслойный р – п - полупроводник включить в элек­трическую цепь в обратном направлении, т. е. так, что плюс приложен к n - слою, а минус к p– слою (рис. 9), то в этом случае направления внутреннего E_ПЕРи внешнего E_ВНполей совпадают и результирующая напряженность электрического поля в запирающем слое и потенциальный барьер возрастают: E_РЕЗ = E_ПЕР+ E_ВН .

При этом возрастает заряд двойного электрического слоя и ширина запирающего слоя, поэтому диффузия основных носителей заряда через переход становится практически невоз­можной и диффузионный ток через переходI_ДИФ = 0. В этом случае результирующий ток через переход будет определяться только дрейфовым током неосновных носителей заряда, протекающим в обратном направлении и называемым обратным током:

I _ОБР = I _ДР = I _ДИФ - I _ДР .



  Рис. 9. Обратное включение электронно-дырочного перехода

 Обратный ток I_ОБР , обусловленный движением неосновных носите­лей заряда (дырок из n– зоны в р – зону и электронов из р – зоны в n– зону) под действием возросшего поля перехода E_РЕЗнесколько увеличивается, однако даже при большом обратном напряжении U _ОБР(порядка сотен вольт) остаётся очень незначительным (порядка нескольких милли - микроампер), так как концентрации неосновных (собственных) носителей заряда в полу­проводнике - дырок в n– зоне и электронов в р – зоне очень малы.

Другими словами при обратном включении р – п – перехода его электрическое сопротивление R _ОБР = U _ОБР/ I_ОБРочень велико (порядка миллионов ом), поэтому часто его принимают практически равным бесконечности (R _ОБР ≈ ∞) и в этом случае используют выражение « р – п – переход закрыт ».

В случае, если обратное напряжение превышает некоторое допустимое значение, то происходит лавинный электрический (обратимый) пробой р – п – перехода, что приводит к заметному увеличению обратного тока, быстрому перегреву полупроводника и тепловому разрушению р – п – перехода. Электрический и тепловой пробои р – n - перехода во многих случаях происходят одновременно. При чрезмерном разогреве перехода, когда происходит изменение структуры кристалла, переход необра­тимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через р – п - переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющаяся на переходе, невелика, то пробой обратим. В этом слу­чае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения, подводимого к переходу.

 ВОЛЬТ – АМПЕРНАЯ  ХАРАКТЕРИСТИКА  (ВАХ) ЭЛЕКТРОННО - ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

 Зависимость силы тока через р – п - переход от приложенно­го напряжения I (U)называется вольт - амперной ха­рактеристикой (ВАХ) электронно - дырочногоперехода (рис. 10).

 



 

Рис. 10. Вольт - амперная характеристика электронно-дырочного перехода

а) – идеальная; б) - реальная

 Вольт - амперная характеристика для прямого включения р – п - перехода (прямая ветвь ВАХ «1») и обратного включения (обратная ветвь ВАХ «2») в зависимости от требуемой точности может быть изображена при одинаковом масштабе токов и напряжений (а)и при различном масштабе (б).

При одинаковом масштабе по осям для прямых (положительных) и обратных (отрицательных) значений на­пряжения и тока вольт - амперная характеристика соответствует характеристике идеаль­ного электрического вентиля (а ). Прямая ветвь ВАХ совпадает с осью тока, что означает нулевое падение на­пряжения при протекании прямого тока, т. е. прямое сопротивление р – п - перехода равно нулю (R _ПР = 0) и следовательно р – п – переход открыт. Обратная ветвь ВАХ совпадает с осью напряжения, что означает нулевой ток при включении обратного напряжения, т. е. обратное сопротивление р – п - перехода равно бесконечности (R _ОБР = ∞) и следовательно р – п – переход закрыт. Следовательно, р – п - переход в зависимости от полярности приложенного напряжения обладает вентильными свойствами - односторонней проводимостью, т. е. пропускает электрический ток в прямом направлении и не пропускает в обратном.

В действительности реальная вольт - амперная ха­рактеристика р – п -перехода (б )несколько отличается от идеальной вентильной характеристики, поэтому, если для точных расчётов необходимо учесть эти отличия, то её строят в раз­ных масштабах для прямых и обратных зна­чений токов и напряжений.

Отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется коэффициентом выпрямления: К_В = I_ПР / I_ОБР , (U = const).

Анализ вольт - амперной характеристики р – п - перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Нелинейные свойства р – n - переходов лежат в основе работы полупроводниковых преобразователей электрической энергии, используемых для выпрямления переменного тока, изменения частоты и т. д.

Односторонняя (вентильная) проводимость р – п – перехода является его основным отличительным свойством, на использовании которого и основана работа различных полупроводниковых приборов.