В частном случае, если система векторов фазных напряжений симметрична, то система векторов линейных напряжений также симметрична и образует равносторонний треугольник, из геометрии которого следует, что дейст-

вующие значения (длины векторов) линейных напряжений в 3 больше действующих значений фазных напряжений.

U л 3U ф .

(2.47)

2.5.3. Соединение трехфазной цепи «треугольником»

При соединении трехфазной цепи треугольником (рис. 2.27) конец обмотки фазы А генератора соединяется с началом обмотки В, конец обмотки В с началом обмотки С, конец обмотки С с началом обмотки А, образуя замкнутый контур.

Из начала фаз А, В и С генератора отходят три провода к приемникам энергии. Они называются линейными. Направление действия линейных токов IA, IB и IC принято на рис. 2.27 такое же, как и при соединении «звездой» от

генератора к приемнику.

Заметим, что при соединении «треугольником» фазные ЭДС генератора и фазные сопротивления приемников удобно здесь обозначать двойными ин-

дексами: EA EAB ; EB EBC ; EC ECA ; Z A Z AB ; Z B Z BC ; ZC ZCA . Это

же относится к фазным токам и фазным напряжениям, направления действия которых принято по часовой стрелке.

Трехфазная цепь, связанная «треугольником», имеет ряд особенностей 1. Напряжения между линейными проводами (U л ) одновременно являют-

ся и фазными (U ф ) напряжениями: U л U ф .

2. При связывании трехфазной цепи треугольником различают фазные

( I AB , I BC и ICA ) и линейные ( I A , I B и IС ) токи. Применяя первый закон Кирхгофа к узлам А, В и С трехфазного приемника, получаем следующие соотношения между этими токами:

I A I AB ICA ; I B I BC I AB ; IC ICA I BC . (2.48)

Эти соотношения в виде векторной диаграммы показаны на рис. 2.28, где представлена симметричная система фазных токов I AB , I BC и ICA и показано,

что векторы линейных токов расположены между концами векторов фазных токов. Графические построения здесь подобны построениям для фазных и линейных напряжений на рис. 2.26.

57

А	I A	Линейный		А′
EC ECA	E А E AВ			I AB
ЕС	ЕА	U AC	Z СА	Z AB U AB
			IСA
С	В		С′	В′
ЕВ	IВ			Z ВС IВС
EВ EВC				U BС
	IС
		Рис. 2.27
	30
	IФ		I л
			2
	I л		I л
				2
	Рис. 2.28
В частном случае, при симметрии системы векторов фазных токов (рис.
2.28), система векторов линейных токов получается также симметричной и об-
разует равносторонний треугольник, из геометрии которого следует, что дейст-

вующие значения (длины векторов) линейных токов в 3 больше действующих значений фазных токов:

I л 3Iф .

(2.49)

3. Соединение «треугольником» не применяется для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния ввиду того, что токи в линейных

проводах больше токов в фазах приемников (в 3 раз при симметричном режиме работы) и это соединение менее экономично по сравнению с соединением «звездой».

2.5.4. Расчет трехфазных цепей

Трехфазные цепи могут работать в двух основных режимах – симметричном и несимметричном.

а) Симметричный режим работы трехфазной цепи имеет место при следующих двух условиях: генератор вырабатывает симметричную систему ЭДС

58

(рис. 2.24, б) и, кроме того, комплексные сопротивления всех трех фаз приемника одинаковы (симметричный приемник). Очевидно, что при симметричном режиме достаточно произвести расчет только одной фазы трехфазной цепи (например, фазы A ). Токи других фаз будут иметь с фазой A одинаковые амплитуды (а также и действующие значения) и сдвинуты по фазе относительно своих фазных напряжений на один и тот же угол ( ). При этом друг относительно

друга токи всех трех фаз будут сдвинуты по фазе на 120 , как это показано на рис. 2.24, б.

б) Несимметричный режим работы трехфазной цепи имеет место в тех случаях, когда хотя бы одно из двух условий симметричного режима отсутствует. При этом необходимо производить расчеты токов и напряжений всех трех фаз, используя известные методы расчетов цепей синусоидального тока.

Пример 2.5. Трехфазная цепь (рис. 2.24, а) состоит из генератора, вырабатывающего симметричную систему ЭДС с действующим значением Е = 220 В и симметричного приемника, соединенного «звездой», сопротивление каждой фазы которого составляет Z A Z B Z C Z ф R 22 Ом. Требуется опреде-

лить токи и напряжения всех трех фаз приемника, ток в нейтральном проводе, а также построить векторную диаграмму цепи на комплексной плоскости.

Решение. 1. Принимаем направления действия ЭДС, токов и напряжений

вданной цепи в соответствии с рис. 2.24, а.

2.Определяем комплексные фазные ЭДС генератора. Для этого совме-

щаем ЭДС фазы А с осью вещественных чисел (рис. 2.29, а) и получаем

ЕА 220В; ЕВ 220e j120 ( 110 j190) В;

ЕС 220e j120 ( 110 j190) В.

3. Определяем комплексные линейные напряжения приемника. Для этого воспользуемся 2-м законом Кирхгофа для контуров цепи, образованных фазными ЭДС генератора и линейными напряжениями трехфазного приемника.

U U

BC

CА

U AB E A EB 220 ( 110 j190) (330 j190)

	3302 1902 e jarctg	190	380e j30 В;
		330
EB EC	( 110 j190) ( 110 j190) j380 380e j90 В;

EС E А ( 110 j190 ) 220 330 j190 380e j150 В.

Действующие значения всех трех линейных напряжений одинаковы и составляют Uл = 380 В.

59

4. Определяем комплексные фазные напряжения приемника. В соответствии со 2-м законом Кирхгофа непосредственно из схемы цепи находим, что при наличии нейтрального провода они равны фазным ЭДС генератора:

U A EA 220 В;

U B

EB

220e j120 В;

U C

EC

220e j120 В .

Действующие

значения всех

трех фазных напряжений одинаковы

(Uф=220 В) и в

3 раз меньше линейных напряжений (Uл = 380 В).

5. Определяем комплексные фазные (они же линейные) токи приемника,

используя закон Ома:

I A

U A

220

10

А;

I B

U B

220e j120

10e

j120

( 5 j8,7) А;

Z A

22

Z B

22

IC

UC

220e j120

10e

j120

10( 0,5 j8,7) ( 5

j8,7) А.

Z C

22

Действующие значения токов во всех трех фазах цепи одинаковы и составляют Iф = 10 А. Векторы этих токов образуют симметричную систему, и их сумма, определяющая ток в нейтральном проводе I N , в соответствии с форму-

лой (2.45) равна нулю. Следовательно, при симметричном режиме работы нейтральный провод для нормальной работы цепи не нужен.

6. Векторная диаграмма токов и напряжений исследуемой цепи представлена на рис. 2.29 в двух вариантах.

В первом варианте (рис. 2.29, а) все векторы исходят из начала координат комплексной плоскости. Во втором варианте (рис. 2.29, б) векторы линейных напряжений перенесены параллельно самим себе так, чтобы они расположились между концами соответствующих векторов фазных напряжений и образовали равносторонний треугольник.

Из этой диаграммы видно, что при симметричном режиме работы достаточно рассчитать токи и напряжения только одной из фаз цепи, например фазы А. Токи и напряжения остальных двух фаз будут такими же по действующему значению, но сдвинуты относительно фазы А по фазе на 120 .

2.5.5. Мощность трехфазной цепи

Комплексная мощность трехфазной цепи равна сумме комплексных мощностей всех трех ее фаз:

~	~ ~ ~	,	(2.50)
S3ф SA SB SC

60

S~B UB I* B SBe j B PB jQB;

а)

U AB	+1
		ЕA
+j1 IC	0	I А
ЕС
		I B
UСA

S~C UC I* C SCe j C PC jQC .

	100В 10А						б)
							U AB	U A ЕА
			U С ЕС
						0
	U BС						I А
			UСA					U B ЕВ
Е	В					IC	I B
								U BС

Рис. 2.29

*	*	*
Здесь I	A , I B и I C комплексные токи, сопряженные соответствующим
комплексным токам фаз I A , I B и IC .			С учетом формулы (2.50) для комплекс-
ной мощности трехфазной цепи получаем
~		Pф PA PB	PC и Qф QA QB QC. (2.51)
S3ф Pф j Qф , где

В частном случае, при симметричном режиме работы трехфазной цепи, имеем P3ф 3Pф; Q3ф 3Qф; Sф UфIф Pф2 Qф2 . С учетом формул (2.47) и (2.49) получаем для соединения приемников как «звездой», так и «треугольником»:

P3ф 3U лI л cos ; Q3ф 3U лI л sin ; S3ф 3U лI л P3ф 2 Q3ф 2 .

Вопросы для самопроверки

1.Что является амплитудой тока?

2.Сформулируйте правила изображения синусоидальных процессов (токов, напряжений и ЭДС) векторами.

3.Укажите фазовые соотношения между синусоидальными током и напряжением в элементах R, L и C.

4.Сформулируйте законы Кирхгофа в векторной форме записи.

5.Запишите амплитудные соотношения между синусоидальными током и напряжением в элементах R, L и C.

61

6. Чему равна активная электрическая мощность в цепи синусоидального

тока?

7.Укажите три вида мощности в цепи синусоидального тока.

8.Чему равен коэффициент мощности?

9.Поясните принцип комплексного метода расчета электрических цепей синусоидального тока.

10.Чему равны комплексные сопротивления и комплексные проводимости элементовR, L и C.

11.Сформулируйте положение о балансе мощностей цепи синусоидального тока.

12.Какой режим электрической цепи называется резонансом?

13.Какие цепи называются индуктивно связанные?

14.Какое соединение катушек называется встречным включением?

15.Какое преимущество имеют трехфазные цепи перед однофазными це-

пями?

16.Какие особенности имеет трехфазная цепь, связанная звездой?

17.Какие особенности имеет трехфазная цепь, связанная треугольником?

РАЗДЕЛ 3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

3.1. Нелинейные электрические элементы

Нелинейными электрическими			цепями называются цепи, параметры
которых зависят от	тока	и напряжения. В соответствии с этим определе-
нием электрическая цепь,		содержащая хотя бы один		нелинейный элемент, яв-
ляется нелинейной.	Строго говоря,		все электрические цепи нелинейные, так
как их параметры в той или иной степени зависят от тока и напряжения.					На-
пример, активное сопротивление проводников зависит от величины тока,					по-
скольку с изменением тока в проводниках меняется				их температура. Индук-

тивность катушек также зависит от величины тока, если магнитная проницае-

мость	материала сердечника зависит от напряженности магнитного поля. Од-
нако	во многих практически важных случаях эта нелинейность (зависимость

параметров цепи от тока и напряжения) выражена весьма слабо. Это дает нам возможность пренебречь нелинейностью при анализе процессов в таких цепях и применять теорию линейных электрических цепей для расчетов многих электротехнических устройств.

Вместе с тем в ряде электротехнических устройств применяются элементы, нелинейные свойства которых проявляются очень сильно. Это полу-

62

проводниковые диоды, транзисторы, тиристоры, стабилитроны и т. д. Нелинейные свойства этих элементов используются при создании устройств вычислительной техники, автоматического управления и регулирования, передачи информации, а также для преобразования параметров электрической энергии в выпрямителях и инверторах.

3.1.1. Нелинейные сопротивления

Схемы замещения нелинейных резистивных элементов, например полупроводниковых, могут быть представлены нелинейными сопротивлениями (рис. 3.1, б). Свойства этих элементов описываются вольт-амперными характеристиками (ВАХ), зависимостью напряжения на элементе от тока u(i). Такая характеристика приведена на (рис. 3.1, а).

а)	u	б) i	u

				i
0
	Рис. 3.1
По способу получения различают два типа ВАХ				статические	и дина-
мические. Статическими называют характеристики,			в	которых каждая точка
дает значение постоянного напряжения		при соответствующем значении по-
стоянного тока [2].
По статическим характеристикам определяют статические и дифферен-
циальные сопротивления нелинейных элементов (НЭ):
RСТ	u ,	Rd du .
	i	di
Динамическими называют	характеристики,		устанавливающие		связь

между напряжением и током при быстром их изменении. Они могут отличаться от статических, вследствие инерционности некоторых процессов в НЭ (нагрева, ионизации и т. д.). По динамическим ВАХ определяют динамическое сопротивление:

63

Rd	lim	u	du .
	i 0	i	di

По ВАХ НЭ статическое сопротивление пропорционально тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат в соответствующую точку характеристики (рис. 3.1, а):

RСТ ktg ,

где k отношение масштабов напряжения и тока. Дифференциальное сопротивление пропорционально тангенсу угла наклона касательной в данной точке характеристики:

Rд ktg .

Как видно из рис. 3.1, а, все эти параметры изменяются при переходе из одной точки характеристики в другую.

3.1.2. Нелинейные свойства ферромагнитных материалов

Для характеристики магнитных свойств различных веществ используют абсолютную магнитную проницаемость веществ: = B/H, где B индукция, Ннапряженность магнитного поля. Для сравнительной оценки магнитных свойств применяют относительную магнитную проницаемость r / 0 , где

0 4 10 7 Гн/м магнитная постоянная, равная магнитной проницаемости

вакуума. Для пара- и диамагнетиков значение r мало отличается от единицы, практически постоянно. Для этих веществ, которые называют немагнитными, при решении инженерных задач практически можно считать 0. Для ферромагнетиков 0 ( r 1), причем магнитная проницаемость для данного вещества не постоянная , а сильно зависит от напряженности магнитного поля, т. е. = f (H).

Эта зависимость обусловлена петлей гистерезиса B = F(H) (рис. 3.2) Известно, что магнитная проницаемость а ферромагнитных материалов –

переменная величина и зависит от В. Это влечет за собой непостоянство магнитного сопротивления Rм и значительно усложняет расчеты магнитных цепей. Поэтому для расчета магнитных цепей, содержащих ферромагнитные участки, необходимо располагать кривыми намагничивания, представляющими собой зависимость B = f(H). Эти зависимости получают экспериментальным путем – испытанием замкнутых магнитопроводов с распределенной обмоткой.

Первоначальному намагничиванию образца соответствует кривая , называемая кривой первоначального намагничивания (рис. 3.2).

64

Если образец подвергать циклическому намагничиванию при изменении напряженности магнитного поля в пределах +Нх до –Нх, то график будет представлять замкнутую кривую, известную под названием петли гистерезиса.

Если процесс циклического намагничивания повторять для постепенно увеличивающихся значений напряженности магнитного поля, то можно получить семейство петель гистерезиса и так называемую предельную петлю гистерезиса, которой соответствует изменение напряженности магнитного поля в

пределах от +Нmax до –Нmax, увеличение Н сверх Нmax не повлечет за собой увеличение площади петли гистерезиса.

Рис. 3.2

Предельная петля гистерезиса определяет значение остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы, НС. Кривая, соединяющая вершины петель гистерезиса, называется основной кривой намагничивания. Эти кривые приводятся в справочных руководствах и используются в расчетах магнитных цепей.

3.1.3. Нелинейная индуктивность

Характеристикой катушки индуктивности является зависимость (i) , выражающая связь потокосцепления самоиндукции и тока i в катушке. Эта

характеристика называется вебер-амперной. Если магнитный поток распространяется в линейной среде, например в воздухе, где = 0 = const, то веберамперная характеристика линейна (рис. 3.3). Для катушки с ферромагнитным сердечником (i) нелинейна (рис. 3.3), так как магнитная проницаемость ферромагнитного материала сильно зависит от напряженности магнитного по-

65

ля. Вебер-амперная характеристика катушки	с замкнутым ферромагнитным
сердечником имеет тот же характер, что и	начальная кривая намагничива-
ния B(H) материала сердечника.
Различают два типа вебер-амперных характеристик статические, по-

лучаемые при медленном изменении тока; и динамические, которые полу-

чают при	достаточно быстрых изменениях тока. Динамическая характери-
стика отличается от статической из-за магнитной		вязкости и вихревых токов.
Из статической характеристики определяют		статическую	индуктивность:
LСТ i ;	из динамической динамическую индуктивность:		Ld d di .

i

const

	= const
		i
0
Рис. 3.3
При достаточно медленном изменении тока		статическая и	динамиче-
ская характеристики катушки совпадают,	и динамическая индуктивность в
этом случае равна дифференциальной Ld	d / di ,	определяемой	из стати-

ческой характеристики.

Статическая индуктивность пропорциональна тангенсу угла наклона прямой, проведенной из начала координат в соответствующую точку на характеристике, а динамическая пропорциональна тангенсу угла наклона касательной в этой точке (рис. 3.3):

LСТ			ktg ;	Ld d	ktg ,
		i		di

где k отношение масштабов потокосцепления и тока.

3.1.4. Нелинейная емкость

Самыми распространенными устройствами, которые используются в качестве накопителей энергии электрического поля, являются конденсаторы. Характеристики конденсаторов зависят от свойств диэлектрика, в котором

66

распространяется электрическое поле. В большинстве диэлектриков диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности электрического поля E. В этом случае кулонвольтная характеристика конденсатора q(u) нелинейная.

Аналогично нелинейным сопротивлению и индуктивности вводят поня-

тия статической и динамической емкостей:
CСТ	q	,	Cd	dq .
	u			du

Нелинейные емкости применяют, например, в радиоэлектронике.

3.2. Нелинейные электрические цепи постоянного тока

Задача расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока значительно сложнее аналогичного исследования линейных электрических цепей.

Это	связано с тем,	что при расчете нелинейных цепей неприменимы	прин-
цип	наложения и	методы, основанные на этом принципе. Для анализа про-
стых нелинейных цепей можно эффективно применять графические			методы

расчетов. При расчетах сложных нелинейных цепей с помощью первого и

второго законов	Кирхгофа составляют системы нелинейных алгебраиче-
ских уравнений,	описывающих процессы в этих цепях. В большинстве случаев

получить аналитическое решение таких систем уравнений невозможно. Поэтому для их решений широко используются численные методы расчетов.

3.2.1.Расчет электрической цепи при последовательном

ипараллельном соединениях нелинейных резистивных элементов

Если вольт-амперные характеристики нелинейных элементов цепи постоянного тока заданы графическими зависимостями, то расчет такой цепи выполняется графическими методами. Расчет таких цепей производится с использованием законов Кирхгофа.

Рассмотрим цепь (рис. 3.4, а) с последовательным соединением нелинейных элементов (U1(I) и U2(I) приведены на рис. 3.4, б в виде кривых 1 и 2).

Согласно второму закону Кирхгофа

U = U1 (I) + U2 (I),

где U приложенное напряжение, U1 (I) и U2 (I) напряжения на первом и втором нелинейных элементах.

Элементы соединены последовательно, и в них протекает одинаковый ток I. Поэтому результирующая вольтамперная характеристика нелинейной цепи U(I) определяется кривой 3 на рис. 3.4,б. Она получена в результате сложения ординат кривых 1 и 2 при одних и тех же значениях тока.

67

По характеристике U(I) находим значение тока I' в цепи при заданном значении приложенного напряжения U'. По этому значению тока определяем падения напряжений U1 и U 2 на первом и втором элементах по кривым U1 (I)

и U2(I).
Если элементы соединены параллельно (рис. 3.5, а)					и заданы их вольт-
амперные характеристики I1 (U) и I2 (U) кривыми 1 и 2 (рис. 3.5, б), то в этой
цепи по первому закону Кирхгофа:
			I = I1 (U) + I2 (U).
Элементы включены параллельно, и напряжения на первом и						втором
элементах одинаковы		и	равны U. Поэтому вольт-амперную характеристи-
ку цепи (рис. 3.5, б)		I (U)	(кривая 3)	можно получить, суммируя токи (орди-
наты кривых)	при одинаковых значениях U. По кривой I (U) определим зна-
чение тока I' при заданном U', а по кривым I1 (U) и I2 (U) находим токи нели-
нейных элементов I1		и I 2 .		U
а)	НЭ1		б)		3
I				U	2
			НЭ2
U	U1(I)			U2
			U2(I)		1
				U1

0

Рис. 3.4

а)		б)	I
I	I2		I

	НЭ1		I2
U		НЭ2	I1
	I1
			0
		Рис. 3.5

I

I

3

2 1

U U

68

3.2.2. Аналитическое представление характеристик нелинейных элементов

Характеристики нелинейных элементов задаются в виде кривых или графиков, построенных по экспериментальным данным. Но для аналитических расчетов нелинейных цепей характеристики элементов должны быть представлены аналитическими выражениями. Процесс замены нелинейной характеристики, заданной графиком или таблицей, приближенным математическим выражением называется аппроксимацией.

При подборе математического описания нелинейной характеристики желательно выполнить следующие условия.

Во-первых, аппроксимация должна быть по возможности более точной. Во-вторых, необходимо, чтобы аппроксимирующее выражение было несложным, так как, чем сложнее выражение, тем труднее дальнейшее решение уравнения, описывающего нелинейную цепь. Поэтому необходим компромиссный выбор между усложнением функции и точностью приближения. Наиболее распространенной является аппроксимация нелинейных характеристик полиномом [2]

y(x) 0 1х 2 x2	3 x3... n xn .
Такая аппроксимация широко используется		для	математического опи-
сания вебер-амперных характеристик	нелинейных		индуктивностей i( ) с
ферромагнитными сердечниками. Достаточно		хорошие результаты по точ-
ности дает аппроксимация усеченными полиномами вида
i( ) 3 ;	i( ) 1 3 3.

3.3. Магнитные цепи с постоянным магнитным потоком

Электромагнитные реле, электромагниты, электрические машины и другие устройства, в которых преобразование электрической энергии в механическую производится с использованием энергии магнитного поля, конструируются таким образом, чтобы магнитный поток в них был по возможности наибольшим и сосредоточенным в ограниченной части конструкции. Такой эффект достигается применением ферромагнитных материалов для ферромагнетиков 0, поэтому при одинаковой напряженности магнитного поля H магнитная индукция внутри ферромагнитной конструкции B = H много больше, чем магнитная индукция B = 0H в окружающем пространстве. В та-

69

ких устройствах магнитный				поток вне ферромагнитной							конструкции называ-
ется потоком рассеяния.
Рассмотрим катушку с замкнутым ферромагнитным сердечником (рис.
3.6). Пренебрегаем потоками рассеяния и									считаем, что магнитный поток Ф
распределен равномерно по сечению магнитопровода.
Основными уравнениями магнитного поля постоянных токов являются:
закон полного тока –
								I			(3.1)
					H		dl
				l
			I1						Ф		I2
					W1				W
	U	1									U2
									2

Рис. 3.6

и принцип непрерывности магнитного потока –

			(3.2)
	BdS 0.
S

Полный ток I в уравнении (3.1) для магнитной цепи (рис. 3.6) можно вычислить как сумму токов во всех витках обмоток w1 и w2:

I Ik w1I1 w2 I2 F1 F2 F,

где F по аналогии с электродвижущей силой в электрических цепях называется магнитодвижущей силой. В общем случае для участка магнитной цепи

n

F wk Ik . (3.3)

k 1

Магнитный поток Ф аналогичен току I в электрических цепях и может быть вычислен на любом участке магнитной цепи как

Ф BdS B S HS,

S

где В магнитная индукция; S сечение магнитопровода; Н напряженность магнитного поля; магнитная проницаемость материала, в котором распространяется магнитный поток.

70

Отношение магнитодвижущей силы (МДС), равной интегралу напря-

женности магнитного поля вдоль всей цепи	H		dl	к магнитному по-
l

току Ф, называется магнитным сопротивлением всей цепи:

RМ ФF wIФ .

Такой подход дает возможность записать закон магнитной цепи, связывающий МДС с магнитным потоком:

Ф	F				wI	,	(3.4)
	RМ				RМ
который аналогичен закону Ома	для			замкнутой цепи			при постоянном то-
ке:

I ER.

Вычислим МДС F в цепи рис. 3.6 как интеграл от H по замкнутому пути, проходящему по средней линии магнитопровода через точки 1, 2, 3, 4. Рассматриваемый магнитопровод можно разделить на три участка одинакового сечения. Первый участок (1-2-3) с сечением S1 и длиной отрезка средней линии 1 . Второй участок (3-4) с сечением S2 и длиной отрезка средней ли-

нии 2 и третий участок (4-1) с сечением S3 и длиной отрезка средней линии 3 . В результате имеем

W1I1 W2 I2 Hd Hd Hd Hd H 1 H 2 H 3

1

2

3

UМ1 UМ2 UМ3,

где UM1, UM2, UM3 магнитные напряжения участков цепи.

Обобщая полученные результаты, можно записать				второй закон Кирх-
гофа для любого контура магнитной цепи:
n	n		.
U	w I			(3.5)
k 1 Мk	k 1 k	k

Рассмотрим магнитное напряжение одного из участков цепи, учитывая,

что Bk = k Hk и Фk = Bk Sk:

U Мk H k k Bk / k k Фk	k		Фk Rmk ,
	k
		Sk

т. е. для любого участка магнитные напряжение и сопротивление составляют:

U mk Фk Rmk ,

(3.6)

71

Rmk		k		.	(3.7)
		k
			S k

Принцип непрерывности магнитного потока:

BdS 0

S

позволяет записать первый закон Кирхгофа для узла магнитной цепи

m
Фk 0.	(3.8)

k 1

Рассмотренные выше законы Кирхгофа (3.5,) (3.8) для магнитной цепи позволяют эффективно рассчитывать устройства, в которых используется постоянное магнитное поле, с помощью теории цепей.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличается статическое сопротивление RСТ от дифференциального

Rd?

2.Почему вебер-амперная характеристика катушки с ферромагнитным сердечником нелинейна?

3.Чем отличается статическая емкость ССТ от динамической емкости Сd?

4.Каким образом производится расчет нелинейной цепи при последовательном соединении элементов?

5.Каким образом производится расчет нелинейной цепи при смешанном соединении?

6.Что такое аппроксимация?

7.Что такое магнитная цепь?

8.Как производится расчет магнитной цепи при последовательном соединении участков?

9.Дайте формулировки законов Кирхгофа для магнитных цепей.

10.Какие параметры магнитопровода надо знать, чтобы определить его магнитное сопротивление?

РАЗДЕЛ 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

4.1.Трансформаторы

4.1.1.Назначение и принцип действия

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования электрической энергии переменного тока с од-

72

ними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами (напряжение, ток, форма и начальная фаза), при этом частота остается неизменной.

Чем выше напряжение, тем при той же передаваемой мощности будет меньше значение тока и тем меньше получается требуемое сечение проводов линии передач:

S = UI.

Поэтому на электрических станциях выгодно повышать напряжение до сотен тысяч вольт, а затем передавать энергию по проводам к месту потребления, где напряжение должно понижаться до обычно применяемых величин 220, 380 В и т. д. Повышение напряжения до линии передач и понижение его после линии передач осуществляется трансформаторами.

Устройство трансформатора схематично показано на рис. 4.1. На замкнутом сердечнике, собранном из листовой электротехнической стали, помещены две обмотки с числом витков w1 и w2. Обмотка, к зажимам которой подводится электрическая энергия, называется первичной; обмотка, к зажимам которой подключается потребитель, называется вторичной.

		Ф
	I1	I2
U1	w1	w2	U2
		Рис. 4.1

Протекающий по первичной обмотке переменный ток создает переменный магнитны поток Ф, который замыкается по сердечнику. Этот поток сцеплен с обеими обмотками и вызывает в каждой из них переменную ЭДС. Поэтому вторичная обмотка может рассматриваться как источник переменного напряжения. Трансформатор, изображенный на рис. 4.1, является двухобмоточным. Если на сердечнике несколько обмоток, то такой трансформатор называют многообмоточным.

Величина ЭДС, индуктируемая в одном витке первичной и вторичной обмоток, находится на основании закона электромагнитной индукции:

e d / dt.

(4.1)

Выражение гармонического магнитного потока:

73

Φ Φ m sin t ,

где Φ и Φm – мгновенное и амплитудное значения потока. Отсюда имеем

e d /dt m cos t m sin( t 2).

Обозначим амплитудное значение ЭДС в одном витке:

Em m,

тогда

e Em sin( t 2).

Таким образом, индуктированная ЭДС отстает по фазе от потока на π/2. Найдем действующее значение ЭДС в одном витке, поделив макси-

мальное значение на 2 :
E m /	2 2 f m /	2 4,44	f m .	(4.2)
Если в первичной обмотке w1 витков, а во вторичной w2 витков, то полная
ЭДС каждой обмотки будет
	E1 4,44w1 fΦm , В;			(4.3)
	E2 4,44w2 fΦm, В.			(4.4)
Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток или отношение их чи-
сел витков называется коэффициентом трансформации:
	k E1 / E2 w1 / w2.			(4.5)

Для понижающих трансформаторов w1 > w2 и k > 1. Для повышающих

w1 < w2 и k < 1.

Первичная активная мощность, потребляемая трансформатором из сети,

равна

P1 U1I1 cos 1.

Вторичная активная мощность, или мощность, отдаваемая потребителю,

равна

P2 U 2 I 2 cos 2

Если не учитывать потери в трансформаторе, то приближенно можно положить

P1 P2 .

Как будет показано ниже, 1 2 и напряжения первичной и вторичной

обмоток мало отличаются от ЭДС обмоток. Тогда имеем

U1I1 U 2 I 2 и

I1 I2 U2

U1 E2

E1 1/ k.

(4.6)

74

При понижении напряжения вторичной обмотки в k раз вторичный ток будет больше первичного тока в k раз.

4.1.2. Холостой ход трансформатора

Холостым ходом трансформатора называют режим работы, при котором его первичная обмотка присоединена к сети переменного тока, а вторичная разомкнута. По первичной обмотке протекает ток холостого хода I0, который создает магнитный поток, имеющий две составляющие. Первая составляющая Ф представляет собой поток, замыкающийся по сердечнику и сцепленный как с первичной, так и со вторичной обмотками. Этот переменный поток индуктирует в обмотках ЭДС Е1 и Е2 в соответствии с формулами (4.3) и (4.4). Вторая составляющая потока Ф1Р проходит частично по воздуху. Она называется потоком рассеяния. Поток рассеяния сцеплен только с первичной обмоткой и вызывает в ней дополнительную ЭДС, которую обычно учитывают посредством введения понятия индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки x1.

Магнитное сопротивление для потока рассеяния в основном определяется сопротивлением пути потока по воздуху, поэтому поток рассеяния пропорционален току I0 и совпадает с ним по фазе. Векторную диаграмму (рис. 4.2) начинают строить с откладывания вектора магнитного потока Ф.

Затем откладывается отстающий на / 2 вектор ЭДС первичной обмотки Е1. Вектор ЭДС во вторичной обмотке совпадает по направлению с вектором Е1, но величина его может быть как больше, так и меньше Е1. Для удобства построения векторной диаграммы обычно откладывается так называемое приведенное значение вторичной ЭДС:

	E 2	kE 2		w1	E 2 E1 ,	(4.7)
				w2

которое равно первичной ЭДС. Поэтому векторы Е1 и E2 равны. Ток холостого хода имеет две составляющие – реактивную IР и активную I а . Составляющая IР

является намагничивающим током, который совпадает по фазе с потоком. Величина намагничивающего тока по закону магнитной цепи связана с амплитудой потока соотношением

m 2w1I P / RM ,

(4.8)

где RM – магнитное сопротивление стального сердечника. Полный ток холостого хода:

I 0

I а2 I P2 .

(4.9)

75

U1

Iа

φ0

I0

IР

Ф

Е2

E1 E2 Рис. 4.2

Ток холостого хода силовых трансформаторов мал и обычно не превышает нескольких процентов от номинального значения первичного тока I1Н.

Падение напряжения в первичной обмотке вследствие небольшого тока холостого хода невелико. Поэтому с большой степенью точности можно записать: U1 E1. На векторной диаграмме откладывается вектор U1 , равный и

противоположный вектору Е1.

Составляющая тока холостого ходаI а определяется потерями в стали сердечника: I а РСТ / Е1 . Сдвиг фаз φ0 близок к 90 .

Так как напряжение сети обычно поддерживается неизменным, то, учитывая равенство U1 E1, приходим к выводу, что амплитуда основного магнитного потока при холостом ходе есть тоже величина неизменная. Из выра-

	жения (4.3) амплитуда потока:
	m	E1		U1	.	(4.10)
		4,44w1 f		4,44w1 f

Во вторичной цепи при холостом ходе ток не протекает. Поэтому напряжение на зажимах вторичной обмотки равно ее ЭДС. Следовательно, при холостом ходе отношение первичного и вторичного напряжений равно с достаточной точностью коэффициенту трансформации:

U1 /U2 E1 / E2 w1 / w2 k.

(4.11)

4.1.3. Нагрузка трансформатора

При нагрузке трансформатора вторичная цепь замкнута на нагрузочное сопротивление zН и по ней протекает ток I2 . В этом случае можно выделить три потока: основной поток Ф, сцепленный как с первичной так и со вторичной об-

76

мотками, поток рассеяния первичной обмотки Ф1Р и поток рассеяния вторичной обмотки Ф2Р. Дополнительные ЭДС, индуктируемые в обмотках потоками рассеяния, учитывают при помощи индуктивных сопротивлений рассеяния первичной и вторичной обмоток x1 и x2.

ЭДС от потоков рассеяния уравновешиваются составляющими напряже-

ния:

jx I

1

E

,

jx

2

I

2

E

2P

,

1

1P

где jx1 j L1P и

jx2 j L2P комплексные сопротивления рассеяния об-

моток; L1p 1p / I1

и L2p 2p / I2

индуктивности рассеяния первичной

и вторичной обмоток; ψ1Р

и

ψ2Р – потоки рассеяния первичной и вторичной

обмоток.

Составляющие x1I1 и

x2I2

опережают токи I1

и I2 на / 2.

Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа

в комплексной форме

для первичной и вторичной цепей:

U 1 E1 I1 Z 1 ;

U 2

E 2 I 2 Z 2 ,

(4.12)

где U2 – напряжение на нагрузочном сопротивлении; Z 1 R1

jx1 комплекс-

ное полное сопротивление первичной обмотки; Z 2 R2 jx2

комплексное

полное сопротивление вторичной обмотки.

Падения напряжений в обмотках составляют обычно не более нескольких процентов от напряжений U1 и U2. Поэтому с некоторым приближением можно считать, что и в нагруженном трансформаторе сохраняются приближенные равенства U1 E1 и U 2 E2 . Следовательно, при нагрузке трансформатора ам-

плитуда основного магнитного потока приблизительно постоянна и равна амплитуде потока в режиме холостого хода. Постоянной должна быть и намагничивающая сила как при нагрузке, так и на холостом ходу. В режиме нагрузки результирующая намагничивающая сила равна сумме намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток:

w I		w	2	I	2	w I	0	.	(4.13)
1	1					1

Поделив все члены последнего равенства на w1, получаем

I1 1k I 2 I 0 .

Введем понятие приведенный вторичный ток:

I 2 Ik2 .

77

Окончательно получим

I1

I 2 I 0 .

(4.14)

На холостом ходу I 2 0, и, следовательно, I1 I0 . Если мы нагрузим

трансформатор, то во вторичной обмотке появляется ток I2. Этот ток по закону Ленца препятствует причине, его вызвавшей. Поэтому ток I2 так направлен, чтобы размагнитить сердечник, т. е. действие его противоположно действию тока I1. Это вызывает увеличение тока I1.

Векторная диаграмма нагруженного трансформатора представлена на рис. 12.3, подробное пояснение построения которой можно посмотреть, напри-

мер, в [1].

Активные и индуктивные падения напряжениий в первичной и вторичной обмотках зависят от протекающих токов I1, I2 и от индуктивных и активных сопротивлений обмоток трансформатора.

Алгебраическая разность между первичным и приведенным напряжениями, называемая изменением напряжения в трансформаторе, зависит не только от величины токов I1 и I2 , но и от рода нагрузки (угла φ2).

jx1I1

R1I1

U	1	E
		1

I1

I 2

φ1

I0

Фm

ψ2 φ2

I 2

U 2

R2 I 2

E1 E2

Рис. 4.3

jx2 I 2

4.1.4. Схема замещения

Уравнения напряжений (4.13) и токов (4.14) позволяют рассчитать все режимы трансформатора. Для расчета используют часто приведенные схемы

78

трансформатора, у которого, как говорилось выше, принимают, что E1 = E2 и

w1 = w2.

На рис. 4.4 представлена схема замещения приведенного трансформатора в соответствии с уравнениями (4.13) и (4.14). Эта схема относится к одной фазе.

R1

jx1

jx/2

R/2

I 2

I1

Rm

I0

U1

Z m

jxm

Рис. 4.4

Активное сопротивление Rm обусловлено потерями в стали сердечника:

РСТ I02Rm .

Индуктивное сопротивление хт обусловлено взаимоиндукцией первичной и вторичной обмоток.

Приведенные активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки и сопротивление нагрузки трансформатора определяются из соотношений

k

2

R2

;

k

2

x2

;

2

k

2

Z 2 .

R2

x2

Z

4.1.5. Режим холостого хода

Для режима холостого хода (I2 = 0) схема замещения имеет вид рис. 4.5. Обычно R1 << Rm и x1 << xm, и поэтому R1 и x1 (рис. 4.5) можно пренебречь. Опытное определение параметров производится по схеме рис. 4.6. При

этом можно считать, что сопротивление вольтметра равно бесконечности. На основании опытных данных определяем параметры:

k	U10	;	zm	U10	;	Rm	p10	;	xm	zm2 Rm2 .
							I102
U 20				I10

Величина тока холостого хода I10 составляет 2…5 % IН.

79

R1	jx1	*
	A	W
	I10	*
U10	Rm	V2
	V1
	jxm
	Рис. 4.5	Рис. 4.6

Мощность Р0, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, определяется в основном потерями в стали на гистерезис и вихревые токи.

4.1.6. Режим короткого замыкания

В режиме короткого замыкания (КЗ) вторичная обмотка замкнута (U2 = 0). При этом токи I1 и I 2 сдвинуты по фазе почти на 180о и примерно равны, поэтому

I1 I2 I10 0.

Это позволяет пренебречь контуром намагничивания (ветвью Rm, xm). Если учесть, что

R1 R2 Rk, и x1 x2 xk,

то схема замещения примет вид рис. 4.7. При этом можно считать сопротивле-

ние амперметра А2 равным нулю.

*

RК

jxК

A1

W

*

I1К

V1

А2

U1К

Рис. 4.7

Рис. 4.8

Опытное определение параметров производится по схеме рис. 4.8.

На основании опытных данных определяем параметры:

zK

U1K

; RK

P1K

; xK zK2 RK2 ;

R1 R2

RK

;

x1 x2

xK

.

I1K

I12K

2

2

80

Таким образом, опыты ХХ и КЗ позволяют определить все параметры схемы замещения (рис. 4.4).

Напряжением короткого замыкания uК называется такое напряжение на первичной обмотке (вторичная обмотка при этом замкнута), при котором ток короткого замыкания в первичной обмотке равен номинальному току:

	I1K I1H ,	uK IH zK .
Активная и реактивная составляющие:
uKA IH RK uK cos K ,		uKP IH xK uK sin K ,
где cos k RK zK ,	sin k xK zK .

Напряжение короткого замыкания uК выражают в процентах:

uK% uK 100 %.

UH

Значение uK % составляет 5…10 % от UH, и ее величина, а также активная и реактивная составляющие uK % приводятся в паспортных данных транс-

форматора.

Мощность, потребляемая трансформатором в режиме короткого замыкания, определяется потерями в обмотках. Для номинального значения тока эта мощность равна

PKH IH2 RK .

Это значение мощности приводится в паспортных данных трансформа-

тора.

Потери в обмотках для тока, отличающегося от номинального, можно определить по формуле

PK PKH 2 ,

где β – коэффициент нагрузки, который равен

II H .

4.1.7.Внешняя характеристика трансформатора

Изменение напряжения на вторичной обмотке трансформатора при постоянном входном напряжении зависит не только от величины нагрузки, но и от коэффициента мощности нагрузки (cosφ2), и может быть определено по приближенной формуле:

u% (uKA cos 2 uKP sin 2 ) .

81

На рис. 4.9 представлена внешняя характеристика для частного случая активно-индуктивной нагрузки.

U2

U2H

0	1	β
	Рис. 4.9

4.1.8. КПД трансформатора

КПД равен отношению полезной мощности, выделяемой в нагрузке трансформатора к мощности потребляемой из сети:

P2 P1 ,

где P2 SH cos 2 , SΗ UΦΗIΦΗ номинальная мощность трансформатора,

P1 P2 P0 PK .

Следовательно,	SH кHГ cos 2
		.
	SH кHГ cos 2 Р0 РКН кНГ2

Потери в стали Р0 называются постоянными потерями, так как они не зависят от тока нагрузки. Эти потери зависят только от Ф2, т. е. от U12 и от частоты f.

4.2.АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

4.2.1.Общие вопросы теории электрических машин

Электрическая машина наиболее распространенный вид электромеханического преобразователя. Применяется практически во всех отраслях промышленности как источник электрической или механической энергии. Этому способствуют простота конструкции, надежность эксплуатации и энергетические показатели [5].

Теоретические основы электромашиностроения были заложены в 1821 г. М. Фарадеем. Он установил возможность преобразования электрической энергии в механическую и создал первую модель электродвигателя. Дальнейшее развитие идея взаимного преобразования электрической и механической энергий получила в работах Д. Максвелла, Э.Х. Ленца, Б.С. Якоби и М.О. Доливо-

82

Добровольского. Благодаря их трудам, были разработаны и созданы конструкции электрических машин, пригодные для практического применения.

Электрические машины могут работатать в генераторном или двигательном режимах, при которых соответственно механическая энергия преобразуется в электрическую или электрическая энергия преобразуется в механическую. Эта особенность электрических машин называется принципом обратимости.

Рассмотрим физический смысл принципа обратимости на примере простейшего устройства, содержащего постоянный магнит, между полюсами которого помещен прямолинейный проводник.

Пусть между полюсами подковообразного постоянного магнита помещен прямолинейный проводник (рис. 4.10, а).

Воздействуя внешней силой F на прямолинейный проводник, будем перемещать его в магнитном поле перпендикулярно к линиям магнитной индукции. В соответствии с законом электромагнитной индукции в проводнике будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС) E B l v , где В магнитная индукция, Тл; l активная длина проводника, м; v скорость движения проводника, м/с.

а)		б)
N	E	FЭМ	N
			E
FЭМ		F
	В		I
			B
S		I	_ _
	R
			+
		Рис. 4.10

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки». Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике. Если концы проводника замкнуты на сопротивление R, то под действием ЭДС во внешней цепи будет протекать ток I. Направление тока определяется направлением ЭДС. Таким образом, проводник, перемещаемый

83

внешней	силой F в магнитном поле, можно	рассматривать как элементар-
ный генератор.
В	результате взаимодействия тока с	магнитным полем возни-

кает действующая на проводник электромагнитная сила. Численное значение

электромагнитной силы можно		вычислить по	формуле FЭМ B l I . На-
правление FЭМ определяется	правилом «левой		руки». В рассматриваемом
случае электромагнитная	сила	направлена справа налево, т. е. противо-

положно движению проводника. Таким образом, в элементарном генераторе электромагнитная сила является тормозящей по отношению к движущей силе.

При равномерном движении проводника обе силы уравновешивают друг друга. Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим F v FЭМ v . C учетом значения электромагнитной силы за-

пишем:

F v B l I v E I .

Левая часть равенства определяет значение механической мощноcти, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле, а правая – значение электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, создаваемая внешней силой, преобразуется в электрическую.

Если внешнюю силу к проводнику не прикладывать, а от внешнего источника электроэнергии подвести к нему напряжение так, чтобы ток в проводнике имел направление, указанное на рис. 4.10, б,

то	на проводник будет действовать только электромагнитная сила.
Под	действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном

поле. При перемещении проводника в магнитном поле в нем будет индуктироваться ЭДС. Направление ЭДС противоположно напряжению внешнего источника. Таким образом, часть напряжения, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС, а другая ее часть составляет падение напряжения на сопротивлении проводника: U E I R .

Умножив обе части равенства на ток I и учитывая значение ЭДС, запишемвыражение: U I B l v I I 2 R, котороепредставимв виде

U I FЭМ v I 2 R .

Записанное выражение показывает, что электрическая мощность (U I ), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую мощность

84

( FЭМ v ), а частично расходуется на покрытие электрических потерь мощно-

сти в проводнике ( I 2 R ).

Таким образом, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.

Рассмотренные явления позволяют сделать следующие выводы:

1. Для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, которые перемещаются.

2. При работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя наблюдается индуктирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему электрического тока.

3. Взаимное преобразование механической и электрической энергий в электрической машине может происходить как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Это свойство электрических машин называют обратимостью. Впервые принцип обратимости был установлен русским электротехником Э.Х. Ленцем.

4.2.2. Классификация электрических машин

Диапазон мощностей выпускаемых электрических машин весьма широк

– от долей ватта до сотен тысяч киловатт. Условно электрические машины делятся на четыре группы [5]:

микромашины	не более 750 Вт,
машины малой мощности	от 0,75 до 50 кВт,
машины средней мощности	от 50 до 500 кВт,
машины большой мощности	свыше 500 кВт.
Классификация электрических	машин в значительной степени оп-

ределяется ее назначением в производственном механизме. Так, например, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием тока промыш-

ленной частоты в ток более высокой частоты или		постоянный ток.	Для
этой цели применяют электромашинные преобразователи.
Электрические машины, применяемые для		усиления мощности	элек-
трических сигналов,	называют электромашинными усилителями.
Электрические	машины, используемые для повышения коэффициента

мощности потребителей электроэнергии, называют синхронными компенсаторами.

85

Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока, называют индукционными регуляторами.

Применение микромашин в устройствах автоматики и вычислительной техники весьма разнообразно. Здесь машины используются в качестве: двигателей, преобразователей частоты вращения в электрический сигнал, получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала.

Электрические машины разделяют и по принципу действия: коллекторные и бесколлекторные. Эти машины различаются какконструкцией, так и рабочими свойствами. Коллекторные машины применяют, главным образом, для работы на постоянном токе, как в качестве генераторов, так и двигателей. Бесколлекторные машины работают только на переменном токе.

Рассмотрим более подробно отдельные типы электрических машин общепромышленного назначения.

4.2.3. Устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

Неподвижная часть машины называется статором, подвижная – ротором. Сердечник статора набирается из листовой электротехнической стали и запрессовывается в станину. На рис. 4.11 показан сердечник статора в сборе. Станина (1) выполняется литой, из немагнитного материала. Чаще всего станину выполняют из чугуна или алюминия. На внутренней поверхности листов (2), из которых выполняется сердечник статора, имеются пазы, в которые заклады-

вается трёхфазная обмотка (3).

1

2

3

Рис. 4.11

86

Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, реже – из алюминия. Обмотка статора состоит из трёх отдельных частей, называемых фазами. Начала фаз обозначаются буквами с1, с2, с3, концы – с4, с5, с6.

Начала и концы фаз выведены на клеммник (рис. 4.12, а), закреплённый на станине. Обмотка статора может быть соединена по схеме «звезда» (рис. 4.12, б) или «треугольник» (рис. 4.12, в). Выбор схемы соединения обмотки статора зависит от линейного напряжения сети и паспортных данных двигателя.

В паспорте трёхфазного двигателя указаны линейные и фазные напряжения и схема соединения обмотки статора. Например, 660/380, Y/∆. Данный двигатель можно включать в сеть с Uл = 660 В по схеме «звезда» или в сеть с Uл =380 В – по схеме «треугольник». Основное назначение обмотки статора – создание в машине вращающего магнитного поля.

а)

б)

в)

Рис. 4.12

Сердечник ротора набирается из листов электротехнической стали, на внешней стороне которых имеются пазы, в которые закладывается обмотка ротора. Обмотка ротора бывает двух видов: короткозамкнутая и фазная. Соответственно этому асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым ротором и фазным ротором (с контактными кольцами).

Короткозамкнутая обмотка (рис. 4.13, б) ротора состоит из стержней 3, которые закладываются в пазы сердечника ротора. С торцов эти стержни замыкаются торцевыми кольцами 4. Такая обмотка напоминает «беличье колесо» и называют её типа «беличьей клетки» (рис. 4.13, а). Двигатель с короткозамкнутым ротором не имеет подвижных контактов. За счёт этого такие двигатели об-

87

ладают высокой надёжностью. Обмотка ротора выполняется из меди, алюминия, латуни и других материалов.

Доливо-Добровольский первым создал двигатель с короткозамкнутым ротором и исследовал его свойства. Он выяснил, что у таких двигателей есть очень серьёзный недостаток – ограниченный пусковой момент.

Доливо-Добровольский назвал причину этого недостатка – сильно закороченный ротор. Им же была предложена конструкция двигателя с фазным ротором.

4

		3
	1

2

Рис. 4.13

На рис. 4.14 приведен вид асинхронной машины с фазным ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – контактные кольца, 5 – щетки. У фазного ротора обмотка выполняется трёхфазной, аналогично обмотке статора, с тем же числом пар полюсов. Витки обмотки закладываются в пазы сердечника ротора и соединяются по схеме «звезда». Концы каждой фазы соединяются с контактными кольцами, закреплёнными на валу ротора, и через щётки выводятся во внешнюю цепь. Контактные кольца изготавливают из латуни или стали, они изолированы друг от друга и от вала. В качестве щёток используют металлографитовые щётки, которые прижимаются к контактным кольцам с помощью пружин щёткодержателей, закреплённых неподвижно в корпусе машины. На рис. 4.15 приведены условные обозначения асинхронного двигателя с короткозамкнутым (а) и фазным (б) роторами.

На щитке машины, закреплённом на станине, приводятся данные: Рн, Uн, Iн, nн, а также тип машины.

Рн – это номинальная полезная мощность (на валу); Uн и Iн – номинальные значения линейного напряжения и тока для указанной схемы соединения. Например, 380/220, Y/∆, IнY/Iн∆. nн – номинальная частота вращения в об/мин. Тип машины, например, задан в виде 4AH315S8. Это асинхронный двигатель

88

(А) четвёртой серии защищённого исполнения. Если буква Н отсутствует, то двигатель закрытого исполнения:

315 – высота оси вращения в мм;

S – установочные размеры (они задаются в справочнике);

8 – число полюсов машины.

1

2

3

5

4 Рис. 4.14

а) б)

Рис. 4.15

На рис. 4.16 приведен вид асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в разрезе: 1 – станина, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой, 5 – вал.

89

3

1

4

2

5	Рис. 4.16

4.2.4. Скольжение и его влияние на параметры ротора

В двигательном		режиме частота	вращения	ротора (n) всегда мень-
ше частоты	вращения	магнитного поля	статора	(n1). Эта особенность и
определяет	название	двигателя асинхронный.
Величина, характеризующая разность частот вращения ротора и маг-
нитного поля статора,		выраженная в относительных единицах или про-
центах, называется скольжением:

s= ( n1 n )/ n1 ,	s ((n	n) / n )100 % .
	1	1

Из приведенной формулы следует, что скольжение асинхронного двигателя изменяется в диапазоне 0 s 1.

В режиме работы двигателя без нагрузки на валу (в режиме холостого хода) ротор вращается с частотой немного меньше частоты вращения магнитного поля, которую в дальнейшем будем называть синхронной частотой вращения. В этом случае скольжение весьма мало отличается от нуля. Однако ток холостого хода статора примерно на порядок больше тока холостого хода трансформатора. Напомним, что ток холостого хода трансформатора составляет (2...8) % от номинального значения тока первичной обмотки. Ток холостого хода двигателя составляет (20...40) % от номинального тока статора. Такое увеличение тока холостого хода объясняется тем, что воздушный зазор между статором и ротором увеличивает магнитное сопротивление цепи двигателя для магнитного потока.

90

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей номинальное скольжение составляет (1…8) %. Меньшие значения соответствуют двигателям большей мощности, большие значения скольжения соответствуют двигателям малой мощности.

Частота вращения ротора (об/мин) может быть определена, если известны синхронная частота вращения магнитного поля статора и скольжение:

n = n1 ( 1 s ) .

Например, для двигателя общепромышленного назначения (f =50 Гц), имеющего четыре полюса и номинальное скольжение 4 %, частота вращения ротора равна n = 6 0 f ( 1 s )/ p = 3000(1 0,04 )/ 2 = 1440 об/мин.

Частота тока в обмотке ротора пропорциональная разности синхронной частоты и частоты вращения ротора, называется частотой скольжения. Ее значение, Гц вычисляется по формуле f2 = ( n1 n ) р / 60.

Если числитель и знаменатель выражения для частоты скольжения умножить на значение синхронной частоты, то получим возможность вычислять частоту скольжения через известные значения частоты питающего напряжения и величину скольжения:

f2 = ( n1 n ) n 1 ◌ּр / 60◌ּn1 = f 1 ◌ּs.

Для f1 = 50 Гц и скольжения s = (2...8) % частота f2 = 1…4 Гц.

Вдальнейшем будем обозначать индексом 1 параметры обмотки статора,

аиндексом 2 параметры обмотки ротора.

Влияние частоты скольжения проявляется на параметрах ротора – ЭДС и реактивном сопротивлении. Выражение для ЭДС обмотки ротора имеет вид E2S = 4,44w2f2Фmкoб, где коб коэффициент, учитывающий специфику выполнения обмотки ротора (обмоточный коэффициент).

На неподвижном роторе, когда s = 1, частота скольжения f2 равна частоте питающего двигатель напряжения. Поэтому E2S = E2.

В случае вращающегося ротора, когда f2 = f1 s, выражение для ЭДС при-

мет вид E2S = 4,44w2fФmko6s = E2 ◌ּs.

Аналогичную связь можно установить и между индуктивными сопротивлениями неподвижного x2S и вращающегося роторов х2:

x2S = x2◌ּs

Пример 4.1. У трехфазного асинхронного двигателя f1 = 50 Гц. ЭДС и индуктивное сопротивление неподвижного ротора Е2 =120 В., х2 =130 Ом.

Определить значения f2S, Е2S и х2S при скольжении s = 4 % . Воспользовавшись вышеприведенными формулами, получим:

91

ּ	ּ	ּ
f2S = f1 ◌s = 2 Гц;	E2S = E2 ◌s = 4,8 В;	x2 = x2◌s = 5,2 Ом.

4.2.5. Механическая мощность асинхронного двигателя

Трехфазный асинхронный двигатель потребляет из сети активную мощность Р1 = 3UФIФcosφФ = 3U лI л cos Ф. Здесь индексом " ф " обозначены фаз-

ные значения напряжения и тока обмотки статора; индексом " л " линейные значения напряжения питающей сети и тока, потребляемого двигателем.

Процесс преобразования электрической энергии в механическую наиболее просто показать в виде энергетической диаграммы (рис. 4.17). На каждой ступени передачи происходят соответствующие потери энергии, обозначенные отдельными ручейками. Эта энергия считается потерянной, а отдельные ее составляющие называются потерями мощности.

На основании энергетической диаграммы двигателя можно определить механическую мощность РМЕХ, отдаваемую двигателем, путем вычитания из подведенной от сети мощности потерь на всех ступенях передачи. К ним относятся потери в обмотке статора, стали сердечника и потери в обмотке ротора.

Уравнение энергетического баланса двигателя запишем в виде

РМЕХ = 3U1I1	соsφ1	- 3 I 2	r Р	CT	m	2	I 2 r ,
		1	1				2 2

где m2 число фаз обмотки ротора в случае фазного способа его исполнения или число стержней ротора, деленное на два, если обмотка ротора выполнена короткозамкнутой; РСТ потери в стали статора.

Потерями в стали ротора обычно пренебрегают по причине малой частоты тока ротора.

Электромагнитная мощность РЭМ, передаваемая вращающимся магнитным полем статора через воздушный зазор ротору, равна

РЭМ = Р1 – РСТ – РМ1.

Р1

РЭМ

Р2

рМ2 рМХ

рСТ рМ1

Сеть

Статор

Ротор

Вал

Зазор

Рис. 4.17

92

Таким образом, механическую мощность асинхронного двигателя можно определить как разность между электромагнитной мощностью и потерями в обмотке ротора:

Рмех = m2Е2I2соsφ2 - m2 I 22 r2 .

Это уравнение можно представить в ином виде, если учесть, что Е2 = E2S / s, а произведение E2S соsφ2 = I 22 r2 определяет активную составляющую ЭДС ротора. На основании изложенного выражение для механической мощно-

сти примет вид Рмех = m2 I 22 r2 / s	m2 I 22 r2, или после некоторого преобразо-
вания окончательно запишем:
Рмех	= m2 I 22 r2 (1 s)/ s.
Если последнее выражение	представить в виде

sРмех / (1 s) = m2 I 22 r2 ,

то становится очевидным, что с увеличением скольжения увеличивается нагрев ротора.

Поэтому современные асинхронные двигатели рассчитываются так, чтобы в рабочем режиме скольжение было минимальным.

Полезная механическая мощность на валу двигателя Р2 меньше механической мощности Рмех, развиваемой двигателем, нa величину механических потерь, определяемых трением в подшипниках, а также трением ротора о воздух.

4.2.6. Вращающий момент и его зависимость от скольжения

Вращающий момент двигателя связан с механической мощностью и угловой частотой вращения ротора известной из механики формулой:

М РМЕХ / 2 .

Механическая мощность и ее зависимость от параметров ротора с учетом полученных выше соотношений может быть представлена в виде следующего соотношения:

Рмех = m2Е2I2соsφ2(1 s).

Связь между угловыми частотами вращения ротора и магнитного поля статора может быть выражена через скольжение 2 1 (1 s). Если обмотка

статора имеет одну пару полюсов, то 1 , т. е. угловая частота вращения магнитного поля статора равна круговой частоте тока. Однако в общем случае двигатель имеет несколько пар полюсов. Тогда 1 /р , а выражение для угловой частоты ротора примет вид 2 = ( 1 s ) / р .

93

Учитывая это обстоятельство, выражение для вращающего момента запишем в виде М = (рm2/ )Е2I2соsφ2. Обозначив отношение, стоящее в скобках, как некоторую постоянную СМ, запишем выражение для вращающего момента в виде

М = СМ Е2I2соsφ2.

Анализ полученного выражения показывает, что вращающий момент двигателя пропорционален произведению тока и ЭДС ротора и углу сдвига фаз между ними. Покажем влияние скольжения на отдельные сомножители, определяющие вращающий момент двигателя.

Здесь СМ = рm2 / постоянная для данного типа двигателя величина, зависящая только от его конструктивных особенностей E2 = 4,44w2f1Фmкoб – ЭДС, наводимая в обмотке неподвижного ротора;

I

2

E

2S

/ z

2

E

2S

/ r 2

(sx

2

)2

ток в фазе обмотки вращающегося ротора

2

при увеличении скольжения увеличивается или уменьшается при его уменьшении;

соsφ2 = r2/ r22 (sx2 )2 фазовый угол между ЭДС и током в обмотке ротора,

уменьшается при увеличении скольжения и увеличивается при его уменьшении. Таким образом, из трех основных параметров ротора только два зависят от скольжения, причем один изменяется прямо пропорционально, а второй

обратно пропорционально скольжению.

Графическая зависимость вращающего момента от скольжения нелинейная (рис. 4.18, а).

Зависимость вращающего момента от частоты вращения ротора называется механической характеристикой. Вид характеристики показан на рис. 4.18, б. На механической характеристике можно выделить те же характерные точки, что и на зависимости М = ξ(s).

а)	М				б)	n
MКР					nH
					nКР
МП
МН
	SH SКР 0,4			S				М
0		0,6	0,8	1		0	МН МП	МКР
				Рис. 4.18
					94

Характерными точками этой зависимости являются: МП пусковой момент, соответствующий s = 1, т. е. неподвижному ротору; MН номинальный момент, соответствующий номинальному скольжению sН, т. е. рабочему режиму; МКР критический момент, т. е. наибольшее значение вращающего момента, которому соответствует критическое значение скольжения sКР.

Значение критического момента определяет границу между устойчивой и неустойчивой областями работы двигателя. Двигатель работает в устойчивой области, если при увеличении момента сопротивления на валу вращающий момент возрастает. Скольжение в этой области изменяется от нуля до критического значения. Если же при увеличении момента сопротивления скольжение увеличивается, а вращающий момент уменьшается, то двигатель работает в неустойчивой области, что в конечном итоге ведет к его остановке. Скольжение в этой области больше критического, но меньше либо равно единице. Физически уменьшение величины вращающего момента в этой зоне объясняется уменьшением активной составляющей тока ротора, что приводит к уменьшению cosφ2.

4.2.7. Коэффициенты мощности и полезного действия асинхронного двигателя

Преобразование электрической энергии в механическую сопряжено не только с потреблением активной и реактивной мощностей, но и с потерями энергии. По этой причине коэффициенты мощности ( cosφ1) и полезного действия (η) асинхронного двигателя не остаются постоянными. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Изменение коэффициента мощности в процессе работы асинхронного двигателя обусловлено изменением составляющих тока статора. Реактивная составляющая тока статора не зависит от нагрузки на валу двигателя и при любом напряжении сети практически неизменна. В то же время, активная составляющая тока двигателя пропорциональна его механической нагрузке. Это приводит к тому, что с увеличением нагрузки относительное значение реактивного тока убывает, а коэффициент мощности увеличивается. При холостом ходе двигателя его коэффициент мощности довольно низок порядка 0,2...0,3. С увеличением нагрузки он быстро возрастает и достигает максимального значения 0,7…0,9 при номинальной нагрузке.

При увеличении нагрузки двигателя свыше номинального значения увеличивается реактивная составляющая тока и коэффициент мощности начинает

95

уменьшаться. Причиной увеличения реактивной составляющей тока является влияние магнитных потоков рассеяния, что и приводит к увеличению реактивной мощности двигателя.

Значение коэффициента мощности трехфазного асинхронного двигателя можно вычислить по формулам

cos	1	P /(	3U	1	I	1	) P /	P 2	Q 2 .
		1					1	1	1

Коэффициент полезного действия ( КПД ) определяется отношением полезной мощности Р2 к подводимой Р1. Следует помнить, что полезной является механическая мощность, развиваемая двигателем на его валу, тогда как подводимая мощность является электрическим параметром и определяется произведением напряжения, тока и коэффициента мощности.

Из приведенной выше энергетической диаграммы следует, что мощность Р1 равна сумме полезной мощности и всех видов потерь в двигателе:

Р1 = Р2 + РП .

Потери мощности можно разделить на постоянные, практически не зависящие от нагрузки, и от нее зависящие – переменные. К группе постоянных потерь относятся потери в стали сердечника от гистерезиса и вихревых токов, а также механические потери. Эти потери определяются экспериментально из

опыта холостого хода. Переменными	потерями (Вт) являются потери, обу-
словленные сопротивлением проводников протекающему по ним току:
Р1 = 3 I12 r1;	Р2 = m2 I 22 r2, .

КПД двигателя (о.е.) можно вычислить по формуле

η = (Р2 + РП ) / Р1.

Максимальное значение КПД достигается при равенстве постоянных и переменных потерь. Обычно максимум КПД имеет место при нагрузке, равной 75 % от номинальной. Это объясняется тем, что двигатели проектируются с учетом того обстоятельства, что в процессе эксплуатации они не всегда полностью загружены.

4.2.8. Расчет механической характеристики двигателя по паспортным данным

Основными точками механической характеристики асинхронного двигателя являются: номинальный, пусковой и максимальный моменты, а также соответствующие им частоты вращения. Покажем, как, пользуясь информацией, приведенной в паспорте двигателя, можно рассчитать характерные точки механической характеристики. На щитке двигателя приведены значения

96

номинальной механической мощности и частоты вращения ротора. По этим данным можно вычислить значения номинального момента на валу двигателя

(Н.м):

	М Н Р2 Н / Ω Н ,
и номинального скольжения:	sH (n1 n) / n1 ,

где ΩН = πn /30 круговая частота вращения ротора.

Для расчетов значений пускового и максимального моментов следует взять справочник по электрическим машинам и найти в нем для данного двигателя два параметра: кратность пускового момента КП и кратность максимального момента КМ. Значения коэффициентов определяются соотношением соответствующих моментов к его номинальному значению:

КП = МП / МН, КМ = МКР / МН .

Из приведенных соотношений, находим значения пускового и макси-

мального моментов: МП = КП ММ = КМ МН .

Скольжение, соответствующее пусковому моменту, равно единице. Следовательно, n = 0 об/мин, т. е. ротор неподвижен. Скольжение, соответствующее максимальному ( критическому ) моменту, вычисляется по формуле

	sКР sН (КМ	КМ2 1).
Частота	вращения ротора (об / мин) асинхронного двигателя может
быть вычислена	по формуле

n = n1( 1 s ) .

4.2.9. Пуск асинхронных двигателей

Пусковые свойства асинхронного двигателя определяются особенностями его конструкции, в частности устройством ротора.

Вбольшинстве случаев двигатели с короткозамкнутым ротором пускают

вход прямым включением обмоток статора к питающей сети. Этот способ пуска прост и быстр. Для его осуществления необходим лишь простейший коммутирующий аппарат - выключатель. Однако следует помнить, что при прямом включении двигателя кратность пускового тока составляет от 4 до 7 номинального значения тока. Кратковременный толчок пускового тока безопасен для двигателя. Однако он вызывает кратковременное понижение напряжения в сети, что может оказать неблагоприятное влияние на работу других потребителей электрической энергии. Следует иметь в виду еще один недостаток прямого

97

пуска асинхронного двигателя это кратность пускового момента, которая со-

ставляет 1,1...1,4.

Таким образом, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором при пуске имеет большую силу тока при относительно небольшом вращающем моменте.

Для уменьшения величин пусковых токов двигатели с короткозамкнутым ротором пускают в ход при пониженном напряжении питающей сети. Практическая реализация данного способа требует не только дополнительных элементов, например регулируемых трехфазных трансформаторов, но и приводит к снижению величины пускового момента. Наибольшее распространение получил способ, при котором двигатель, работающий при соединении обмоток статора по схеме «треугольник», пускают в ход без нагрузки путем переключения схемы соединения его обмоток. При пуске обмотки статора соединяют по схеме «звезда», а при достижении им частоты вращения, близкой к номинальной, при помощи специального переключателя обмотки соединяют по схеме «треугольник» и нагружают двигатель. Пусковые свойства двигателя с фазным ротором существенно отличаются от двигателя с короткозамкнутым ротором за счет возможности включения в цепь ротора внешнего пускового реостата.

Сопротивление каждой фазы пускового реостата выбирается таким, чтобы обеспечить при пуске максимальный момент. По мере разгона ротора уменьшаются скольжение, а вместе с ним ЭДС и сила тока ротора, вследствие чего падает и вращающий момент. Для получения вращающего момента, близкого к максимальному, сопротивление пускового реостата постепенно уменьшают. Наконец, когда ротор двигателя достигает нормальной скорости, сопротивления пусковых реостатов замыкаются накоротко.

Добавочное сопротивление, включенное в цепь ротора, изменяет характер зависимости вращающего момента от скольжения путем смещения максимума момента в сторону большего скольжения. Такая механическая характеристика называется искусственной. Численное значение критического скольжения искусственной характеристики может быть оценено по формуле

sКР.И МКР / МП (МКР / МП )2 1.

Значение добавочного сопротивления (Ом), которое необходимо включить в цепь фазы ротора для обеспечения заданного пускового момента, рассчитывается как

R Д r2 (sКР.И / sКР 1),

98

где r2 активное сопротивление фазы обмотки ротора, определяемое выражением r2 Е2К sH / 3I 2H , где Е2К линейное значение ЭДС обмотки ротора,

12Н номинальное значение тока в обмотке ротора.

Численные значения ЭДС и тока в обмотке ротора приводятся в каталогах на асинхронные двигатели.

4.3.Cинхронные машины

4.3.1.Устройство и принцип действия

Синхронные машины являются машинами переменного тока. Они широко применяются как электрические генераторы и двигатели преимущественно большой мощности. Практически все генераторы электрической энергии являются синхронными генераторами [5].

Мощность современных крупных генераторов составляет десятки и сотни тысяч киловольт-ампер. Синхронные машины, как и все электрические машины, обратимы, т. е. они могут работать как генераторами, так и двигателями.

У синхронной машины частота вращения находится в строго постоянном соотношении с частотой сети.

Эта зависимость может быть представлена следующим выражением:

n1 = 60f1 / p,

где n1 – частота вращения ротора (об/мин), f1 – частота напряжения сети, p – число полюсов машины.

Синхронные машины, применяемые в качестве генератора, обычно соединяются с первичными двигателями непосредственно, без промежуточных редукторов. Первичными двигателями для мощных синхронных генераторов служат гидротурбины, паровые и газовые турбины и относительно редко двигатели внутреннего сгорания.

Синхронная машина является машиной переменного тока; устройство ее статора, который здесь называется якорем, принципиально не отличается от устройства статора асинхронной машины. Существенные отличия имеются только в машинах большой мощности. Ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током. Два конца этой обмотки выводятся на контактные кольца, укрепленные на валу машины и вращающиеся вместе с ротором. Постоянный ток подводится к ротору извне через неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам.

Существуют две различные конструкции ротора синхронной машины – явнополюсная и неявнополюсная. Роторы синхронных генераторов при много-

99

полюсной системе возбуждения выполняются с явно выраженными полюсами, при двухполюсной системе – с неявно выраженными полюсами.

Для получения большой намагничивающей силы полюсов при относительно небольшом токе обмотки роторов делают с большим числом витков. Постоянный ток для питания обмотки возбуждения может подводиться от небольшого генератора постоянного тока, вращающегося вместе с ротором или приводимого отдельным двигателем. Нередко постоянный ток получают от выпрямительной установки.

Здесь мы рассмотрим только основные характеристики синхронных машин. Более подробно ознакомиться с электромеханическими процессами в синхроннных машинах можно в [1,2, 5].

4.3.2. Характеристика холостого хода

При холостом ходе ток якоря равен нулю. Характеристикой холостого хода синхронной машины является зависимость между напряжением (ЭДС) якоря и током возбуждения ротора при постоянных частоте сети f и частоте вращения n. Ток возбуждения IВ, поступающий в цепь ротора от источника постоянного тока, регулируется от нуля до некоторого максимального значения. Это позволяет изменять магнитный поток ротора Ф в широких пределах, т. е. получать различную величину ЭДС статора, так как она пропорциональна магнитному потоку ротора.

На рис. 4.19 представлена характеристика холостого хода.

U0 Ф0

0

IВ

Рис. 4.19

4.3.3. Внешние характеристики синхронного генератора

Внешняя характеристика показывает, как изменяется напряжение U на обмотках якоря при изменении тока нагрузки (якоря) I и неизменном токе возбуждения IВ .

На рис. 14.20 представлены внешние характеристики синхронного гене- ра-тора при различных характерах нагрузки. Каждая кривая (рис. 4.20) относится к случаю, когда при изменении нагрузки cosφ остается постоянным.

100

Относительное изменение напряжения генератора при номинальном токе IH равно

U	U 0 U H	100	%,
	U H

где U0 – напряжение при холостом ходе; UH – напряжение при номинальном токе.

U

U0	cosφ = 1, φ = 0

cosφ < 1, φ > 0

Рис. 4.20	IH	I

Изменение напряжения сравнительно велико и доходит до нескольких десятков процентов. Однако напряжение можно сделать стабильным, если при изменении тока нагрузки одновременно изменять магнитный поток ротора, регулируя ток IB возбуждения машины. Это подтверждают регулировочные характеристики, представленные на рис. 4.21.

IB

cosφ = 1

IB0

cosφ = 0,8 (емк.)

0		I
	IH

Рис. 4.21

Уравнение электрического сосотояния одной фазы синхронного генератора с учетом поля рассеяния якря Фσ имеет вид

E0 Ea E U RяI ,

где E0 – ЭДС холостого хода; Ea , E – ЭДС самоиндукции обмотки якоря соответственно основного поля якоря и поля рассеяния.

Выражая Ea и

E через индуктивные сопротивления

Ea jX a I и

E jX I и полагая, что полное индуктивное сопротивление синхронной

101

машины Xсин = Xa + Xσ и Xсин >> Rя , получим упрощенное уравнение электрического состяния одной фазы синхронного генератора:

U Ea jX синI .

Этому уравнению соответствует электрическая схема замещения, представленная на рис. 4.22, а. Векторная диаграмма при индуктивно-активной нагрузке представлена на рис. 4.22, б.

а)

jX син

б)

E0

jX син

I

θ

ψ

U

Z

H

φ

E0

U

Ф

I

Фа

θ

Рис. 4.22

Ф

0

4.3.4. Включение синхронного генератора на параллельную работу

На электростанциях, как правило, имеются несколько синхронных генераторов, включаемых параллельно и совместно работающих на одну сеть.

Перед включением генератора на параллельную работу необходимо выполнить ряд операций, называемых синхронизацией. Условия синхронизации заключаются в следующем:

напряжение включаемого генератора должно быть равно напряжению сети или уже работающего генератора;

частота генератора должна равняться частоте сети;

чередование фаз генератора и сети должно быть одинаково;

напряжения генератора и сети должны быть в фазе.

Выполнение всех этих условий входит в задачу управления электроприводом синхронных генераторов.

4.3.5. Пуск в ход синхронных двигателей

Пуск в ход синхронного двигателя обычного исполнения путем непосредственного включения в сеть невозможен. В момент включения двигателя в сеть ротор неподвижен. За время действия механической силы на ротор, возникающей от действия вращающего магнитного поля якоря, ротор, в силу своей механической инерции, не сдвинется с места. При вращении магнитного поля

102

ротор будет находиться под действием кратковременных знакопеременных толчков. Пуск синхронных двигателей возможен лишь при условии, что предварительно будет произведен разгон ротора до скорости, равной синхронной или близкой к ней.

Для синхронных двигателей обычно применяют асинхронный пуск в ход, состоящий в том, что в начале пуска двигатель разгоняется как асинхронный. Для этого ротор снабжается короткозамкнутой обмоткой, подобно короткозамкнутой клетке асинхронного двигателя. В процессе пуска перед включением якоря в трехфазную сеть обмотка возбуждения, т. е. обмотка ротора, замыкается на сопротивление; постоянный ток в эту обмотку пока не подается. Затем включается обмотка якоря, и возникает вращающееся магнитное поле. Оно индуктирует токи в пусковой клетке ротора, и двигатель разгоняется до некоторой установившейся скорости n, немного отличающейся от скорости вращения магнитного поля.

Затем обмотка возбуждения отключается от сопротивления и подключается к источнику постоянного тока. В результате возникает обычный для синхронной машины момент взаимодействия вращающегося поля якоря и полюсов ротора и машина втягивается в синхронизм, т. е. начинает вращаться синхронно

сполем. При вращении ротора с синхронной скоростью, т. е. при отсутствии скольжения, в пусковой клетке не возникают токи, и в дальнейшей работе машины клетка не участвует.

Синхронные двигатели конструктивно сложнее асинхронных двигателей

скороткозамкнутым ротором, так как имеют значительно более сложную конструкцию ротора. Для синхронных двигателей требуется источник постоянного напряжения. Пуск синхронных двигателей значительно сложнее, чем асинхронных.

Достоинством синхронного двигателя является то, что его максимальный момент зависит от напряжения в сети в первой степени, а не во второй, как для асинхронного двигателя. Это означает, что в обычных условиях при колебаниях напряжения сети момент синхронного двигателя является более стабильным. Кроме этого, синхронные двигатели могут работать с любым коэффициентом мощности, который можно изменять независимо от нагрузки на валу двигателя, регулируя ток возбуждения.

Сопоставление достоинств и недостатков синхронных двигателей показывает, что их целесообразно применять для установок большой мощности, начиная примерно с 50 – 100 кВт, в особенности для установок, работающих в условиях редких пусков.

103

4.3.6. Синхронные компенсаторы

Способность синхронной машины вызывать в сети опережающий ток и служить генератором реактивной мощности находит широкое применение.

Создают специальные синхронные двигатели, работающие на холостом ходу, генерирующие реактивную мощность и повышающие cosφ сети. Такие машины называются синхронными компенсаторами. Они работают в режиме перевозбуждения, вызывая ток, опережающий напряжение сети на угол, близкий к π / 2. Тем самым компенсируется реактивная составляющая тока других потребителей, и, как следствие, уменьшается результирующий ток, нагружающий электрическую сеть.

Потери мощности синхронных компенсаторов невелики и не превышают 2 – 3 % от их номинальной мощности. По сравнению с конденсаторами, которые также вызывают в сети опережающий ток и используются для повышения cosφ сети, синхронные компенсаторы дешевле, имеют меньшие габариты при той же мощности, но потери мощности в них больше потерь в конденсаторах.

4.4.Машины постоянного тока

4.4.1.Конструктивные особенности машин постоянного тока

Машины постоянного тока (МПТ) представляют особую группу, которая отличается не только родом тока, но и имеет свои характерные особенности. Следует отметить, что наиболее просто МПТ могут быть получены путем незначительных конструктивных преобразований рассмотренных выше синхронных машин. Для этой цели необходимо в цепь обмотки статора включить трехфазный выпрямитель, собранный по той или иной схеме, например по схеме Ларионова. В этом случае изменение тока в цепи обмотки возбуждения приведет к изменению постоянного напряжения на зажимах выпрямителя. Эта простота перехода от одного типа электрических машин к другому и определяет широкое применение МПТ в промышленности. Рассмотрим более подробно этот тип электрических машин.

Основными частями машины (рис. 4.23) являются неподвижная станина, несущая электромагниты, и вращающаяся часть, называемая якорем.

Станина представляет собой полый, стальной цилиндр, на внутренней стороне которого укреплены сердечники главных полюсов. На стержнях главных полюсов расположены катушки, выполненные изолированным проводом.

104

Выводы катушек подключаются к источнику постоянного напряжения. Ток, протекая по виткам катушек, создает неподвижное в пространстве магнитное поле возбуждения, а сами катушки называют обмоткой возбуждения. Если обмотка возбуждения выполнена тонким проводом и имеет сопротивление несколько десятков Ом, то выводы обмотки обозначают буквами Ш1 и Ш2 . Если обмотка возбуждения выполнена проводом большого сечения и имеет сопротивление не больше нескольких единиц Ом, то выводы этой обмотки обозначают буквами С1 и С2.

Сердечник якоря собран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали, имеющих форму кольца. На внешней поверхности кольца выштампованы пазы, в которые закладывается обмотка якоря. Основной частью обмотки якоря является секция, состоящая из одного или нескольких витков изолированного провода. Секции соединяются между собой последовательно. От точек соединения секций делают отпайки.

Составной частью якоря машины является коллектор, который представляет собой полый цилиндр, собранный из изолированных одна от другой и от вала якоря клинообразных медных пластин. Пластины коллектора определенным образом соединяются с отпайками секций. На коллекторе в щеткодержателях устанавливают щетки, через которые обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Выводы обмотки якоря обозначают буквами Я1 и Я2 . Щетки к коллектору прижимаются пружинами. Щеткодержатели крепятся на траверсах, которые можно поворачивать в пространстве, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.

Машины постоянного тока могут работать в режиме генератора. Коллектор генератора выпрямляет переменную ЭДС, индуктируемую во вращающейся обмотке якоря.

Вентилятор Коллектор

Якорь

	Задний	Станина с полюсами
	щит

Рис. 4.23	Траверза	Передний щит

105

Врежиме генератора машина приводится во вращение первичным двигателем. Магнитное поле содается обмоткой возбуждения, а обмотка якоря через щетки включена на нагрузку.

Врежиме двигателя внешний источник подключен к обмотке якоря и цепи возбуждения машины. Ток якоря, взаимодействуя с главным магнитным полем, образует вращающий момент. Под действием этого момента якорь вращается, и машина преобразует электрическую энергию в механическую.

4.4.2.Классификация по способу возбуждения

Взависимости от способа создания магнитного потока возбуждения машины делятся на две группы: магнитоэлектрические и электромагнитные. В первых магнитный поток возбуждения создается при помощи постоянных магнитов; во вторых - постоянным током, проходящим по обмотке, расположенной на главных полюсах.

Вданном разделе мы будем рассматривать электрические машины с электромагнитным способом возбуждения, как получившие наибольшее распространение в различных отраслях промышленности. Машины с магнитоэлектрическим способом возбуждения применяются в качестве элементов устройств автоматики как исполнительные механизмы следящих систем. Эта группа машин относится к машинам малой мощности и является предметом специального рассмотрения.

Взависимости от схемы соединения обмотки возбуждения относительно

обмотки якоря различают четыре типа машин постоянного тока [5]:

машины независимого возбуждения, в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря подключаются к различным источникам (риc. 4.24, а);

машины параллельного возбуждения, в которых обмотка возбуждения

включается параллельно обмотке якоря (рис. 4.24, б);машины последовательного возбуждения, в которых обмотка возбуж-

дения включается последовательно с обмоткой якоря (рис. 4.24, в);машины смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки воз-

буждения – последовательная и параллельная (рис. 4.24, г).

Способ соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря оказывает существенное влияние на характеристики генераторов и двигателей.

106

4.4.3. Генераторы постоянного тока

При эксплуатации машины постоянного тока в генераторном режиме важно знать три основные характеристики, выражающие зависимость одних переменных величин от других. К ним относятся: характеристика холостого хода, внешняя и регулировочная характеристики.

а)

б)

Я1

Я2

Я1

Я2

Ш1	Ш2	Ш1	Ш2
в)		г)
С1	С2	С1	С2

Я1

Я2

Я1

Я2

Ш1 Ш2

Рис. 4.24

107

Характеристика холостого хода зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения при отсутствии тока в обмотке якоря и постоянной частоте его вращения, т. е. UГ = ξ (IB) при IЯ = 0, n = const.

Для снятия этой характеристики якорь генератора приводят во вращение вспомогательным устройством, например асинхронным двигателем. Цепь якоря размыкается. Ток в обмотке возбуждения изменяется от нуля до максимального значения и обратно до нуля. При увеличении тока получают восходящую ветвь характеристики; при уменьшении тока нисходящую ветвь. Особое внимание следует обратить на наличие напряжения на зажимах обмотки якоря при равенстве нулю тока в обмотке возбуждения. Причиной появления напряжения является магнитный поток остаточной индукции, сохраняющийся в магнитной цепи машины от ее предыдущей работы.

Характеристика холостого хода есть средняя линия, проходящая посередине между ветвями петли гистерезиса. В режиме холостого хода напряжение генератора равно по величине его ЭДС.

Характеристика холостого хода позволяет судить о свойствах стали якоря и выбрать положение рабочей точки, соответствующей номинальному напряжению.

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянстве сопротивления цепи возбуждения

ичастоты вращения якоря, т. е. UГ = ξ (I) при RB = const , n = nH = const .

Врежиме нагрузки напряжение генератора меньше его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении обмотки якоря:

UГ = ЕГ – IЯ R Я .

Внешняя характеристика генератора нелинейна. Причина нелинейности обусловлена воздействием магнитного потока обмотки якоря на магнитный поток обмотки возбуждения. Взаимодействие магнитных потоков приводит к неравномерности насыщения полюсного наконечника главного полюса машины.

Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянном напряжении на зажимах генератора и частоты вращения якоря, т. е.

IB = ξ (I) при UГ = const, n = nH = const.

Характеристика показывает, как надо изменять ток в обмотке возбуждения для того, чтобы обеспечить постоянство напряжения на зажимах генератора при изменении тока нагрузки.

108

Характеристики генераторов других типов обычно рассматриваются в сравнении с характеристиками генератора с независимым способом возбуждения.

Необходимость дополнительного источника постоянного тока для генератора с независимым возбуждением привела к поиску других способов возбуждения. К ним относятся генераторы с параллельным, последовательным и смешанным способами возбуждения. Эта группа генераторов объединена общим признаком создания основного магнитного потока, называемого самовозбуждением.

Процесс самовозбуждения основан на явлении остаточного намагничивания ферромагнитных материалов, из которых выполнена магнитная цепь машины. При изготовлении генераторов главные полюса машины специально намагничивают постоянным током. Эта процедура обеспечивает наличие в машине небольшого остаточного магнитного потока, значение которого составляет 2…3 % от номинального значения основного потока. Рассмотрим суть процесса на примере генератора с параллельным способом возбуждения.

Самовозбуждение генератора осуществляется при отсутствии тока в цепи потребителя, т. е. в режиме холостого хода. В обмотке вращающегося якоря наводится остаточная ЭДС, которая и приложена к зажимам обмотки возбуждения. Под действием остаточной ЭДС в цепи обмотки возбуждения протекает ток, который создает дополнительный магнитный поток. Направление дополнительного потока должно совпадать по направлению с остаточным магнитным потоком машины, т. е. усиливать его. Увеличение суммарного магнитного потока приводит к возрастанию ЭДС в обмотке якоря, а следовательно, и напряжения на зажимах генератора. Процесс самовозбуждения заканчивается, когда падение напряжения в обмотке возбуждения становится равным ЭДС якоря.

По своему виду характеристика холостого хода и регулировочная характеристика у генератора с параллельным возбуждением не отличаются от аналогичных характеристик машины, работающей с независимым возбуждением.

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением проходит ниже соответствующей характеристики генератора с независимым возбуждением. Это объясняется уменьшением тока возбуждения при снижении напряжения с ростом тока нагрузки. В номинальном режиме снижение напряжения составляет 10...15 % от номинального значения.

Генераторы последовательного возбуждения не нашли широкого применения по причине непостоянства выходного напряжения при изменении тока

109

нагрузки. По этой причине их характеристики в данном учебном пособии не рассматриваются.

Генераторы смешанного возбуждения применяют в установках небольшой мощности, где желательно избежать значительного изменения напряжения при отключениях или подключениях отдельных потребителей. Две обмотки возбуждения такого генератора соединяют так, чтобы их магнитные потоки складывались. Путем соответствующего подбора числа витков последовательной обмотки можно скомпенсировать падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора от действия реакции якоря и обеспечить необходимое напряжение в определенных пределах изменения тока нагрузки.

4.4.4. Двигатели постоянного тока

Если цепи обмотки якоря и возбуждения машины постоянного тока подключены к источнику постоянного напряжения, то под действием последнего в этих цепях протекают токи, возбуждающие соответствующие магнитные потоки. В результате взаимодействия магнитных потоков создается вращающий момент, под действием которого якорь начнет вращаться. В этом случае машина будет работать в режиме двигателя, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую.

При вращении якоря в его обмотке будет индуктироваться ЭДС. Направление ЭДС, определяемое правилом правой руки, противоположно направлению тока в обмотке якоря. Поэтому она называется противоэлектродвижущей силой, а ее роль в двигателе постоянного тока сводится к ограничению тока в цепи обмотки якоря. Численно значение силы тока в цепи якоря можно вычислить по формуле

I Я (U Д ЕЯ ) / RЯ .

Рассмотрим возможные способы пуска двигателя в ход.

4.4.5. Пуск двигателей постоянного тока

Наиболее распространенными являются следующие способы пуска двигателей постоянного тока: прямой, при котором обмотка якоря непосредственно подключается к источнику постоянного напряжения; реостатный с помощью пускового реостата, который включается в цепь якоря, а также пуск при пониженном напряжении, подводимом к якорю.

В двигателях постоянного тока падение напряжения в цепи якоря обычно не превышает 5...10 % от номинального напряжения. Поэтому при прямом пуске ток в якоре превышает номинальное значение в 10...15 раз. Подобное увели-

110

чение силы тока недопустимо ни для сети, питающей двигатель; ни для коллектора и обмотки; ни для рабочего механизма, с которым соединен вал якоря. По этой причине прямой пуск применяется для двигателей, мощность которых не превышает 1 кВт.

Наибольшее распространение получил реостатный пуск. Для ограничения пускового тока в цепь якоря двигателя включают пусковой реостат. Сопротивление пускового реостата рассчитывают из условия, чтобы пусковой ток не превышал 2 – 2,5 номинального значения.

Следует помнить, что пусковой реостат предназначен для кратковременной работы. Поэтому по мере увеличения частоты вращения якоря сопротивление пускового реостата уменьшают. На крышке пускового реостата имеется указатель двух предельных режимов. Этим режимам соответствуют надписи "СТОП" и "ХОД".

Надпись "СТОП" соответствует размыканию цепи обмотки якоря, что делает невозможным пуск двигателя.

Надпись "ХОД" соответствует нулевому сопротивлению пускового реостата. В процессе пуска ручка пускового реостата плавно переводится из положения "СТОП" в положение "ХОД".

Пуск происходит быстро и легко, если двигатель развивает пусковой момент, превышающий момент сопротивления на валу. Поэтому пуск производят при максимальном магнитном потоке. С этой целью перед пуском двигателя сопротивление в цепи обмотки возбуждения рекомендуется полностью вывести.

Ограничение пускового тока достигается также в случае пуска при пониженном напряжении, подводимом к якорю двигателя от источника с регулируемым напряжением.

4.4.6. Механическая характеристика двигателя постоянного тока и способы регулирования его частоты вращения

Зависимость установившейся частоты вращения якоря от момента на валу двигателя при постоянном напряжении и сопротивлении цепи якоря называется механической характеристикой двигателя. Для получения уравнения механической характеристики запишем выражение второго закона Кирхгофа для цепи якоря:

UД = ЕЯ + IЯ RЯ ,

где ЕЯ = Се n Ф - ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря.

111

С учетом ее значения уравнение, записанное относительно частоты вращения, примет вид

n = ( UД – IЯ RЯ ) / Се Ф .

Из уравнения следует, что регулировать частоту вращения двигателя можно тремя способами:

1)включением дополнительного сопротивления RДОП в цепь обмотки якоря (реостатным регулированием) ;

2)изменением магнитного потока Ф (полюсным регулированием);

3)изменением питающего напряжения UД (якорным регулированием). Рассмотрим эти способы регулирования на примере двигателей постоян-

ного тока с параллельным и независимым способами возбуждения (как получивших наибольшее распространение) при постоянном моменте нагрузки на валу.

При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря (RДОП = 0) и номинальных значениях магнитного потока обмотки возбуждения и напряжения механическая характеристика имеет вид прямой линии, наклоненной к оси абсцисс. Такая механическая характеристика называется естественной. Это очень пологая прямая. Уменьшение частоты вращения не превышает 6…7 % от номинального значения и обусловлено, главным образом, наличием внутреннего сопротивления обмотки якоря.

Включение дополнительного сопротивления в цепь якоря позволяет получить семейство искусственных механических характеристик. Все эти характеристики расположены ниже естественной.

Реостатный способ регулирования находит широкое применение, так как позволяет получить любую пониженную частоту вращения при заданном моменте нагрузки на валу.

Кнедостаткам данного способа относятся:

1)трудность поддержания частоты вращения при изменении момента нагрузки;

2)дополнительные потери мощности на регулировочном реостате, включенном в цепь обмотки якоря.

Изменение сопротивления в цепи обмотки возбуждения (полюсное регулирование) позволяет варьировать частоту вращения двигателя обратно пропорционально величине магнитного потока. Это обстоятельство следует иметь в виду, не допуская чрезмерного уменьшения тока в обмотке возбуждения.

Одним из преимуществ полюсного регулирования является его экономичность, так как ток возбуждения в рассматриваемых двигателях не превыша-

112

ет 10 % от номинального значения тока якоря. Другими преимуществами этого способа являются достаточно жесткие механические характеристики, т. е. изменение частоты вращения, не превышающее 5 % от номинального значения во всем диапазоне работы двигателя.

Недостатком полюсного регулирования является то, что изменение магнитного потока можно производить лишь в области, расположенной ниже естественной механической характеристики, тогда как чаще требуется понижение частоты вращения.

Якорное регулирование за счет изменения величины подводимого напряжения применяется, главным образом, в двигателях с независимым возбуждением. Пусковой реостат в этом случае не требуется, так как пуск начинается при пониженном напряжении, которое можно плавно повысить.

Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить направление тока в обмотке возбуждения или полярность приложенного напряжения. Одновременное изменение двух указанных параметров не изменяет направление вращения якоря.

4.4.7. Пример решения задачи

Пример 4.2. Двигатель постоянного	тока параллельного возбужде-
ния типа 2П0132МУХЛ4 имеет следующие	паспортные данные: UH = 200

В, IН = 40 А , nH = 1000 об/мин , ηН = 0,85. Сопротивления цепей: якоря RH = 0,35 Ом, возбуждения RB = 123 Ом.

Выполнить расчет сопротивления пускового реостата, ограничивающего ток двигателя на уровне 2IЯН, и механической характеристики двигателя при изменении тока якоря от 0,25 до 1,25 номинального значения.

Решение

Условноеобозначениедвигателяпостоянноготокаспараллельным способом возбужденияприведенонарис. 4.25.

По условию задачи значение тока, потребляемого от питающей сети, из-

вестно.

Определим токи в цепях возбуждения и якоря двигателя. Ток в цепи обмотки возбуждения определяется по закону Ома:

I B U H / RB = 200/123 = 1,6 А.

Токцепиякоряопределяется поуравнениюпервогозаконаКирхгофа:

I ЯН I H I B = 4 0 - 1 , 6 2 = 38,38 А.

Сопротивление пускового реостата, включаемого в цепь якоря, с целью ограничения тока в момент пуска двигателя вычисляется по формуле

113

РВ = UДIB,

РЯ = I Я2 RЯ .

RП (U H / 2I ЯН ) R Я = (200 / 2◌ּ36,38 ) – 0,35 = 2,25 Ом.

Для расчета механической характеристики двигателя необходимо определить механическую мощность, частоту вращения якоря и потери, имеющие место в двигателе при различных значениях тока якоря. Принимая кратности тока (К) якоря равными 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 и 1,25, выполним расчеты требуемых параметров по приведеннымнижеформулам.

Токи в цепях двигателя:

I Я КI ЯH ;	I I Я I B ,
где I B 1.62 А .

Электрическая мощность(Вт), потребляемая двигателем от сети:

Р1 = UН I .

Потери мощности в обмотках двигателя (Вт): а) вцепиякоря – б) в цепи обмотки возбуждения

Механическиеимагнитныепотеридвигателя(Вт):

РО Р1Н (1 Н ) ( РЯН РВ ) .

Этипотериявляютсяпостоянными, таккакнезависятоттока. Сумма всех потерь (Вт):

Р РЯ РВ РО .

Механическая мощность двигателя (Вт):

Р2 = Р1 Р.

Частота вращения якоря (об/мин):

n nH (U H I Я R Я ) /(U H I ЯН R Я ),

Вращающий момент на валу двигателя:

М2 = 9,55 Р2 / n .

Результаты расчетов по приведенным выше формулам представлены в виде табл. 4.1. На рис. 4.25 представлена схема включения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

							Таблица 4.1
IЯ	I	Р1	Ря	РВ	Ро	Р2	n	М
А	А	Вт	Вт	Вт	Вт	Вт	об/мин	Н◌ּм
10	11,62	2324	35	324	360	1605	1053	11,56
20	21,62	4324	140	324	360	3500	1034	32,33
30	31,62	6324	315	324	360	5325	1015	50,10

114

Окончание табл. 4.1

40	41,62	8324	560	324	360	7080	997	67,82
5О	51,62	10324	875	324	360	8765	978	85,59
							А2
		RП			RВ
				А1
	V
							n

Рис. 4.25

Механическая мощность двигателя (Вт):

Р2 = Р1 Р.

Частота вращения якоря (об/мин):

n n H (U H I Я R Я ) /(U H I ЯН R Я ).

Вращающий момент на валу двигателя

М2 = 9,55 Р2 / n .

Вопросы для самопроверки

1.С какой целью используют трансформатор в энергетике?

2.На каком законе основан принцип работы трансформатора?

3.Объясните векторную диаграмму трансформатора для режима холостого хода.

4.Какие параметры трансформатора определяют из опыта холостого хода? 5.Перечислите основные характеристики трансформатора.

6.Какой трансформатор называется приведенным?

115

7.Объясните векторную диаграмму трансформатора для режима номинальной нагрузки.

8.Какие параметры трансформатора определяют из опыта короткого замыкания?

9.Какая характеристика трансформатора называется внешней?

10.Перечислите виды потерь мощности в трансформаторе.

11.Какие законы лежат в основе действия электрических машин?

12.Что называется обратимостью машин?

13.Из каких основных узлов состоит асинхронный двигатель?

14.Какое существенное отличие двигателя с фазным ротором от двигателяс короткозамкнутым ротором?

15.Что называется скольжением двигателя и как оно влияет на параметры

ротора?

16.Поясните энергетическую диаграмму асинхронного двигателя?

17.Какая характеристика двигателя называется механической?

18.Что влияет на коэффициенты мощности и полезного действия асинхронного двигателя?

19.Какими способами можно уменьшить пусковые токи?

20.Где в основном применяются синхронные машины (СМ)?

21.Из каких основных узлов состоит СМ?

22.Назовите основные характеристики СМ

23.Какие действия необходимо выполнить перед включением СМ?

24.Почему невозможен пуск путем непосредственного включения в сеть?

25.Как осуществляют пуск СМ?

26.Какие достоинства имеет СМ в сравнении с асинхронным двигате-

лем?

27.Поясните назначение и принцип работы синхронных компенсаторов.

28.Каковы конструктивные особенности машин постоянного тока

(МПТ)?

29.Перечислите классификацию машин по способу возбуждения.

30.Укажите характеристики МПТ и какие параметры машины можно по ним определить?

31.Укажите, в каких случаях применяют генератор с той или иной схемой возбуждения?

32.Как выполняют пуск МПТ?

33.Как регулируют скорость МПТ?

116

34. Укажите недостатки и достоинства различных способов регулирова-

ния.

35.Укажите порядок расчета механической характеристики МПТ с параллельной схемой возбуждения.

РАЗДЕЛ 5. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

5.1.Электровакуумные приборы и устройства

5.1.1.Общиесведенияобэлектровакуумныхэлектронныхприборах

Различают электронные и газоразрядные электровакуумные приборы. Электронными называют приборы, в которых ток представляет собой движение электронов практически в вакууме (10-5—10-4 Па), причем их движение происходит без столкновений с молекулами газа (при указанных разрежениях

108—109 молекул в 1 см3) [1].

Газоразрядными называют приборы с электрическим разрядом в газе или парах металлов. Эти приборы и основные процессы в них будут рассмотрены в дальнейшем.

К электронным приборам относятся: электронные лампы — диоды, триоды, пентоды и прочие; электронно-лучевые приборы — кинескопы, телевизионные, осциллографические и запоминающие трубки и прочие; электронные сверхвысокочастотные приборы — клистроны, магнетроны и др.

Для создания внутри прибора между электродами (в вакууме) потока электронов необходима электронная эмиссия. Так принято называть выход свободных электронов в вакуум или в газ из твердых или жидких материалов. Работа выхода, например, для платины 5,32 эВ, вольфрама 4.60 эВ, ртути 4,52 эВ, меди 4,26 эВ, тория 3,35 эВ, цезия 1,81 эВ.

В зависимости от того, как получает материал эту энергию, различают следующиевиды электронной эмиссии: термоэлектронную, вторичную электронную, фотоэлектронную и автоэлектронную. В электронных лампах, электроннолучевых приборах и большинстве других электровакуумных приборов используется явление термоэлектронной эмиссии — испускание электронов телом при нагревании.

117

5.1.2. Электровакуумныеэлектронныелампыииндикаторы

Диод по своему устройству — простейшая из электронных ламп. Его основные части: стеклянный (или металлический) баллон, откачанный до высокого вакуума, и два электрода — анод и катод, помещенные внутри баллона. Катод (К) прямого накала у электронных ламп представляет собой металлическую нить (проволоку), форма которой зависит от конструкции данного прибора. Она закрепляется держателями или натягивается одной или несколькими пружинами. Никелевый или молибденовый анод (А) имеет цилиндрическую или коробчатую форму и охватывает катод.

Трехэлектродная лампа — триод — отличается от диода тем, что между катодом и анодом находится промежуточный электрод — управляющая сетка С (рис. 5.1). Название объясняется тем, что в первых электровакуумных триодах и в настоящее время в триодах большой мощности этот электрод выполняется в виде металлической сетки. В современных лампах сетка выполняется в виде проволочной спирали. Посредством малого изменения напряжения между управляющей сеткой и катодом можно получить значительное изменение потока электронов между катодом и анодом, т. е. анодного тока. Усилительное действие управляющей сетки объясняется тем, что она расположена значительно ближе к катоду, чем анод, и частично экранирует катод от действия электрического поля анода.

Для уменьшения связи между цепями управления и нагрузки через емкость между анодом и управляющей сеткой и ослабления действия других нежелательных явлений применяются тетроды и пентоды.

Тетрод – это четырехэлектродная электронная лампа, которая отличается от электровакуумного триода наличием экранирующей сетки (рис. 5.2), конструктивно расположенной между анодом и управляющей сеткой. Напряжение между экранирующей сеткой и катодом Uэ поддерживается неизменным и равным 15 — 100 % от номинального значения анодного напряжения UA.

В отличие от тетрода пентод имеет третью сетку (рис. 5.3), расположенную между экранирующей сеткой и анодом. Обычно эта сетка соединяется непосредственно с катодом.

Включение тетрода и пентода в цепь усилителя аналогично включению электровакуумного триода.

Электровакуумные индикаторы содержат последовательно расположенные один за другим катод, управляющую сетку и несколько анодов (рис. 5.6, а). Аноды размещаются в одной плоскости и выполняются в виде совокупности знакосинтезирующих элементов, покрытых люминофором и имеющих отдель-

118

ные выводы. При положительном относительно катода потенциале управляющей сетки электроны попадают на те элементы анода, к которым приложено положительное относительно катода напряжение (рис. 5.4, б), вызывая свечение люминофора.

Рис. 5.1	Рис. 5.2

Рис. 5.3

Рис. 5.4

5.1.2. Общие сведения об электровакуумных газоразрядных приборах

Разреженный газ, наполняющий предварительно откачанный до вакуума баллон прибора, при ионизации значительно уменьшает электрическое сопротивление промежутка между электродами в баллоне, что и используется в газоразрядных приборах.

Давление газа (или паров ртути) в баллоне прибора должно быть мало — в большинстве приборов порядка 10-1 —10-3 Па. Это необходимо для того, чтобы средний свободный (т. е. без столкновений) пробег электронов в таком разреженном газе был достаточно большим. При таком пробеге даже при невысо-

119

ких напряженностях электрического поля электроны приобретают энергию, необходимую для неупругого взаимодействия с атомами или молекулами газа или пара. При таком взаимодействии, в отличие от упругого, происходят возбуждение и ионизация атомов газа или паров, т. е. создаются дополнительные свободные электроны и положительные ионы.

Скорость движения электронов во много раз больше скорости движения относительно тяжелых положительных ионов, поэтому и в газоразрядных приборах основными носителями тока остаются свободные электроны Доля тока, образуемого движением положительных ионов, составляет обычно менее одной десятой общего тока через разрядный промежуток. Полезная роль положительных ионов заключается в том, что их заряды нейтрализуют объемный отрицательный заряд электронов. В разрядном промежутке образуется плазма — среда, для которой характерна высокая концентрация одинакового числа зарядов обоих знаков (примерно 109—1012 пар зарядов в 1 см3). Проводимость газовой плазмы близка к проводимости металлов, благодаря чему в газоразрядном приборе ток может достигать больших значений при малом напряжении между электродами.

Вследствие ионного характера проводимости процессы в приборе инерционные, что существенно отличает газоразрядные приборы от электронных. После снятия анодного напряжения часть ионов и электронов в баллоне в течение времени деионизации рекомбинирует, т. е. соединяется в нейтральные атомы газа у стенок баллона. Задержка деионизации делает газоразрядные приборы непригодными для работы в цепях токов высокой частоты.

Электрический разряд в газах может быть несамостоятельным и самостоятельным. Для возникновения и поддержки несамостоятельного разряда необходим вспомогательный источник энергии, создающий носители зарядов в газовой среде, — так называемый ионизатор. Например, несамостоятельный разряд возникает в результате термоэлектронной эмиссии нагреваемого катода. Для возникновения и поддержания самостоятельного разряда требуется только электрическое поле в газоразрядном промежутке.

В газоразрядных приборах может быть разряд двух видов – дуговой и тлеющий.

5.1.3. Приборы дугового разряда

Мощность цепи нагрузки газоразрядного прибора дугового разряда при равных габаритах в несколько раз больше, чем электронного. По этой причине

120

практически управляемые приборы дугового разряда могут служить для непосредственного управления различного рода исполнительными механизмами.

Несамостоятельный дуговой разряд имеет место в газотроне и тиратроне, самостоятельный дуговой разряд — в игнитроне и ртутном вентиле. Последние применяются в выпрямительных устройствах большой мощности.

U1 U2

Рис. 5.5

По устройству тиратрон — это триод, баллон которого заполнен сильно разреженным инертным газом или парами ртути. Условное обозначение тиратрона и его вольт-амперные характеристики показаны на рис. 5.5. В основном своем варианте тиратрон — прибор с подогревным катодом и несамстоятельным дуговым разрядом. Этот разряд возникает при определенном значении анодного напряжения — напряжении зажигания U. Напряжение зажигания тиратрона можно регулировать изменением напряжения между управляющей сеткой и катодом.

Отрицательный потенциал управляющей сетки относительно катода повышает напряжение зажигания, а положительный понижает. Пока тиратрон не зажегся, анодный ток IA относительно мал. При зажигании тиратрона начинается ионизация газа. Как только в приборе устанавливается дуговой разряд, напряжение управляющей сетки перестает влиять на значение анодного тока. Положительные ионы газа обволакивают управляющую сетку и компенсируют ее отрицательный заряд.

Вольт-амперные характеристики тиратрона (рис. 5.5) подобны вольтам- перным характеристикам тиристора. Это определяет и общность их применения в качестве управляемых бесконтактных ключей.

121

Рис. 5.6

5.1.4. Приборы тлеющего разряда

Тлеющий разряд используется в газоразрядных приборах малой мощности. Несамостоятельный тлеющий разряд имеет место в газоразрядном стабилитроне, самостоятельный тлеющий разряд — в декатроне. Декатрон представляет собой многоэлектродный переключающий прибор для коммутации малых токов.

Газоразрядный стабилитрон — это двухэлектродный прибор, в котором возникает несамостоятельный тлеющий разряд в среде инертного газа при термоэлектронной эмиссии катода. На рис. 5.6 показаны условное изображение газоразрядного стабилитрона и его типовая вольт-амперная характеристика. Газоразрядный стабилитрон применяется для стабилизации напряжения в электрических цепях

5.1.5.Электровакуумные фотоэлектронные приборы

Вэлектровакуумных фотоэлектронных приборах используется явление фотоэлектронной эмиссии, которое заключается в том, что при облучении тела потоком энергии излучения (потоком света) оно может испускать во внешнюю среду электроны [1]. В электровакуумных фотоэлектронных приборах (фотоэлементах и фотоэлектронных умножителях) для этой цели служит фотокатод.

122

Рис. 5.7

Рис. 5.8

Фотоэлементом называется прибор, электрические свойства которого изменяются под действием падающего на фотокатод излучения. Электроды фотоэлемента — анод и катод — помещены в стеклянный баллон. В зависимости от степени разрежения газа в баллоне различают электронные (давление 10-5—10-4 Па) и газоразрядные (давление 10-1 —10-3 Па) электровакуумные фотоэлементы. Фотокатодом служит слой щелочно-земельного металла, нанесенного на подложку из серебра. Последняя осаждена непосредственно на внутренней стороне стекла баллона и соединена с соответствующим выводом. Покрытая серебром большая часть баллона образует с внешней стороны характерную зеркальную поверхность. В последней оставлено оконце для светового потока, направленного внутрь баллона на активную поверхность фотокатода. Анод выполняется часто в виде проволочного кольца, помещенного перед катодом (рис. 5.7). Чтобы получать ток в фотоэлементе, нужно воздействовать на освобождаемые светом электроны электрическим полем, т. е. необходим источник постоянного анодного напряжения.

Вольт-амперная характеристика I(UA) электронного фотоэлемента представлена на рис. 5.8, а. Сначала при малых значениях анодного напряжения ток растет вместе с увеличением анодного напряжения. При некоторой освещенности фотокатода все электроны эмиссии достигают анода (ток насыщения), при дальнейшем повышении анодного напряжения ток фотоэлемента практически не изменяется. Ток насыщения зависит лишь от фотоэлектронной эмиссии, а следовательно, только от освещенности фотокатода. Это — ценное качество электронного фотоэлемента. Зависимость тока насыщения от светового потока Ф – световая характеристика электронного фотоэлемента – линейна (рис. 5.8, б), что является следствием закона Столетова.

Чувствительность фотоэлемента определяется отношением изменения его тока насыщения к изменению светового потока: S = dl/dФ, она относительно

123

мала (20 — 80 мкА/лм). Чувствительность можно увеличить, если после откачки в баллон ввести сильно разреженный инертный газ. При работе такого газоразрядного фотоэлемента электроны эмиссии ионизируют газ и поток электронов от катода к аноду усиливается. Газовое наполнение увеличивает чувствительность фотоэлемента примерно в 5 раз.

К недостаткам газоразрядных фотоэлементов следует отнести нелинейность световой характеристики и некоторую инерционность при работе, в то время как электронный фотоэлемент практически безынерционен.

Рис. 5.19	Рис. 5.10

Даже при газовом наполнении ток фотоэлементов в большинстве случаев недостаточен для приведения в действие исполнительных механизмов, поэтому фотоэлементы часто применяются с ламповыми или полупроводниковыми (рис. 5.9) усилителями. Пока фотоэлемент не освещен, транзистор находится в закрытом состоянии под действием ЭДС ЕБ в цепи базы. При освещении фотоэлемента база соединяется с положительным полюсом ЭДС EK, поэтому напряжение между базой и эмиттером становится положительным, транзистор открывается и ток коллектора возрастает до значения, достаточного для срабатывания исполнительного механизма ИМ.

Фотоэлектронным умножителем называется прибор, в котором ток фотоэлектронной эмиссии усиливается посредством вторичной электронной эмиссии. Поток электронов, освобождаемых под действием света фотокатодом К, электрическим, как на рис. 5.10, или магнитным, полем направляется последовательно на ряд динодов — вспомогательных электродов. После каждого динода поток электронов увеличивается, так как добавляются вторичные электроны динода, освобождаемые ударами электронного потока. Таким образом, вследствие многократной вторичной эмиссии поток электронов у анода А оказывается во много раз больше потока фотоэлектронной эмиссии катода. Благодаря такому внутреннему усилению, чувствительность фотоэлектронных умножителей чрезвычайно высока и достигает 1 — 10 А/лм. Однако не следует думать, что

124

фотоэлектронные умножители рассчитаны на большие анодные токи, эти токи не превышают 10 — 15 мА. Их главная область применения — измерение силы света при очень малых освещенностях.

5.2.Полупроводниковые приборы

5.2.1.Полупроводниковые диоды

Вполупроводниковых диодах используется свойство p-n-p переходов, а также других электрических переходов, хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо – в противоположном. Эти токи и соответствую-

щие им напряжения между выводами диода называются прямым и обрат-

ным токами, прямым и обратным напряжениями.

По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов переход получается методами сплавления пластин p- и n-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных ато- мов. При этом p-n–переход создается на значительной площади (до 1000 мм2). В точечных диодах площадь перехода меньше 0,1 мм2. Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10–20 мА.

По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т. д.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования пе- ременного тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффу-

зионной технологии. На рис. 5.11 приведены условное изображение выпрямительного диода и его типовая вольт-амперная характеристика. Прямой ток диода направлен от анодного А к катодному К выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода определяют: допустимый прямой ток Iпр и соответствующее ему прямое напряжение Uпр, допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр, допустимая мощность рассеяния Pрас и допустимая температура окружающей среды (до 50о C для германиевых и до 140о С для кремниевых диодов).

Вследствие большой площади p-n-перехода допустимая мощность рассеяния выпрямительных диодов малой мощности с естественным охлаждением (рис. 5.12, а) достигает 1 Вт при значениях прямого тока до 1 А. Такие диоды

125

часто применяются в цепях автоматики и в приборостроении. У выпрямительных диодов большой мощности (рис. 5.12, б) с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным) допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при значениях допустимых прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В.

Рис. 5.11	Рис. 5.12

Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формиро- вания импульсов напряжения и тока.

Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназ- начены для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) p-n-перехода при определенных значениях обратного напряжения Uo6p = Uпроб (рис. 5.13, а). На рис. 5.13, б приведена простейшая схема стабили- затора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки Rн. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора Uвх> Uпроб(Rн + R)/Rн напряжение между выходными выводами Uвых ≈Uпроб изменяется незначительно.

Рис. 5.13

126

5.2.2. Биполярные транзисторы

Работа биполярных транзисторов основана на явлениях взаимо- действия двух близко расположенных p-n-переходов. Различают пло- скостные и точечные биполярные транзисторы. Переходы в точечных биполярных транзисторах имеют малую площадь и аналогичны по конструкции переходам в точечных диодах. Такие транзисторы не по- лучили существенного распространения.

Плоскостной биполярный транзистор представляет собой трех- слойную структуру типа n-р-n (рис. 5.14) и типа р-п-р. На рис. 5.15, а,б да- ны условные изображения этих транзисторов. Транзистор называется биполярным, потому что физические процессы в нем связаны с движе- нием носителей зарядов обоих знаков (свободных дырок и электронов).

Средний слой биполярного транзистора называется базой Б, один крайний слой — коллектором К, а другой крайний слой — эмиттером Э. Каждый слой имеет вывод, с помощью которого транзистор включается

вцепь. В зависимости от полярности напряжения между выводами биполярного транзистора он работает в различных режимах.

Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

1)активный режим, в котором переход эмиттер-база включен в прямом направлении, а переход коллектор-база-в обратном;

2)инверсный режим, в котором переход эмиттер-база включен

вобратном направлении, а переход коллектор-база-в прямом;

3)режим отсечки, в котором оба перехода включены в обрат- ном направлении;

4)режим насыщения, в котором оба перехода включены в пря- мом направлении.

Всхемах, в которых транзистор применяется для усиления сиг- налов, основным является его активный режим работы. При подключе-

нии положительного полюса источника постоянной ЭДС Еэ = — UЭБ к базе потенциальный барьер p-n-перехода (п-р-п-транзистор на рис. 5.16) между базой и эмиттером понижается. Свободные электроны диффундируют (инжектируют-

ся) из эмиттера в базу, образуя ток IЭ в цепи эмиттера. Если между коллектором и базой включен источник постоянной ЭДС Ек = UKБ отрицательным полюсом к

127

базе, то увеличивается потенциальный барьер р-n-перехода между базой и коллектором. Большая часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, втягивается сильным электрическим полем с напряженностью ЕКБ этого p-n- перехода, образуя ток IК в цепи коллектора. Заметим, что электрическое поле в переходе коллектор-база существует и при разомкнутой ветви с источником ЭДС Ек. Поэтому ток коллектора от значения напряжения UКБ ≥ 0 зависит мало. Незначительная часть свободных электронов, инжектированных из эмиттера в базу, образует ток IБ в цепи базы.

Рис. 5.14

Рис. 5.15	Рис. 5.16

В рассмотренном случае база является общим электродом входной и выходной цепей. Такая схема включения биполярного транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Для усиления сигнала применяются также схемы включения биполярных транзисторов с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Последнюю рассмотрим более подробно, так как она наиболее распространена (рис. 5.16).

128

Работу биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ, определяют статическими коллекторами (рис. 5.17, а) и базовыми IБ (U БЭ)UR" const

(рис. 5.17, б) характеристиками. Область рабочих режимов транзистора на его коллекторных характеристиках ограничена максимально допустимыми значе-

ниями тока IКmах, напряжения UКЭmах и мощности рассеяния Ррасmах ≈ UK3IK, а также нелинейными искажениями при малых значениях тока коллектора.

Основное достоинство биполярных транзисторов – высокое быстродействие при достаточно больших токах коллектора.

Рис. 5.17

Основной недостаток — относительно небольшие сопротивление входной цепи биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (1 —10 кОм), и плотность размещения при производстве интегральных микросхем.

5.2.3. Полевые транзисторы

Различают полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом и на основе конструкции металл-диэлектрик-полупроводник или МДП-транзисторы.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом. Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п-переходом (рис. 5.18).

Между двумя электродами, называемыми истоком И и стоком С, расположен n-канал из полупроводника n-типа. Если между истоком и стоком включен источник с ЭДС Ес положительным полюсом к стоку, то в n-канале есть ток проводимости, значение которого зависит от сопротивления канала. В свою

129

очередь, сопротивление n-канала зависит от его ширины, которую в полевых транзисторах можно изменять. Для этого между третьим электродом, называемым затвором 3, и истоком включен источник ЭДС Е3 отрицательным полюсом к затвору, так что р-n-переход между n-каналом и полупроводником р-типа, который находится у затвора, включен в обратном направлении. Ширина обедненного подвижными носителями p-n-перехода влияет на ширину n- канала и тем самым на его проводимость. Отметим, что вместо n-канала может быть р-канал из полупроводника р-типа, а затвор — из полупроводника n-типа.

Напряжение p-n-перехода вдоль канала непостоянное:

U p n (x) E3 Rк (x)Ic

и имеет отрицательное значение, т. е. переход на всем протяжении включен в обратном направлении. Наибольшего абсолютного значения напряжение достигает у стока, где перекрытие канала будет максимальным (показано заштрихованной областью на рис. 5.21).

Рис. 5.18

Работу полевого транзистора с управляющим p-n-переходом определяют

статические стоковые I c (U СИ )U ЗИ	const (рис. 5.19, а) стоко-затворные
IC (U ЗИ )U CB const (рис. 5.19, б)	характеристики. Чрезмерное увеличение

напряжения Ucn вызывает лавинный пробой между затвором и стоком.

При напряжении UЗИ, меньшем напряжения отсечки UЗИотс, канал закрыт (IС = I3). Изменение полярности напряжений UСИ или UЗИ нарушает работу затвора. В рассмотренном случае (рис. 5.22) полевой транзистор включен по схеме с общим истоком (ОИ). Возможно включение полевого транзистора также по схеме с общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Однако две последние

130

разновидности схем включения применяются редко и здесь не будут рассматриваться.

Рис. 5.19

Полевые МДП-транзисторы. Полевые МДП-транзисторы отличаются от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом тем, что в них электрод затвора изолирован от канала слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика обычно используется окисел Si02. Поэтому наряду с термином МДП пользуются термином МОП, отражающим структуру металл-оксид-полупроводник.

Различают МДП-транзисторы с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа представляет собой пластину кремния n-типа, называемую подложкой, в которой создаются две области р-типа (рис. 5.20. Одна из этих областей используется как истокИ, другая

— как сток С. Электрод затвора 3 изолирован от подложки тонким слоем диэлектрика Si02.

Рассмотрим механизм работы индуцированного канала, положив, что электроды подложки П и истока соединены между собой.

Предположим сначала, что цепь стока разомкнута. При напряжении UЗИ= 0, т. е. коротком замыкании между выводами затвора и истока, в приграничном слое подложки с диэлектриком вследствие контактных явлений образуется обогащенный слой. Однако при этом токопроводящий канал между стоком и истоком отсутствует. Это объясняется тем, что между полупроводником подложки n-типа и полупроводниками областей стока и истока р-типа образуются два p-n-перехода, включенных навстречу друг другу.

131

Рис. 5.20

При увеличении отрицательного значения напряжения UЗИ < 0 сначала вместо обогащенного слоя образуется обедненный слой, а затем при напряжении меньше порогового UЗИпор — инверсный слой, т. е. индуцированный канал р-типа между стоком и истоком. Если теперь в цепь стока включить источник ЭДС Есотрицательным полюсом к стоку, то в р-канале появится ток. При этом в силу неравенства

U ЗC EЗ Ес U ЗИ ЕЗ 0

ширина индуцированного канала уменьшается по направлению от истока к стоку, где ее можно регулировать вплоть до полного перекрытия. Подключение источника ЭДС Ес положительным полюсом к стоку недопустимо. В этом случае

U ЗC EЗ ЕС U ЗИ ЕЗ 0

и управление индуцированным каналом невозможно.

На рис.5.21, а, б приведены стоковые и стоко-затворные статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом n-типа используется под-

ложка из полупроводника р-типа, в которой создаются две области полупровод- никаn-типадлястокаиистока.

Вследствие контактных явлений на границе раздела диэлектрика и подложки в приграничном слое последней индуцируется инверсный слой, т. е. канал n-типа. Этот канал соединяет между собой области стока и истока при отсутствии напряжения UЗИ= 0. ПриувеличениинапряженияUЗИ> 0 индуцированныйканалобогащаетсяэлектронами, при уменьшении напряжения UЗИ < 0 обедняется. Остальные процессы в индуцированныхканалахп- ир-типованалогичны.

132

Рис. 5.21

Статические стоковые и стоко-затворные характеристики МДП-транзистора с индуцированнымn-каналомприведенынарис. 5.24, а,б.

Рис. 5.22

МДП-транзисторы с технологически встроенным каналом имеют канал n- или р-типа. Встроенный в процессе технологического изготовления транзистора канал самоизолируется от подложки обедненным слоем р-n-перехода. Основная особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом заключается в возможности их работы в режиме объединения и обогащения встроенного канала подобно рассмот- реннойвышеработеМДП-транзисторасиндуцированнымканаломn-типа.

133

Рис. 5.23

У всех типов МДП-транзисторов электрод подложки либо соединяется с электродомистока, либослужитвкачествевторогозатвора.

Условные обозначения полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом, МДП-транзисторов с индуцированным каналом и МДП-транзисторов со встроенным каналомприведенысоответственнонапозициях1—3 рис. 5.23, а дляканалаn-типаи рис. 5.25, б дляканалар-типа.

Основные достоинства полевых транзисторов — большое сопротивление входной цепи (1 —10 МОм) и технологичность при производстве интегральных микросхем с большой плотностью размещения элементов. Основной недостаток — относительноневысокоебыстродействие.

5.2.4. Тиристоры

Тиристор — полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями и тремя или более последовательно включенными p-n-переходами. Наиболее распространена структура тиристора с четырьмя чередующимися слоями полупроводников р- и n-типов(рис. 5.24).

Различают управляемые, или триодные, и неуправляемые, или диодные, тиристоры.

Диодный тиристор имеет два вывода — анодный А и катодный К. Его переключение из одного устойчивого состояния в другое в цепи переменного тока (см. рис. 5.24) определяется методом нагрузочной характеристики (см. рис. 5.24). Здесь и в дальнейшем примем, что ВАХ тиристоров безынерционные, т. е. I(U) = i(u). При плавном увеличении от нулевого значения ЭДС еэк диодный тиристор сначала будет закрыт и ток в цепи мал (точка 1 на ВАХ по рис. 5.24). В точке 2 ВАХ диодного тиристора напряжение на нем достигнет напряжения включения U = UВКЛ. Дальнейшее даже незначительное увеличение ЭДС eэк приведет к резкому изменению режима работы цепи (точка 3 на ВАХ), т. е. открыванию диодного тиристора. При уменьшении ЭДС еэк процессы в цепи про-

134

текают в обратном порядке. В точке 4 ВАХ напряжение достигнет напряжения выключения. Дальнейшее уменьшение ЭДС еэк приводит к закрыванию диодного тиристора.

Рис. 5.24

Находят применение также симметричные диодные тиристоры, условные обозначения которых и их ВАХ приведены на рис. 5.25.

Триодный тиристор кроме анодного и катодного выводов имеет еще вывод управляющего электрода УЭ. Последний подключается либо к ближайшей к катоду р-области, либо к ближайшей к аноду п-области. В соответствии с этим различают катодное и анодное управление тиристором. Первое подключение более распространено. Структура тиристора с катодным управлением, его условное изображение и ВАХ приведены на рис. 5.26. При изменении напряжения управления Uyn изменяется и напряжение включения тиристора UBKJl. Следовательно, его можно использовать как управляемый ключ.

Для запирания триодного тиристора необходимо уменьшить ток практически до нуля.

Типовая конструкция триодного тиристора большой мощности приведена на рис. 5.27, где 1 – основание из меди; 2 – трубка из стали со стеклоизолятором 3; 4 – четырехслойная структура р-п-р-п с припаянными к ней вольфрамовыми

135

дисками 5 и 6; 7, 8 – стержневые выводы катода и управляющего электрода соответственно, которые через переходные втулки 9 соединяются с гибкими наружными выводами.

Разновидностью управляемых тиристоров являются запираемые триодные тиристоры, в которых запирание возможно с помощью коротких по длительности импульсов напряжения Uуп обратной полярности. Их условное изображение приведено на рис. 5.28, а и 5.28, б для катодного и анодного управлений соответственно.

Основная область применения тиристоров – преобразовательная техника. Номинальные значения токов у некоторых типов тиристоров в открытом состоянии достигают 5000 А, а номинальные значения напряжений в закрытом состоянии – до 5000 В.

Рис. 5.25

Рис. 5.27

Рис. 5.26

Рис. 5.28

136

5.2.5. Полупроводниковые резисторы, конденсаторы, оптоэлектронные приборы

На основе полупроводников изготовляются резисторы с постоянным сопротивлением, а также резисторы с нелинейными ВАХ. К последним относится варистор. Его типовая ВАХ и условное изображение приведены на рис. 5.29. Варисторы применяются, например, в стабилизаторах и ограничителях напряжения.

Полупроводниковые резисторы, сопротивление которых сильно зависит от температуры внешней среды, называются терморезисторами. Различают терморезисторы с положительным и отрицательным температурными коэффициентами сопротивления.

В конденсаторах на основе полупроводников — варикапах используется изменение емкости p-n-перехода в зависимости от приложенного к нему напряжения. Условное изображение и типовая характеристика варикапа приведены на рис. 5.30.

К оптоэлектронным относятся полупроводниковые приборы, способные работать в качестве источников (светоизлучающие диоды) и приемников (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) излучения.

Работа светоизлучающего диода основана на явлении индукционной электролюминесценции, т. е. излучения квантов света при рекомбинации носителей заряда в р-n-переходе, смещенном в прямом направлении.

Работа фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и фототиристоров основана на явлении внутреннего фотоэффекта, т. е. генерации в полупроводниках избыточных пар носителей заряда — электронов и дырок — под действием излучения. В фоторезисторах это приводит к изменению электрической проводимости полупроводника при его освещении. В фотодиодахизбыточность носителей заряда увеличивает потенциальный барьер p-n-перехода. Если преобразование энергии излучения в электрическую.

Фототранзистор с двумя p-n-переходами имеет структуру обычного биполярного транзистора, но только два вывода — коллекторный и эмиттерный. Ток в цепи фототранзистора зависит не только от напряжения между коллектором и эмиттером, но и от его освещенности.

Фототиристор с тремя p-n-переходами также имеет два вывода — анодный и катодный. Его ВАХ подобна ВАХ триодного тиристора на рис. 5.28 с той особенностью, что напряжение включения UВKJI зависит от освещенности фототиристора.

137

Рис. 5.29	Рис. 5.30

5.3. Преобразовательные устройства электропитания аппаратуры

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

Преобразовательные устройства осуществляют преобразования напряжения и тока источника энергии в напряжение и ток, необходимые приемнику энергии. Выпрямительные устройства служат для преобразования синусоидальных напряжений и токов в постоянные. Обратное преобразование реализуют инверторы, а изменения значений постоянного напряжения и частоты синусоидального тока — преобразователи напряжения и частоты. Преобразовательные устройства широко применяются в электроприводе, устройствах электросварки, электротермии и т. д.

5.3.1.Неуправляемые выпрямители

Вобщем случае структурная схема выпрямительного устройства (рис. 5.31) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст.

Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети

Сдо необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на приемнике П при изменении напряжения сети. Отдельные узлы выпрямительного устройства могут отсутствовать, что зависит от условий работы.

138

Рис. 5.31

В дальнейшем вместо термина выпрямительное устройство будем пользоваться сокращенным —выпрямитель. По числу фаз источника выпрямленного синусоидального напряжения различают однофазные и многофазные (чаще трехфазные) выпрямители, по схемотехническому решению — с выводом нулевой точки трансформатора и мостовые, по возможностям регулирования выпрямленного напряжения — неуправляемые и управляемые. В неуправляемых выпрямителях для выпрямления синусоидального напряжения включаются диоды, т. е. неуправляемые вентили, а для сглаживания выпрямленного напряжения — обычно емкостные фильтры.

Для упрощения расчетов примем, что приемник представляет собой резистивный двухполюсник с сопротивлением нагрузки, а диоды — идеальные ключи, т. е. реализуют короткое замыкание цепи для тока в прямом направлении и ее разрыв для тока в обратном направлении.

Однофазныевыпрямители. В однофазном выпрямителе снулевымвыводом трансформатора приемник подключается к выводу от середины вторичной обмотки трансформатора (рис. 5.32). Рассмотрим сначала работу выпрямителя без сглаживающего фильтра (ключ S разомкнут).

Рис. 5.32

139

Если в каждой половине вторичной обмотки с числом витков ω2 считать положительным то направление тока, при котором соответствующий диод открыт, то ток в каждой половине обмотки и в каждом диоде будет синусоидальным в течение положительного (для этой половины) полупериода и равным нулю в течение отрицательного полупериода (рис. 5.33, а). В приемнике положительные направления обоих токов совпадают, т. е. iн i1 i2 (рис. 5.33, б).

При идеальном трансформаторе постоянная составляющая тока нагрузки:

I

0

2

I

m

0,64I

m

и его действующее значение:

2

T / 2

2

T / 2

Im

I

i

2dt

I 2

sin2 tdt

T

T

2

0

н

m

0

0

Ток в первичной обмотке трансформатора с числом витков ω1 синусоидальный:

i (i1 i2 ) ω2 Im ω2 sin ωt

ω1 ω1

и совпадает по фазе с синусоидальным напряжением сети (рис. 5.33, в)

u (u	u	)	ω1	U		ω1	sin ωt.
					m ω2
1	2		2ω2

Рис. 5.33

В однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 5.34) четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Одну половину пе- риода два диода в противолежащих плечах моста проводят ток i1, а

140

iн i1 i2

другие два диода заперты. Вторую половину периода два других диода проводят ток i2, а первые два диода заперты. Для мостовой схемы справедливы все полученные выше соотношения для выпрямителя с нулевым выводом трансформатора. Ток нагрузки выпрямленный

а ток источника i i1 i2 синусоидальный.

Рис. 5.34

Многофазные выпрямители. Многофазное выпрямление дает воз- можность значительно уменьшить пульсации выпрямленного на- пряжения. На рис. 5.35 показана схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом. Трансформатор на этом рисунке не показан. В каж-

дый данный момент времени ток проводит только тот диод, анод которого соединен с выводом той вторичной обмотки трехфазного трансформатора (а, b или с), напряжение на которой (uа, ub или и) положительное и наибольшее.

RН

Рис. 5.35

Заметим, что токи во вторичных и первичных обмотках трансформатора имеют постоянные составляющие I0 / 3.

141

В трехфазной мостовой схеме выпрямителя (рис. 5.36) нулевой вывод вторичной обмотки трехфазного трансформатора не нужен, поэтому его вторичные обмотки могут быть соединены как звездой, так и треугольником, или, если позволяют условия работы, трехфазный трансформатор может вообще отсутствовать. При отсутствии трехфазного трансформатора выпрямитель подключается к трехфазному источнику, например, как показано на рис. 5.36. Половина диодов выпрямителя (VD1 VD3 и VD5) образует группу, в которой соединены все катодные выводы, а у второй половины диодов (VD2, VD4 и VD6) соединены все анодные выводы.

Рис. 5.36

Мощность многофазных неуправляемых выпрямителей обычно средняя или большая (от десятков до сотен киловатт и больше при токах до 100 кА). Мощность однофазных неуправляемых выпрямителей малая или средняя (от единиц до десятков киловатт). Коэффициент полезного действия неуправляемых выпрямителей достигает 98 %.

5.3.2. Управляемые выпрямители

Принципы построения управляемых однофазных и многофазных выпрямителей такие же, как и одноименных неуправляемых выпрямителей, но диоды, т. е. неуправляемые вентили, заменяются тиристорами, т. е. управляемыми вентилями. Программа включения последних задается соответствующей последовательностью управляющих импульсов напряжения системы управления.

142

Управляемые выпрямители предназначены для регулирования напряжения на выходе выпрямителя.

Многофазные управляемые выпрямители имеют, как правило, большую мощность (сотни киловатт и больше) и применяются в электроприводе с машинами постоянного тока, в линиях электропередачи постоянного тока, для работы электролитических ванн и т. д.

Однофазные управляемые выпрямители имеют малую и среднюю мощность (от единиц до десятков киловатт) и применяются в сварочных устройствах, электровибраторах, для зарядки аккумуляторов. В последнем случае аккумулятор включается в цепь нагрузки последовательно со сглаживающим фильтром.

5.4.Элементы импульсной и цифровой электроники

5.4.1.Импульсные устройства с устойчивыми состояниями. Триггеры

Триггерами называются импульсные устройства с двумя устойчивыми состояниями, которым соответствуют различные значения напряжений на информационных выходах. Они применяются в счетчиках импульсов напряжения, делителях частоты следования импульсов напряжения и т. д.

По способу управления триггеры делятся на асинхронные и синхронные. В асинхронных триггерах переключение из одного устойчивого состояния в другое осуществляется под действием определенной совокупности импульсов напряжения на управляющих входах. В синхронных триггерах такое переключение возможно только при совпадении во времени определенной совокупности импульсов напряжения на управляющих входах и импульса напряжения на входе синхронизации.

Различают несколько типов триггеров: RS-, D-, JK-триггеры и др., названия которых отражают принятые обозначения для их управляющих входов. В современной схемотехнике триггеры обычно реализуются на основе логических элементов и выпускаются промышленностью в виде микросхем. Поэтому в дальнейшем ограничимся, главным образом, рассмотрением функциональных возможностей различных типов триггеров, пользуясь их условными изображениями. Наибольшее практическое применение имеют асинхронные (RS-) и синхронные (D- и JK-) триггеры.

RS-триггер (Reset-Set, т. е. сброс — установка) реализуется на основе логических элементов ИЛИ — НЕ на два входа (рис. 5.37, а), где обозначены

143

прямой Q и инверсный Q информационные выходы. Работу RS-триггера иллю-

стрирует таблица истинности на рис. 5.37, б, где указаны значения сигналов на управляющих входах R и S в некоторый момент времени t и соответствующие им значения на выходе Q в момент времени t + 1 после окончания переходного процесса (рис. 5.38, в).

Рис. 5.37

Рис. 5.38

Состояние триггера сохраняется (Q = Qt) при совокупности сигналов на входах R = 0 и S = 0 и не определено при R = 1 и S = 1. Последнее состояние запрещено.

RS- триггер с инверсными значениями сигналов на входах R иS реализуется на основе логических элементов И — НЕ. Его схема, таблица истинности и временная диаграмма приведены на рис. 5.39, а — в. Состояние триггера сохраняется при значениях сигналов на его входах R 1и S 1 и не определено при R 0 и S 0. Последнее состояние запрещено.

Условные изображения RS-триггера с прямым и инверсным входами приведены на рис. 5.40, а и б. Кратковременным замыканием ключа S1 или S2 устанавливаются устойчивые состояния триггеров Q = 1 или Q = 0.

144

Рис. 5.39

Рис. 5.40

D-триггер имеет прямые (рис. 5.40, а) или инверсные (рис. 5.40, б) установочные входы R и S, один управляющий вход D и вход синхронизации С. Входы R и S называются установочными, потому что служат для предварительной установки D-триггера в состояние Q = 1 или Q = 0 аналогично представленному на рис. 5.39.

Сигнал на управляющем входе D = 1 или D = 0 устанавливает триггер в устойчивое состояние с одноименным значением на прямом информационном выходе Q = 1 или Q = 0 только при одновременном действии импульса положительной полярности на входе синхронизации. Обычно переключение триггера происходит в течение времени действия переднего фронта импульса синхрони-

зации (рис. 5.40, в).

145

JK-триггер имеет ряд преимуществ по сравнению с RS- и D-триггерами. Его условные изображения с прямыми или инверсными установочными входами R и S приведены на рис. 5.41, а,б, где обозначены: J и К — управляющие входы, С — вход синхронизации.

	Рис. 5.42
Рис. 5.41

Рис. 5.43

На практике часто встречаются двухступенчатые JK-триггеры, что отражается в их условном обозначении TT, с прямыми или инверсными установочными входами R и S (рис. 5.42, а и б). Правила их работы отличаются от описанных ниже (рис. 5.43) тем, что изменение состояния триггера происходит не в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации, а в течение времени действия его заднего фронта.

Рассмотрим правила работы JK- триггера, положив, что его исходное состояние установлено.

1. Если J = 1 и K = 0, то в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности триггер установится в со-

стояние Q = 1 (рис. 5.43, а).

146

2.Если J = 0 и К = 1, то в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности триггер установится в со-

стояние Q = 0 (рис. 5.43, б).

3.Если J = 1 и К = 1, то независимо от своего исходного состояния Q триггер будет переключаться в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности. При этом частота изменения напряжения на выходе триггера будет в 2 раза меньше частоты импульсов синхронизации (рис. 5.43, в).

4.Если J = 0 и К = 0, то исходное состояние Q триггера под действием импульса синхронизации не изменится.

Если J = 1и K = 0, то в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности триггер установится в со-

стояние Q = 1 (рис. 5.43, а).

Если J = 0 и К = 1, то в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности триггер установится в со-

стояние Q = 0 (рис. 5.43, б).

Если J = 1 и К = 1, то независимо от своего исходного состояния Q триггер будет переключаться в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности. При этом частота изменения напряжения на выходе триггера будет в 2 раза меньше частоты импульсов синхронизации (рис.5.43, в).

Если J = 0 и К = 0, то исходное состояние Q триггера под действием импульса синхронизации не изменится.

5.4.2. Логические автоматы с памятью

Логическими автоматами с памятью, или последовательными логическими устройствами, называются устройства, логические значения на выходах которых определяются как совокупностью логических значений на входах в данный момент времени, так и состоянием автомата по результатам его предшествующей работы. Запоминание предшествующих состояний обычно выполняется с помощью триггеров.

Типичными примерами логических автоматов с памятью являются счетчики импульсов и регистры.

Рассмотрим работу трехразрядного счетчика (рис. 5.44, а) на основе двухступенчатых JK-триггеров (рис. 5.43, б) с представлением результата счета в двоичной системе счисления.

147

Перед началом работы счетчика все его разряды устанавливаются в состояние Q1 = Q2 = Q3 = 0. В момент окончания первого счетного импульса триггер младшего разряда ТТ1 переключается, а состояние триггеров старших разрядов ТТ2 и ХТ3 не изменяется, т. е. значение двоичного числа на выходе счетчика равно Q1Q2Q3 = 001.

Рис. 5.44

В момент окончания второго счетного импульса триггер ТТ1 снова переключается и логическое значение выхода младшего разряда изменяется с 1 на 0. Поэтому одновременно переключится и триггер ТТ2, т. е. Q3Q2Q1 = 100. Далее переключение триггеров происходит аналогично, так что число импульсов на входе счетчика соответствует числу в двоичной системе счисления на его вы-

ходе (рис. 5.44, б).

Регистрами называются устройства для приема, хранения, передачи и преобразования информации, представленной обычно в двоичной системе счисления. На рис. 5.45, а в качестве примера приведена схема трехразрядного

148

регистра сдвига. Предварительно подачей сигналов на установочные входы R и S все триггеры устанавливаются в состояние Q1 = Q2 = Q3 = 0.

Установим далее триггер TT1 в состояние Q = 1. При этом состояние регистра определится совокупностью значений Q1Q2Q3 = 100. Под действием первого импульса синхронизации состояние регистра изменится на Q1 Q2 Q3 = 010, под действием второго импульса синхронизации — на Q3Q2Q1 = 100 и т.

д. (рис. 5.45, б).

Рис. 5.45

5.4.3. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют информацию о сигнале в аналоговой форме, т. е. о напряжении, непрерывном во времени, в информацию о нем в форме цифрового кода — обычно в двоичной системе счисления. Они применяются, например, в АСУ технологическими процессами для ввода информации в управляющую ЭВМ от датчиков состояния объекта управления.

Различают последовательные и параллельные АЦП. Рассмотрим как наиболее распространенные параллельные АЦП.

149

На рис. 5.46, а приведена принципиальная схема параллельного АЦП на два разряда m = 2 на основе 2m – 1 = 3 компараторов. Опорные напряжения для компараторов задаются источником постоянной ЭДС Е0 и делителем напряжения на резисторах. Работу преобразователя при значении ЭДС Е0 = 3 В и опорных напряжениях компараторов 0,5; 1,5 и 2,5 В иллюстрирует рис. 5.46, б. Если значение ЭДС преобразуемого сигнала еc < 0,5 В, то напряжения на выходах всех компараторов имеют отрицательные значения и цифровой код на выходе преобразователя равен 00. При увеличении напряжения преобразуемого сигнала сначала в интервале 0,5 В < еc < 1,5 В изменится значение напряжения с отрицательного на положительное на выходе только компаратора 1, затем при 1,5 < еc < 2,5 В - компараторов 1 и 2, и, наконец, при 2,5 В < еc — всех компараторов. Устройство на основе логических элементов НЕ, И и ИЛИ, показанное на рис. 5.46, а внутри штриховой линии, преобразует совокупность сигналов с выходов компараторов в цифровой код.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) преобразуют цифровой двоичный код в аналоговое выходное напряжение. Это позволяет, например, использовать цифровой двоичный код для управления работой исполнительных механизмов таких, как электрические двигатели, реле, выключатели и т. д.

Рис. 5.46

5.4.4.Оптоэлектронные устройства

Вряде случаев управление током в цепи целесообразно осуществлялись с помощью полупроводникового прибора, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения — оптопара. Условные изображения на схемах электрических цепей диодной, транзисторной и тиристорной оптопар приведе-

150

ны на рис. 5.47, а – в. Главным достоинством оптопар является отсутствие электрической связи между управляющей и управляемой цепями. Оптопары работают в качестве управляемых ключей (рис. 5.47, б), реле, коммутаторов и т. д.

Рис. 5.47

5.4.5. Программируемые устройства. Микропроцессоры

Программируемые цифровые и логические устройства представляют собой универсальные технические средства для создания электронных устройств различного назначения.

Они основаны на применении арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняющего арифметические и логические операции над входными величинами A и B в двоичном коде в зависимости от сигналов на управляющих входах М, S0, S1 S2, S3 и на переносе Р0 из внешних цепей (рис. 5.48, а).

Результат операции определяется совокупностью сигналов на выходах F и переноса Р4 из старшего разряда. При М = 0 выполняются арифметические (сложение А и В, сложение А и В с добавлением Р0 в младший разряд и т. д.), а при М = 1 — логические (F= A , F = B и т. д.) операции. Комбинация сигналов S0... S3 определяет, какая именно операция выполняется.

Несмотря на разнообразие операций, выполняемых АЛУ, им присущи недостатки: отсутствуют операции умножения, деления и т. д. Эта ограниченность преодолена в микропроцессорах.

Микропроцессор (МП) — это информационное устройство, которое по программе, задаваемой управляющими сигналами, обрабатывает информацию, т. е. реализует операции: арифметические, логические, ввода, вывода и т. д.

Упрощенная структурная схема одного из МП (рис. 5.48, б) состоит из АЛУ и совокупности п параллельных регистров по т разрядов общего назначения (РОН) для хранения двоичных чисел, используемых в процессе вычислений. В состав МП входят также два параллельных буферных регистра (БР), предназначенных для кратковременного хранения чисел А и В во время выпол-

151

нения операции АЛУ, и устройство управления (УУ), которое задает режимы работы всех элементов МП.

Рис. 5.48

При работе МП числа А и В, над которыми выполняется операция, передаются по магистрали последовательно из РОН на буферные регистры БРА и БРД. Затем по команде АЛУ производит указанную операцию, а результат ее по внутренней магистрали передается в РОН. Обычно для этой цели выделяется специальный регистр РОН, называемый аккумулятором, в котором ранее записанное число стирается. Например, сложение трех чисел выполняется таким образом: сначала складываются два первых числа и результат записывается в РОН. Затем в АЛУ поступают результат этого сложения и третье число, вычисляется окончательный результат и записывается в РОН.

Последовательность выполнения операций практически не ограничивает функциональные возможности МП. Однако эффективность применения МП значительно возрастает, если его снабдить дополнительными устройствами для хранения информации и обмена ею с внешними устройствами.

МикроЭВМ — это устройства на основе МП, а также запоминающих устройств (ЗУ), устройств управления и средств связи с периферийными устройствами (интерфейс). Управляющая микроЭВМ должна иметь средства сопряжения с объектом управления: датчики, АЦП, ЦАП. Совокупность микроЭВМ и средств сопряжения образует микропроцессорную систему.

152

Структурная схема микроЭВМ (рис. 5.49) содержит устройства ввода (УВв) и вывода (УВыв); порты ввода и вывода; центральный МП с АЛУ, устройством управления и регистрами общего назначения, а также постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ) запоминающие устройства.

В качестве УВв служат магнитные головки, телетайпы, АЦП: в качестве УВыв — дисплеи, печатающие устройства, ЦАП и т. п. Порты ввода и вывода предназначены для кратковременного хранения информации в процессе ввода, вывода и переключения каналов.

Входная информация делится на данные, над которыми выполняются операции, и программу, т. е. последовательность команд, описывающих выполняемые операции. Данные и программа задаются совокупностью слов разной длины в виде двоичных чисел с числом разрядов, кратным 8 (1 байт).

Данные УВв поступают в порт ввода. Сигналы управления выбирают необходимый порт; обеспечивают запись данных; временное хранение в порте, а затем их передачу в магистраль данных, состоящих из совокупности т проводящих линий, обеспечивающих передачу m-разрядного слова. При магистральной организации связей элементы микроЭВМ подключаются к единой

Рис. 5.49

магистрали через буферные усилители, которые могут находиться в одном из трех состояний:

1)передача данных в магистраль;

2)прием данных из магистрали;

3)отключение от магистрали.

Сигналами управления можно отдельные элементы микроЭВМ поставить в режим передачи информации в магистраль, другие — в режим приема ин-

153

формации, остальные — отключить. Кроме магистрали данных (МД) есть еще и магистраль управления (МУ).

Для того, чтобы работа МП не зависела от быстродействия УВв, данные и программа перед ее выполнением записываются в ОЗУ микро ЭВМ. Объем ОЗУ для микроЭВМ составляет единицы и десятки килобайт (1 Кбайт = 210 байт, т. е. 1024 восьмиразрядных слова). Кроме того, может подключаться внешняя память, например, в виде устройств с гибкими магнитными дисками.

Последовательность работы МП:

считывание команды из памяти; номер ячейки памяти, где хранится первая команда, заносится в счетчик команд; после выполнения команды число в счетчике автоматически увеличивается на 1, что обеспечивает последовательное выполнение команд программы;

при каждом положении счетчика команд происходит считывание из памяти следующей информации: кода операции, которая выполняется по данной команде, и числа или его адреса, над которым команда выполняется;

выполнение команды.

После выполнения команды «считывание» выполняется команда из следующей ячейки памяти, и цикл повторяется.

Устройство управления с помощью генератора тактовых сигналов (ГТС) обеспечивает требуемую последовательность работы элементов для выполнения команды. Выполнение одной команды происходит за несколько машинных циклов, каждый из которых содержит несколько периодов работы ГТС.

Команды в МП представляются в виде многоразрядных двоичных слов, например, команда «Послать в РОН содержимое ячейки памяти с номером 15488» выглядит так:

где первый байт — это код операции, содержимое второго и третьего байтов — код номера ячейки памяти (15 488 в двоичном коде).

Записи программ проще на языке ассемблер, который допускает запись команд с клавиатуры или перфоленты в форме, отражающей их смысловое содержание. Например, команда ADD – сложение, MOV – передача данных и т. п. Перевод языка ассемблер на язык двоичных кодов производится специальной программой, которая размещается, например, в ПЗУ микроЭВМ.

Аналогично можно применять для программирования на микроЭВМ языки высокого уровня: ФОРТРАН, ПЛ и др. При этом, однако, упрощение программирования сопровождается увеличением времени трансляции и необходимого объема памяти машины. Для управляющих микроЭВМ, встроенных в раз-

154

личные устройства и работающих в реальном масштабе времени, такое программирование, как правило, неприемлемо.

Вопросы для самопроверки

1.Какие приборы называют электронными?

2.Какие приборы называют газоразрядными?

3.Как устроен электронный электровакуумный триод?

4.Как устроен электронный диод?

5.Какой принцип используется в работе полупроводникового диода?

6.В каких режимах может работать биполярный транзистор?

7.Укажите особенности полевых транзисторов.

8.Какие бывают тиристоры?

9.Какие преобразования могут осуществлять преобразовательные уст-

ройства?

10.С какой целью используют выпрямители?

11.Какие устройства называют триггерами?

12.Какие различают типы триггеров?

РАЗДЕЛ 6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

6.1. Электрические измерения

6.1.1. Классификация измерений

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенное в одном месте. Измерительная установка может содержать в своем составе меры, измерительные приборы, а также различные вспомогательные устройства.

Измерительная система – это совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенны для вы-

155

работки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки и передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

Измерительная информация – это количественная оценка состояния материального объекта, получаемая экспериментально путем сравнения параметров объекта с мерой (овеществленной единицей измерения). Без получения измерительной информации невозможны ведение технологических процессов, выработка и распределение электроэнергии; добыча и транспортировка твердого, жидкого и газообразного топлива; управление транспортными потоками; исследование космоса и многие другие области активной деятельности человека.

Измерения в зависимости от общих приемов получения результатов и процесса измерений делятся на прямые, косвенные и совокупные [5].

Прямым называется измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Иными словами, здесь измеряется непосредственно та величина, значение которой необходимо определить. Например, измерение силы тока – амперметром, или напряжения – вольтметром. Искомое значение Y измеряемой величины Х можно представить в виде Y = СХ, где С – постоянный коэффициент, например, для электромеханического прибора – цена деления.

Косвенным называется измерение, при котором искомые значения величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Примером косвенных измерений является измерение мощности цепи постоянного тока двумя приборами – амперметром и ваттметром, при этом Р = U I , Вт.

Совокупные измерения производятся одновременно над несколькими одноименными величинами, причем искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером совокупных измерений является нахождение сопротивлений двух резисторов по результатам измерений сопротивлений последовательного и параллельного соединения этих резисторов в цепях постоянного тока:

	R R1			R 2
		R		R
			1		2
	R
		R1		R 2

Решая эту систему, можно определить искомые значения сопротивлений

R1 и R2 .

156

Совместные измерения производятся одновременно над двумя или несколькими величинами для нахождения зависимости между ними. Например, прямые измерения значений сопротивления терморезистора при двух различных температурах дают возможность рассчитать значения двух коэффициентов в уравнении, определяющем зависимость сопротивления терморезистора от температуры.

Совокупность приемов использования принципов и средств измерений называется методом измерений. Методы измерений подразделяют на метод непосредственной оценки и метод сравнения.

Метод непосредственной оценки характеризуется тем, что отсчет значения измеряемой величины производится непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора. Например, измерение сопротивления амперметром; коэффициента мощности – фазометром являются примерами прямого измерения методом непосредственной оценки.

Метод сравнения предполагает операцию сравнения измеряемой величины с мерой в каждом из актов измерения. Сравнение можно производить различными способами, из которых наиболее употребительны следующие.

1.Нулевой метод, при котором результирующий эффект воздействия измеряемой величиной и известной величиной (мерой) на прибор сравнения доводят до нуля. В качестве примера нулевого метода можно привести измерения активного сопротивления мостом постоянного тока с полным его уравновешиванием.

2.Дифференциальный метод, при котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной, воспроизводимой мерой. В отличие от нулевого метода в этом случае измеряемая величина уравновешивается не полностью. Точность дифференциального метода повышается при уменьшении разности между измеряемой и известной величинами. Этот метод используется при измерениях неэлектрических величин, например толщины листа, уровня жидкости.

3.Метод замещения, при котором измеряемая величина замещается известной величиной, воспроизводимой мерой. Примерами этого метода служат измерение значения термосопротивления, включенного в одно плечо моста, или определение емкости конденсатора, включенного в колебательный контур. В обоих случаях неизвестный параметр сопротивления или емкости конденсатора определяется по величине калиброванного изделия (включенного на место неизвестного), не изменяющего режим работы измерительной цепи.

157

В заключение следует отметить, что несомненным достоинством метода сравнения является высокая точность измерений, а недостатком – сложность. Метод непосредственной оценки, наоборот, отличается простотой и малым временем измерения. Поэтому, несмотря на сравнительно малую точность, он получил широкое распространение в производственной практике, в то время как метод сравнения используется в основном при лабораторных измерениях

[5].

6.2. Характеристики измерительных приборов и преобразователей

6.2.1. Основные характеристики измерительных приборов

Входной величиной измерительного прибора является его измеряемая величина. Наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, для которых нормированы погрешности, называют пределами измерения. Область значений, заключенная между верхним и нижним пределами измерения, называется диапазоном измерений. От диапазона измерений следует отличать диапазон показаний, который охватывает область значений шкалы, ограниченную конечным и начальным значениями шкалы. Например, вольтметр, применяемый в цепях переменного тока, имеет верхний предел измерения 250 В, нижний предел 50 В и начальное значение шкалы, обозначенное нулем. В этом случае диапазон показаний вольтметра (0…250) В, так как диапазон измерений составляет (50…250) В.

Таким образом, в общем случае диапазон измерений, охватывающий часть шкалы, в пределах которой измерения могут быть проведены с нормируемой погрешностью, более узок, чем диапазон показаний, охватывающий всю шкалу.

Выходной величиной измерительного прибора является изменение состояния отсчетного устройства, например положения стрелки стрелочного прибора.

Функция (уравнение) преобразования – функциональная зависимость между выходной величиной Y и входной величиной Х. Как и любая функция, функция преобразования может задаваться аналитически (уравнением), таблично или графически. В аналитическую функцию преобразования обычно входят конструктивные параметры прибора или преобразователя, которые учитываются при его проектировании и разработке. Функция преобразования реального преобразователя определяется экспериментально. В процессе опыта

158

определяется зависимость выходной величины от входной, например зависимость ЭДС термопары от температуры. Для улучшения анализа полученной функции по табличным данным строят график [5].

Чувствительность – это отношение изменения выходной величины измерительного прибора или измерительного преобразователя к вызвавшему ее изменению входной величины. Чувствительность определяется выражением - S dy dx и может быть определена при любом способе задания функции преобразования. В частном случае, когда выходная величина Y изменяется пропорционально входной Х, чувствительность вычисляют по формуле S = Y/X.

Чувствительность имеет размерность, зависящую от измеряемой величины. Поэтому говорят о "чувствительности к току" или "чувствительности к напряжению" и т. д. Если чувствительность непостоянна, шкала прибора неравномерна. При S = const шкала прибора равномерная.

Средствам измерения присваивается класс точности.

Класс точности обозначается числом, соответствующим нормированной основной погрешности средства измерения.

Класс точности стрелочных и самопишущих приборов обозначается одним числом, равным максимально допускаемому значению основной приведенной погрешности, например 0,5. Класс точности цифровых приборов, мостов и компенсаторов указывается в виде дроби, например: 0,1/0,05.

Конкретные ряды классов точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Например, ГОСТ 8.401-80 "Классы точности средств измерений" установлены следующие классы точности измерительных приборов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5;1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Отдельными характеристиками погрешности являются вариации показаний прибора и порог чувствительности. Вариация показаний – наибольшая по абсолютной величине разность между повторными показаниями, соответствующими одному и тому же значению измеряемой величины. Вариация определяется при плавном подходе к одной отметке при возрастании и убывании измеряемой величины. Основной причиной вариации является трение в опорах подвижной части прибора.

Порог чувствительности – это наименьшее изменение измеряемой величины, способное вызвать заметное изменение показаний приборов.

Собственное потребление мощности прибором из цепи, в которой про-

изводится измерение, является важной характеристикой прибора. Оно приводит к изменению электрических параметров этой цепи и отрицательно влияет на точность измерения. Особенно сильно это проявляется при измерениях в мало-

159

мощных цепях. В зависимости от устройства, конструкции и назначения приборов потребляемая ими мощность может колебаться от 10-12 до нескольких Вт.

Надежность прибора – способность ими сохранять заданные характеристики при определенных условиях в течение заданного времени. Выход значения параметров и характеристик прибора за пределы нормы считается отказом. Отказ измерительного прибора может наступить, если его действительная погрешность станет больше ее нормирующего значения, определяемого классом точности.

Согласно ГОСТ 22261-82 приборы характеризуются также их механической и электрической прочностью, сопротивлением изоляции и некоторыми другими параметрами.

6.2.2. Эталоны, образцовые и рабочие меры

Эталоном единицы физической величины называется средство измерений (или комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы величины с целью передачи ее другим, нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, в официально установленном и утвержденном порядке. Эталоны, воспроизводящие одну и ту же величину, подразделяются на первичный, вторичный и рабочий [5].

Первичный эталон обеспечивает воспроизведение физической единицы с наивысшей в стране точностью. В России таким эталоном является Государственный эталон, утвержденный для страны в качестве исходного.

Вторичный – это эталон, значение которого установлено по первичному, предназначенный для передачи единицы измерения рабочему эталону.

Рабочий эталон применяют для передачи размера единицы измерения образцовым средствам высшей точности.

Эталонными называют меры, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве эталонных.

Рабочие меры предназначены для цепей измерения во всех областях народного хозяйства.

При измерениях электрических величин используют образцовые и рабочие меры ЭДС, сопротивления, индуктивности, взаимной индуктивности, емкости.

В настоящее время мерами ЭДС служат гармонические элементы с точно известными значениями ЭДС. В зависимости от концентрации примененного в них электролита, в качестве которого используется водный раствор серно-кис-

160

лого кадмия гальванические элементы делятся на насыщенные и ненасыщенные. Наиболее стабильными являются насыщенные элементы. Согласно ГОСТ 1954-82 они могут иметь один из следующих классов точности: 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005. Эти значения соответствуют наибольшим допускаемым изменениям ЭДС за 1 год на 2; 5; 10; 20 и 50 мкВ. Наибольший ток, который можно пропустить через насыщенный элемент согласно ГОСТ 1954-82, лежит в диапазоне от 0,002 до 1 мкА. Значения ЭДС при 20 °С заключены между 1,018540 и 1,018730В. Внутреннее сопротивление насыщенных элементов составляет 500…2000 Ом.

Ненасыщенные гальванические элементы выпускаются с классами точности 0,002; 0,005; 0,04 и 0,02. Это соответствует допустимым изменениям ЭДС на 20; 50; 100 и 200 мкВ в год. Их ЭДС лежат в диапазоне 1,018800…1,019600 В. Внутреннее сопротивление ненасыщенных элементов составляет 300 и 600 Ом.

При работе с гальваническими элементами их следует оберегать от тряски, опрокидывания, перегрева и воздействия сильного света.

Мерами сопротивления являются катушки сопротивления. Для их изготовления используются ленты или проволока из манганина. Этот материал имеет большое удельное сопротивление, малый температурный коэффициент и малую термоЭДС в паре с медью, а также хорошо противостоит окислению.

Согласно ГОСТ 23737-79 катушки сопротивления имеют один из сле-

дующих классов точности: 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 и 0,2.

При работе в цепях переменного тока существенную и нежелательную роль может играть реактивность катушки, обусловленная ее индуктивностью и собственной емкостью. С целью уменьшения реактивности катушки применяют специальные виды намотки, например бифилярную намотку на плоскую диэлектрическую пластину.

В лабораторных условиях в качестве мер сопротивления используются штепсельные и рычажные магазины сопротивлений. В их паспортах указываются допустимые значения мощности и тока, а также - частотный диапазон.

Мерами индуктивности служат катушки и магазины индуктивности. Катушки выполняются из тонкой медной изолированной проволоки, намотанной на пластмассовый или фарфоровый каркас. Катушки имеют следующие номинальные индуктивности: 0,0001; 0,001; 0,01; 0,1; 1 Гн и класс точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,5; 1. Магазины индуктивности состоят из набора катушек индуктивности, образующих декады. Требования к мерам индуктивности указаны в ГОСТ 21175-75.

161

Меры емкости выполняются в виде воздушных или слюдяных конденсаторов, а также магазинов емкостей. Номинальные значения емкостей воздушных конденсаторов лежат в пределах от 50 до 4000 пФ, слюдяные конденсаторы имеют значения емкостей до 1 мкФ. Согласно ГОСТ 6746-75 для мер емкости установлены следующие классы точностей: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1. Образцовые меры емкости имеют малые потери в диэлектрике, их емкости не зависят от частоты и формы приложенного напряжения, зависимость емкости от изменения температуры незначительна.

6.3.Электроизмерительные приборы

6.3.1.Общие сведения об аналоговых электромеханических приборах

Аналоговыми измерительными приборами называются приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Важным классом аналоговых приборов являются электромеханические показывающие приборы прямого действия. Они просты, надежны, удобны в эксплуатации. Их разнообразие и точностные характеристики удовлетворяют требованиям широкого круга технических измерений.

Аналоговые электромеханические приборы строятся по структурной схеме, показанной на рис. 6.1 [5].

				Отсчетное
Измерительная		Измерительный
цепь		механизм		устройство

Рис. 6.1

Аналоговые приборы состоят из измерительной цепи, измерительного механизма и отсчетного устройства. Измерительная цепь служит для преобразования измеряемой величины Х в величину Z, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Измерительный механизм преобразует электрическую величину Z в механическое перемещение (угловое или линейное) Y, значение которого отсчитывается по шкале отсчетного устройства.

Измерительная цепь содержит резисторы и другие элементы, необходимые для требуемого преобразования измеряемой величины.

Измерительный механизм состоит из подвижной и неподвижной частей. В зависимости от принципа преобразования электромагнитной энергии в энергию движения подвижной части механизма различают магнитоэлектрические,

162

электромагнитные, электродинамические, электростатические и индукционные приборы.

Отсчетное устройство состоит из указателя (стрелочного или светового), связанного с подвижной частью прибора, и неподвижной шкалы. Шкала прибора представляет собой белую поверхность, на которую нанесены отметки, соответствующие значениям физической величины, а также другие обозначения, характеризующие параметры прибора.

Расстояние между двумя соседними отметками называется делением шкалы. Цена деления, называемая также постоянной прибора, соответствует изменению измеряемой величины, вызывающему перемещение указателя на одно деление. Указателем может быть стрелка, жестко закрепленная на оси подвижной части и освещаемая от специального источника света (светового указателя). Использование светового указателя позволяет существенно увеличить чувствительность прибора за счет уменьшения веса подвижной части, увеличения длины указателя.

Детали для установки подвижной части должны обеспечивать свободное вращение последней. Используются три способа установки: на кернах, на растяжках, на подвесе.

При установке на кернах ось, вокруг которой вращается подвижная часть, имеет два стальных острия – керна, которыми она опирается на агатовые или корундовые подпятники. Недостатком такой установки является наличие трения в опорах, т. е. между кернами и подпятниками.

При установке на растяжках подвижная часть подвешивается между двумя растянутыми ленточками из бронзового сплава. Такой способ крепления свободен от трения в опорах.

При установке на подвесе подвижная часть подвешивается на металлической или кварцевой нити. Этот способ крепления применяется в особо чувствительных приборах.

Противодействующий момент может быть создан упругими силами или теми же электромагнитными силами, что и вращающий. В последнем случае прибор называется логометром.

Устройство для создания упругого противодействующего момента при установке на опорах представляет собой спиральную пружину, внешний конец которой прикреплен к неподвижной части, а внутренний - к оси подвижной части измерительного механизма.

Противодействующий момент возникает из-за закручивания пружины при вращении подвижной части. Если бы противодействующего момента не

163

было, вращающий момент, созданный электромагнитными силами при подаче измеряемой величины на вход прибора, нечем было бы уравновесить и стрелка двигалась бы до упора. При наличии пружины стрелка останавливается в положении, при котором вращающий момент уравновешивается противодействующим.

При других способах установки подвижной части прибора противодействующий момент появляется из-за упругости растяжек или подвеса.

Успокоитель предназначен для того, чтобы в процессе достижения установившегося положения стрелка не испытывала слишком долгих колебаний.

Применяются воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокои-

тели.

Ввоздушных успокоение достигается торможением алюминиевого крыльца или поршенька, жестко связанного с подвижной частью внутри особой воздушной камеры.

Жидкостные успокоители используют эффект трения между различными слоями вязкой жидкости при движении в ней подвижной системы или ее части.

Вмагнитоиндукционных успокоителях торможение осуществляется взаимодействием магнитных полей магнита и токов, индуцированных в проводящих частях подвижной системы при их движении в поле этого магнита.

Успокоители каждого вида имеют свои достоинства и недостатки. Так, воздушный и жидкостный успокоители не создают электрических или магнитных полей, влияющих на показания приборов, но относительно сложны в изготовлении и настройке. Магнитоиндукционные успокоители конструктивно просты и допускают легкую регулировку, но могут применяться только тогда, когда создаваемые ими поля не влияют на результат измерения.

Корректор предназначен для установки стрелки в нулевое положение, из которого по разным причинам она может оказаться смещенной при невыключенном приборе.

Вкачестве примера на рис. 6.2 показана подвижная часть электромеханического прибора. На оси 3, заканчивающейся кернами, которые упираются в подпятники 4, закреплены измерительный механизм (ИМ), пружинка 1, указатель 2 с грузиками 5 и корректор 6, 7.

Взависимости от принципа преобразования электромагнитной энергии в энергию движения подвижной части измерительного механизма различают магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические и индукционные системы электромеханических приборов [5].

164

6.3.2. Приборы магнитоэлектрической системы

Принцип действия приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии поля постоянного магнита с током, протекающим по рамке, помещенной в поле этого магнита. Конструктивно измерительный механизм может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной катушкой.

На рис. 6.3 показана конструкция прибора с подвижной катушкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляет магнитную систему прибора. В зазоре между полюсны-

Рис. 6.2

ми наконечниками и сердечником создается сильное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка 4, намотанная медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или же без каркаса). Спиральные пружины 5 и 6 предназначены для создания противодействующего момента. Одновременно они служат для подвода измеряемого тока от входных зажимов в рамку. Рамка свободно охватывает сердечник 3 и жестко крепится на полуосях 7, на одной из которых укреплена стрелка 8.

При протекании по обмотке рамки тока возникает электромагнитная сила, стремящаяся повернуть рамку так, чтобы ее плоскость стала перпендикулярна к направлению магнитных силовых линий постоянного магнита, пересекающих зазор. Вращающий момент, создаваемый двумя электромагнитными силами, определяется скоростью изменения энергии магнитного поля при движении подвижной части прибора.

165

Мвр dWe d .

Вместе с тем We I B S I , где Ψ – потокосцепление магнитного

поля постоянного магнита с рамкой, по которой течет ток I, В – магнитная индукция в воздушном зазоре; w – число витков рамки; S – активная площадь рамки, равная произведению длины рамки на ее ширину; α – угол поворота рамки отсчитывается от плоскости, проходящей через центральные образующие наконечников постоянного магнита.

с

Рис. 6.3

Таким образом, вращающий момент, создаваемый электромагнитной и- лой двух активных сторон рамки,

M вр S I I ,	(6.1)
где SI – чувствительность прибора по току, равная
S I B S const	(6.2)

Если противодействующий момент создается пружинками, закручивающимися при повороте подвижной части, то в установившемся режиме вращающий и противодействующие моменты равны

SI I W ,

где W – удельный противодействующий момент, а угол поворота рамки

			1	S I I .	(6.3)
		W
		166

Выражения (6.1 и 6.3) позволяют сделать следующие выводы:

1.Вращающий момент в приборе значителен даже при малых измеряемых токах.

2.Прибор измеряет только постоянный ток и напряжение. Изменение направления тока влечет изменение угла поворота подвижной части, что следу-

ет из (6.3).

3.Шкала прибора равномерная, так как чувствительность прибора является постоянной величиной, зависящей только от конструктивных параметров механизма, а не от значения измеряемого тока.

4.Собственное магнитное поле прибора велико, а следовательно, на него не действуют внешние магнитные поля и прибор не требует защиты от них.

5.Приборы имеют сравнительно сложную и дорогую конструкцию.

6.Приборы не допускают больших перегрузок, так как ток к рамке подводится через пружинки.

Магнитоэлектрические измерительные механизмы могут быть использованы для измерения в цепях переменного тока с дополнительными схемами, преобразующими переменный ток в постоянный. В качестве таких преобразований могут применяться полупроводниковые элементы. Следует помнить, что

вэтом случае измеряется среднее, а не действующее значение переменного тока.

6.3.3. Приборы электромагнитной системы

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке с подвижным ферромагнитным сердечником, выполненным в виде лепестка, насаженного на ось прибора.

Одна из наиболее распространенных конструкций электромагнитного измерительного механизма представлена на рис. 6.4, где обозначено: 1 – катушка; 2 – сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 – стрелка; 4 – спиральная пружинка, создающая противодействующий момент; 5 – ось; 6 – грузики; 7 – воздушный успокоитель.

Под действием магнитного поля сердечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружинкой.

Энергия магнитного поля катушки, через которую протекает ток, равна

167

We		1	I	2	L ,	(6.4)
		2

где L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, от угла поворота подвижной части.

Вращающий момент

W dWe 1 I 2 dL .			(6.5)
вр	d	2 d

При установившемся отклонении подвижной части вращающий момент уравновешен противодействующим моментом и углом поворота равен

	1	I	2	dL	.	(6.6)
	W			d

Из уравнения (6.6) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т. е. не зависит от направления тока в катушке. Поэтому приборы электромагнитной системы могут применяться для измерений в цепях постоянного и переменного токов.

Шкала прибора неравномерна. Обычно она сжата в начале и растянута в конце. Линеаризация шкалы производится при помощи выбора специальной формы сердечника и его расположения в катушке.

Частотный диапазон прибора ограничен. Обычно приборы выпускают на одно значение частоты.

Конструктивно приборы выполняют с плоской или круглой катушкой,

Рис. 6.4

168

замкнутым магнитопроводом.

Приборы просты в изготовлении, надежны в работе, имеют большую перегрузочную способность.

К недостаткам прибора относятся невысокая точность, малая чувствительность, слабое собственное магнитное поле, что требует дополнительной защиты от внешних магнитных полей.

6.3.4. Приборы электродинамической системы

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек, по которым протекает ток.

Устройство электродинамического измерительного механизма показано на рис. 6.5.

Внутри неподвижной катушки 1 может вращаться подвижная катушка 2 и вместе с ней стрелка 3. Ток к подвижной катушке подается через пружинки 4, которые при повороте этой катушки создают противодействующий момент; 5 – воздушный успокоитель.

Энергия электромагнитного поля, создаваемого двумя катушками с током

равна

W	e		1	L I 2			1	L		I 2	I		I		M		,	(6.7)
			2	1	1		2		2	2		1		2		12

где L1 и L2 – индуктивности неподвижной и подвижной катушек, М12 – взаимная индуктивность между ними.

Так как Mвр dWd e , то выполнив дифференцирование уравнения (6.7)

окончательно запишем

M	вр	I I	2	dM12 .	(6.8)
		1		d

Под действием вращающего момента, катушка занимает положение, при котором направление ее магнитного поля совпадает с направлением магнитного поля неподвижной катушки. При равенстве вращающего и противодействующего моментов рамка останавливается и уравнение, определяющее угол поворота, принимает вид

	1	I	I	2	dM12 .	(6.9)
	W 1				d

169

Рис. 6.5

Так как Mвр dWd e , то, выполнив дифференцирование уравнения (6.7),

окончательно запишем:

Mвр I1I2	dM12 .	(6.10)
	d

Под действием вращающего момента катушка занимает положение, при котором направление ее магнитного поля совпадает с направлением магнитного поля неподвижной катушки. При равенстве вращающего и противодействующего моментов рамка останавливается и уравнение, определяющее угол поворота, принимает вид

	1	I	I	2	dM12 .	(6.11)
	W 1				d

Из уравнения (6.9) следует, что при одновременном изменении направлений токов в катушках знак угла поворота не меняется, следовательно, приборы электродинамической системы могут измерять как постоянный, так и переменный ток.

Шкала приборов неравномерная, но изменениями формы катушек и их взаимного расположения друг относительно друга можно добиться практически

170

равномерности шкалы за исключением ее начального участка, составляющего примерно пятую часть от всей шкалы.

Собственное магнитное поле прибора мало, что требует дополнительной защиты от внешних магнитных полей.

Приборы обладают высоким классом точности и широким частотным диапазоном.

Приборы плохо переносят тряску.

Приборы электродинамической системы используют для измерений не только токов и напряжений, но и активной мощности, коэффициента мощности и частоты.

6.3.5. Приборы электростатической системы

Принцип действия приборов электростатической системы основан на взаимодействии электрически заряженных проводников, разделенных диэлектриком. Конструктивно представляют собой разновидность плоского конденсатора.

Одна из распространенных конструкций электростатического измерительного прибора приведена на рис. 6.6.

Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная вместе со стрелкой на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами 2. Входные зажимы (не показаны), к которым подводится измеряемое напряжение, соединены с подвижной и неподвижной пластинами. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается в пространство между неподвижными пластинами. Движение прекращается, когда противодействующий момент закрученной пружины становится равным вращающему моменту.

Энергия электрического поля, запасенная электростатическим измерительным механизмом,

We	1 U 2C ,	(6.12)
	2

где С – емкость между пластинами, зависящая от их взаимного расположения; U – измеряемое напряжение.

Вращающий момент – создаваемый электростатическими силами

Wвр	dWe		1	U	2	dC	(6.13)
	d		2			d

171

Рис. 6.6

Угол поворота подвижной части прибора определяется выражением вида:

	1	U	2	dC	.	(6.14)
	2W			d

Из уравнения (6.14) следует:

1.Шкала прибора неравномерная, близка к квадратичной. Линеаризация шкалы достигается за счет изменения формы пластин и их взаимного расположения в интервале 25…100 % от предельного значения шкалы.

2.Прибор имеет небольшой вращающий момент, собственное поле прибора невелико, что требует дополнительной защиты от внешних электрических полей.

3.Приборы имеют высокое входное сопротивление, поэтому практически не потребляют мощности от измерительной цепи. Их используют для измерений напряжений в цепях постоянного и переменного токов; имеют широкий частотный диапазон.

4.Показания приборов не зависят от формы кривой измеряемого напряжения. Чувствительность прибора не высокая. Приборы требуют аккуратного обращения (боятся тряски).

6.3.6. Приборы индукционной системы

Индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких электромагнитов и подвижной части, выполняемой в виде диска. Послед-

172

ний изготовляют из алюминия. Принцип действия основан на том, что переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно к плоскости диска, пронизывают последний и индуктируют в нем вихревые токи. Взаимодействие магнитных потоков с токами в диске вызывает перемещение подвижной части.

В соответствии с конструкцией подвижную часть могут пересекать два или несколько потоков. В зависимости от этого измерительные механизмы называют двух-, трех-, многопоточными. Рассмотрим теорию индукционного измерительного механизма на примере двухпоточного измерительного механизма

(рис. 6.7, а).

Рис. 6.7

Вращающий момент возникает от взаимодействия потоков Ф1 и Ф2, пронизывающих диск, с вихревыми токами I12 и I22 (рис. 6.7, б). Мгновенное значение вращающего момента может быть представлено в виде

M M11 M12 M 21 M 22 ,

где M11	C11Ф1t i12 ; M 21	C21Ф2t i12	; M	12	C	Ф	i	22	; M 22 C22Ф2t i22 ,
					12	1t

С11,С12,С21,С22 – постоянные коэффициенты, определяемые конструктивными особенностями прибора;

Ф1t,Ф2t – мгновенные значения потоков, равные

173

Ф1t Ф1m sin t ; Ф2t Ф2m sin( t 1) ;

i12,i22 – мгновенные значения вихревых токов в диске, наведенные потоками Ф1t и Ф2t при пересечении диска и равные

i12 I12m sin( t 1) ;

i22 I22m sin( t 2 ) .

Мгновенное значение вращающего момента равно

M11 C11Ф1m sin t I12m sin( t 1 ) .

Вследствие инерционности подвижная часть не будет следовать за мгновенными изменениями вращающего момента, а будет реагировать на его среднее значение, равное

M11ср C11Ф1I12 cos( 2 1)

Рассуждая аналогично для вращающего момента М12 запишем:

M12ср C12Ф1I22 cos( 2 2 )

Пренебрегая индуктивностью диска, при которой 1 0							и 2 0 вы-
ражения для средних значений моментов запишем
M11ср 0	, M	12ср	C	Ф I	22	sin .
			12	1
M 22ср 0	, M 21ср C21Ф2 I12 sin

Различие знаков у М12 и М21 указывает на то, что один контур с током втягивается, другой – выталкивается из соответствующего поля.

Следовательно, оба момента М12 и М21 будут перемещать диск в одну сторону, а суммарный вращающий момент будет равен

M C12Ф1I22 sin C21Ф2I12 sin .

При однородном строении диска и синусоидальном характере изменения потоков Ф1 и Ф2 можно считать, что токи i12 и i22 связаны с создающими их потоками зависимостями

I12 C1 f Ф1 и I22 C2 f Ф2 ,

где f – частота изменения потоков; С1 и С2 – коэффициенты пропорциональности.

Тогда результирующий момент будет равен

M рез f C1C12Ф1Ф2 sin C2C21Ф2Ф1 sin .

Полученное выражение показывает:

1. Для создания вращающего момента необходимо наличие двух потоков, смещенных в пространстве.

174

2. Вращающий момент зависит от частоты измеряемого напряжения и то-

ка.

3.Приборы индукционной системы выпускают для измерения мощности

иэнергии в однофазных и трехфазных цепях, как правило, на частоту 50 Гц.

6.3.7.Сравнение электромеханических приборов различных систем и области их применения

Приборы магнитоэлектрической системы – самые точные, имеют равномерную шкалу. Эти приборы имеют сильное магнитное поле, что не требует специальных мер защиты от внешних магнитных полей. Приборы обладают высокой чувствительностью, малым потреблением мощности. Основной недостаток – сложность конструкции, чувствительность к перегрузкам. Применяются в качестве амперметров, вольтметров, гальванометров, омметров.

Приборы электромагнитной системы – самые простые, дешевые и надежные в работе, выдерживающие большие перегрузки, что объясняется отсутствием токоподводов к подвижной части. Могут применяться в цепях постоянного и переменного токов. Их главные недостатки – малая точность и чувствительность, зависимость от внешних магнитных полей. Применяются в качестве амперметров, вольтметров.

Приборы электродинамической системы являются самыми точными для измерения на переменном токе, так как вращающий момент создается магнитными потоками, взаимодействующими в воздухе. Эта особенность исключает дополнительные погрешности от действия вихревых токов и гистерезиса. Основной недостаток приборов – большее потребление мощности, чем магнитоэлектрическми приборами, и малое собственное магнитное поле, что требует специальных мер защиты от действия внешних магнитных полей, например экранирования. Приборы применяют как амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры и частотомеры.

Приборы электростатической системы имеют неравномерную шкалу, слабое собственное электрическое поле, что требует специальных мер защиты от внешних электрических полей. Главными достоинствами приборов являются их высокое входное сопротивление и малое потребление мощности от измерительной цепи. Применяются в качестве вольтметров в цепях постоянного и переменного токов.

Приборы индукционной системы имеют достаточно сложную конструкцию, связанную, главным образом, со способом контроля энергии переменного

175

тока. Достоинство этих приборов – надежность, обусловленная принципом их работы. Выпускаются как счетчики энергии переменного тока.

6.3.8. Цифровые измерительные приборы

Цифровыми измерительными приборами называют приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерений на цифровом отсчетном устройстве [5].

Основой цифрового прибора служит аналого-цифровой преобразователь, который осуществляет дискретизацию, квантование и кодирование информации. Дискретизация – это процесс получения отсчетов измеряемой величины в определенные дискретные моменты времени. Процесс квантования заключается в замене непрерывных значений величины конечным набором ее дискретных значений. Каждое из этих значений совпадает с одним из установленных уровней квантования, отстоящих друг от друга на интервал (шаг) квантования.

Кодированием называется процесс представления численного значения величины определенной последовательностью цифр или сигналов, т. е. кодом. Для преобразования цифрового кода в напряжения, воздействующие на цифровое отсчетное устройство, используется устройство, называемое дешифратором.

По сравнению с аналоговыми приборами цифровые имеют такие преимущества, как высокая точность, широкий рабочий диапазон, высокое быстродействие, получение результатов измерения в удобной для считывания оператором форме, возможность ввода цифровой информации в ЭВМ для автоматизации процесса измерения. К недостаткам этих приборов относятся их меньшая надежность, по сравнению с аналоговыми приборами, большие габариты и высокая стоимость.

Высокая точность цифровых измерительных приборов обусловлена тем, что в основу их работы положен компенсационный метод измерения.

Цифровые измерительные приборы получили распространение в качестве лабораторных вольтметров постоянного и переменного напряжений, частотомеров, фазометров, омметров. В качестве примера на рис. 6.8 показаны структурная схема (а) и временная диаграмма (б), поясняющие работу цифрового электронного вольтметра постоянного напряжения, работающего по методу – время импульсного кодирования [5].

176

По сигналу "Пуск" устройство управления (УУ) устанавливает счетчик (СЧ) в нулевое состояние и запускает генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛН), сигнал Uк с которого поступает на схемы сравнения (СС1) и (СС2). При прохождении напряжения Uк через нуль срабатывает схема сравнения (СС1) и открывает ключ (К). Импульсы генератора образцовой частоты (ГОЧ) поступают на счетчик (СЧ). В момент равенства Uх и Uк срабатывает схема сравнения (СС2) и закрывает ключ.

Рис. 6.8

Время Тх , в течение которого ключ открыт, пропорционально измеряемому напряжению Uх, а число импульсов образцовой частоты f0, поступающих

на счетчик N Tx f0 Ux f0 / T , где T dUk dt – скорость изменения напряжения Uк.

Цифровые измерительные приборы относятся к приборам непосредственной оценки, так как позволяют сразу отсчитать по цифровому отсчетному устройству значение измеряемой величины.

Цифровая индикация результата измерений осуществляется различными устройствами, основными из которых являются газоразрядные, светодиодные и жидкокристаллические индикаторы.

Газоразрядные индикаторы имеют набор проволочных катодов, выполненных в форме десяти арабских цифр, и общий сетчатый анод. Катоды собраны в пакет и размещены по глубине один за другим в баллоне, наполненном

177

неоном. Если напряжение подается на анод и какой-либо из катодов, то между ними возникает тлеющий разряд в виде светящейся соответствующей цифры.

Рабочее напряжение газоразрядных индикаторов составляет 170-200 В. Индикаторы с таким высоким напряжением плохо совместимы с низковольтными интегральными микросхемами. Это является их основным недостатком.

Светодиодные индикаторы используют полупроводниковые инжекционные светоизлучающие диоды. Светодиоды излучают в видимой части спектра. Цветоизлучение зависит от материала и может быть практически любым – от красного до зеленого. Индикаторы этого типа обычно имеют сегментную структуру. Та или иная цифра формируется высвечиванием определенных сегментов. К достоинствам светодиодных индикаторов относятся высокая яркость, большая долговечность, низкое рабочее напряжение (несколько вольт). Однако эти индикаторы имеют небольшие размеры.

Жидкокристаллические сегментные индикаторы используют свойство некоторых органических веществ, называемых жидкими кристаллами, изменять коэффициент преломления под влиянием приложенного напряжения.

Конструктивно индикаторы выполнены в виде конденсатора, обкладками которого являются проводящие электроды, нанесенные в виде прозрачных пленок на две стеклянные пластинки. Тонкий слой жидкого кристалла находится между этими пластинками. Индикаторы не излучают собственной энергии, они работают в отраженном свете, используя контраст между участками с приложенным напряжением и фоном. Поэтому жидкокристаллические индикаторы очень экономичны. Недостатками этих индикаторов являются зависимость контрастности изображения от внешней засветки, а также невысокая яркость.

6.3.9. Измерения тока, напряжения, мощности

6.3.9.1. Измерение тока

Способ измерения тока, напряжения и мощности определяется величиной параметра, родом тока и схемой потребителя. Рассмотрим влияние этих факторов более подробно.

Для измерения тока, протекающего в какой-либо цепи, служат электроизмерительные приборы – амперметры. Отличительной особенностью этих приборов является низкое внутреннее сопротивление, которое не превышает 0,02 Ом. Эта особенность амперметров исключает какое-либо влияние падения

178

напряжения на внутреннем сопротивлении прибора на величину напряжения источника или потребителя.

Постоянный ток измеряется при помощи амперметров магнитоэлектрической системы. Приборы этой системы обеспечивают наивысшую точность среди электромеханических аналоговых приборов. Магнитоэлектрические амперметры позволяют измерять токи от 10-7 до 50А. При измерении тока до 300 мА применяются магнитоэлектрические микро- и миллиамперметры. Измерительной цепью в этих приборах является только рамка измерительного механизма. При измерении токов больших величин используются внутренние шунты, которые подключают параллельно рамке прибора (рис. 6.9, а).

Рис. 6.9

В соответствии со свойствами цепи при параллельном соединении сопротивлений токи, протекающие через прибор и шунт, распределяются обратно пропорционально сопротивлениям измерительной рамки прибора Rа и шунта

Rш.

I a I ш Rш Rа .

Выразив значение тока Iш в виде разности токов в цепи потребителя I и измерительной цепи прибора Iа, запишем выражение для сопротивление шунта:

Rш Rа I a I I a .

Отношение токов I Ia называют коэффициентом шунтирования и обо-

значают буквой Кш. С учетом этого выражение для расчета сопротивления шунта примет вид

179

Rш Ra Kш 1 , Ом.

Величина сопротивления шунта обычно составляет (10-2…10-4) Ом. Амперметры, имеющие внутренние шунты, позволяют измерять токи до 20

А, при этом на шкале прибора никаких дополнительных надписей не делается. Если на шкале прибора сделана надпись, например НШ, 75 мV, то для измерения тока, указанного на шкале прибора, необходимо включить наружный шунт, обеспечивающий падение напряжения на сопротивлении шунта 75 мВ. Следует помнить, что наружный шунт – это калиброванное сопротивление, выпускаемое электротехническими предприятиями. Шунт имеет четыре зажима

– два токовых для подключения шунта в силовую цепь потребителя; два потенциальных – для подключения к шунту измерительного прибора.

Применение шунтов приводит к увеличению влияния изменений температуры на показания приборов. Это связано с тем, что вследствие неодинаковых значений температурных коэффициентов сопротивления рамки и шунта происходят изменение соотношения их сопротивлений и перераспределение текущих по ним токов. Для уменьшения температурной погрешности применяются различные цепи температурной компенсации. Простейшая из них содержит только один элемент – добавочный резистор из манганина, включенный последовательно с рамкой измерительного механизма. Такая термокомпенсация применена в приборах, имеющих класс точности 1,0 и выше. Амперметры с классом точности до 1,0 имеют более сложные цепи термокомпенсации, содержащие как последовательные, так и параллельные цепочки резисторов.

Переменный ток промышленной частоты измеряется при помощи амперметров электромагнитной системы. Изменение пределов измерения в приборах электромагнитной системы осуществляется изменением ампер-витков катушки прибора, что достигается секционированием катушки и соединением секций последовательно и параллельно. Шунты для расширения пределов измерения по току не используют, так как их применение привело бы к увеличению собственного потребления энергии, громоздкости и увеличению стоимости прибора. Поэтому пределы измерения по току расширяют при помощи измерительных трансформаторов тока. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь измеряемого тока I1, к зажимам вторичной обмотки подсоединяют амперметр (рис. 6.9, б). Зажимы первичной обмотки измерительного трансформатора тока обозначают буквами Л1 и Л2, зажимы вторичной обмотки обозначают буквами И1 и И2. Предприятиями электротехнической промышленности выпускаются измерительные трансформаторы тока типов

180

И532, И523, И512, И56М, И54, И55, И515, которые отличаются пределами измерения, классом точности, величиной вторичного тока.

Обычно величина тока вторичной обмотки принимается равной 5А. Для определения действительного значения тока в контролируемой цепи показания амперметра следует умножить на коэффициент трансформации тока КI , равный отношению числа витков вторичной обмотки трансформатора тока к числу витков первичной обмотки.

KI w2 w1

I1 KI I 2 .

При работе с измерительным трансформатором тока необходимо соблюдать осторожность. Если требуется отсоединить амперметр от включенного в цепь трансформатора тока, то предварительно замыкают (при помощи перемычки) зажимы вторичной обмотки И1 и И2. Произведя замену прибора, зажимы вторичной обмотки трансформатора тока размыкают. Необходимость этой процедуры обусловлена спецификой работы трансформатора тока. Измерительный трансформатор тока работает в режиме короткого замыкания. В этом режиме намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток трансформатора тока уравновешивают друг друга. При размыкании вторичной обмотки (измерительный прибор отсутствует) трансформатор тока работает в режиме холостого хода. При этом намагничивающая сила первичной обмотки, не имея противодействия со стороны вторичной намагничивающей силы, способствует существенному увеличению магнитного потока в сердечнике трансформатора. Увеличение магнитного потока приводит к увеличению потерь в магнитопроводе и значительному увеличению ЭДС во вторичной обмотке. Увеличение потерь в магнитопроводе приводит к его нагреву, а величина ЭДС, составляющая несколько тысяч вольт, может вызвать электрический пробой изоляции проводников вторичной обмотки. Поэтому вторичная обмотка всегда должна быть замкнута либо измерительным прибором, либо перемычкой, имеющейся в комплекте трансформатора тока. Для защиты обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током вторичная обмотка трансформатора тока всегда заземляется.

Выше отмечалось, что значение измеренного тока определяется путем умножения тока, измеренного амперметром, на коэффициент трансформации. На практике вместо действительного коэффициента трансформации КI приходится использовать номинальный коэффициент трансформации КIн , что приводит к погрешности определения тока. Классы точности переносных лабора-

181

торных трансформаторов тока: 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; стационарных, устанавливаемых на подстанциях: 0,2; 0,5; 1,0; 3; 5; 10. Номинальные значения сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки лежат в пределах от 0,2 до 2,0 Ом.

6.3.9.2. Измерение напряжения

Для измерения напряжения на каком-либо участке цепи или зажимах источника служат электроизмерительные приборы, называемые вольтметрами. Вольтметр подключают параллельно участку, на зажимах которого необходимо измерить напряжение .

Измерение напряжения в цепях постоянного тока может быть осуществлено электромеханическими вольтметрами магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем [4].

Измерительная цепь магнитоэлектрического вольтметра представляет собой рамку измерительного механизма и добавочного сопротивления, включенного последовательно с ней. Предел измерения вольтметра зависит от величины сопротивления рамки Rим, тока полного отклонения Iим измерительного механизма и величины добавочного сопротивления Rд.

При этом предельное значение напряжения, измеряемое вольтметром, можно вычислить по формуле U Iим Rим Rд IимRV

Откуда следует, что для выбранного предела измерения величина добавочного сопротивления равна

		R				U	R		R m 1 ,
				д		I им		им	V
	m	U
где			.
		Iим Rим

Ток полного отклонения магнитоэлектрических вольтметров составляет величину от 0,5 до 30 мА. Многопредельные вольтметры имеют набор внутренних добавочных сопротивлений, изготовленных из манганина, на номинальные токи 0,5; 1,0; 7,5; 15 и 30 мА. Многопредельные вольтметры имеют клавишный переключатель, нажатием кнопки которого пользователь устанавливает желаемое предельное значение измеряемого напряжения.

Диапазон напряжений, измеряемых приборами магнитоэлектрической системы, составляет от нескольких микроВольт до 600 В. Сопротивление рамки измерительного механизма невелико. Поэтому сопротивление прибора оп-

182

ределяется главным образом величиной внутреннего или наружного добавочного сопротивления, которое составляет от одного до нескольких десятков тысяч Ом. Класс точности вольтметров магнитоэлектрической системы высокий и составляет 0,1; 0,2; 0,5 – для переносных и 1,0; 1,5; – для щитовых приборов.

а)				бб))
~	V	IИМ		Л1	ТН	И1
		U	Z	~U1		V	Z
		Rg
				Л2		И2	U2

Рис. 6.10

Для более точных измерений напряжения постоянного тока применяют вольтметры электродинамической системы. В этих приборах неподвижную и подвижную катушки соединяют последовательно и через добавочное сопротивление подключают к измеряемому напряжению. Электродинамические вольтметры выпускают на несколько пределов измерения (до 300 В). Они имеют сравнительно малое (примерно 1 кОм на 30 В) внутреннее сопротивление, низкую чувствительность и большое потребление мощности от измерительной цепи (единицы Вт).

Внутренние добавочные сопротивления применяются в вольтметрах до 300 В. Если необходимо измерять напряжение выше 300 В или использовать для этого прибор с меньшим номинальным значением, то применяют наружные добавочные сопротивления (рис. 6.10, а) или трансформаторы напряжения (рис. 6.10, б)

Для измерения напряжения в цепях, где недопустимо иметь большое потребление мощности от измерительной цепи, применяют электронные вольтметры со стрелочным или цифровым отсчетом. Входное сопротивление таких вольтметров составляет 1…10 МОм, они имеют высокую чувствительность, но меньшую точность, чем вольтметры магнитоэлектрической или электродинамической систем. Диапазон измерений напряжения электронным вольтметром составляет от нескольких милливольт до сотен вольт.

Измерение переменного напряжения на частоте 50 Гц осуществляется в основном электромагнитной и электростатической системами приборов.

183

Измерительная цепь вольтметров электромагнитной или электродинамической систем представляет собой последовательное соединение катушек измерительного механизма и внутреннего добавочного активного сопротивления.

Для расширения пределов измерения вольтметров электромагнитной, электродинамической и электростатической систем применяются измерительные трансформаторы напряжения (ТН).

Первичную обмотку трансформатора напряжения с числом витков w1 включают параллельно измеряемому напряжению U1, вторичную с числом витков w2 - вольтметру на напряжение U2 (рис. 6.10, б).

Значение измеряемого напряжения U1 определяется из выражения

U1 = KU U2 ,

где KU U1H U 2H – номинальный коэффициент трансформации.

Сопротивление вольтметра, подключенного к вторичной обмотке трансформатора, составляет от 10 до 100 тысяч Ом и токи, протекающие во вторичной обмотке не превышают 30 мА. Пренебрегая падением напряжения внутренних обмоток на сопротивлениях трансформатора, считают, что измерительный трансформатор напряжения работает в режиме холостого хода.

Предприятия электротехнической промышленности выпускают измерительные трансформаторы напряжения двух типов И510 и УТН-1, имеющих класс точности 0,2. Трансформаторы И510 предназначены для работы в сетях напряжением 3,6,10 и 15 кВ, а трансформаторы типа УТН-1 в сетях до 1000 В (220,380,500 В). Номинальное напряжение вторичной обмотки измерительного трансформатора составляет 100 В. Угловая погрешность, обусловленная неточностью передачи фазы вторичного напряжения не превышает 10 % [7].

6.3.9.3. Измерение мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока

Для измерения мощности в цепях постоянного и переменного однофазного тока используют электродинамические ваттметры. Электродинамические ваттметры выпускаются в виде переносных лабораторных многопредельных приборов. Их класс точности 0,1…0,5. Изменение пределов измерения достигается коммутацией секций токовой катушки и подключением различных добавочных резисторов.

184

На рис. 6.11, а показана электрическая схема включения электродинамического ваттметра, например, в однофазную цепь переменного тока (включение ваттметра в цепь постоянного тока выполняется аналогично), а на рис. 6.11, б – принципиальная схема подключения прибора.

Рис. 6.11

Направление отклонения стрелки зависит от направления тока в обмотках ваттметров, поэтому их зажимы имеют специальную маркировку. Зажимы, обозначенные значком * (звездочкой), соединяются с проводами, идущими от источника электрической энергии. Зажимы, не имеющие этого обозначения, подключаются к нагрузке.

Значение мощности, измеренное ваттметром, вычисляется по формуле P CW n , где CW U H I H nшк – цена деления ваттметра, определяе-

мая произведением номинальных значений напряжения и тока, деленного на число делений шкалы прибора, Вт/дел; n – число делений, которое указывает стрелка прибора.

Следует запомнить, что номинальное значение напряжения устанавливается при помощи переключателя, расположенного на корпусе прибора. Обычно эти значения равны 75; 150; 300; 600 В. Например, для измерения напряжения 220 В переключатель следует установить на 300 В. Номинальное значение тока указано около токового зажима, к которому подключают потребитель. У многопредельных ваттметров эти значения равны 2,5; 5; 10; 25 А. Поэтому если ожидаемое значение тока не превышает 10 А, то провод, идущий к потребителю можно включить к зажиму, обозначенному 10 А. Число делений на шкале прибора обычно 100 или 150.

185

Для определения их числа необходимо посмотреть на шкалу и прочесть число записанное справа. Слева на шкале всегда записан ноль (числа делений слева от 0 и справа от максимального значения не считается).

Допустим, что nшк = 150 дел.

Тогда цена деления ваттметра CW 300 10 20 Втдел.

150

Если стрелка прибора показывает, например, 80 дел., то мощность, измеренная ваттметром равнаP CW n 20 80 1600 Вт.

Напомним, что мощность, измеряемая ваттметром в цепях переменного тока, называется активной.

Мощность цепи постоянного тока можно измерить косвенно – при помощи амперметра и вольтметра, показания которых перемножаются в соответствии с формулой Р =UI, Вт.

На рис. 6.12, а,б показаны две возможные схемы включения приборов в цепи постоянного тока. При измерениях следует учитывать методическую погрешность, зависящую от сопротивления вольтметра (рис. 6.12, а) или амперметра (рис. 6.12, б). Действительно, в первом случае амперметр измеряет не ток нагрузки, а сумму токов нагрузки и вольтметра, а во втором – показания вольтметра равны не падению напряжения на нагрузке, а сумме падений напряжения на нагрузке и амперметре. Таким образом, в обоих случаях мощность, вычисленная на основании показаний амперметра и вольтметра, будет завышена.

Первая схема (рис. 6.12, а) обеспечивает малую погрешность, если внутреннее сопротивление вольтметра в сотни раз больше сопротивления нагрузки; тогда как во втором случае внутреннее сопротивление амперметра в сотни раз меньше сопротивления потребителя.

Пример. Для измерения мощности в цепи постоянного тока использовали амперметр, внутреннее сопротивление которого 0,22 Ом, и вольтметр, имеющий сопротивление 4400 Ом. Определить: относительную погрешность измерения мощности этими приборами по двум возможным схемам их включения, если ток потребителя равен 5А, а напряжение на его зажимах 220 В.

Решение. Будем считать, что измерительные приборы включены по схеме рис.12, а. Мощность цепи, определенная по показаниям приборов P = UI = 220 5 = 1100 Вт.

Истинное значение мощности будет отличаться от расчетного так как ток в ветви с потребителем меньше тока, измеренного амперметром, на величину тока в ветви с вольтметром. Таким образом, истинное значение мощности

186

Рис. 6.12

потребителя равно: P	U I I			V		U (I	U	) 220(5		220	) 1089 Вт.
1							RV		4400
Погрешность измерения мощности по схеме рис. 6.12, а составляет:
1		P P1	100			1100 1089			100 1,01 % .
		P1				1089

Теперь найдем погрешность, если измерительные приборы будут включены по схеме рис. 6.12, б. В этом случае вольтметр измеряет суммарное падение напряжения на сопротивление амперметра и потребителя. Поэтому истинное значение мощности

P2 U IRa I (220 5 0,22) 5 1094,5 Вт.

Относительная погрешность измерения составляет:

			P P			100		1100	1094,5	100	0,5 % .
	2							1094,5
			2		P2

Данный пример показывает, что при выборе схемы измерения мощности в цепи постоянного тока при помощи вольтметра и амперметра особое внимание следует обратить на значения внутренних сопротивлений электроизмерительных приборов.

6.3.9.4. Измерение активной мощности в трехфазных цепях

Активная мощность трехфазного потребителя измеряется при помощи однофазных ваттметров электродинамической системы. Количество ваттметров, задействованных в работе, определяется нагрузкой трехфазного потребителя и схемой соединения его фаз. В соответствии с количеством используемых

187

приборов методы измерения мощности называются методами одного, двух или трех ваттметров.

Метод одного ваттметра можно применять только при полной симметрии фаз потребителя. Схема соединения трехфазного потребителя не играет решающего значения, если она имеет выводы, позволяющие подключить зажимы прибора на фазные значения тока и напряжения.

Рис. 6.13

В качестве примера на рис. 6.13 показаны две схемы включения ваттметра при соединении фаз потребителя по схеме "звезда" (рис. 6.13, а) и "треугольник" (рис. 6.13, б). Ваттметр измеряет активную мощность одной фазы. Показания ваттметра вычисляются по формуле

PВТ Pф CW n ,

где С W – цена деления ваттметра; n – число делений, на которое отклонилась стрелка прибора.

Активная мощность всей трехфазной цепи равна показанию ваттметра, умноженному на три: Р = 3 Рвт

Метод одного ваттметра находит ограниченное применение не только по причине возможной асимметрии сопротивлений фаз, но и недоступности точек для подключения прибора, например асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором, имеющего только три провода для подключения к питающей сети. В таких случаях активную мощность следует измерить другим способом, например методом двух ваттметров.

Метод двух ваттметров применим только для трехпроводных схем независимо от симметрии фаз потребителя.

188

В качестве примера на рис. 6.14 показаны три возможные варианта включения ваттметров. Нумерация ваттметров определяется порядком включения их токовых обмоток в линейные провода в соответствии с прямой последовательностью фаз 1-2-3-1-2 и т. д. Отличительная особенность метода двух ваттметров состоит в том, что токовые обмотки приборов включены в цепь линейных токов, а обмотки напряжения подключаются на линейное напряжение.

Активная мощность трехфазного потребителя определяется алгебраической суммой показаний ваттметров: Р = Р1 Р2 .

Следует помнить, что при симметричной нагрузке активного характера (при φф = 0о) показания ваттметров будут одинаковыми. При симметричной нагрузке активно-индуктивного или активно-емкостного характера, когда сдвиг фаз больше 60о, показания одного из приборов будут отрицательными, т. е. стрелка этого ваттметра будет отклоняться влево. Для того чтобы стрелка этого прибора отклонялась вправо, необходимо при помощи переключателя напряжений изменить схему включения обмотки вольтметра и записать показания прибора со знаком минус.

Из теории трехфазных цепей [1,2] известно, что для симметрии фазных напряжений при несимметричной нагрузке трехфазный потребитель соединяют по четырехпроводной схеме "звезда". Активная мощность четырехпроводных схем может быть измерена методом ваттметров.

Рис. 6.14

189

6.3.9.5. Измерение реактивной мощности в трехфазных цепях

Измерить реактивную мощность можно различными способами: при помощи специальных реактивных ваттметров или обычных ваттметров, включаемых по специальной схеме.

Реактивные ваттметры (варметры), выпускаемые промышленностью, применяются преимущественно для лабораторных измерений. Отличие реактивного ваттметра в том, что он имеет усложненную схему параллельной цепи, в которую включают реактивное сопротивление, обеспечивающее сдвиг по фазе 90о между векторами тока и напряжения этой цепи. В этом случае угол отклонения подвижной части прибора будет пропорционален реактивной мощности. Главный недостаток ваттметра реактивной мощности – это зависимость его показаний от частоты.

Измерение реактивной мощности при неравномерной нагрузке фаз можно осуществить при помощи трех ваттметров, включенных по схеме, показанной на рис. 6.15

Реактивная мощность цепи определяется выражением

Q P1 P2 P3 .

3

Рис. 6.15

6.4. Измерения и контроль неэлектрических величин

Автоматизация производственных процессов предусматривает измерениея и контроль как электрических, так и неэлектрических величин. К числу последних относятся, например, уровень жидкости, геометрические размеры, температура, механические усилия и ряд других неэлектрических величин.

190

Для измерений неэлектрических величин широкое применение находят электрические методы контроля. Они позволяют осуществить дистанционные измерения, контроль при помощи электроизмерительных приборов. Во всех случаях при использовании электрических методов измерений неэлектрических величин последние должны быть предварительно преобразованы в зависящую от них электрическую величину. Например, уровень или количество жидкости в резервуаре пропорционально напряжению, величина которого измеряется вольтметром. В этом случае шкала прибора должна быть отградуирована в единицах измеряемой неэлектрической величины. Такое преобразование выполняют с помощью различных преобразователей, выходной сигнал которых позволяет судить об измеряемой неэлектрической величине. Эти первые преобразователи, использующие различные физические явления, включают в измерительную цепь, которая содержит мостовые или компенсационные цепи, различные электронные устройства [5].

По физическому принципу их действия различают параметрические и генераторные измерительные преобразователи. В параметрических преобразователях выходной величиной является изменяющийся параметр электрической цепи, например сопротивление резистора, емкость конденсатора, индуктивность катушки. В генераторных преобразователях изменение измеряемой величины вызывает генерирование ЭДС.

Рассмотрим некоторые типы параметрических и генераторных преобразователей, используемых для измерения уровня жидкости, температуры, деформации и ряда других механических величин.

6.4.1. Реостатный преобразователь

Реостатный преобразователь – это прецезионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое линейное перемещение движка, выходной – изменение его сопротивления.

Устройство преобразователя показано на рис. 6.16, а. Он состоит из каркаса 1, на который намотан провод 2, и токосъемного движка 3, укрепленного на оси 4. Для обеспечения электрического контакта движка 3 и провода 2 в месте касания обмотка зачищается от изоляции.

Обмотка выполняется проводом из материала, имеющего высокое удельное сопротивление, например константана, манганина, фехраля.

191

а)

б)

В I	С IИМ
	Rр
U1	V
	R

А А

Рис. 6.16

На рис. 6.16, б показана потенциометрическая схема включения реостатного преобразователя. Напряжение с движка реостата подается на нагрузку, в качестве которой может быть применена измерительная цепь вольтметра. Обычно сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления реостата, что позволяет пренебречь током реостата по сравнению с током вольтметра. В этом случае реостатный преобразователь работает в режиме холостого хода и напряжение, измеряемое вольтметром, пропорционально сопротивлению R, т. е. перемещению движка.

Реостатные преобразователи находят применение в устройствах для измерения уровня жидкости. В качестве примера на рис. 6.17 показана упрощенная схема уровнемера поплавкового типа.

Изменение уровня жидкости с помощью поплавка 1 и рычага 2 преобразуется в изменение положения движка реостатного преобразователя 3. Это изменяет ток в обмотках логометрического измерительного механизма 4, шкала которого градуирована в единицах уровня или количества жидкости.

192

Рис. 6.17

6.4.2. Тензорезисторный преобразователь

Тензорезисторный преобразователь (тензорезистор) представляет собой проводник, изменяющий свое сопротивление под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации. Действительно, сопротивление проводника зависит от его длины l, площади поперечного сечения S и удельного сопротивления ρ материала, из которого он изготовлен.

Количественно величина сопротивления определяется выражением вида

R Sl .

При деформации проводника, например растяжении, изменяются не только длина и площадь поперечного сечения, но и деформируется кристаллическая решетка, что приводит к изменению удельного сопротивления. Свойством изменять сопротивление под воздействием внешних механических факторов в большей или меньшей степени обладают все проводники и полупроводники. Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов является константан. Тензочувствительность константана находится в пределах 2…2,1, а нелинейность функции преобразования не превышает 1%

193

Конструктивно тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной 4…12 мкм (рис. 6.18, а). Сверху решетка покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации, вследствие малого сопротивления перемычек, соединяющих тензочувствительные элементы.

Рис. 6.18

Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство, но его решетка выполнена из константановой проволоки толщиной 20 и 50 мкм. По метрологическим и эксплуатационным характеристикам проволочные тензорезисторы уступают фольговым.

Фольговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5,0 и 20 мм, ширину 3 и 10 мм. Их номинальное сопротивление равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Параметры тензорезисторов общего назначения регламентирует ГОСТ

21616-70.

Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой пластинку монокристалла кремния или германия длиной 5 и 10 мм, шириной 0,2 и 0,8 мм. К ее торцам приварены выводные проводники. Номинальное сопротивление лежит в пределах от 50 до 800 Ом. Основной недостаток полупроводниковых тензорезисторов - зависимость параметров и характеристик от температуры.

Тензорезисторы применяются для преобразования деформации деталей и изменения сопротивления. Для этого они приклеиваются к этим деталям и испытывают одинаковые с ними деформации. Наиболее часто тензорезисторные преобразователи включаются в схему неравновесного моста (рис. 6.18, б).

Выходное напряжение моста определяется выражением вида

194

U x U R1R4 R2 R3 / R1 R2 R3 R4 ,

где U – напряжение питания.

В качестве R1 и R2 включаются одинаковые тензорезисторы. При отсутствии измеряемой деформации их сопротивления равны R10 = R20 = R0 . Кроме того, обычно выбирают R3 = R4 . В этом случае, когда деформация тензорезисторов отсутствует, выходное напряжение Uх = 0.

При деформации тензорезисторов выходное напряжение моста пропорционально разности сопротивлений тензорезистров и определяется выражением вида

U x U R1 R2 / 2 R1 R2 .

Выходное напряжение тензорезисторного листа обычно не превышает 10 и 20 мВ. Поэтому в тензорезисторных приборах используются усилители выходного сигнала.

6.4.3. Емкостной преобразователь

Емкостной преобразователь представляет собой конденсатор, электрические параметры которого изменяются под действием входной величины.

Конденсатор состоит из двух электродов, к которым подсоединены выводные концы. При изменении взаимного положения электродов или при изменении диэлектрической проницаемости среды, заполняющей межэлектродное пространство, изменяется емкость конденсатора.

Изменение емкости конденсатора приводит к изменению напряжения или тока измерительной цепи, в которую включен емкостной преобразователь.

Емкостные преобразователи находят применение в устройствах для изме-

Рис. 6.19

195

рения уровня жидкости. В качестве примера на рис. 6.19 показана схема уровнемера с цилиндрическими электродами.

Емкость преобразователя эквивалентна параллельному соединению двух цилиндрических конденсаторов, один из которых заполнен жидкостью с относительной диэлектрической проницаемостью εг и имеет высоту h , а другой имеет высоту (Н – h) и свободен от жидкости.

Емкостной уровнемер типа РУС предназначен для измерения уровня электрических и электропроводных жидкостей. Его датчик преобразует измеряемый уровень жидкости в унифицированный выходной сигнал постоянного тока. Для работы с электропроводными жидкостями используются электроды, выполненные в виде проводов с фторопластовой изоляцией. Для измерения уровня неэлектропроводных жидкостей используются неизолированные электроды, выполненные в виде коаксильных труб, гибких тросиков и стальных лент. Диапазоны измерения уровня жидкостей составляют от 0 до 20 м. Классы точности емкостных преобразователей составляют 05;1,0;1,5;2,5.

Емкостные преобразователи имеют ряд специфических достоинств и недостатков, определяющих область их применения. К достоинствам емкостных преобразователей относятся: простота конструкции, малые массогабаритные показатели, жесткость электродов и слабая сила их взаимного притяжения. К недостаткам емкостных преобразователей относятся: низкая емкость конденсатора и высокое сопротивление. По данным [2,3] номинальная емкость преобразователя составляет от единиц до сотен пикофарад, а внутреннее сопротивление на частоте 50 Гц достигает значений 107 Ом. С целью уменьшения сопротивления преобразователи подключают к источникам напряжения повышенной частоты. Однако в этом случае увеличивается стоимость устройств дополнительных элементов преобразователя.

6.4.4. Индукционные преобразователи

Принцип действия индукционного преобразователя основан на законе электромагнитной индукции. Преобразователь имеет катушку. При воздействии входной величины на преобразователь изменяется потокосцепление Ψ катушки с внешним по отношению к ней магнитным полем. При этом в катушке индуктируется электродвижущая сила (ЭДС).

e d dt .

196

На рис. 6.20, а показана одна из конструктивных схем преобразователя вибрационной скорости, когда ее амплитуда не превышает нескольких миллиметров.

Преобразователь имеет кольцевой магнит 1, вставленный в стальное ярмо 2. Магнитный поток от постоянного магнита проходит по центральному цилиндрическому сердечнику через воздушный зазор и кольцевой полюсный наконечник 3. В цилиндрическом воздушном зазоре находится намотанная на каркас катушка 4, которая под действием внешней механической силы может перемещаться в воздушном зазоре вдоль оси преобразователя.

Индукционные преобразователи генерируют ЭДС только при перемеще-

Рис. 6.20

нии катушки в магнитном поле. Они относятся к группе генераторных преобразователей, так как преобразуют механическую энергию в электрическую. Индукционные преобразователи находят применение для измерения линейной или угловой скорости вибрации или измерения частоты вращения электрических машин.

Магнитный поток, пронизывающий витки катушки, не меняется во времени, но при вибрации изменяется часть витков, пересекающих магнитные силовые линии. Это и является причиной индуктирования ЭДС пропорционально скорости вибрации катушки.

Индукционные преобразователи могут применяться и для измерения угловой виброскорости. Схема такого преобразователя показана на рис. 6.20, б. Он состоит из постоянного магнита 1, полюсных наконечников 2, цилиндрического стального сердечника 3 и катушки 4. Устройство преобразователя аналогично устройству магнитоэлектрического измерительного механизма. При по-

197

вороте катушки вокруг оси сердечника ее потокосцепление изменяется и в ней индуктируется ЭДС, пропорциональная угловой скорости.

Другим применением индукционных преобразователей является измерение частоты вращения, например, двигателей внутреннего сгорания. Преобразователи этого типа представляют собой электромашинный генератор, к выходным зажимам которого подключается вольтметр переменного или постоян-

ного тока. Шкала прибора градуируется в оборотах в минуту.

Рис. 6.21.

Вкачестве примера на рис. 6.21, а показана схема синхронного преобразователя с вращающимся постоянным магнитом. Он состоит из статора 1, на котором помещена обмотка, и ротора 2 с закрепленным на нем постоянным магнитом. При вращении магнита изменяется поток, проходящий через обмотку и в ней индуктируется переменная ЭДС. Амплитуда и частота ЭДС пропорциональны частоте вращения ротора.

На рис. 6.21, б приведена схема тахометрического преобразователя постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита, расположенного на статоре 1. Измерительная обмотка расположена на роторе 2, и при его вращении в ней индуктируется переменная ЭДС, которая с помощью коллектора 3 выпрямляется. Для снятия выпрямленной ЭДС по коллектору скользят неподвижные щетки.

Взаключение следует отметить, что существуют и другие типы параметрических и генераторных преобразователей, позволяющих осуществлять кон-

198