Вольт амперная характеристика двигателя постоянного тока

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.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Вольт-амперная характеристика

Вольт-ампе́рная характери́стика (ВАХ) — зависимость тока, протекающего через двухполюсник, от напряжения на этом двухполюснике. Описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Также ВАХ называют функцию, описывающую эту зависимость и график этой функции.

Обычно рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности β = U I ⋅ d I d U >cdot >> ), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию (описывающуюся законом Ома) и потому тривиальна.

Примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, тиристор, стабилитрон.

Для трёхполюсных элементов с управляющим электродом (таких, как транзистор, тиристор или электровакуумный триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при заданном токе или напряжении на третьем управляющем электроде элемента.

В реальной системе, особенно работающей с относительно высокими частотами (близкими к границам рабочего частотного диапазона) для данного устройства рабочая точка на ВАХ может пробегать по траекториям, отклоняющимся от ВАХ, измеренной на постоянном токе или низких частотах. Обычно такое отклонение связано с присущими инерционными свойствами прибора или ёмкостью и индуктивностью присоединённой к прибору цепи или паразитными ёмкостью и индуктивностью.

Форма ВАХ полупроводниковых приборов зависит от температуры его полупроводниковой структуры, например, от температуры p-n перехода. Для полупроводниковых диодов с p-n переходом при увеличении температуры угол наклона прямой и обратной ветвей ВАХ увеличивается.

Преобразования ВАХ [ править | править код ]

При последовательном или параллельном включении двух или нескольких двухполюсников вид ВАХ результирующего двухполюсника изменяется.

При параллельном соединении двух двухполюсников, напряжения на обоих приборах равны и при этом общий ток равен сумме токов, при последовательном — токи через каждый прибор равны, а общее напряжение на такой цепи равно сумме напряжений на элементах.

30. Управление координатами в системе преобразователь (источник эдс) – двигатель постоянного тока.

Скорость и момент двигателя изменяются за счет изменения ЭДС преобразователя.

На практике применяются транзисторные и тиристорные преобразователи, а также система генератор-двигатель. При этом ЭДС меняется плавно по определенному закону (чаще всего, линейному), чтобы ограничить ток и момент двигателя.

При изменении Еп, искусственные характеристики перемещаются параллельно естественной.

высокая точность регулирования т. к. жесткость мех. характеристики остается const.

высокое быстродействие, т. к. Тя ≤≤ Тв

плавность регулирования скорости и момента

малые потери энергии и высокий КПД, т.к. КПД электронного преобразователя

сложность и большая стоимость преобразователя.

Управление координатами посредствам формирования зависимости еп(t).

Предположим, что Тп=0; Тя=0 для упрашения, а мех. характеристика линейна.

Где: β — жесткость:

Требуется получить динамические мех. Характеристики, которые определяют соответствие между скоростью и моментом двигателя в переходных процессах, в зависимости от характера изменения ЭДС преобразователя якоря.

В системе ген-двиг. постоянная времени преобразователя определяется, в основном постоянной времени цепи возбуждения генератора

Lвг – индуктивность ОВ генератора

Rвг – активное сопротивление ОВ генератора

Функциональная схема системы двигатель-генератор

УВ – управляемый выпрямитель

АД – асинхронный двигатель

G- генератор постоянного тока

М – двигатель постоянного тока

Ротор генератора вращается асинхронным двигателем

Быстродействие системы ограничевается инертностью цепи возбуждения генератора

При изменении вх. сигнала Uвх., изменяется ток возбуждения и ЭДС генератора, и затем скорость двигателя.

Преимущества системы: большая мощность

Недостатки: малый КПД и срок службы, (надежность)

31. Управление координатами электропривода постоянного тока по цепи возбуждения.

Втех случаях когда момент нагрузки меньше номинального момента двигателя, возможно увеличение скорости вращения , а следовательно и производительности оборудования за счёт уменьшении тока в обмотке возбуждения

Уменьшается ток возбуждения при номинальном напряжении якоря

скорость увеличивается до максимальной,

момент двигателя уменьшается , а мощность остаётся постоянной

При уменьшении магнитного потока , уменьшается механическая постоянная времени ЭП и снижается быстродействие .

Уравнение динамики привода при регулировании по току возбуждения получается только численными методами при моделировании на компьютере в соответствии со следующей структурной схемой

32. Вольт-амперная характеристика электрической дуги и ее зависимость от длины дуги.

ВАХ электрической дуги имеет вид:

— при токах до 100 А напряжение дуги уменьшается (участок 1) при постоянной длине дуги;

— при токах 100÷1000 А напряжение дуги практически не изменяется (участок 2);

— при токах более 1000 А падение напряжения на дуге увеличивается.

Напряжение зажигания дуги в 1,5÷2,5 раза выше рабочего напряжения (горения дуги). Устойчивость электрической дуги зависит от выходной характеристики источника и статической характеристики дуги. На практике применяется три вида источников со следующими характеристиками:

— крутопадающая: применяется при ручной сварке и автоматической под флюсом. При такой характеристике ток мало изменяется при изменении длины дуги;

пологопадающая:применяется при автоматической сварке под флюсом тонкой проволокой (длина дуги должна точно поддерживаться автоматикой);

жесткая: применяется при сварке постоянным током в среде защитных газов.

Зависимость ВАХ дуги от ее длины:

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Ослабление — поле — двигатель

Для механизмов, момент нагрузки которых при регулировании скорости изменяется так, что мощность остается примерно постоянной, ослабление поля двигателя постоянного тока с независимым возбуждением является лучшим способом регулирования скорости. На основе их применения реализуются наиболее простые системы регулирования скорости в сравнительно широком диапазоне ( до D — — — 8), в которых дли управления пуском двигателя используется ступенчатое реостатное регулирование пускового тока и момента двигателя. [31]

Пуск и изменение скорости двигателей достигаются переключением выводов вторичной обмотки трансформатора ( для изменения выпрямленного напряжения) и ослаблением поля двигателей . [32]

Коллекторное напряжение триггера, полученное от однотактното магнитного усилителя ЗМУ, снижается при скорости выше основной, приводя к ослаблению поля двигателя . Усилитель ослабления поля ЗМУ управляется формирующим устройством. [34]

По условиям производства двигатель ( см. задачу 99) шлифовального круга вальцешлифовального станка должен регулироваться до наибольшей скорости 1000 об / мин, что выполняется ослаблением поля двигателя . [35]

Для увеличения диапазона скоростей движения тепловоза, при котором может быть использована полная мощность дизеля, используются разные соединения тяговых электродвигателей: последовательное, последовательно-параллельное, а также ослабление поля двигателей . [36]

Обмотки возбуждення двигателей 0ВМ1 и 0ВМ2 соединены параллельно и через добавочный резистор R3 включены на бортовую сеть При работе с полным потоком часть добавочното резистора шунтируется контактом контактора ослабления поля двигателя КОП . [37]

Таким образом, получается автоматическое ослабление поля двигателей . [38]

Конечно, в случае двухзонного регулирования скорости схема электропривода получается несколько сложнее, чем при однозонном ( то есть при постоянном потоке возбуждения) регулировании. Здесь выгода от применения ослабления поля двигателя на скорости выше основной получается за счет снижения установленной мощности преобразователя ( агрегата Г — Д или вентильного преобразователя), питающего якорную цепь двигателя. Габарит, а следовательно, и стоимость двигателя в обоих вариантах оказываются одинаковыми, так как они определяются величиной его номинального момента. [39]

При перестановке рукоятки в положение Назад ток в задающей обмотке меняет направление и двигатель начинает вращаться в противоположную сторону. Для ускорения спуска ковша в схеме предусмотрено ослабление поля двигателя ; достигается это установкой рукоятки в четвертое положение — Назад, при этом отключается контактор КОПП и тем самым увеличивается величина добавочного сопротивления в цепи обмотки возбуждения ОВДП двигателя. [40]

Чтобы это соответствие между скоростью двигателя и напряжением сравнения сохранялось на всем диапазоне регулирования скорости, движки шунтового регулятора и потенциометра сравнения механически связываются, а ступени задающего потенциометра подбираются при наладке. При этих условиях магнитный усилитель должен путем ослабления поля двигателя компенсировать только падение напряжения в якорной цепи и возможное уменьшение напряжения на якоре. [42]

При Д Вухдвигательном приводе регулирование скорости передвижения может быть также достигнуто переключением двигателей с последовательного соединения па параллельное. При этом получение — второй экономической скорости путем ослабления поля двигателя менее экономично, чем секционирование и параллельно-последовательное псресоедипение секций аккумуляторной батареи. Опыт показал, что вследствие падающего характера вольт-амперной характеристики аккумуляторной батареи повышение скорости машины непропорционально росту тока в якоре электродвигателя при ослаблении поля. При применении параллельного последовательного соединения секций секционированной аккумуляторной батареи может быть также снижена примерно вдвое величина пусковых сопротивлений. [43]

Стальной сердечник нужен в случае, когда катушка должна иметь значительную индуктивность, а кроме того, если эта индуктивность определенным образом должна уменьшаться по мере увеличения проходящего через катушку тока. Например, в индуктивном шунте, включаемом при ослаблении поля двигателя в цепь шунтирующего его обмотку сопротивления, индуктивность должна меняться примерно так же, как и индуктивность обмотки двигателя, которая также уменьшается с увеличением в ней тока. [45]