Основы_электротехники
.pdf
таток можно устранить, уменьшая значение емкости конденсатора, включенного последовательно с пусковой обмоткой, с помощью автоматического центробежного выключателя в момент, когда скорость вращения вала достигнет 75–80 % номинальной, или с помощью реле времени.
Иногда в однофазных двигателях вместо пусковой обмотки применяют короткозамкнутые витки на расщепленных полюсах.
Однофазные двигатели, значения КПД и cosφ у которых меньше, чем у трехфазных, применяются только в качестве маломощных двигателей (единицы – десятки ватт) различных автоматических устройств и бытовых приборов.
5.10. Электродвигатели постоянного тока
Достоинствами этих двигателей являются максимальное значение пускового момента и возможность плавного регулирования скорости вращения в широких пределах.
Четырехполюсный двигатель постоянного тока, конструк-
тивная схема которого приведена на рис. 5.17, состоит из неподвижной станины 1, укрепленных на станине главных полюсов 2 с насаженными на них катушками 3 для возбуждения главного магнитного потока, подвижного якоря 4, обмотки якоря 5, коллектора 6 и вала 7.
Рис. 5.17
120
Станина является ярмом двигателя, т.е. стальной частью двигателя, замыкающей магнитную цепь главного магнитного потока Ф.
Главный полюс состоит из сердечника 2, набранного из тонких (толщиной 0,5 мм) листов электротехнической стали, катушки 3 и полюсного наконечника для создания требуемого распределения магнитного потока.
Якорь состоит (рис. 5.18) из: зубчатого сердечника 1, набранного из тонких листов электротехнической стали, обмотки 2, уложенной в его пазах, и коллектора 3, насаженного на вал якоря.
Рис. 5.18
Коллектор – это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга и от вала клинообразных медных пластин, которые проводами соединены с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вращающаяся обмотка якоря с помощью коллектора и щеток соединяется с внешней цепью.
Машина постоянного тока обратима, т.е. может работать в режиме генератора или в режиме двигателя. В режиме двигателя цепи якоря и возбуждения подключены к внешнему источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент, и двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
Характеристики двигателя зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря.
121
В двигателях с параллельным возбуждением цепи обмотки возбуждения и якоря включены параллельно (рис. 5.19б). Параллельная обмотка возбуждения wпар имеет большое количество витков тонкого провода, ее сопротивление велико, и ток возбуждения IВ во много раз меньше тока якоря IВ = (0,01–0,05) IЯ. Это обуславливает небольшую зависимость главного магнитного потока от нагрузки дна валу двигателя и жесткий вид его естественной механической характеристики 1 на рис. 5.20а, т.е. слабое линейное уменьшение частоты вращения якоря с ростом момента нагрузки на валу двигателя.
а) |
б) |
в) |
г) |
Рис. 5.19
Включение добавочного сопротивления последовательно с обмоткой возбуждения делает характеристику более мягкой (линия 2 на рис. 5.20а).
В двигателях с последовательным возбуждением (рис. 5.19в)
ток якоря равен току возбуждения, поэтому обмотка возбуждения wпос выполняется проводом большого сечения и имеет небольшое количество витков. Это обуславливает широкий диапазон изменения главного магнитного потока при изменении нагрузки на валу двигателя и мягкий вид его естественной 1 и искусственной 2 механических характеристик (рис. 5.20б). Особенностью двигателя с последовательным возбуждением является резкое увеличение скорости вращения при снижении нагрузки, которая должна быть не менее 25 % от номинальной.
122
В двигателях со смешанным возбуждением механические характеристики (рис. 5.20в) занимают промежуточное положение между предыдущими характеристиками; при этом 1 – естественная характеристика двигателя со смешанным возбуждением, а 2 – искусственная характеристика. Наличие параллельной обмотки ограничивает скорость вращения на холостом ходу двигателя.
Скорость вращения якоря в двигателях постоянного тока можно регулировать тремя способами:
1)изменением напряжения питания, подаваемого на обмотку якоря;
2)изменением магнитного потока путем изменения напряжения на обмотке возбуждения;
3)изменением тока возбуждения с помощью резистора, включенного последовательно с обмоткой возбуждения, и переходом от естественной механической характеристики двигателя 1 (рис. 5.20) к его искусственной характеристике 2.
а) |
б) |
в) |
Рис. 5.20. Механические характеристики двигателей постоянного тока:
а– независимого и параллельного возбуждения;
б– последовательного возбуждения;
в– смешанного возбуждения
123
Вопросы для самоконтроля
1.Дайте классификацию электрических машин. Какими достоинствами и недостатками обладают машины постоянного тока?
2.Объясните назначение и устройство трехфазного асинхронного двигателя основного исполнения.
3.Назовите 5 видов трехфазных асинхронных двигателей и особенности их устройства и применения.
4.Объясните условия и процессы образования вращающегося магнитного поля в статоре трехфазного асинхронного двигателя. Как осуществляется реверс двигателя?
5.Поясните принцип действия трехфазного АД. Почему двигатель называется асинхронным?
6.Назовите основные параметры АД и формулы, по которым они определяются.
7.Поясните механические характеристики и области применения всех типов асинхронных двигателей.
8.Поясните рабочие характеристики трехфазных АД.
9.Назовите режимы работы двигателей и механизмы, в которых они используются.
10.Поясните схему управления трехфазным АД.
11.Поясните особенности устройства и применения конденсаторных двигателей.
12.Поясните особенности устройства и применения двигателей постоянного тока.
13.Назовите способы включения цепи возбуждения в двигателях постоянного тока и как каждый из них влияет на его механическую характеристику.
124
6.ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
ИВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
6.1. Понятие полупроводников
Полупроводники – это вещества (материалы), которые по удельному электрическому сопротивлению ρ занимают проме-
жуточное положение между проводниками ( 10 6 Îì ì ) и
диэлектриками ( 108 Îì ì ) . В настоящее время для изготов-
ления полупроводниковых приборов в основном используются элементы четвертой группы таблицы Менделеева (с 4-мя валентными электронами), а именно кремний (Si) и германий (Ge), которые имеют кристаллическую структуру. Параметры кремния меньше зависят от температуры окружающей среды, поэтому кремний используется чаще, чем германий. На основе кристаллов кремния изготавливаются полупроводниковые диоды, транзисторы и тиристоры, которые широко используются в низковольтной аппаратуре контроля, сигнализации и управления, системах управления технологическими процессами, электроприводах, а также в компьютерах, телевизорах и многих других электронных устройствах.
Пространственная кристаллическая решетка кремния состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной и изображена на рис. 6.1, из которого видно, что вокруг каждой пары атомов кремния Si по орбитам движутся два валентных электрона, показанных кружками с отрицательным зарядом внутри.
В плоской структуре кристаллической решетки (рис. 6.2) ковалентные связи показаны в виде прямых линий, а электроны – также кружками. При комнатной температуре (25 °С) все валентные электроны атомов образуют ковалентные связи (свободных электронов нет), поэтому кристалл кремния ведет себя как диэлектрик с высоким удельным сопротивлением, т.е. не проводит электрический ток.
125
Рис. 6.1 |
Рис. 6.2 |
Если в кристалл кремния ввести примесь в виде пятивалентного фосфора (P), мышьяка (As), или сурьмы (Sb) (рис. 6.3), то атом примеси будет взаимодействовать с атомами кремния только четырьмя своими электронами, а пятый электрон не будет связан ковалентными связями и перейдет в зону проводимости, т.е. окажется свободным носителем отрицательного заряда. Атом примеси, отдавая электрон, зарядится положительно, т.е. станет неподвижным положительно заряженным ионом.
Появление в кристалле свободных электронов, количество которых равно количеству атомов примеси, приведет к возникновению в нем электронной проводимости. Полупроводники с электронной проводимостью называют полупроводниками n-типа (negative – отрицательный заряд свободного носителя).
Если в кристалл кремния ввести примесь в виде трехвалентного индия (In), бора (B) или алюминия (Al) (рис. 6.4), то атом примеси для образования недостающей ковалентной связи (на рис. 6.4 показана штрихпунктирной линией) будет отнимать электрон от соседнего атома кремния, у которого появится положительно заряженная дырка. В свою очередь эта дырка отни-
126
мает электрон от другого соседнего атома кремния и т.д., т.е. появляется положительно заряженный свободный носитель заряда; при этом сам атом примеси примет отрицательный заряд.
Рис. 6.3 |
Рис. 6.4 |
Появление в кристалле свободных дырок, количество которых равно количеству атомов примеси, приведет к возникновению в нем дырочной проводимости. Полупроводники с дырочной проводимостью называют полупроводниками p-типа (positive – положительный заряд свободного носителя).
Проводимость, созданная с помощью атомов примеси, называется примесной и зависит от концентрации атомов примеси, которая находится в диапазоне от 1015 до 1018 атомов/см3; при этом носители подвижного заряда называются основными. Следует также отметить, что концентрация атомов примеси в десятки тысяч раз меньше концентрации атомов кристалла, которая, например, для германия составляет 4,4·1022 атомов/см3. Тем не менее, при введении примеси в кристалл концентрация основных носителей возрастает минимум в 1000 раз и во столько же раз возрастает проводимость полупроводника n- или p-типа.
В каждом полупроводнике есть также небольшая собственная проводимость, обусловленная неосновными носителями за-
127
ряда, концентрация которых при комнатной температуре составляет 1012–1013 атомов/см3 (в 103–105 раз меньше концентрации основных носителей зарядов), поэтому при рассмотрении процессов в полупроводниках на первом этапе собственной проводимостью можно пренебречь.
Рис. 6.5 |
Рис. 6.6 |
С учетом сказанного полупроводник p-типа можно представить в виде совокупности неподвижных отрицательно заряженных ионов примеси (на рис. 6.5 изображены кружком с зарядом внутри) и рядом расположенных дырок. В веществе ионы и подвижные заряды распределены равномерно. Если подвижный заряд находится рядом с ионом примеси, то их заряды взаимно компенсируют друг друга и можно считать, что атом примеси является нейтральным (скомпенсированным). Если подвижный заряд отойдет от иона, то атом примеси будет иметь заряд и его называют нескомпенсированным.
Аналогично полупроводник n-типа можно представить в виде совокупности неподвижных положительно заряженных ионов примеси и рядом расположенных электронов (рис. 6.6).
128
6.2. Определение и свойства полупроводникового диода
Полупроводниковым диодом называют электронный прибор с двухслойной p-n-структурой, обладающей вентильным свойством, т.е. способностью проводить ток только в одном направлении. Иначе говоря, диод состоит из двух полупроводников p- и n-типа, в плоскости контакта которых создается p-n-переход с вентильным свойством (рис. 6.7). На условном графическом обозначении диода, приведенном в нижней части рис. 6.7, приняты обозначения: A – анод диода, а К – катод диода.
Рис. 6.7 |
Рис. 6.8 |
Внутри диода проходят следующие процессы. В соответствии с явлением диффузии дырки из p-полупроводника (рис. 6.7), где их концентрация высока, диффундируют в n-полупро- водник, где их нет, а электроны – наоборот (из n-полу- проводника в p-полупроводник), создавая ток диффузии через p-n-переход. В области контакта полупроводников они встречаются и рекомбинируют (взаимно уничтожаются), создавая слева от плоскости контакта отрицательный пространственный заряд ионов, а справа – положительный заряд ионов (слои пространст-
129