Задания для самостоятельного выполнения. Для однофазной мостовой схемы выпрямителя (рис

Задание №1

Для однофазной мостовой схемы выпрямителя (рис. 13, а), работающего в режиме холостого хода определить постоянную составляющую (среднее значение) выпрямленного напряжения на выходе и амплитуду пульсаций, если входное напряжение равно 10 В.

 

Задание №2

Для трехфазной мостовой схемы выпрямителя (рис. 13, г) определить среднее значение тока через каждый из вентилей схемы при напряжении питания 380 В, если сопротивление активной нагрузки на выходе выпрямителя равно 10 Ом.

 

Задание №3

По входной характеристике транзистора (рис. 26) определить величину сопротивления резистора в цепи базы (рис. 27) при условии, что ток смещения базы =1,2 мА, при напряжении питания =5 В.

 

 

Рис.26.Входная характеристика транзистора

Рис.27.Усилительный каскад на биполярном транзисторе

 

Задание №4

Определить значения статического и дифференциального входного и выходного сопротивлений транзистора для точки а его входной (рис. 26) и выходной (рис. 28) характеристик, если =8 В, а =0,4 мА.

 

Рис.28.Выходная характеристика транзистора

 

Задание №5

Амплитуда напряжения на входе усилителя на биполярном транзисторе (рис. 17, а) =0,8 В. Определить амплитуду напряжения на выходе усилителя и коэффициент усиления усилителя К, если частота усиленного сигнала f =10 кГц, =10 В, =300 Ом, статический коэффициент усиления транзистора =100, =5 кОм, =1 кОм, =100 Ом, =1 мкФ. Характеристики транзистора приведены на рис. 26, 28.

 

 

Электрические машины

 

Основное назначение электрических машин – преобразование механической энергии в электрическую (генераторы) и наоборот (электродвигатели). Электрические машины специального назначения позволяют преобразовывать переменный ток в постоянный и наоборот, частоту и число фаз переменного напряжения, угол поворота, частоту вращения, скорость перемещения, ускорение, момент и т. д.

Конструктивно электрическая машина состоит из двух основных частей: вращающейся – ротора и неподвижной – статора. На роторе и статоре располагаются обмотки, наличие тока в которых создает вокруг них электромагнитное поле.

Принцип действия электрических машин основан на взаимодействии электромагнитных полей статора и ротора. Если вращать постоянный магнит (электромагнит) внутри обмоток (системы рамок), то в них будет наводиться ЭДС. Если вращать обмотку (рамку) внутри магнитного поля, то в ней также будет наводиться ЭДС. Если же по рамке, расположенной внутри магнитного поля, пропускать переменный ток (т.е. создавать в ней переменное магнитное поле), то рамка будет вращаться, преобразуя электрическую энергию в механическую. В этом заключается принцип обратимости электрических машин.

Основное магнитное поле в электрических машинах (поле возбуждения) может быть создано постоянными магнитами, либо с помощью обмоток возбуждения, получающих питание от источника постоянного или переменного напряжения, а вращающееся магнитное поле – с помощью многофазной системы токов. Повышение электромагнитной силы достигается усилением магнитного поля за счет применения ферромагнитных материалов в системе возбуждения и увеличением активной длины проводников, образующих обмотки электрической машины.

Обмотка, в которой индуцируется ЭДС при пересечении её проводниками магнитного поля, называется якорной. Она может располагаться как в пазах статора, так и в пазах ротора. Ротор с якорной обмоткой называется якорем.

Проводники обмоток размещаются в пазах ротора и статора, что позволяет не только надежно их закрепить, но и до минимума уменьшить воздушный зазор между статором и ротором, создавая значительный магнитный поток при той же магнитодвижущей силе.

Секции обмотки машин постоянного тока присоединены к коллектору, который представляет собой цилиндр, состоящий из ряда изолированных друг от друга и от корпуса электрической машины медных пластин, по которым скользят щетки. Число пластин равно числу секций обмотки.

Электродвигатели, приводящие в движение различные механизмы, так же, как и генераторы, в зависимости от вида источника питания могут быть постоянного и переменного тока (синхронные и асинхронные). В зависимости от функций этих механизмов к электродвигателям предъявляются определенные требования: обеспечение необходимого пускового момента и возможность его регулирования, устойчивость работы в рабочем режиме, возможность регулирования скорости (частоты) вращения, высокий КПД и коэффициент мощности, надежность в работе и др.

В двигателях постоянного тока основное магнитное поле создается специальной обмоткой возбуждения, которая может включаться последовательно, параллельно или смешанно с обмоткой якоря, либо питаться от независимого (т.е. отдельного) источника питания. В маломощных машинах основное магнитное поле создается постоянными магнитами. Поэтому различают двигатели постоянного тока с независимым, последовательным, параллельным и смешанным возбуждением (рис. 1).

 

 

а) б) в) г)

 

Рис 1. Машина постоянного тока с независимым(а), последовательным(б), параллельным (в) и смешанным (г) возбуждением

 

Двигатель с последовательным возбуждением (рис. 1, б) при отсутствии нагрузки на его валу идет в разнос, т.к. его скорость неограниченно растет, поэтому такие двигатели всегда работают под нагрузкой (электротранспорт, крановые установки и т.д.). При пуске двигателю необходим большой пусковой момент, чтобы преодолеть инерцию неподвижного механизма.

Двигатели с параллельным возбуждением (рис. 1, в) имеют меньший пусковой момент и используются в вентиляторах, центробежных насосах, компрессорах и т. д.

Двигатели смешанного возбуждения (рис. 1, г) имеют наибольший пусковой момент и выдерживают кратковременные перегрузки и большие ускорения, поэтому применяются в центрифугах, прокатных станах, строгальных станках и т.д.

Для изменения направления вращения двигателя (реверса) необходимо изменить полярность напряжения питания якоря или обмотки возбуждения.

Основной рабочей характеристикой электродвигателей является механическая – зависимость частоты вращения или угловой скорости от вращающего момента (рис. 2). Механическая характеристика двигателя постоянного тока, полученная при номинальных значениях напряжения питания и отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря, называется естественной, а в противном случае – искусственной.

 

а) б) в) г)

 

Рис.2 Механические характеристики двигателей: а) с последовательным возбуждением; б) с параллельным возбуждением; в) со смешанным возбуждением; г) асинхронного двигателя

 

У генераторов постоянного тока также различают (рис. 1) независимое возбуждение (питание обмотки возбуждения от независимого источника, либо использование постоянных магнитов) и самовозбуждение (питание обмотки возбуждения собственным выходным напряжением генератора при последовательном, параллельном или смешанном (согласном или встречном) соединении обмоток возбуждения с обмоткой якоря).

Характеристика холостого хода генератора постоянного тока (рис. 3, а), снятая при плавном изменении тока возбуждения от нуля до максимума и обратно, представляет собой петлю гистерезиса. В режиме нагрузки ток обмотки якоря создает собственное магнитное поле, которое воздействует на основное поле возбуждения машины. Это явление называют реакцией якоря.

 

а) б) в)

 

Рис.3 Характеристики генераторов постоянного тока: а) холостого хода; б) внешняя (1-независимого возбуждения, 2-параллельного возбуждения); в)регулировочная

 

Основной рабочей характеристикой генераторов является зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, называемая внешней характеристикой (рис. 3, б), которую снимают при постоянной частоте вращения ротора (якоря). Характер этой зависимости определяется способом возбуждения основного поля.

Для компенсации уменьшения выходного напряжения при увеличении тока нагрузки увеличивают ток возбуждения (создают более сильное поле). Зависимость тока возбуждения от тока нагрузки для поддержания постоянного по величине напряжения генератора называют регулировочной характеристикой (рис. 3, в).

Асинхронные и синхронные машины переменного тока не имеют коллектора. Их работа основана на использовании вращающегося магнитного поля, которое создается обмотками статора при подаче на них напряжений, сдвинутых по фазе относительно друг друга. В трехфазных синхронных и асинхронным машинах обмотка статора (якоря) делится на три части – фазы, электрическая ось каждой из которых сдвинута друг относительно друга на 120 электрических градусов (один электрический градус в р раз (p -число пар полюсов) меньше геометрического). При этом в статоре возникает вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с полем ротора, создает вращающий электромагнитный момент ротора в направлении вращения магнитного поля статора.

Двигатели, предназначенные для работы от однофазной или двухфазной сети, изготавливаются с двумя обмотками, оси которых сдвинуты на угол 90 градусов. Вращающееся магнитное поле в них можно получить двумя способами: либо расщеплением (экранированием) полюсов – охватом части полюса короткозамкнутым витком, либо включением в цепь одной из обмоток элемента R, L или C, что позволяет сдвинуть по фазе ток этой обмотки относительно тока другой обмотки.

Асинхронные двигатели получили широкое применение в качестве электропривода различных механизмов. Они могут быть с вращающимся и бегущим магнитным полем. По способу возбуждения магнитного поля асинхронные двигатели делятся на трехфазные, двухфазные и однофазные, а по типу обмотки ротора – с короткозамкнутым и фазным ротором.

При подключении к сети токи обмотки статора возбуждают вращающиеся магнитные поля статора и ротора, которые, взаимодействуя друг с другом, создают вращающий электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. При этом ротор увлекается бегущим полем статора, но никогда не догоняет его, чтобы витки ротора постоянно пересекали меняющееся поле статора. Поля статора и ротора имеют разные частоты вращения, т. е. вращаются асинхронно. При анализе работы асинхронного двигателя пользуются относительной величиной, называемой скольжением (относительным отставанием ротора от вращающегося магнитного поля статора) .

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя может осуществляться тремя способами: изменением частоты питающего напряжения, переключением числа пар полюсов и изменением скольжения.

Мощность электрических потерь в роторе асинхронного двигателя пропорциональна скольжению. Полезная мощность на валу двигателя меньше механической на величину мощности механических потерь. При пуске асинхронного двигателя пусковой ток в обмотке статора может в 5–10 раз превышать номинальный, поэтому при частых пусках наблюдается сильный перегрев и выход из строя двигателя.

Ограничение пускового тока и регулирование пускового момента может осуществляться двумя способами: изменением частоты питающего напряжения и увеличением активного сопротивления цепи обмотки ротора в период пуска двигателя.

Для реверса ротора асинхронного двигателя достаточно изменить порядок чередования фаз (поменяв местами любые две фазы).

У синхронных генераторов обмотка якоря располагается на статоре, обмотка возбуждения – на роторе. Роторы синхронных генераторов (рис. 4) при многополюсной системе возбуждения выполняются с явно выраженными полюсами (гидрогенераторы), при двухполюсной системе возбуждения – с неявно выраженными полюсами (турбогенераторы). Ток в обмотку ротора поступает через контактные кольца и щетки от внешнего источника постоянного тока. В синхронных генераторах стремятся получить синусоидальную форму выходного напряжения, что обеспечивается созданием неравномерного воздушного зазора между статором и ротором, либо специальным несимметричным распределением проводников обмотки возбуждения по пазам.

 

 

 

а) б)

 

Рис. 4 Роторы синхронных генераторов: а) с явно выраженными полюсами; б) с неявно выраженными полюсами

 

Характеристика холостого хода синхронного генератора имеет такой же вид, как и у генератора постоянного тока, но здесь значительно меньше проявляется гистерезис магнитной цепи. При включении обмотки якоря (статора) на внешнее сопротивление (нагрузку) в её проводниках появляется ток, который будет совпадать по фазе с ЭДС только при активной нагрузке, а при индуктивной и емкостной ток будет соответственно отставать или опережать ЭДС по фазе на угол 90 градусов. Поэтому реакция якоря при индуктивной нагрузке будет размагничивающая, а при емкостной – подмагничивающая (т. е. результирующее магнитное поле машины относительно активной нагрузки будет ослабляться в первом случае и усиливаться во втором). Вследствие этого вид внешней характеристики синхронного генератора будет определяться характером нагрузки (рис. 5).

 

 

cos φ<1 (ёмк)

 

 

cos φ=1 (акт)

 

cos φ<1 (инд)

 

Рис.5 Внешняя характеристика синхронного генератора при: а) активной нагрузке; б) индуктивной нагрузке; в) емкостной нагрузке

 

В синхронных двигателях вследствие отсутствия пускового момента необходим его предварительный разгон до угловой скорости, близкой к синхронной. Наиболее распространен асинхронный запуск синхронного двигателя. Для этого на его полюсах размещается короткозамкнутая обмотка, которая создает при подключении якоря к трехфазной сети пусковой электромагнитный момент, как у асинхронного двигателя. При этом обмотка возбуждения двигателя отключается от источника постоянного тока и замыкается на активное сопротивление. При достижении частоты вращения, близкой к синхронной, обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока и двигатель втягивается в синхронный режим работы.

Важным преимуществом синхронного двигателя является способность регулировать потребляемую из сети реактивную мощность путем изменения тока возбуждения, поэтому они часто используются в промышленности в качестве компенсаторов реактивной мощности для регулировки коэффициента мощности ().

Коллекторные двигатели переменного тока по конструкции аналогичны двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением и поэтому являются универсальными (могут работать как от сети однофазного переменного тока, так и от сети постоянного тока). Однако искрение под щетками, радиопомехи, шум, потери мощности при работе на переменном токе значительно больше, чем на постоянном (из-за ухудшенных условий коммутации). Преимущество коллекторного двигателя переменного тока по сравнению с асинхронным и синхронным состоит в том, что он позволяет получить практически любые частоты вращения и путем простых средств обеспечить широкое и экономичное регулирование пускового момента и частоты вращения.

Вопросы по теме

 

1. Какие устройства называют электрическими машинами? Для чего они предназначены?

2. На чем основана работа электрических машин?

3. Как в электрической машине электрическая энергия преобразуется в механическую?

4. Как в электрической машине механическая энергия преобразуется в электрическую?

5. В чем состоит принцип обратимости электрических машин?

6. Из каких элементов состоит электрическая машина?

7. Какое назначение имеет статор электрической машины? Как он устроен?

8. Какое назначение имеет ротор электрической машины?

9. Зачем электрической машине нужен коллектор? Как он устроен? В каких машинах он применяется?

10.Зачем нужна и как работает обмотка возбуждения?

11.Что понимают под реакцией якоря электрической машины?

12. Какой вид имеет характеристика холостого хода генератора постоянного тока?

13. Что показывает внешняя характеристика электродвигателя?

14. Как образуется вращающееся магнитное поле?

15. Как работает асинхронный электродвигатель?

16. Как устроен ротор асинхронного электродвигателя? Как в нем образуется вращающий момент?

17. Как можно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя?

18. Как производится пуск асинхронного двигателя?

19. Как устроен синхронный генератор? Почему у него якорь размещают не на роторе, а на статоре?

20. Как образуется вращающий электромагнитный момент у синхронных двигателей?

21. Как производится разгон синхронного двигателя? Зачем требуется его разгонять?

22. Как изменить направление вращения ротора асинхронного двигателя?

23. Какова конструкция коллекторных двигателей переменного тока? В чем заключаются их преимущества?