Двигатели постоянного тока

Включение трехфазных двигателей в однофазную сеть

На рисунках а) и б) показаны схемы включения трехфазных двигателей, у которых выведены лишь по три конца статорных обмоток. На рисунках в) и г) показаны схемы включения трехфазных двигателей, у которых выведены все шесть концов статорной обмотки.

Все рабочие характеристики двигателей постоянного тока зависят от способа включения цепи возбуждения (статорной) по отношению к цепи якоря (ротора) (рис.29). Соединение может быть параллельным, последовательным, смешанным и обе обмотки могут быть подключены независимо друг от друга.

Рис.29. Схемы подключения двигателей постоянного тока.

Двигатели с параллельным и независимым возбуждением. Схема включения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением показана на рис.30, где ПР - пусковой реостат, а РР - регулировочный реостат.

Если обмотку возбуждения такого двигателя подключить через регулировочный реостат РР к другому источнику постоянного напряжения, то получится двигатель с независимым возбуждением.

Рис.30. Схема подключения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Изменение скорости вращения может про­ходить за счет изменения нагрузки и магнитного тока. Увеличение тока нагрузки незначительно изменяет внутреннее падение напряжения из-за малости сопротивления цепи якоря и поэтому лишь незначительно уменьшает скорость вращения дви­гателя. Что же касается магнитного потока, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости вращения двигателя. Таким образом, скорость вращения двигателя с параллельным возбуждением изменяется.

Скорость вращения двигателя с независимым возбуждением можно регулировать изменением либо сопротивления цепи якоря, либо магнитного потока. Следует отметить, что чрезмерное уменьшение тока возбуждения и особенно случайный обрыв этой цепи очень опасны для двигателей с параллельным и независимым возбуждением, так как ток в якоре может возрасти до недопустимо больших значений. При небольшой нагрузке (или на холостом ходу) скорость может настолько возрасти, что это станет опасным для целости двигателя.

Двигатель с последовательным возбуждением. Схема включения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением показана на рис.31. У такого двигателя ток якоря является одновременно и током возбуждения, так как обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. Поэтому магнитный поток двигателя изменяется с изменением нагрузки.

Скоростная характеристика двигателя последова­тельного возбуждения приведена на рис.32. Из этой характеристики видно, что скорость дви­гателя сильно зависит от нагрузки. При увеличе­нии нагрузки увеличивается падение напряжения на сопротивлении обмоток при одновременном уве­личении магнитного потока, что приводит к значи­тельному уменьшению скорости вращения двигате­ля. Это характерная особенность двигателя с после­довательным возбуждением. Значительное умень­шение нагрузки приводит к опасному для двигате­ля увеличению скорости вращения. Поэтому такие двигатели не следует пускать вхолостую или с ма­лой нагрузкой

Рис.31. Схема включения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Регулирование скорости вращения двигателя с последовательным возбуждением может осуществ­ляться путем изменения либо магнитного потока, либо напряжения питания (рис.32).

Рис.32. Скоростная характеристика двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

Двигатели с последовательным возбуждением применяют в тех случаях, когда необходим боль­шой пусковой момент или способность выдерживать кратковременные перегрузки, а также исключена возможность их полной разгрузки. Они оказались незаменимыми в качестве тяговых двигателей на электрическом транспорте (трамваи, троллейбусы, метро и электровозы), а также на подъемных кра­нах и для пуска двигателей внутреннего сгорания (стартеры) на автомобилях и авиационных двигателей.

Двигатель со смешанным возбуждением. Схема включения двигателя посто­янного тока со смешанным возбуждением показана на рис.33. На каждом полюсе тако­го двигателя имеются две обмотки - параллельная и последовательная.

Рис.33. Схема включения двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением.

В зависимости от соотношения магнитных потоков обеих обмоток двигатель со смешанным возбуждением по своим свойствам приближается либо к двигателю с параллельным возбуждением, либо к двигателю с последовательным возбуждением.

Глава 9. Электронные устройства

1. Полупроводниковые приборы: устройство, принцип действия

Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Полупроводники одновременно являются плохими проводниками и плохими диэлектриками. Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики ври высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника.

Типичными полупроводниками являются углерод (С), германий (Се) и кремний (Si). Германий - это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 г. Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, являются золы некоторых сортов угля.

Кремний был открыт в 1823 г. Он широко рас­пространен в земной коре в виде кремнезема (дву­окиси кремния), силикатов и алюмосиликатов. Дву­окисью кремния богаты песок, кварц, агат и кремень. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.

Рассмотрим подробнее образование электронов проводимости в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z = 14 в периодической системе Менделеева. Поэтому в состав атома входят 14 электронов. Однако только четыре из них находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти электроны называются валентными и обусловливают четыре валентности кремния (рис.34). Атомы кремния способ­ны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью, так называемой ковалентной связи. При ковалентной связи валентные электроны совместно используют­ся различными атомами, что приводит к образованию кристалла.

При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости.

Однако при освобождении электрона в кристаллической решетке образуется незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами связи получили название «дырок». При наличии электрического поля электроны перемещаются против поля, а дырки будут двигаться в направлении поля, т.е. так, как двигались бы положительные заряды. Следовательно, в полупроводнике имеются два типа носителей тока – электроны и дырки, а общая проводимость является суммой электронной и дырочной проводимостей и носит название собственной проводимости.

Рис.34. Кристаллическая решетка кремния.

Чистые полупроводниковые материалы содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используют легирование, т.е. добавление примесей в полупроводниковые материалы.

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис.35).

Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атома­ми. Его пятый электрон слабо связан с ядром илегко может стать свободным. Атом мышьяка назывется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар.

Рис.35. Замещение атомов Ge атомами As.

Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок, поэтому электроны называют основными носителями. Дырки называют неосновными носителями.По­скольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n-типа.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов (рис.36).

Рис.36. Замещение атомов Ge атомами In.

Это создаст в ковалентной связи дырку. Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки, называются акцепторными. При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны - неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником p-типа.

Полупроводниковые материалы n- и p-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.

Двухслойное полупроводниковое устройство называют диодом. Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется р-n-переходом и обладает очень важным свойством — его сопротивление зависит от направления тока (рис.37).

Рис.37. Создание запирающего слоя. Диод.

Итак, в куске монокристаллического полупровод­ника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n-переход. Концентрация электро­нов в n-области во много раз больше их концент­рации в p-области. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации (в p-область). Здесь они рекомбинируют с дырками. Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Таким образом, на грани­це создается двойной слой пространственного заряда. В этом слое возникает контактное электри­ческое поле, препятствующее дальнейшему пере­ходу электронов и дырок из одной области в другую.

Контактное поле поддерживает состояние равно­весия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенци­альный барьер, обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители заряда p- и n-областей (элект­роны и дырки) создают небольшой ток проводимос­ти. В состоянии равновесия эти токи взаимно ком­пенсируются.

Если к p-n-переходу подключить внешний источ­ник тока, то напряжение указанной на рис.36 обратной полярности приведет к появлению внеш­него поля Е, совпадающего по направлению с кон­тактным полем Е_к, В результате ширина двойного слоя увеличится и тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет неосновных носителей обратный ток I_обр.

При включении напряжения прямой полярности направление внешнего поля противоположно на­правлению контактного поля. Ширина двойного слоя уменьшится, и в цепи возникнет большой прямой ток 1_пр. Таким образом, p-n-переход обладает ярко выраженной односторонней проводи­мостью. Это отражает его вольтамперная характе­ристика

Когда к p-n-переходу приложено прямое напря­жение, ток быстро возрастает с ростом напряжения (рис.38). Когда же к p-n-переходу приложено обратное на­пряжение, ток очень мал, быстро достигает насыще­ния и не изменяется да некоторого предельного зна­чения обратного напряжения, после чего резко возрастает. Это так называемое напряжение пробоя U_обр, при котором наступает пробой p-n-перехода и он разрушается. Следует отметить, что на рис.38 масштаб обратного тока в тысячу раз меньше масштаба прямого тока.

Рис.38. Вольтамперная характеристика диода.

P-n-переход является основой полупроводниковых диодов, которые применяются для выпрямления пе­ременного тока и для других нелинейных преобра­зований электрических сигналов.

Все диоды обладают малым обратным током. В германиевых диодах он измеряется в микроампе­рах, а в кремниевых – в наноамперах. Германиевый диод имеет больший обратный ток и более чувстви­телен к температуре. Этот недостаток германиевых диодов компенсируется невысоким потенциальным барьером.

При комнатной температуре обратный ток мал. При повышении температуры обратный ток увели­чивается, нарушая работу диода. В германиевых ди­одах обратный ток выше, чем в кремниевых диодах, и сильнее зависит от температуры, удваиваясь при повышении температуры приблизительно на 10 С. Схематическое обозначение диода доказано на рисунке, p-часть представлена стрелкой, а n-часть – чертой.

Дата добавления: 2014-12-17