![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник
.pdfспая, естественно, влияет на точ ность измерения. Для повышения точности измерения свободные спаи термопар помещаются в среду с по стоянной температурой.
Теоретически термопару можно получить из любых двух металлов, сплавов или полупроводников. Наи более широкое распространение в измерительных термопарах получи ли сплавы: копель (56,5% Си+ 43,5% Ni), хромель (90% Ni+10% Сг), алюмель (1% Si+2%' А1+
хромель-копель: 2 — хромель-алю + 17% Fe+2% Mn+78% Ni).
Термопара хромель-копель мо жет использоваться для измерения температуры до 600°С, а термо пара хромель-алюмель до 1100°С.
На рис. 13 приведена зависимость э. д. с- Е этих термопар от температуры рабочего спая при 0°С свободного спая.
Образцовые термопары для измерения температуры до 1600° С выполняются из платины и платинородия (90% Pt + 10% Rh).
Конструктивное исполнение термопар различное. Обычно они помещаются в защитную металлическую трубу, а рабочий спай, кроме того, вставляется в фарфоровый наконечник, изолирующий его от трубы. Изоляция проводов (электродов) термопары выпол няется в виде бус. В верхней части трубы на изоляционной колодке располагаются контакты для подключения удлинительных прово дов к измерительному прибору.
На рис. 14 показаны примеры монтажа термопар для измерения температуры выхлопных газов цилиндров. Места установки термо пар должны иметь теплоизоляцию.
Второй способ измерения температуры основан на использова нии зависимости электрического сопротивления проводников и по лупроводников от температуры. Зависимость для проводников вы
ражается формулой |
|
+ «0. |
(4) |
где R 0— сопротивление проводника при 0°С; |
- |
а — температурный коэффициент сопротивления; |
|
t — температура, °С. |
|
Температурный коэффициент сопротивления для металлов является положительным и в интервале 0—100° С для большинства металлов
имеет значения (3,3—6,2) 10“3 ^ |
. Для химически чистой меди, на- |
||
1 |
^ |
_з |
1 |
пример, я = 4,27.10“ — |
, а для |
никеля — а = 6,2-10 |
— ; |
Для измерения температуры используются сопротивления из ме таллов, обладающих возможно большим температурным коэффи
30
циентом. Важно также, |
чтобы |
|
|||||
этот коэффициент |
не |
зависел от |
|
||||
температуры. Тогда |
|
зависимость |
|
||||
R = f |
(/) будет линейной. |
|
ко |
|
|||
Сопротивление, |
величина |
|
|||||
торого значительно |
меняется |
при |
|
||||
изменении температуры, называ |
|
||||||
ется |
т е р м о р е з и с т о р о м |
|
|||||
( т е р м и с т о р о м ) . |
Проводнико |
|
|||||
вые |
терморезисторы |
изготовля |
|
||||
ются чаще всего |
из |
меди, |
нике |
|
|||
ля и платины. |
|
|
|
|
|
Рис. 14. Пример монтажа термопар |
|
Медные терморезисторы при |
для измерения температуры выхлоп |
||||||
ных газов |
|||||||
меняются для измерения |
темпе |
|
ратуры от —50 до +180°С, никелевые от -100 до +300°С, плати новые — от —200 до +650°С.
Преимущество никеля как материала для термосопротивлений перед медью заключается в том, чго его удельное сопротивление в 4—5 раз больше.
Большое распространение получают полупроводниковые терми сторы. Зависимость сопротивления полупроводников от температу
ры выражается формулой |
|
не |
|
R = A e T , |
(5) |
где А и В — постоянные коэффициенты, зависящие от типа полу проводника и формы термосопротивления;
Т — температура, °К; е — основание натурального логарифма.
Уравнение (5) показывает, что сопротивление полупроводнико вых терморезисторов при увеличении температуры уменьшается по экспоненциальному закону, т. е. нелинейно. Сопротивление полупро водниковых терморезисторов изменяется в зависимости от темпе ратуры в 6—10 раз больше, чем проводниковых. Серьезным недо
статком |
полупроводниковых терморезисторов |
является |
разброс |
|||||
параметров у однотипных эле |
|
|
|
|
||||
ментов. |
|
|
|
|
|
пв |
|
|
Отечественной промышлен |
|
|
|
|
||||
ностью |
выпускаются |
десятки |
|
|
|
|
||
типов полупроводниковых тер |
|
|
|
|
||||
морезисторов |
самых |
различ |
|
|
|
|
||
ных размеров и форм. Они из |
|
|
|
|
||||
готовляются |
в виде |
стержней, |
|
|
|
|
||
бусинок, шайб и даже |
в виде |
|
|
|
|
|||
пленок. |
Например, |
терморези |
|
|
|
|
||
стор типа МКМТ-16 |
имеет |
Рис. |
15. Принципиальная схема измере |
|||||
форму |
шарика |
диаметром |
ния |
температуры |
при помощи |
терморе- |
||
0,8 мм. |
|
|
|
|
знсторов |
|
|
31
Т абли ца т
Тип полупроводнико |
Диапазон значений номиналь |
Допустимая тем |
Отношение |
||||
вого терморезистора |
ного сопротивления при |
пература, 0° с |
|
|
|
||
|
20° С, # 20, Ом |
|
*100 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
А Ш Т -1 |
Юз— |
2 |
- Ю 3 |
120 |
4 , 5 — 8 |
, 5 |
|
М М Т -4 |
1 0 ’— |
2 |
- 105 |
120 |
4 , 5 — 8 , 5 |
||
М М Т -6 |
104— |
1 |
03 |
120 |
4 , 5 — 8 , 5 |
||
М М Т -8 |
1— Юз |
60 |
4 , 5 — 8 , 5 |
||||
М М Т -9 |
Ю— 5-103 |
120 |
4 , 5 — 8 , 5 |
||||
КМТ-1 |
2 - 1 0 4— 10е |
180 |
1 7 , 5 |
— 43 |
|||
К М Т -4 |
2-104— 10 3 |
120 |
1 7 , 5 |
— 43 |
|||
К М Т -8 |
102— 104 |
6 0 |
14— 2 3 , 5 |
||||
К М Т -10 |
103— З - Ю 3 |
400 |
1 7 , 5 — 43 |
||||
К М Т-11 |
Юз— 3-10» |
400 |
1 7 , 5 — 43 |
||||
К М Т -1 2 |
102— 104 |
120 |
i 4 — 2 3 , 5 |
||||
К М Т -1 4 |
3 , 5 - 1 0 — 101 |
300 |
19— 3 5 , 2 |
||||
Т О С -М |
5 -Ю з — 6 |
, 5 - 1 0 3 |
180 |
6 , 4 |
— 14 |
||
М К М Т -16 |
5 0 0 — 700 |
120 |
4 , 5 |
— 8 , 5 |
В табл. 7 приводятся данные некоторых типов отечественных тер морезисторов, используемых для контроля и измерения темпе ратуры.
Измерительные схемы с терморезисторами выполняются чаще всего в виде моста (рис. 15). Три плеча измерительного моста состо ят из постоянных сопротивлений Rl; R2; R3. Они обычно выполня ются из манганиновой проволоки, поскольку сопротивление манга нина очень мало зависит от температуры.
Сопротивление четвертого плеча состоит из суммы сопротивле ний:
R4 = Ri -'гА>л + /?у,
где R? — сопротивление терморезистора; R„ — сопротивление проводов линии; R y — уравнительное сопротивление.
Известно, что мост является уравновешенным, если выполняет ся условие
R1R3 = R2R4.
Измерительный прибор, включенный в диагональ уравновешен ного моста, покажет напряжение, равное нулю.
Измерение сопротивления RT в зависимости от температуры на рушает равновесие моста, что и позволяет отградуировать шкалу измерительного прибора в градусах Цельсия.
Для согласования сопротивления проводов линии с тем сопро тивлением, которое было принято при градуировке прибора, при меняется сопротивление Ry и калибровочное сопротивление, кото рое включается вместо RT.
Третий способ контроля температуры применяется для определе ния предельно допустимого значения температуры. Он основан на использовании линейного и объемного расширения тел и рассмат ривается в принципе действия тепловых пожароизвещателей.
32
§ 8. Понятие о телеизмерениях
Телеизмерения — это измерения различных электрических и неэлектрических величин на значительном расстоянии от объекта.
Совокупность технических средств, необходимых для телеизме рений, называется телеизмерительной системойТелеизмеритель ные системы позволяют сосредоточить в одном пункте значения большого количества параметров и тем самым делают возможной организацию центрального диспетчерского управления. Телеизме рительные системы в настоящее время применяются для централи зованного управления крупными энергетическими системами, нефте- и газопроводами, крупными комплексными предприятиями. Велико значение телеизмерений при исследовании космического пространства. Широко-используется телеизмерительная техника в системах гидрометеорологической и синоптической служб, сведения которых имеют большое значение для мореплавания. В связи с развитием комплексной автоматизации судов и внедрением авто матических систем управления (АСУ) телеизмерения должны най ти большое применение на морском транспорте.
Телеизмерительная система, блок-схема которой представлена на рис. 16, содержит в себе следующие необходимые элементы: первичный измерительный прибор или механизм /; преобразова тель на передающей стороне 2; передающее устройство 3; канал связи 4; приемное устройство 5; преобразователь на принимающей стороне 6; показывающий или самопишущий прибор на прини мающей стороне 7.
Чувствительный элемент первичного измерительного прибора 1 под воздействием измеряемой физической величины х изменяет ка кое-либо свое свойство (длину, вес, форму, положение подвижной части), т. е. величина х преобразуется в некоторую величину ух *= = f i ( x )- В преобразователе 2 величина у г преобразуется в величину Уъ — удобную для передачи через передающее устройство 3. В качестве величины у2 может быть электрическое напряжение или ток. С помощью передающего устройства величина у2 преобразуется в величину у3= / 3(у2), поступающую в канал связи 4. В качестве канала связи могут быть проводные, кабельные и высоковольтные линии, радиолинии и др. В канале связи и приемном устройстве 5 проходят преобразования соответственно зависимостям у4 = / 4(у3) и у5 = / 5(у4). Преобразователь на принимающей стороне 6 преобра зует величину у5 в величину у6= / 6(у5), удобную для ввода в пока зывающий или самопишущий прибор 7, где значение параметра у6
изображается |
некоторой |
величиной z — f (у6), которой могут быть |
||||
угол отклонения стрелки прибора, |
цифры на табло, кривая на экране, |
|||||
перфорация на |
карте |
или |
ленте. |
После нескольких |
преобразований |
|
/ |
У/ |
О |
7 |
Уз* ¥ |
0 X |
1/6 |
Рис. 16. |
Блок-схема телеизмерительной системы |
|
||||
2-7214 |
|
|
|
|
|
33 |
|
|
|
|
|
|
получается зависимость z — f{x), позволяющая оценивать значение измеряемой величины х.
Телеизмерительные системы могут быть реализованы различны ми техническими средствами и классифицируются по принципу устройства в зависимости от параметра, передаваемого по каналу связи.
В телеизмерительных токовых системах или системах напряже ния измеряемая величина преобразуется в ток или напряжение, пе редаваемые по проводному каналу связи. В импульсных или ча стотных системах значения измеряемой величины преобразуются в импульсы того или иного вида или изменяющиеся по частоте элек трические колебания, которые могут передаваться с помощью как проводной линии, так и радиолинии. Импульсные и частотные си стемы имеют возможность для многократного телеизмерения путем использования частотных каналов связи.
Для телеизмерений на морском флоте применимы импульсные и частотные телеизмерительные системы с радиоканалом связи, так как измерения величин, характеризующих эксплуатацию раз личных установок судна и условия мореплавания, с берега могут быть выполнены только с помощью радиолиний.
Точность современных телеизмерительных установок достаточ но высока, основная погрешность находится в пределах 0,5—2,5% от номинального значения измеряемой величины.
Глава III
Преобразователи тока
§ 9. Электромеханические преобразователи
На судне всегда имеется целый ряд потребителей электриче ской энергии, для которых требуются род тока, напряжение или частота, отличные от принятых в судовой электрической станции. В большинстве случаев оказывается целесообразным не специаль ное генерирование необходимого тока, а получение его путем пре образования электрической энергии судовой сети.
На судах имеется потребность в следующих преобразованиях электрического тока:
переменного тока в постоянный —• выпрямление; постоянного тока в переменный — инвертирование;
переменного тока одной частоты в переменный ток другой ча стоты — преобразование частоты;
постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения.
Все указанные виды преобразования могут осуществляться ли бо электромеханическими, либо статическими преобразователями. К электромеханическим, или вращающимся, преобразователям от носятся двигател'ь-генераторы и одноякорные преобразователи, к статическим — полупроводниковые, электронные, ионные и ртут ные преобразователи.
В судовых установках применяются электромеханические и вы тесняющие их в последнее время полупроводниковые преобразова тели. Электронные преобразователи используются в слаботочных установках (радиоаппаратура). Ионные преобразователи с исполь зованием газотронов и тиратронов, а также ртутные применяются
впромышленных установках на берегу, однако имеется тенденция
кзамене их полупроводниковыми преобразователями.
Д в и г а т е л ь - г е н е р а т о р ы представляют собой агрегаты, состоящие из двух электрических машин, двигателя и генератора, соединенных между собой механически посредством муфты. Рабо та таких агрегатов основана на двойном преобразовании энергии. Например, в электромеханическом преобразователе переменного тока в постоянный электрическая энергия переменного тока снача ла преобразуется в механическую (двигатель), а затем механиче ская энергия преобразуется вновь в электрическую (генератор), но уже постоянного тока. В двигатель-генераторах обе машины не имеют электрической связи между собой. Это позволяет регулиро-
2* 35
вать плавно в широких пределах напряжение на выходе агрегата, а при необходимости и частоту переменного тока. Существенным не
достатком двигатель-генераторов является сравнительно |
низкий |
к. п. д., что’объясняется наличием потерь как в двигателе, |
так и |
в генераторе. К. п. д. двигатель-генератора р определяется произве дением к. п. д. двигателя т]д на к. п. д. генератора гр:
V = ЪяЪ-
Например, при т)д = 0,8 и vjr = 0,9 к. п. д. двигатель-генератора
7j = 0,72.
Двигатель-генераторы имеют большие габариты и вес, высокую стоимость, но благодаря простоте обслуживания, возможности ис пользования нормальных серийных машин и возможностям регули рования до настоящего времени находят еще довольно широкое применение в береговых установках и на судах.
При преобразовании переменного тока в постоянный в качестве двигателей используются трехфазные асинхронные двигатели, а при значительной мощности агрегата — синхронные двигатели, об ладающие высокими к. п. д. и коэффициентом мощности. В качест ве генераторов применяются генераторы постоянного тока парал лельного или смешанного возбуждения. Такие двигатель-генерато ры установлены на многих судах для питания электроприводов лебедок, кранов, брашпилей, руля и др., требующих широкого и плав ного регулирования скорости, а также больших пусковых момен тов. Кроме того, они используются для питания цепей возбужде ния синхронных генераторов и двигателей, для зарядки аккумуля торов, для питания сварочных агрегатов, дуговых прожекторов, а также специальных приборов и устройств радиоэлектронной аппа ратуры. На судах с электрической станцией постоянного тока уста новлены двигатель-генераторы, преобразующие при питании с бе рега переменный ток береговой сети в постоянный ток судовой сети.
При преобразовании постоянного тока в переменный в качестве двигателей, как правило, используются двигатели смешанного воз буждения, а в качестве генераторов — однофазные или трехфазные синхронные генераторы. Такие двигатель-генераторы установлены на судах е электрической станцией постоянного тока и служат для питания электро- и радионавигационной аппаратуры, устройств свя зи, машинного телеграфа, сети освещения, различных бытовых при боров переменного тока, приводов механизмов с двигателями пере менного тока, не требующих регулирования и т. д. На судах с элек трической станцией переменного тока они используются для питания ответственных потребителей переменного тока от аккуму ляторных батарей, служащих в качестве аварийного источника.
Для питания судовых электро- и радионавигационных прибо ров, радиопередающих устройств применяются двигатель-генерато ры, служащие для преобразования переменного тока судовой сети с частотой 50 Гц в переменный однофазный или трехфазный ток по вышенной частоты 400—500 Гц. В качестве двигателей в таких аг регатах используются асинхронные двигатели, в качестве генерато
36
ров — синхронные генераторы с |
|
|
|
||||||
большим числом |
явно выражен |
|
|
|
|||||
ных полюсов. |
|
также преобра |
|
|
|
||||
Используется |
|
|
|
||||||
зование частоты с помощью асин |
|
|
|
||||||
хронного преобразователя, |
в со |
|
|
|
|||||
став |
которого |
входят |
асинхрон |
|
|
|
|||
ная |
машина с короткозамкнутым |
|
|
|
|||||
ротором, |
служащая |
двигателем, |
|
|
|
||||
и асинхронная машина с контакт |
|
|
|
||||||
ными кольцами, с KQTopbix |
сни |
Рис. 17. |
Схема трехфазного |
одно |
|||||
мается |
ток |
повышенной |
час |
||||||
тоты. |
|
|
|
|
|
якорного |
преобразователя |
|
|
Иногда на судах применяются |
|
|
дви |
||||||
сложные комбинированные двигатель-генераторы, имеющие |
|||||||||
гатель постоянного или переменного тока |
и несколько различных |
||||||||
генераторов. |
|
|
|
|
|
|
|
||
О д н о я к о р н ы й |
п р е о б р а з о в а т е л ь представляет |
собой |
электрическую машину, преобразовывающую энергию переменно го тока в энергию постоянного тока или обратно.
Конструктивно одноякорный преобразователь выполняется в виде машины постоянного тока, обмотка якоря которой одновре менно присоединяется как к коллектору, так и к контактным коль цам. В зависимости от количества точек отвода от обмотки якоря к контактным кольцам и их расположения одноякорные преобразо ватели могут быть одно-, трех- и шестифазными. На рис. 17 изобра жена схема трехфазного одноякорного преобразователя.
При подключении преобразователя к сети переменного тока пи тание через контактные кольца поступает на якорную обмотку, ко торая может рассматриваться как трехфазная обмотка, соединен ная в треугольник. По отношению к сети переменного тока элект рическая машина работает в режиме синхронного двигателя. Пере менное напряжение якорной обмотки с помощью коллектора вы прямляется и поступает в сеть постоянного тока. По отношению к сети постоянного тока преобразователь работает в режиме генера тора постоянного тока.
При подаче питания на преобразователь из сети постоянного тока через коллектор в обмотке якоря индуктируется переменная э. д. с., и в сети со стороны контактных колец будет действовать переменное напряжение. В этом случае преобразователь работает по отношению к сети постоянного тока в режиме двигателя посто янного тока, а по отношению к сети переменного тока — в режиме синхронного генератора.
Таким образом, одноякорный преобразователь можно рассмат ривать, как электрическую машину, в которой совмещены двига тель и генератор. Ток в якоре такого преобразователя можно рас сматривать образованным из составляющих переменного тока и по стоянного, причем эти токи направлены встречно. Это позволяет уменьшить сечение проводов якорной обмотки и получить более
37
высокий к. п- д. и меньшие габариты, чем у двигатель-генераторов. Так как стороны постоянного и переменного токов одноякорного преобразователя электрически связаны и магнитная система для них является общей, то напряжение на выходе преобразователя может регулироваться только изменением напряжения на входе. Это является существенным недостатком, ограничивающим приме
нение одноякорных преобразователей.
Между напряжениями и токами со стороны переменного и по стоянного токов существуют зависимости, определяемые соотноше
ниями: |
К |
|
|
|
|
|
|
||
и * - |
sinu r |
и " |
(6) |
|
/ г |
||||
|
||||
/л _ |
тcos <р |
/п’ |
(7) |
|
|
где Uф, / л — действующие значения фазного напряжения и линейного тока со стороны сети переменного тока;
U а ,/„ — значения напряжения и тока со стороны сети постоянно
го тока; т — число фаз, равное соответственно 2, 3 и 6 для одно-,
трех- й шестифазного преобразователей.
Одноякорный преобразователь может работать в режиме гене ратора двойного рода тока, т. е. генератора переменного и постоян ного тока. Для этого якорь преобразователя необходимо приводить во вращение посторонним двигателем.
Ранее одноякорные преобразователи применялись для преоб разования низкого напряжения в высокое напряжение постоянного тока для питания судовых радиоустановок. В пазах якоря таких преобразователей уложены две или более отдельных обмоток, при соединенных к соответствующим коллекторам. Преобразователь работает двигателем со стороны коллектора низкого напряжения
игенератором со стороны коллектора высокого напряжения.
Внастоящее время одноякорные преобразователи применяются для питания судовых электронавигационных приборов (эхолотов, лагов), радиоприемников и трансляционных узлов, но их примене
ние становится все более ограниченным.
§ 10. Полупроводниковые приборы
Прежде чем перейти к рассмотрению полупроводниковых статических преобразователей, необходимо познакомиться с физи ческими явлениями в полупроводниках, устройством и принципом действия различных полупроводниковых приборов.
Полупроводники. Полупроводниками называются вещества, за нимающие промежуточное положение среди проводников и изоля торов. Как известно из курса физики, в полупроводниках в отли чие от проводников имеет место не только движение свободных
38
электронов, обусловливающее электронную |
|
h |
|
|
|
проводимость, но также и движение |
в об |
|
|
|
|
ратном направлении положительных |
заря |
|
0 |
ф |
|
дов-дырок, обусловливающее дырочную про |
р |
е |
© |
п |
|
е © |
|||||
водимость. В чистом полупроводнике число |
у |
в |
© |
|
|
электронов равно числу дырок, но вследст |
|
© © |
|
||
вие большей скорости движения электронов |
Рис. 18. Образование по |
||||
проводимость большинства чистых полупро |
тенциального |
барьера |
|||
водников является в основном электронной. |
|
|
|
|
Вводя в тщательно очищенные полупроводники весьма малое, но определенное количество примеси, можно получить в них пре обладание дырок над свободными электронами или, наоборот, пре
обладание электронов над дырками. |
При этом проводимость полу |
проводника значительно увеличивается. |
|
Полупроводники с преобладающей |
дырочной проводимостью |
называются полупроводниками типа р |
(positiv — положительный), |
а с преобладающей электронной проводимостью — типа « (negativ — отрицательный). Примеси, образующие в полупроводнике ды рочную проводимость, называются акцепторами, а электронную — донорами.
К чистым полупроводникам относятся кремний, германий, се лен, закись меди. По отношению к кремнию и германию акцептора ми служат индий, галий, алюминий и бор, а донорами — мышьяк, сурьма и фосфор.
Два полупроводника, один из которых имеет преобладающую дырочную проводимость, а другой — преобладающую электронную проводимость, обладают замечательным свойством образовывать на границе их раздела запирающий слой, называемый электронно-ды рочным, или р—n-переходом (рис. 18). Свободные электроны диф фундируют из «-области с электронной проводимостью в р-область с дырочной проводимостью, так как концентрация электронов в «-области больше, чем в p-области. В обратном направлении про исходит диффузия дырок. Вследствие диффузии части электронов и дырок пограничный слой обедняется носителями зарядов и его проводимость резко уменьшается. С одной стороны р—«-перехода, прилегающей к p-области, накапливаются отрицательные заряды, а с другой, прилегающей к «-области, — положительные. В р—«- переходе образуется контактная разность потенциалов (потенциаль ный барьер) и электрическое поле с напряженностью Ei, противо действующее дальнейшему переходу электронов из «-области в р- область и дырок в обратном направлении. Диффузия электронов и дырок прекращается, когда силы электрического поля в р—«-пе реходе уравнивают силы, вызывающие эту диффузию. --
Полупроводниковый диод (вентиль). При включении полупро водникового прибора, имеющего р—«-переход, в электрическую цепь в приборе создается внешнее электрическое поле с напряжен ностью Е. Если положительный полюс источника электроэнергии соединен с p-областью, то электрическое поле источника ослабляет поле пространственных зарядов Eit т. е. снижает потенциальный
39