книги / Общая электротехника и электроника

моток якоря, улучшить условия коммутации. Достоинства КМПТ– малые масса и габариты, простые способы регулировки скорости вращения и направления. Недостаток – отсутствие необходимой надежности из-за наличия щеточно-коллекторного узла.

7.3. Асинхронные машины

Асинхронная машина – машина переменного тока, у которой в установившемся режиме магнитное поле, участвующее

восновном процессе преобразования энергии, и ротор вращаются с разными угловыми скоростями. Она была изобретена в 1888 г. русским изобретателем М.О. Доливо-Добровольским, но до настоящего времени не претерпела больших изменений и является основным двигателем, изготовляемым электротехнической промышленностью (80 %), благодаря простоте и надежности. Классически она состоит из статора с тремя фазными обмотками (рис. 7.4, а), включенными звездой или треугольником, создающими вращающееся магнитное поле и цилиндрического ротора на двух подшипниках. В роторе выполнены пазы вдоль образующей цилиндра, короткозамкнутые по торцам ротора в виде колец. Все пазы залиты цветным металлом, медью или алюминием ииграют роль обмотки (называется беличьей клеткой), не соединенной с внешними цепями (рис. 7.4, б). В асинхронных двигателях (АД) сложнорегулироватьскоростьвращения.

Двигатель работает следующим образом. Вращающееся магнитное поле наводит ЭДС в обмотке ротора. Ток в обмотке ротора взаимодействует с магнитным полем статора, и в роторе появляется вращающий момент. Скоростьвращения роторане может совпадать со скоростью вращающегося магнитного поля, так как при совпадениискоростейвобмоткахроторанебудетнаводитьсяЭДС.

Частота вращения магнитного поля определяется по

формуле n1 = 60f/p, где f – частота напряжения сети, для России она составляет 50 Гц или 3000 об/мин; p – число пар полюсов

вмашине.

111

Реостатное регулирование (рис. 7.5) применяется для асинхронных двигателей, имеющих три кольцевых вывода с фаз обмоток ротора на регулировочные реостаты (см. рис. 7.5, а), изменением сопротивлений которых изменяют крутизну механической характеристики (см. рис. 7.5, б). Недостатками данного метода являются сложность конструкции и нестабильность скорости вращения ротора от нагрузки на пологом участке механической характеристики.

В большинстве случаев применяют прямой пуск двигателей с короткозамкнутым ротором. Он прост и быстр. При прямом пуске двигателя кратность пускового тока высока (≈5,5–7), безопасна для двигателя и применяется для двигателей до 100 кВт. Важно, чтобы эту кратность выдерживала питающая сеть.

Для улучшения пуска иногда делают двойную беличью клетку или глубокопазные роторы. Для больших двигателей (более 100 кВт) применяют введение сопротивлений в фазные роторы, которые по мере разгона ротора выводят до нуля.

аб

Рис. 7.5. Реостатное регулирование АД: а – схема; б – механическая характеристика

113

7.4.Синхронные машины

Усинхронных электрических машин ротор в установившемся режиме вращается с угловой скоростью вращающегося магнитного поля, создаваемого токами в фазных обмотках статора, подобного статору асинхронной машины. Это достигается

спомощью того, что ротор синхронной машины представляет собой обычно электромагнит или реже постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие полюсов вращающегося магнитного поля и полюсов ротора обеспечивает постоянную частоту вращения независимо от момента на валу. Синхронная машина может работать и как двигатель (реже), и как генератор (основное применение). Единичная мощность синхронного двигателя в приводах большой мощности достигает нескольких десятков мегаватт. В качестве генераторов на электростанциях их единичная мощность достигает 1500 МВА.

На рис. 7.6, а изображена синхронная машина, у которой статор выполнен в виде классической трехфазной цепи, а к ротору через кольца подключен блок управления (БУ), с изменением тока управления которого изменяются намагниченность ротора и, соответственно, ЭДС.

Рис. 7.6. Синхронная машина:

а – схема; б – пример использования в часах

114

По аналогичной схеме выполнен генератор двигателей внутреннего сгорания, предназначенный для питания бортовой сети автомобиля и подзарядки аккумулятора.

По показаниям датчика напряжения аккумулятора (на рис. 7.6 не показан) изменяется ток управления БУ и вырабатывается необходимая ЭДС.

Синхронные микромашины находят широкое применение в технике, где нужно поддерживать постоянную скорость вращения: в часовых и программных механизмах, радиоприборах, лентопротяжных механизмах приборов и т.д.

Схему шагового двигателя (рис. 7.6, б) используют в электронных часах. Обмотка возбуждения (ОВ) магнитопровода подсоединена к кварцевому генератору (ГК) и создает в магнитопроводе изменяющийся по направлению поток. Ротор выполнен из постоянного магнита. При изменении направления потока ротор поворачивается на 180°, так как одноименные полюса притягиваются, а разноименные отталкиваются. Поворот ротора через шестеренчатый механизм, редуктор (Р), приводит к изменению показаний секундной стрелки на один шаг, равный одной секунде. Достоинством таких часов является высокая точность, обусловленная точностью частоты кварца.

115

РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ГЛАВА 8. ИЗДЕЛИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

8.1. Классификация. История развития

По функциональным задачам полупроводниковые устройства можно разделить на три группы: преобразовательные (в том числе выпрямительные), усилительные и импульсные (в том числе логические).

Преобразовательные устройства осуществляют преобразование напряжения и тока источника энергии в напряжение

иток, необходимые приемнику энергии. Выпрямительные устройства служат для преобразования синусоидальных напряжений

итоков в постоянные. Обратное преобразование постоянного напряжения в переменное реализуют инверторы, а изменение значений постоянного напряжения и частоты синусоидального тока – преобразователи напряжения и частоты. Преобразовательные устройства широко применяются в электроприводах, устройствах электросварки, электротермии и т.д. В усилительных устройствах те или иные параметры сигналов увеличиваются до значений, необходимых для работы исполнительных органов. С помощью импульсных и логических устройств создают различные системы управления. Первые обеспечивают необходимую временную программу, а вторые – необходимую логическую программу совместной работы отдельных частей объекта управления.

Классификация условна, реальные полупроводниковые устройства часто содержат элементы различных групп.

История развития изделий электронной техники (ИЭТ) началась с изобретения электронных ламп (диодов, триодов, пенто-

116

дов и т.д.), имеющих большие габариты, энергопотребление и низкую надежность (1-е поколение). В 1948 г. изобрели транзистор, основной прибор полупроводниковой техники, который также имел вышеуказанные недостатки (2-е поколение). Далее появились интегральные схемы (ИС), где на одной подложке в одном технологическом цикле изготовлялись сотни элементов (3-поколение), большие интегральные схемы (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), включающие тысячи элементов (4-е поколение); 5-е поколение подразумевает использование принципиально новых физических явлений, например элементов в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).

В перспективе ожидаются дальнейшая микроминиатюризация аппаратуры, повышение ее функциональности, КПД и дальнейший переход с аналоговых устройств преобразования на цифровые, в которых помеха не накапливается при передаче на большиерасстояния, сохраняявысокое качество информации.

8.2. Полупроводники

Для производства полупроводников используют чистые четырехвалентные металлы (германий, кремний). Если в эти металлы добавить примесь из пятой группы таблицы Менделеева (сурьму, фосфор), то появятся «лишние» (свободные) электроны (такие полупроводники назвали полупроводниками n-типа). Если добавить примесь из третьей группы (галлий, индий), одна валентная связь буден недоукомплектована, появится «дырка» (такие полупроводники назвали полупроводниками р-типа). Эффект полупроводника проявится при соединении их вместе (р-n-переход) и полярности подключения к источнику питания. Если полупроводник n-типа подсоединить к минусу, а при соединении полупроводниками р-типа – к плюсу источника, появится ток. Если подключить наоборот, то его не будет. В связи с этим такие материалы и назвали полупроводниками, в отличие от проводников (металлов) и диэлектриков (изоляторов).

117

Например, диоды содержат один р-n-переход, их используют как выпрямители. Биполярные транзисторы имеют два перехода

иобладают эффектом усиления. Тиристоры имеют три перехода

иработают в ключевом режиме – только в состоянии «открыто» или«закрыто».

8.3. Электронные элементы

Полупроводниковая технология позволяет в одном технологическом цикле получить различные элементы электронной техники (ЭЭТ) разного назначения.

В табл. 8.1 приведены основные ЭЭТ, их обозначения на схемахи вольт-амперные характеристики.

Варистор

Термистор

• Диодвыпрямительный

• Светодиод

• Фотодиод

118

Стабилитрон

Варикап

Транзистор биполярный:

• p-n-p

• n-p-n

Транзистор

полевой

Тиристор

(p-n-p-n):

• неуправляемый (динистор)

• управляемый

119

Постоянные резисторы необходимы для образования нужного сопротивления при создании усилительных каскадов.

Варисторы – резисторы с нелинейными вольт-амперными характеристиками, применяемые в стабилизаторах и ограничителях напряжения.

Термисторы – резисторы, сопротивление которых зависит от температуры внешней среды (применяются для термостабилизации параметров схем).

Диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный.

Светоизлучающие диоды – это оптоэлектронные приборы, использующие эффект индукционной электролюминесцентной эмиссии. Работа принимающих фотоэлектрорадиоэлементов (фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов, фототиристоров), наоборот, основана на явлении внутреннего фотоэффекта, т.е. на генерации в полупроводниках избыточных пар, электронов и дырок под действием излучения, в результате чего изменяется их сопротивление.

Для стабилизации напряжения широко применяются стабилитроны – диоды, работающие на обратной стороне ВАХ при достижении Ucт. Это напряжение практически не изменяется от тока через диод.

Варикапы имеют свойство изменения емкости р-n-пере- хода в зависимости от приложенного к нему напряжения (применяются в радиочастотных цепях для перестройки частоты).

Биполярные транзисторы – это приборы с тремя выводами (эмиттер, база и коллектор), управляемые током база – эмиттер.

Полевые транзисторы – это приборы с тремя выводами (исток, затвор, сток), управляемый напряжением затвор – исток.

Тиристоры – приборы, которые при достижении Uвкл из закрытого состояния переходят в открытое и широко используются в качестве ключа. У тиристоров нет промежуточного состояния. Их достоинство – небольшая выделяемая активная мощность, так как в закрытом состоянии нулю равен ток, в открытом – напря-

120