ЛЕКЦИИ-СЛАЙДЫ по дисциплине «Электротехника и электроника » для специальности «Атомные электрические станции» Электрические машины и электропривод. Электроника. Составитель: к.т.н. Фоменко О.В
ТЕМА 1. Электрические трансформаторы 1.1. Общие сведения. Электрический трансформатор – электромагнитное устройство, преобразующее напряжение и ток одного уровня в напряжение и ток другого уровня при неизменной частоте и малой потере мощности. Различают: повышающие трансформаторы,увеличивающие напряжение генераторов электрических станций до напряжения линий электропередач; понижающие трансформаторы (имеют напряжения 380, 220, 127 В и менее), используются в местах же потребления электрической энергии, на производстве, в быту и т.д. На щитке электрического трансформатора указываются: - высшее и низшее номинальные напряжения; - номинальная полная мощность ВА или кВА; - частота f (Гц); - токи в первичной и вторичной обмотках при номинальной мощности; - коэффициент трансформации К; - число фаз; - схема соединений обмоток (звездой или треугольником) в случае трехфазного электрического трансформатора; - режим работы (длительный или кратковременный); - способ охлаждения (масляный, воздушный).
Простейший однофазный электрический трансформатор представлен на рис.1.1. Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии (генератору) или к линии электропередач (электрической сети) называется пер-вичной (входной). Обмотка, к которой подключается приемник электрической энергии – вторичной (выходной). Рис.1.1.
Тогда напряжение U L1 где Ф – производная магнитного потока по времени. Если, то Следовательно где – амплитуда напряжения самоиндукции в первичной обмотке электрического трансформатора. Действующее значение напряжения U L1 : Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции (рис. 1.1.). 1.2. Принцип действия электрического трансформатора
Во вторичной обмотке магнитный поток Ф создает напряжение U M2 : Результирующий магнитный поток в магнитопроводе Т.к. напряжение не может быть меньше определенного значения, определяемого в соответствии со 2 законом Кирхгофа В установившемся режиме работы электрического трансформатора имеет место соотношение
1.3. Работа электрического трансформатора в режиме холостого хода Режим холостого хода – такой режим работы электрического трансформатора, при котором его вторичная цепь разомкнута, и ток в ней равен нулю: Под действием приложенного напряжения по первичной обмотке протекает ток, возбуждающий в магнитопроводе магнитное поле Ф. В первичной обмотке Ф индуктирует напряжение :
Схема замещения электрического трансформатора с учетом резистивных сопротивлений и первичной и вторичной обмоток и их индуктивностей рассеяния ( рис.1.2 ). Уравнение для первичной цепи по II закону Кирхгофа в комплексной форме : Рис.1.2.
Опытом холостого хода называется испытание электрического трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном приложенном к первичной обмотке напряжении Рис.1.3.
Для проведения опыта холостого хода собирается электрическая цепь согласно схеме рис. 1.4. Рис.1.4.
При U 1x =U 1 н ток I 1x составляет 3…10 % от номинального первичного тока. Тогда слагаемыми можно пренебречь. Тогда При разомкнутой цепи вторичной обмотки Коэффициент трансформации Этот коэффициент указывается на щитках электрических трансформаторов как отношение высшего напряжения к низшему
1.4. Опыт короткого замыкания Необходимо различать опыт короткого замыкания и режим короткого замыкания, так как в последнем случае имеет место аварийный режим электрического трансформатора, при котором он сильно разогревается и может произойти сгорание трансформатора. Опыт короткого замыкания – испытание электрического трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном токе в первичной обмотке Этот опыт проводится при аттестации электрического трансформатора для определения важнейших параметров: - мощности потерь в проводах обмоток (потери в меди) ; - внутреннего падения напряжения; - коэффициента трансформации и др. Опыт короткого замыкания (рис. 1.5 ), как и опыт холостого хода, обязателен при заводских испытаниях.
Напряжение, индуктируемое во второй обмотке: Схема электрической цепи для проведения опыта к.з. трансформатора Рис.1.5.
В опыте к.з. мощность трансформатора равна мощности потерь в проводах первичной и вторичной обмоток (потери в меди): Так как Коэффициент трансформации
1.5. Мощность потерь в трансформаторе Отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на входе называется коэффициентом полезного действия трансформатора. Коэффициент полезного действия трансформатора зависит от режима работы. Так как мощность потерь ΔP =P1-P2, то коэффициент полезного действия трансформатора также определяется Мощность потерь в электрических трансформаторах равна сумме мощностей потерь в магнитопроводе Рс (потери в стали) и в проводах обмоток Рм (потери в меди).
1.6. Автотрансформаторы Автотрансформатор отличается от электротрансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку – обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения (рис.6). Рис.1.6.
Обмотка высокого напряжения автотрансформатора может быть первичной ( рис.1.6,а ) и вторичной ( рис.1.6,б ). Напряжения и токи автотрансформатора связаны теми же приближенными соотношениями, что и в электротрансформаторе, если пренебречь резистивными сопротивлениями обмоток ( r 1=r2 =0 ) и индуктивными сопротивлениями потоков рассеяния ( x L 0 S = x L 1 S =0 Расчетная полная мощность общей части обмотки автотрансформатора Расчетная полная мощность остальной части обмотки Расчетная полная мощность каждой из обмоток обычного трансформатора Широкое применение находят лабораторные маломощные автотрансформаторы (ЛАТРы), позволяющие изменениям положения точки (ри. 6.) регулировать вторичное напряжение.
2.1.Общие сведения Электрическая машина – электромагнитное устройство, состоящее из статора и ротора, и преобразующее механическую энергию в электрическую (генераторы) или электрическую в механическую (электрические двигатели). ТЕМА 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН Конструктивная схема Рис. 2.1. Конструктивная схема Рис. 2.2. Пакеты сердечников асин - электрической машины: хронного двигателя: 1 - cердечник I - статор; 2 - ротор; 3 - под- статора; 2 - сердечник ротора; 3- шипники ; 4 - вал; 5 - воздуш - пазы, в которых размешается якорная ный зазор; 6 - торцевые шиты; обмотка статора; 4 - пазы, в которых 7 – корпус ротора размешается якорная обмотка; 5 — отверстие для вала ротора
Принцип действия электрических машин основан на законах электромагнитной индукции, Ампера и явлении вращающегося магнитного поля ( рис.2.3 ). Значение наводимой в проводнике ЭДС : Сила, действующая на проводник с током: Рис. 2.3. – Иллюстрация к закону электромагнитной индукции (а), и закону Ампера (б) Принцип действия
Вращающееся магнитное поле Важным преимуществом трехфазного тока является возможность получения вращающегося магнитного поля ( рис.2.4), лежащего в основе принципа действия электрических машин – асинхронных и синхронных двигателей трехфазного тока. Рис.2.4 – Схема расположения катушек при получении вращающегося магнитного поля (а) и волновая диаграмма трехфазной симметричной системы токов, текущих по катушкам (б)
Рис. 2.5– Направление индукции вращающегося магнитного поля в различные моменты времени
Классификация по роду потребляемой энергии. Электрические машины могут: преобразовывать механическую энергию в электрическую ( генераторы ), электрическую - в механическую ( двигатели ), а также электрическую - в электрическую же энергию другого рода ( преобразователи ); существуют специальные типы машин, используемых в системах автоматики в качестве усилителей, регуляторов, индикаторов и т. д.; для всех электрических машин характерна обратимость, т. е. возможность работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя, один и тот же трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим, преобразователь может изменять направление преобразования электрической энергии. машины мощностью до 600 Вт условно принято называть микромашинами.
Области применения. генерирование электрической энергии, производство почти всей электроэнергии происходит при помощи электромашинных генераторов; преобразование электрической энергии в механическую энергию, которая используется для привода станков и механизмов, электрической тяги и т. д. ; трансформаторы служат для изменения напряжения в начале и конце линии электропередачи; в современных системах автоматического управления и системах синхронной связи в качестве исполнительных органов. В качестве регулирующих органов применяются электромашинные и магнитные усилители; электрические машины используются как дифференцирующие и интегрирующие элементы и как источники ускоряющих и замедляющих сигналов в схемах синхронной связи, в программирующих, счетно-решающих и других системах. Эти машины применяются в измерительной технике в качестве тахогенераторов, электромашинных динамометров, измерительных трансформаторов и т. д.
Достоинства электрических машин. вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды энергии; обладают высоким коэффициентом полезного действия - от 65 до 85% для машинмощностью около 1 кВт и от 95 до 99% для машин большой мощности. В крупных современных трансформаторах КПД достигает значений, превышающих 99%. имеют малый удельный вес на 1 кВт мощности. характеризуются относительно малой стоимостью, компактностью, долговечностью, простотой управления, удобством обслуживания и легко обеспечивают индивидуальный привод к каждому станку. позволяют использовать, передавать и распределять энергию водных, тепловых и атомных станций.
2.2.Электротехнические материалы Значение электроматериалов Материалы, применяемые в электромашиностроительной промышленности, в значительной степени определяют технические показатели электрических машин. Одной из основных причин выхода из строя машин является старение и повреждение изоляции. Требования к электротехническим материалам: Повышенная нагревостойкость новых изоляционных материалов ; уменьшение толщины изоляции; использование высококачественной стали; механическая прочность конструктивных материалов Применяемые в электропромышленности материалы делятся на три группы: конструктивные, активные, электроизоляционные.
Конструктивные и активные материалы делятся на: токопроводящие 2. магнитопроводящие листовая легированная электротехническая сталь, содержащая от 2 до 5% кремния холоднокатаная текстурованная сталь с более высокими магнитными свойствами в направлении проката. Медь алюминий
Электроизоляционные материалы Электроизоляционные материалы применяются для электрической изоляции токоведущих частей машины. Они должны иметь: высокую электрическую прочность, хорошую теплопроводность, быть нагрево -, влаго - и химически стойкими. Таблица 2.1.
Виды исполнения электрических машин Основным исполнением электрических машин являются : защищенное закрытое обдуваемое. Системы охлаждения Естественное Искусственное Самовентиляция Независимая вентиляция Рис. 2.6. Системы вентиляции: а-осевая ; б- радиальная
3.Машины постоянного тока (МПТ) МПТ могут работать: в режиме генератора, если ее вращает тот или иной первичный двигатель, преобразуя механическую энергию в электрическую. в режиме двигателя,если цепь якоря и цепь возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии, преобразуя электрическую энергию в механическую. Рис.3.1.Устройство промышленного генератора постоянного 1- станина; 2-главные полюсы с обмотками возбуждения и доп. полюсы с обмотками для компенсации; 3-якорь; 4-коллектор; 5-подшипгиковые щиты; 6-щеткодержатели. 3.1. Общие сведения 3.2. Устройство и принцип работы генератора постоянного тока.
Рис.3.2. а - Принцип работы генератора; б-ЭДС генератора с четырьмя коллекторными пластинами а ) б )
Рис.3.3.
(3.1) ( 3.2) ( 3.4) ( 3.3) 3.3. ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока
мощность генератора постоянного тока: На каждый проводник обмотки якоря с током будет действовать сила: ( 3.5) ( 3.6) ( 3.7)
Вращающий момент машины: С- постоянный коэффициент, учитыва ю щий особенности конструкции машины. ( 3.8)
3.4. Реакция якоря П ри включении нагрузки в обмотке якоря появляется ток, который создает свой магнитный поток, который будет накладываться на магнитный поток полюсов, т.е. будет происходить явление, которое называется реакцией якоря. Рис.3.4.
3.5. Коммутация в машинах постоянного тока Рис.3.5.
Рис.3.6.
3.6. Способы возбуждения генераторов постоянного тока Рис.3.7. Способы возбуждения генераторов постоянного тока: а) с независимым возбуждением; б)с параллельным возбуждением; в)с последовательным возбуждением; г) со с смешанным возбуждением
Рис.3.8.Внешняя характеристика генератора
3.7. Электрические двигатели постоянного тока Рис.3.9. Рис.3.9. Напряжение сети: ток в якоре: пусковой ток: С корость вращения двигателя:
Рис.3.10.Кривые момента сопротивления и вращающего момента двигателя Условие устойчивой работы двигателя : В установившемся режиме ток, потребляемый двигателем: Основного уравнение двигателя: Скорость определяется электромеханической характеристикой: Механическая характеристика двигателя:
3.8.Способы регулирования скорости двигателя постоянного тока. Рис.3.11.Регулирование скорости двигателя изменением сопротивления якорной цепи. Для регулирования скорости можно использовать изменение следующих параметров электродвигателя: изменением сопротивления якорной цепи путем введения добавочных сопротивлений; изменением магнитного потока путем введения дополнительного сопротивления в цепь обмотки возбуждения; изменением напряжения, подводимого к якорной цепи при наличии индивидуального источника питания двигателя. Скорость идеального холостого хода:
Рис.3.12.Механические характеристики (а) и схема регулирования скорости изменением магнитного потока (б) Рис.3.13. Регулирование скорости вращения двигателя изменением напряжения подводимого к якорю двигателя
3.9. Способы возбуждения двигателей постоянного тока Двигатели с параллельным и независимым возбуждением Рис.3.14. Рис.3.15.
Двигатель с последовательным возбуждением Рис.3.16. Рис.3.17.
Двигатель со смешанным возбуждением Рис.3.18.
3.10.Пуск электродвигателей постоянного тока. Значение начального пускового тока: Условие выбора сопротивления: Ток в какой-либо момент времени:
4.Машины переменного тока Машины переменного тока делятся на асинхронные и синхронные. Асинхронные машины используются главным образом как двигатели, а синхронные — и как двигатели и как генераторы. 4.1.Асинхронные электрические машины переменного тока Устройство и принцип работы асинхронного двигателя Рис.4.1.Основные части АД: 1-статор;2-ротор;3-лопасти вентилятора;4-вентиляционные отверстия. Рис.4.2. Обмотка в виде "беличьего колеса"
Рис.4.3. Создание вращающегося магнитного поля
Рис.4.5. Рис.4.6.
Характеристики асинхронного двигателя 1. Скорость вращения магнитного поля определяется частотой переменного тока: Рис.4.7.
3. Скольжение s степень отставания ротора от магнитного поля: 4. Вращающий момент М: 5. Условие устойчивой работы АД с постоянной скоростью ротора :
Рис.4.8.Зависимость вращающего момента на валу АД от скольжения (а) и механическая характеристика (б)
Векторная диаграмма асинхронного двигателя Рис.4.9. а) б)
Асинхронный двигатель с фазным ротором Рис.4.10. АД с фазным ротором (АД с контактными кольцами). Эта система используется: либо для пуска (для уменьшения пускового тока при одновременном сохранении вращающего момента); либо для регулирования скорости вращения ротора двигателя.
Рис.4.11.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя Рис.4.12
Пуск и реверсирование асинхронных двигателей Рис.4.14 Рис.4.13
Рис.4.16 Рис.4.15
Однофазный асинхронный двигатель Рис.4.17
Однофазные двигатели с пусковой обмоткой Конденсаторные двигатели Рис.4.19 Рис.4.18
Однофазные двигатели с расщепленными полюсами Рис.4.20
Включение трехфазных двигателей в однофазную сеть Рис.4.21
4.2. Синхронные электрические машины переменного тока Синхронными называются электрические машины, частота вращения которых связана постоянным соотношением с частотой сети переменного тока, в которую эта машина включена. Синхронные машины обратимы, т.е. они могут работать и как генераторы, и как двигатели. Синхронная машина переходит от режима генератора к режиму двигателя в зависимости от того, действует ли на ее вал вращающая или тормозящая механическая сила: В режиме генератора, если она получает на валу механическую, а отдает в сеть электрическую энергию. Синхронные машины служат генераторами переменного тока на электрических станциях. 2. В режиме двигателя, если она потребляет из сети электрическую энергию, а отдает на валу механическую энергию. Синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда нужен двигатель, работающий с постоянной частотой вращения.
Синхронный генератор имеет две основные части -ротор и статор, причем статор не отличается от статора асинхронной машины. Ротор синхронной машины представляет собой систему вращающихся электромагнитов, которые питаются постоянным током, поступающим в ротор через контактные кольца и щетки от внешнего источника. Роторы бывают явнополюсные (рис. 25,а) и неявнополюсные (рис. 25,б). Синхронная скорость ротора: Рис.25. 4.2.1. Устройство и принцип работы синхронного генератора
В маломощных синхронных генераторах обычно используется самовозбуждение: обмотка возбуждения питается выпрямленным током того же генератора (рис.26) Рис.26. Среднее значение ЭДС, наводимое в каждой фазе обмотки статора : Напряжение на зажимах генератора: Реакцией якоря называется влияние магнитного поля статора на магнитное поле, создаваемое вращающимися полюсами ротора. Чем больше ток нагрузки, тем больше реакция якоря.
4.2.2. Характеристики синхронного генератора Основными характеристиками синхронного генератора являются: характеристика холостого хода, внешняя характеристика, регулировочная характеристика. Характеристика холостого хода (рис.27). Рис.27.
Внешняя характеристика (рис.28) Рис.28. Рис.29. Регулировочная характеристика (рис.29)
4.2.3. Работа синхронной машины в режиме двигателя Пуск и остановка синхронного двигателя Рис.30. Синхронный двигатель не может быть запущен простым включением в сеть, поскольку его вращающий момент при пуске равен нулю(рис.30). Характерной особенностью синхронного двигателя является необходимость предварительного разгона ротора. В настоящее время синхронные двигатели запускают с помощью асинхронного пуска. Для этого применяется специальная конструкция ротора.
4.2.4. Характеристики синхронного двигателя Рабочими характеристиками синхронного двигателя являются зависимости потребляемой мощности P 1, потребляемого тока I 1, вращающего момента М, cosφ и к.п.д. η от полезной мощности нагрузки Р 2. Они изображены на рис. 31 и соответствуют случаю, когда на холостом ходу cos φ = 1. Рис.31.
ТЕМА. ЭЛЕКТРОПРИВОД 1. Общие сведения Электроприводом называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением ( рис.32 ). Рис.32.
2. Уравнение движения электропривода Нагрузка на валу электродвигателя слагается из статической и динамической нагрузок. 1.Момент, развиваемый двигателем: 2.Динамический момент: 3.М омент инерции: 4. Приведенный момент инерции системы:
К ним относятся: продолжительный (рис.33,а), кратковременный (рис.33,б), повторно-кратковременный (рис.33,в),. 3. Основные режимы работы электропривода Рис.33.
Продолжительным режимом работы называют такой режим, когда двигатель работает с неизменной нагрузкой такое длительное время, что превышение температуры двигателя достигает установившегося значения(рис.33 а). При кратковременном режиме двигатель вначале работает короткий промежуток времени, за который не успевает нагреться до установившейся температуры, затем следует длительный период когда двигатель не работает и охлаждается до температуры окружающей среды(рис.33 б). Повторно-кратковременным режимом работы двигателя называют такой режим, при котором периоды работы под нагрузкой чередуются с периодами отключения машины, причем как рабочие периоды, так и паузы не настолько длительны, чтобы превышение температуры могло достигнуть установившегося значения(рис.33 в).
Рис.34 Графики нагрузки кратковременного режима Рис.35 График нагрузки повторно-кратковременного режима
4. Основные параметры работы электропривода: А. Номинальная мощность - полезная механическая мощность на валу в течение времени, соответствующего его номинальному режиму, т. е. продолжительному, кратковременному или же повторно-кратковременному при определенной продолжительности включения. Б. Мгновенная перегрузочная мощность двигателя - это наибольшая мощность на валу в течение малого промежутка времени, развиваемая двигателем без каких-либо повреждений, т.е. в течение короткого промежутка времени двигатель может развивать мощность значительно большую, чем номинальная. В. Коэффициент перегрузки по моменту λмом, характеризующий мгновенные перегрузочные свойства двигателя: Г. Кратковременная перегрузочная мощность двигателя — мощность, развиваемая двигателем в течение определенного ограниченного промежутка времени (5, 10, 15, 30 мин и т. д.), после чего двигатель должен быть отключен на время, в течение которого он успевает охладиться до температуры окружающей среды.
5. ВЫБОР МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Из всех материалов, применяемых в электродвигателях, изоляция обмоток наиболее чувствительна к температуре нагрева. Все электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах и аппаратах, подразделяются согласно ГОСТ 8865 на семь классов по теплостойкости с предельно допустимыми температурами нагрева, приведенными в табл. 5.1. Таблица 5.1 Классификация изоляционных материалов по теплостойкости Класс изоляции Y A E B F H C Максимально допустимая температура нагрева, 0 С 80 105 120 135 155 180 >180 Максимально допустимое превышение температуры, 0 С 40 65 80 95 115 140 >140 Мощность двигателя определяется из условия: температура нагрева различных частей двигателя должна быть меньше или равна допустимой температуре нагрева изоляции обмотки.
Для выбора мощности двигателя по условиям нагрева необходимо: знать график нагрузки производственного механизма; после этого произвести проверку двигателя выбранной мощности на перегрузочную способность : в момент пуска, в периоды работы с повышенной мощностью. Выбор мощности в зависимости от режима работы. Продолжительный режим работы А) Основной метод а)при неизменной нагрузке (см. рис. 5.4а) выбор мощности двигателя Р (если температура окружающей среды равна 40°С), должен удовлетворять условию Рном≥ Р. Зная мощность нагрузки Р, выбирают такой двигатель, мощность которого является ближайшей большей или равной мощности нагрузки. б)при переменной нагрузке (см. рис. 5.4 б ) предварительно выбирают мощность двигателя по средней мощности нагрузки Рср из условия Рном≥Рср, а затем проводят проверочный расчет. При этом общим является условие: средняя мощность потерь в двигателе при работе по переменному графику нагрузки за рабочий цикл не должна превышать номинальную мощность потерь при работе двигателя с постоянной номинальной нагрузкой: Рп.ср≤Рп.ном.
Средняя мощность потерь, используя график нагрузки: где Р п i — мощность потерь при мощности нагрузки Р i. Б) Метод эквивалентных величин (тока, момента и мощности). Эквивалентными называют такие постоянные значения тока, момента и мощности, при которых в двигателе имеют место такие же потери мощности, как и при работе этого двигателя с переменной нагрузкой. Мощность потерь в двигателе состоит: из постоянных потерь (потери в стали, на трение в подшипниках, вентиляционные), независящих от нагрузки; переменных потерь, пропорциональных квадрату тока и, зависящих от нагрузки.
Принимая во внимание только переменные потери, для эквивалентного тока (аналогично момента, мощности): Если получают, что , то двигатель выбран правильно ( I ном — номинальный ток двигателя). В) Метод эквивалентной мощности. Используется для двигателей с мало меняющейся частотой вращения, когда график переменной нагрузки продолжительного режима не имеет периодов холостого хода. Расчет эквивалентной мощности производят непосредственно по графику нагрузки.
Проверка двигателя на перегрузочную способность заключается в сравнении максимального момента нагрузки, определяемого графиком нагрузки, с максимальным моментом М max, развиваемым двигателем. Зная номинальный момент для выбранного двигателя, определяют М max = γМ Н0М и сравнивают его с максимальным моментом нагрузки: если момент М max двигателя меньше максимального момента нагрузки, то необходимо взять двигатель большей мощности; чем более неравномерен график нагрузки, тем более вероятно, что мощность двигателя будет определяться максимальной мощностью нагрузки; при тяжелых условиях пуска двигателя производят его проверку по пусковому моменту. Коэффициентом перегрузочной способности двигателя называют максимальный момент двигателя превышающий номинальный момент в γ раз: γ=Ммах/Мном Для двигателей постоянного тока γ =2,0...2,5 (определяется условиями коммутации), Для асинхронных двигателей γ =1,7...2,5.
Рис.36. 3.Выбрав номинальную мощность двигателя должно быть выполнено условие:
2. Кратковременный режим работы Мощность двигателя выбирают из условия: его максимальный момент М max должен быть больше максимального момента нагрузки, а затем проверяют по пусковому моменту. 3. Повторно-кратковременный режим работы А) Можно выбрать специальный двигатель, предназначенный для работы в этом режиме, номинальная мощность которого определена для одного из значений ПВ (15, 25, 40 или 60%). Определив ПВ по графику нагрузки, выбирают двигатель из условия, что Рном≥ Р. Если по графику нагрузки получается нестандартное значение ПВ, то мощность двигателя определяют из условия где Р — мощность по графику нагрузки (см. рис. 5.6); ПВ — нестандартное значение продолжительности включения по графику нагрузки; ПВпасп — стандартное значение продолжительности включения, указанное в паспорте двигателя.
Мощность двигателя выбирают по формуле Так же производят расчет мощности двигателя при замене его двигателем с другим значением ПВ. Б) Повторно-кратковременный режим характеризуется ступенчатым графиком нагрузки (рис. 5.7): предварительно определяют эквивалентную мощность за период работы: определяют продолжительность включения в процентах
6. ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ При выборе типа электродвигателя определяющими являются технические данные производственного механизма: мощность, условия пуска (под нагрузкой или на холостом ходу), частота вращения, ее постоянство или необходимость глубокого регулирования и др., стоимость установки и ее эксплуатации, необходимость регулирования коэффициента мощности и т. д. В соответствии с условиями среды должен быть выбран двигатель защищенного, закрытого или взрывозащищенного исполнения. Тип электродвигателя Синхронные ДПТ параллельного возбуждения последовательного возбуждения АД С короткозамкнутым ротором С фазным ротором Значительная мощность; Редкие пуски Изменение частоты вращения; Частые пуски При небольшом диапазоне изменения частоты вращения - при питании от сети постоянного тока неизменного напряжения При широком диапазоне регулирования частоты вращения - с питанием от отдельного источника, напряжение которого можно изменять в широких пределах не требуется регулировать частоту вращения или поддерживать ее постоянной регулирование частоты вращения в узких пределах, большой пусковой момент, частые включения.
7.ТИПОВЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Автоматически осуществляют: пуск двигателя, регулирование частоты его вращения, торможение, остановку, защиту от коротких замыканий и перегрузок другие операции. А. Управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором Рис.37 Схема автоматического управления АД с короткозамкнутым ротором с помощью магнитного пускателя. В приводах с нерегулируемым или ступенчато регулируемым режимом работы применяется: 1. управление на основе релейно-контакторной аппаратуры (см. рис. 37,38.39).
Б.Управление пуском АД с фазным ротором Рис.38. Схема автоматического управления АД с фазным ротором.
В. Автоматическое управление пуском ДПТ параллельного возбуждения Рис.39. Схема автоматического управления пуском ДПТ параллельного возбуждения.
2. Управление в приводах на основе управляемых тиристорных преобразователей. А. Электропривод переменного тока. 40.Режим естественной коммутации 41.Управление током в цепи фазного ротора асинхронного двигателя Для регулирования частоты вращения АД тиристоры включаются в цепь статора ( рис.40или ротора ( рис.41)
Б. Электропривод постоянного тока. Рис.42.Схема подключения ДПТ с независимым возбуждением к сети с однофазным синусоидальным напряжением Рис.43.Схема включения ДПТ с независимым возбуждением в трехфазную сеть Постоянная ЭДС якоря:
8. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Электроснабжение - производство, передача и распределение электроэнергии между потребителями. Для передачи электроэнергии от электростанций к потребителям сооружают линии электропередачи напряжением 6, 10, 35, 110, 220, 330, 500, 750 и 1050 кВ. Линии электропередачи могут быть: воздушными (одноцепной или двухцепной ); кабельными. Кабель - это один или несколько изолированных проводников, заключенных в герметическую оболочку, поверх которой накладывают защитные оболочки, служащие для фиксации изоляции и защиты от воздействия влаги и химических веществ. Кабельные линии, прокладываемые в земле и под водой, а также внутри помещений, в основном применяют при напряжении 6...35 кВ. Кабели напряжением 35 кВ бывают также газонаполненными с избыточным давлением инертного газа (обычно малоактивного азота). Кабели на напряжение 110 кВ выполняют маслонаполненными или газонаполненными.
Рис.44. Принципиальная схема электроснабжения Г-генератор, ПС-подстанция, 1-воздушная линия, 2-воздушная или кабельная линия Если значение напряжения линии передачи не совпадает с напряжением генераторов электростанции, то для их соединения применяют трансформаторы, которые устанавливают на подстанциях (ПС). На электростанциях строят повышающие подстанции, в местах потребления электроэнергии — понижающие подстанции с одной или несколькими последовательными трансформациями (для уменьшения напряжения до значения 0,4...10 кВ). Для связи трансформатора с линиями электропередачи применяют различные высоковольтные коммутирующие аппараты.
Рис.45.Принципиальная схема электроснабжения промышленных предприятий на напряжение 6-10 кВ. Рис. 46. Радиальная схема питания цеховых ТП Рис. 47. Магистральная схема питания цеховых ТП
Рис.48. Схема питания электроприемников на низшем напряжении
ТЕМА: Основы промышленной электроники 1. Общие сведения Промышленная электроника – наука о применении электронных приборов и устройств в промышленности. В промышленной электронике можно выделить три области: - информационную электронику (ИЭ); - энергетическую электронику (ЭЭ); электронную технологию (ЭТ). К основным элементам электронных схем относятся элементы, указанные на рис. 49. Рис.49. Главные свойства электронных устройств (ЭУ): - высокая чувствительность; быстродействие; долговечность; - универсальность.
2. Полупроводниковые диоды Полупроводниковый диод (ПД) – прибор с одним np − переходом и двумя выводами. Он хорошо пропускает ток одного направления и плохо пропускает ток противоположного направления. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами полупроводникового диода называются прямыми и обратными токами I пр, I обр, прямыми и обратными напряжениями U пр, U обр. Рис.50. Прямой ток в ПД направлен от одного вывода (анода) к другому (катоду). ПД – нелинейный элемент и сопротивление его зависит от величины и направления тока. Вольтамперная характеристика (ВАХ) ПД имеет ярко выраженные три участка:прямой (I), обратной (II) ветвями и ветвью стабилизации (III). Полупроводниковые диоды, у которых рабочим участком является участок стабилизации III, называются стабилитронами.
2.1.Прямое и обратное включение р-п-перехода. Идеализированное математическое описание характеристики перехода. График зависимости потенциала φ Э, определяемого на основе электротехнического подхода, от координаты х (рис. 51). Рис. 51 Рис. 52 Рис. 53 обратное включение p - n -перехода прямое включение p - n -перехода
2.2.Разновидности полупроводниковых диодов ( рис.54) Стабилитрон. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя(а). Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений. Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется не Р- n -переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник(б). Варикап. Это полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве конденсатора, емкость которого управляется напряжением(в). Туннельный диод. Это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении(г). Обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде, поэтому зачастую обращенный диод рассматривают как вариант туннельного диода(д). Рис. 54
2.3.Классификация и система обозначений современных ПД. Система обозначений ПД установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81, а силовых полупроводниковых приборов — ГОСТ 20859.1-89. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код. Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) — подкласс приборов, третий (цифра) — основные функциональные возможности прибора, четвертый — число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент — буква, условно определяющая классификацию разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии. Примеры обозначения приборов: 2Д204В — кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3... 10 А, номер разработки 04, группа В. КС620А — кремниевый стабилитрон мощностью О 5...5 Вт, с номинальным напряжением стабилизации более 100 В, номер разработки 20, группа А.
3.Выпрямители на полупроводниковых диодах Выпрямителями называются устройства, осуществляющие преобразование синусоидального (переменного) напряжения в постоянное напряжение. В большинстве случаев для выпрямления переменного напряжения применяются выпрямители на ПД, поскольку они хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном. Простейшая схема выпрямителя показана на рис. 55. Рис. 55. Схемы выпрямителей на ПД
Рис. 56. Графики напряжений выпрямителя, поясняющие его работу Полезная часть выпрямленного напряжения:
Основными электрическими параметрами однополупериодного выпрямителя являются: 1. средние значения выпрямленного тока и напряжения U ср ; I ср 2. мощность нагрузки P ср ⋅= U ср I ср ; 3. амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения ; ~ U m 4. коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения 5. действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора : 6. типовая мощность трансформатора: 7. коэффициент полезного действия:
Двухполупериодный мостовой выпрямитель ( рис.57) Рис. 57. Схема (а) и временные диаграммы напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя
4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p - n -переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока. 4.1. Устройство и основные физические процессы Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника ( p - n - p или n - p - n ) и соответственно два p - n -перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу. Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором. Схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n - p - n (рис. 58, а) и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 58, б). Транзистор называют биполярным, так как в процессе отекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.
а Рис.58. Рис.59.
Основные физические процессы. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концентрация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее.Если с помощью источников напряжения сместить эмиттерный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 60). Тогда через эмиттерный переход потечет ток I Э, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Рис.60
4.2. Характеристики и параметры Характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики. Схема с общей базой Рис.61. Рис.62. Входная характеристика: Выходная характеристика:
Схема с общим эмиттером Входная характеристика: Выходная характеристика: Рис.63. Рис.64.
Три схемы включения транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки Схема с общим эмиттером (ОЭ) Схема с общим коллектором (ОК) Схема с общей базой (ОБ) Рис.49. Рис.65. Рис.66.
4.3.Временные диаграммы токов транзистора Рис.67. комплексный коэффициент передачи базового тока β:
4.4.Классификация и система обозначений Система обозначений современных типов транзисторов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код. Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор, второй элемент (буква) определяет подкласс (или группу) транзисторов, третий (цифра) - основные функциональные возможности транзистора, четвертый (число) — обозначает порядковый номер разработки технологического типа транзистора, пятый (буква) — условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии. Примеры обозначения приборов: КТ937А-2
5. Полевые транзисторы Полевой транзистор — это трехэлектродный полупроводниковый прибор, работа которого основана на использовании электрического поля для изменения сопротивления полупроводникового канала. Полевые транзисторы называют униполярными, так как регулируемый ток в них создается основными носителями заряда, движущимися в канале с одним типом проводимости. Электрод, из которого в канал втекают основные носители, называется истоком (И), а электрод, через который носители вытекают из канала, называется стоком (С). Управляющий электрод называется затвором (3). Напряжение, приложенное к затвору, регулирует ток через канал. Как исключение, встречаются полевые транзисторы с двумя затворами и с дополнительными, вспомогательными выводами. Полевые транзисторы делятся на две большие группы: транзисторы с управляющим р-п-переходом; транзисторы с изолированным затвором — МДП-транзисторы, содержащие металл (М), диэлектрик (Д) и полупроводник (П). Если диэлектриком является окись кремния, то полевые МДП-транзисторы называют МОП-транзисторами (в этом случае в обозначении транзистора О — окись).
Структура полевого транзистора с управляющим p - n -переходом и р-каналом показана на рис. 68. Условные обозначения полевых транзисторов с управляющим p - n - переходом с p - и n -каналами приведено на рис. 69, а и рис.69, б соответственно. На практике чаще используются транзисторы с n -каналами. На рис.70приведена ВАХ транзистора. Рис.68. Рис.69 Рис.70
Обозначения МДП-транзисторов с индуцированными каналами n и p -типов приведены на рис. 71, а, б соответственно. Кроме полевых транзисторов с индуцированным каналом широко используются МДП-транзисторы с встроенным каналом. Условные обозначения МДП-транзисторов с встроенными каналами n - и p -типов приведены на рис. 72, а, б соответственно. Рис.71 Рис.72
ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Операционный усилитель (ОУ)-элемент для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами. Главной особенностью схем на ОУ является то, что выполняемые ими операции определяются подключенными к ним внешними элементами и не зависят от самого ОУ Рис.73. Электрическая схема подключения источника питания и нагрузки к ОУ Выводы операционного усилителя ( рис.73).
Выводы питания(рис.74). Рис.74. Электрическая схема источника с расщепленным питанием Типовое значение напряжения источника питания составляет: Как правило, земля не подключена к ОУ.
Вывод выхода На схеме(рис.75) выходной вывод ОУ соединен с резистором нагрузки R n, 2-й вывод R n подключен к земле, поэтому выходное напряжение ОУ U вых измеряется относительно земли. Ток, который можно получить с выхода ОУ, ограничен некоторым предельным значением Верхний предел выходного напряжения называется положительным напряжением насыщения и обозначается + U нас. Нижний предел выходного напряжения называется отрицательным напряжением насыщения и обозначается - U нас.
Входные выводы. Эти выводы обозначены знаками «+» и «-» ( рис.76)и называются дифференциальными (разностными) входами. Это связано с тем, что выходное напряжение U вых зависит от разности напряжений и коэффициента усиления k ОУ без обратной связи. Полное сопротивление между входом «+» и «-» очень велико и для большинства практически важных случаев его считают равным ∞. По этой же причине, как следствие получается, что входа ОУ не потребляют ток.
Рис.76. Схема зависимости полярности U вых от полярности дифференциального входного напряжения E g а) б)
Усиление по напряжению без обратной связи значение , при котором
Получение опорных напряжений на практике Так как операционные усилители питаются обычно от хорошо стабилизированных источников, можно использовать этот отрадный факт для получения недорогого источника опорного напряжения. В качестве такого источника на рис. 77 служат резисторы R 1 и R 2, которые делят напряжение питания в соответствии со следующим выражением: R 1 = 13 кОм R 1 = 2 кОм Рис.77. Получение опорного напряжения с делителя напряжения
ИНВЕРТИРУЮЩИЙ И НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛИ Усилитель – схема, которая воспринимает входной сигнал, поступающий на ее вход, и выдает на выходе усиленную копию входного сигнала. Все рассматриваемые нами схемы в этом разделе имеют одно общее свойство: резистор обратной связи, который подключается между зажимом выхода и входа « – ». Схемы такого типа называют схемами с отрицательной обратной связью (ООС). Инвертирующий усилитель Рис.78. Схема инвертирующего усилителя при положительном напряжении на входе ( –)
Инвертирующий сумматор Рис.79. Электрическая схема инвертирующего сумматора
Неинвертирующий усилитель Рис.80. Электрическая схема неинвертирующего усилителя Рис.81. Схема соединения резисторов R R
Тема: ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ТАБЛИЦА ИСТИННОСТИ В основе всех цифровых систем лежат четыре основных логических элемента (операций): – логическое сложение, дизъюнкция, ИЛИ; – логическое умножение, конъюнкция, И; – ИЛИ – исключающее; – отрицание, НЕ.
Выходы Входы A B Рис. Изображение логического элемента на электрических схемах
Рис.Изображение основных логических элементов на электрических схемах
Логическое сложение, дизъюнкция, элемент «ИЛИ» Для обозначения операции логического сложения (английское сокращенное обозначение « OR ») в алгебре логики используется символ «+», например, A + B = Q. Рис.Электрическая схема электромеханического эквивалента логического элемента 2-ИЛИ
В А Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Рассмотренную операцию можно записать в алгебраической форме следующим образом: А + В = Q. Таблица
Рис. Электрическая схема электромеханического эквивалента логического элемента 3-ИЛИ
Промышленность выпускает четыре типа элементов логического сложения: 2-ИЛИ, 3-ИЛИ, 4-ИЛИ и 8-ИЛИ. На схемах электрических принципиальных эти элементы изображают, как показано на рис. ниже. Рис.Условное обозначение элементов логического сложения на схемах электрических принципиальных
Логическое умножение, конъюнкция, элемент «И» В алгебре логики операция логического умножения (английское сокращенное обозначение « AND ») обозначается символом умножить « · », например, А ∙ В = Q. Рис.Электрическая схема электромеханического эквивалента логического элемента 2-И
Рассмотренную операцию можно записать в алгебраической форме следующим образом: А ∙ В = Q. В А Q 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Таблица
Рис. Электрическая схема электромеханического эквивалента логического элемента 3-И
С В А Q 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 Таблица истинности для логического элемента 3-И будет состоять из четырех столбцов и иметь 2 3 =8 строк (табл.5). Таблица 5
Промышленность выпускает четыре типа элементов логического умножения: 2-И, 3-И, 4-И и 8-И. На схемах электрических принципиальных эти элементы изображают, как показано на рис.ниже. Рис.Условное обозначение элементов логического умножения на схемах электрических принципиальных
Логический элемент « ИЛИ – ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ» Для обозначения этой операции в алгебре логики используют символ . Например, А В = Q. Часто для него используют английское сокращение « XOR ». таблица истинности для логического элемента 2-ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ В А Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Промышленность выпускает четыре типа логических элементов ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ: 2-ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ, 3- ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ, 4-ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ и 8-ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ. На схемах электрических принципиальных эти элементы изображают, как показано на рис.20. Рис.Условное обозначение логических элементов ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ на схемах электрических принципиальных
Логический элемент отрицание, инвертор, «НЕ» Основная функция схемы НЕ (инвертора) состоит в том, чтобы обеспечить на выходе сигнал, противоположный сигналу на входе. Рис. Условное изображение логического элемента НЕ на схемах электрических принципиальных Рис. График сигналов на входе А и выходе
Логический элемент ИЛИ-НЕ Логический элемент ИЛИ-НЕ называют также элементом отрицания ИЛИ. Это говорит о том, что для реализации функции ИЛИ-НЕ выход элемента ИЛИ должен быть инвертирован. Рис.Логический элемент 2-ИЛИ-НЕ: а –условное изображение элемента 2-ИЛИ-НЕ; б –логическое выражение для выхода элемента 2-ИЛИ-НЕ
Таблица истинности элемента 2-ИЛИ-НЕ В А Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
Логический элемент И-НЕ Логический элемент 2-И-НЕ реализует логическую функцию или инвертированное И. Рис. Логический элемент 2-И-НЕ: а –условное изображение элемента 2-И-НЕ; б –логическое выражение для выхода логического элемента 2-И-НЕ
таблица истинности для логического элемента 2-И-НЕ. В А Q 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Логический элемент ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-НЕ Логический элемент ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-НЕ называют также элементом отрицания ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕГО. Это говорит о том, что для реализации функции ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-НЕ выход элемента ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕГО должен быть инвертирован, т.е. . Рис. Логический элемент 2-ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-НЕ: а –условное изображение элемента 2-ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-НЕ; б –логическое выражение для выхода логического элемента 2-ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-НЕ
таблица истинности для логического элемента 2-ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-НЕ. В А Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1
Логические функции Условное обозначение Инвертор И ИЛИ ИЛИ-НЕ ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-НЕ Таблица - логические элементы И-НЕ для реализации любых других основных логических функций.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
