Файл: Материалы для подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию оборудования.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 198
Скачиваний: 4
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
44 уменьшения проходящего по нему тока до величины, называемой током
удержания. Здесь тиристор подобен автоматическому выключателю, который после включения встает на защелку.
Рисунок 1.24 – ВАХ тиристора
Ток удержания почти не зависит от мощности тиристора и составляет около 0,25 А.
Биполярный транзистор – это тоже трехэлектродный прибор (рисунок
1.25). В отличие от тиристора, который может работать только в ключевом режиме (включен – выключен), транзистор (рисунок 1.18) может работать и в промежуточном – активном режиме. Силовая цепь транзистора (эмиттер – коллектор) управляется током в управляющей цепи (база – эмиттер).
Рисунок 1.25 – Биполярный транзистор структуры p – n – p
Вывод катода
Вывод управляющего электрода (УЭ)
I
УД
U
I
Вывод анода
Б
К
Э
45
Выражение: «транзистор усиливает сигнал» не совсем верно отражает смысл процесса. В действительности, не усиливается входной сигнал, а
создается в гораздо более мощной выходной цепи (эмиттер – коллектор)
копия входного сигнала. Это эквивалентно включению в мощную выходную цепь регулируемого резистора, управляемого слабым входным сигналом
(рисунок 1.26).
Рисунок 1.26 – Эквивалентная схема выходной цепи
R
РЕГ
– Участок коллектор – эмиттер транзистора;
Е
К
– Источник питания коллекторной цепи;
R
H
– Сопротивление нагрузки.
Для поддержания тока в силовой цепи транзистора необходим непрерывный ток управления. Здесь транзистор подобен магнитному пускателю, который остается включенным, пока в его катушке протекает ток.
Понятие о векторных и топографических диаграммах
Переменный ток долгое время не находил практического применения.
Это было связано с тем, что первые генераторы электрической энергии вырабатывали постоянный ток, который вполне удовлетворял технологическим процессам электрохимии, а двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными характеристиками. Однако по мере развития производства постоянный ток все менее стал удовлетворять возрастающим требованиям экономичного электроснабжения. В настоящее время центральное производство и распределение электрической энергии
U
ВХ
R
H
R
РЕГ
Е
К
46 осуществляется в основном на переменном токе.
Из всех возможных форм периодических токов наибольшее распространение получил ток, изменяющийся по синусоидальному закону.
Только при использовании синусоидального тока удается сохранить неизменными (синусоидальными) формы кривых напряжений и токов на всех участках сложной линейной цепи. То есть при приложении синусоидального переменного напряжения к линейным элементам (R, L или
C) токи, протекающие по этим элементам будут тоже синусоидальными.
Математически это объясняется тем, что производная от синусоидальной функции и интеграл от нее дают также тригонометрические функции
(функции косинуса), формы которых для которых выглядят одинаково – только со сдвигом по оси времени.
Известно, что синусоидально изменяющаяся величина (какой – либо параметр режима сети) может быть представлена графиком – синусоидой, как проекция конца равномерно вращающегося против часовой стрелки со скоростью 50 об./с вектора на равномерно движущуюся поступательно вертикальную плоскость (рисунок 1.27).
47
Рисунок 1.27 – Получение графика синусоидально изменяющейся величины
Аналитическое выражение зависимости r = f(α): r = R × sin α.
Здесь r – это функция, а α – ее аргумент.
Так как аргумент α (угол поворота радиус – вектора) неразрывно связан со временем (непрерывное вращение с постоянной скоростью), то можно записать, что α = ω × t, где ω – угловая частота (скорость нарастания угла, измеряется количеством радиан в секунду), t – время в секундах.
Фазовый угол при вращении отсчитывается от положительной полуоси абсцисс.
Синусоидальная функция является функцией периодической, то есть после прохождения радиус – вектором полного оборота (цикла) картина на вертикальной плоскости повторяется.
Ось вращения радиус – вектора
Направление проекции
Плоскость вращения радиус – вектора R
Направления движения вертикальной плоскости
360º
α
max max
α
270º
90º
180º
0
R
r
α = 90º
α = 270º
Вертикальная плоскость – плоскость проекций
Синусоида – график проекций конца радиус – вектора
α = 180º
Направление вращения радиус – вектора R
48
Необходимо отметить, что изменение переменных величин по синусоидальному закону принято не случайно. При изменении по синусоиде все процессы в цепях переменного тока протекают наиболее плавно,
наиболее гармонично, без рывков и скачков (длина радиус – вектора постоянна, то есть не зависит от угла поворота, и скорость вращения радиус
– вектора также неизменна). То есть можно сказать, что синусоидальный закон изменения – это наиболее простой закон для непрерывно изменяющихся величин, чего нельзя сказать о любой другой переменной величине, изменяющейся по более сложному закону, например на рисунке
1.28.
Рисунок 1.28 – Более сложный закон изменения переменной величины
Такую кривую может «нарисовать» конец радиус – вектора, вращающегося с постоянной скоростью, но с зависимой от положения (угла поворота) длиной, или при постоянной длине, но вращающийся с переменной скоростью (рывками), либо с изменением и длины и скорости. В любом случае, все кривые, отличающиеся от синусоидальной формы, называются несинусоидальными. В математике доказывается, что несинусоидальные кривые могут быть представлены суммой синусоидальных кривых с частотами, кратными основной частоте
0
π / 2
(90º)
π
(180º)
3π / 2
(270º)
2π
(360º)
ωt, рад.
(α, град.)
r
49
(гармоник). При этом каждая гармоника может иметь свою частоту и свою начальную фазу. Кривая по рисунку 1.28 может быть представлена суммой
1–й (основной) и 3–ей (в три раза большей по частоте) гармоник. В электроэнергетике высшие гармоники, которые искажают, можно сказать,
«загрязняют», основную гармонику, вызывают целый ряд нежелательных эффектов и с ними борются. Далее будет показано, откуда возникают гармоники, и какие они вызывают нежелательные явления.
Известно также, что в цепи переменного тока имеется целый ряд различных синусоидально изменяющихся величин (токи в различных ветвях, напряжения на различных участках цепи). Даже в одной из самых простых цепей переменного тока – цепи с R и L, можно выделить несколько переменных во времени величин, например: напряжение на зажимах цепи, ток в цепи, напряжение на катушке индуктивности. Каждая из этих величин может быть представлена синусоидой как проекция конца своего вращающегося вектора. Известно также, что в цепях переменного тока существуют фазовые сдвиги между векторами токов и напряжений. Все векторы можно расположить на одной вращающейся оси со своими фазовыми сдвигами относительно друг друга. Соответственно, проекция конца каждого вращающего вектора – это своя синусоида (рисунок 1.29).
50
Рисунок 1.29 – Синусоидальные величины в цепи R – L
А теперь представим себе, что наблюдатель (то есть, мы с Вами)
вращается вместе с системой векторов вокруг той же оси вращения, в том же направлении и с той же скоростью. Тогда система вращающихся векторов, исходящих из одной точки, будет для такого наблюдателя казаться
неподвижной. Изображенная отдельно от «вращающего механизма» и проекционной плоскости, такая система векторов и называется векторной
диаграммой (рисунок 1.30).
Ось вращения радиус – векторов
Направление проекции
Направление вращения радиус – векторов,
за положительное направление
принято считать направление
против часовой стрелки
Направления движения вертикальной плоскости
360º
α
I
270º
90º
180º
0
U
u
;
u
L
;
i
α = 90º
α = 270º
Вертикальная плоскость
U
L
φ
90º
φ
α = 180º
u = U × sin α
i = I × sin (α – φ)
u
L
= U
L
× sin (α – φ + 90º)
51
Рисунок 1.30 – Цепь R – L и ее векторная диаграмма
Применительно к рисунку 1.28 – кривую, изображенную на этом рисунке может
«нарисовать» проекция конца вращающегося вектора, представляющего сумму двух векторов: R = R
1
+ R
3
, где вектор R
3
вращается с частотой, в три раза большей, чем вектор R
1
(рисунок 1.30). На рисунке с индексом 1 обозначен в положениях I (α
1
= 0), II (α
1
= 30°) и III (α
1
= 90°)
вектор 1 – й (основной) гармоники R
1
; с индексом 3 – в тех же положениях вектор 3 – ей гармоники R
3
; без индекса – суммарный вектор R. Теперь, если также, как и для рисунков 1.27 и 1.29 представить, что наблюдатель
вращается вместе с системой векторов вокруг того же центра вращения, в том же направлении и с той же скоростью, что и вектор основной гармоники, то неподвижным будет казаться только вектор R
1
. Вектор R
3
будет вращающимсявокруг конца неподвижного R
1
соскоростью теперь уже не в
три, а в два раза большей чем скорость вращения вектора R
1
, а суммарный
U
L
U
U
L
90º
φ
I
U
R
U
R
U
R
L
I
52 вектор R будет качающимся по углу в окрестности среднего положения и изменяющимся по длине (рисунок 1.32). При этом проекция вектора R = R
1
+
+ R
3
будет равна: r = R
1
× sin α
1
+ R
3
× sin α
3
, где α
3
= 3 α
1
Рисунок 1.31 – Плоскость вращения радиус – векторa R = R
1
+ R
3
Рисунок 1.32 – Векторная диаграмма для векторa R = R
1
+ R
3
α
1
= 30°
α
3
= 3α
1
= 90°
α
1
= 90°
α
3
= 3α
1
= 270°
R
R
1
R
3
R
1
R
R
R
3
R
3
R
1
II
III
I
R
1
R
3
R
α
3
= 2α
1
Направления качания вектора R
Направление вращения вектора R
3
53
Может возникнуть вопрос, зачем мы рассматриваем такие сложности.
Делаем мы это потому, что электроприемников с несинусоидальным потребляемым током становится с каждым годом все больше и больше, соответственно, все более возрастает их
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
участие в формировании режимов электроустановок. Несинусоидальные токи и напряжения возникают из – за нелинейных потребителей (источники питания для сварки, так называемые
«бестрансформаторные» блоки питания электронной аппаратуры, силовая полупроводниковая электроника, газоразрядные источники света и др.).
Этому также способствует государственная политика отказа от применения ламп накаливания, как энергонеэффективных.
Как же оценивать переменную синусоидальную величину, ведь она непрерывно изменяется? Да, действительно, она непрерывно изменяется, но есть некоторые ее свойства, которые для нее неизменны: это период ее изменения и максимальное (амлитудное) значение (рисунок 1.33).
Рисунок 1.33 – Различные синусоидально изменяющиеся величины
Кроме этого, можно задавать значение переменной величины в момент времени, принятый за нулевой. Итак, переменную синусоидальную величину задают амплитудой, периодом (частотой изменения) и начальной фазой:
А = А
max
× sin (2πf × t + φ), t i
54 где: А
max
– амплитудное (максимальное) значение синусоидально изменяющейся величины А; f – частота (количество циклов изменения за секунду); t – время;
φ – угол начального положения вектора в момент времени, принятый за нулевой.
Если для синусоиды заданы А
max
, f и φ, то этого вполне достаточно для того, чтобы начертить график изменения этой величины.
Кроме параметров А
max
, f и φ есть еще несколько усредненных
(интегральных) величин: среднее арифметическое значение за половину периода и среднее квадратическое значение (рисунок 1.34).
Рисунок 1.34 – К понятиям среднего арифметического и среднего квадратического значений
На рисунке 1.34 каждый полупериод разбит на 16 одинаковых интервалов, в каждом интервале взято среднее значение синусоидальной величины. Если просуммировать все средние значения интервалов и разделить сумму на количество интервалов, то мы получим среднее арифметическое значение за полпериода:
А
ср
– среднее значение за полпериода
А – действующее значение за период а i – й интервал
π
а = А
m
sin ωt
ωt, рад
3π / 2
2π
π / 2
А
i
– среднее значение синусоиды на i – м интервале
55
А
ср
=
n
A
A
A
A
n
3 2
1
=
n
i
i
A
n
1 1
, где n – количество интервалов.
Чем больше взято интервалов, тем точнее будет среднее значение. При очень большом количестве интервалов:
А
ср
= 0,637 × А
m
Среднее значение может быть только за половину периода, так как за другую половину периода значения А
i имеют другой знак и среднее значение за период равно нулю.
Если просуммировать не значения А
i
, а их квадраты, сумму квадратов разделить на n и из получившегося результата извлечь квадратный корень, то это будет среднее квадратическое значение:
А =
2 2
3 2
2 2
1
n
A
A
A
A
n
Применительно к электротехническим величинам, например к току – такое значение называется эффективным или действующим значением. Так как значения А
i возводятся в квадрат, знак А
i уже не оказывает никакого влияния и действующее значение может быть взято за весь период. При очень большом количестве интервалов между действующим и амплитудным значениями существует соотношение:
А
m
=
2
A ≈ 1,41 A; А =
2 1
A
m
≈ 0,707 А
m
Физический смысл действующего значения переменного тока, протекающего по резистору R: это такое значение постоянного тока, при котором на резисторе выделяется такая же мощность, как и при соответствующем ему значении переменного тока:
2
пост
I
× R =
2
перем
I
× R. В электротехнике и электроэнергетике наиболее часто работают не с максимальными (амплитудными) и не со средними значениями, а именно с действующими значениями переменных токов и напряжений. Средними значениями переменных величин оперируют, в основном, в преобразовательной технике (выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и т.п.).