Электрические измерения. Машины постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Темы СРС:

Раздел: Электрические измерения и приборы



1. Основные методы электрических измерений

Электрические измерения выполняются по одному из следующих видов: прямой, косвенный, совокупный и совместный. Название прямого вида говорит само за себя, значение нужной величины определяется непосредственно прибором. Примером таких измерений может служить определение мощности ваттметром, силы тока амперметром и т. д.

Косвенный вид заключается в нахождении величины на основании известной зависимости этой величины и величины, найденной прямым методом. Примером может служить определение мощности без ваттметра. Прямым методом находят I, U, фазу и по формуле вычисляют мощность.

Совокупный и совместный виды измерений заключаются в одновременном измерении нескольких одноименных (совокупный) или не одноимённых (совместный) величин. Нахождение искомых величин осуществляется решением систем уравнений с коэффициентами, полученными в результате прямых измерений. Число уравнений в такой системе должно равняться числу искомых величин.

Прямые измерения как самый распространенный вид измерений могут производиться двумя основными методами: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой. Первый метод является самым простым, так как значение нужной величины определяют по шкале прибора.

Таким методом определяется сила тока амперметром, напряжение вольтметров и т. д. Достоинством данного способа можно назвать простоту, а недостатком невысокую точность.

Измерения сравнением с мерой выполняется по одной из следующих методик: замещения, противопоставления, совпадения, дифференциальной и нулевой. Мера является своего рода эталонным значением некоторой величины.

Дифференциальный и нулевой методы - заложены в основе работы измерительных мостов. При дифференциальном методе делают неуравновешенно-показывающие мосты, а при нулевом - уравновешенные или нулевые.

В уравновешенных мостах сравнение происходит при помощи двух или более вспомогательных сопротивлений, подбираемых таким образом, чтобы со сравниваемыми сопротивлениями они составляли замкнутый контур (четырехполюсник), питаемый от одного источника и имеющий равнопотенциальные точки, обнаруживаемые индикатором равновесия.

Отношение между вспомогательными сопротивлениями является мерой отношения между сравниваемыми величинами. Индикатором равновесия в цепях постоянного тока выступает гальванометр, а в цепях переменного тока милливольтметр.

Дифференциальный метод иначе называют разностным, так как на средство измерения воздействует именно разность известной и искомой величины тока. Нулевой метод является предельным случаем дифференциального метода. Так, например, в указанной мостовой схеме гальванометр показывает ноль, если соблюдается равенство:

R1*R3 = R2*R4;

Из этого выражения следует:

Rx=R1=R2*R4/R3.

Таким образом, можно вычислить сопротивление любого неизвестного элемента, при условии, что остальные 3 являются образцовыми. Образцовым также должен быть и источник постоянного тока.

”СхемаМетод противопоставления - иначе этот метод называют компенсационным и используют для непосредственного сравнения напряжения или ЭДС, тока и косвенно для измерений других величин, преобразуемых в электрические.

Две встречно направленные ЭДС, не связанные между собой включаются на прибор, по которому уравновешивают ветви схемы. На рисунке: требуется найти Ux. С помощью образцового регулируемого сопротивления Rk добиваются такого падения напряжения Uk, чтобы численно оно было равно Ux.

Судить об их равенстве можно по показаниям гальванометра. При равенстве Uк и Uх ток в цепи гальванометра протекать не будет, так как они противоположно направлены. Зная сопротивление и величину тока по формуле определяем Uх.

Метод замещения - метод, при котором искомую величину замещают или совмещают с известной образцовой величиной, по значению равной замещенной. Такой способ применяется для определения индуктивности или емкости неизвестной величины. Выражение, определяющее зависимость частоты от параметров цепи:

fо=1/(vLC).

Слева, частота f0 задаваемая генератором ВЧ, в правой части значения индуктивности и емкости измеряемой цепи. Подбирая резонанс частоты можно определить неизвестные значения в правой части выражения.

”РезонанснаяИндикатором резонанса является электронный вольтметр с большим входным сопротивлением, показания которого в момент резонанса будут наибольшими. Если измеряемую катушку индуктивности включить параллельно образцовому конденсатору и измерять резонансную частоту, то значение Lx можно найти по вышеуказанному выражению. Аналогично находится неизвестная емкость.

Вначале резонансный контур, состоящий из индуктивности Lи образцового конденсатора емкости Co, настраивают в резонанс на частоту fo; при этом фиксируют значения fo и емкости конденсатора Co1.

Затем, параллельно образцовому конденсатору Co подключают конденсатор Cх и изменением емкости образцового конденсатора добиваются резонанса при той же частоте fo; соответственно искомая величина равна Co2.

Метод совпадений - метод, при котором разность между искомой и известной величиной определяется по совпадению отметок шкал или периодических сигналов. Ярким примером применения этого способа в жизни является измерение угловой скорости вращения различных деталей.

Для этого на измеряемом объекте наносят метку, например мелком. При вращении детали с меткой, на нее направляют стробоскоп, частота мигания которого известна изначально. Регулированием частоты стробоскопа добиваются, чтобы метка стояла на месте. При этом частоту вращения детали принимают равной частоте мигания стробоскопа.

Погрешность измерительных приборов и класс точности

Точность измерения -- качество измерения, отражающее близость его результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малой погрешности.

Погрешность измерительного прибора -- разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины.

Результат измерения -- значение величины, найденное путем ее измерения.

При однократном измерении показание прибора является результатом измерения, а при многократном -- результат измерения находят путем статистической обработки результатов каждого наблюдения. По точности результатов измерения подразделяют на три вида: очные (прецизионные), результат которых должен иметь минимальную погрешность; контрольно-поверочные, погрешность которых не должна превышать некоторого заданного значения; технические, результат которых содержит погрешность, определяемую погрешностью измерительного прибора. Как правило, точные и контрольно-оверочные измерения требуют многократных наблюдений.

По способу выражения погрешности средств измерений разделяют на абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная погрешность ДА -- разность между показанием прибора А и действительным значением измеряемой величины А.

Относительная погрешность  -- отношение абсолютной погрешности ДА к значению измеряемой величины А, выраженное в процентах:

.

Приведенная погрешность  (в процентах) -- отношение абсолютной погрешности ЛА к нормирующему значению :

.

Для приборов с нулевой отметкой на краю или вне шкалы нормирующее значение равно конечному значению диапазона измерений. Для приборов с двухсторонней шкалой, т. е. с отметками шкалы, расположенными по обе стороны от нуля, оно равно арифметической сумме конечных значений диапазона измерений. Для приборов с логарифмической или гиперболической шкалой нормирующее значение равно длине всей шкалы.



Таблица 1 - Классы точности* средств измерений

Класс точности прибора	Класс точности шунта, добавочного резистора	Класс точности измерительного преобразователя	Класс точности измерительного трансформатора
1,0 1,5 2,5	0,5 0,5 0,5	0,5 0,5** 1,0	0,5 0,5** 1,0***
*Класс точности численно равен наибольшей допустимой приведенной основной погрешности, выраженной в процентах. **Допускается 1,0. ***Допускается 3,0.

Средства измерений электрических величин должны удовлетворять следующим основным требованиям (ПУЭ):

1) класс точности измерительных приборов должен быть не хуже 2,5;

2) классы точности измерительных шунтов, добавочных резисторов, трансформаторов и преобразователей должны быть не хуже приведенных в табл. 1.;

3) пределы измерения приборов должны выбираться с учетом возможных наибольших длительных отклонений измеряемых величин от номинальных значений.

Учет активной электрической энергии должен обеспечивать определение количества энергии: выработанной генераторами ЭС; потребленной на с. н. и хозяйственные нужды (раздельно) ЭС и ПС; отпущенной потребителям по линиям, отходящим от шин ЭС непосредственно к потребителям; переданной в др. энергосистемы или полученной от них; отпущенной потребителям из электрической сети. Кроме того, учет активной электрической энергии должен обеспечивать возможность: определения поступления электрической энергии в электрические сети разных классов напряжений энергосистемы; составления балансов электрической энергии для хозрасчетных подразделений энергосистемы; контроля за соблюдением потребителями заданных им режимов потребления и баланса электрической энергии.

Учет реактивной электрической энергии должен обеспечивать возможность определения количества реактивной электрической энергии, полученной потребителем от электроснабжающей организации или переданной ей, только в том случае, если по этим данным производятся расчеты или контроль соблюдения заданного режима работы компенсирующих устройств.

Классификация электрических приборов

Электрическими аппаратами (ЭА) называются электротехнические устройства для управления потоками энергии и информации, режимами работы, контроля и защиты технических систем и их компонентов.

Электрические аппараты в зависимости от элементной базы и принципа действия разделяются на три группы:

электромеханические;

Основным признаком электромеханических аппаратов является наличие в них подвижных частей. У многих типов электромеханических аппаратов одной из подвижных частей является контактная система, осуществляющая коммутацию электрической цепи.

статические;

Статические аппараты выполняются на основе электронных компонентов диодов, тиристоров, транзисторов и др.), а также управляемых электромагнитных устройств (магнитных усилителей, дросселей насыщения и др.). Аппараты этого вида, как правило, относятся к силовым электронным устройствам, так как обычно используется для управления потоками электрической энергии, а не информации.

гибридные.

Представляют собой комбинацию электромеханических и статических аппаратов.

Основные виды электрических аппаратов

Классификация электрических аппаратов может быть проведена по разным признакам, например:

по напряжению: низкого (до 1000 В) и высокого от единиц до тысяч киловольт напряжения;

значению тока: слаботочные (до 5 А) и сильноточные (от 5 А до сотен килоампер);

роду тока: постоянного и переменного;

частоте источника питания: с нормальной (до 50 Гц) и повышенной (от 400 Гц до 10 кГц) частотой;

роду выполняемых функций: коммутирующие, регулирующие, контролирующие, измеряющие, ограничивающие по току или напряжению, стабилизирующие;

исполнению коммутирующего органа: контактные и бесконтактные (статические), гибридные, синхронные, бездуговые.

Многообразие видов классификации определяется областями применения: в схемах автоматического и неавтоматического управления различного электротехнического оборудования; в устройствах автоматического регулирования, стабилизации, контроля и измерения систем распределения электрической энергии и энергоснабжения предприятий электротехнической и многих других отраслей промышленности, связанных с использованием электрической энергии.

Электрические аппараты высокого напряжения (АВН)

По функциональному признаку АВН делятся на следующие виды:

коммутационные аппараты (выключатели, выключатели нагрузки, разъединители);

измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряжения, делители напряжения);

ограничивающие аппараты (предохранители, реакторы, разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений);

компенсирующие аппараты (управляемые и неуправляемые шунтирующие реакторы);

комплектные распределительные устройства.

Электрические аппараты управления и распределительных устройств низкого напряжения

Аппараты управления предназначены для управления режимом работы электрооборудования и подразделяются на следующие виды:

контакторы;

пускатели;

контроллеры;

электрические реле управления;

командоаппараты;

рубильники;

электромагниты управления;

электроуправляемые муфты.

Аппараты распределительных устройств предназначены для защиты электрооборудования в различных аварийных режимах (токи перегрузки и короткого замыкания, недопустимое снижение напряжения, токи утечки на землю при повреждении изоляции, обратные токи и т. п.). Эти аппараты подразделяются на автоматические выключатели и низковольтные предохранители.

Конструктивно законченные электротехнические компоненты: электрические разъёмы (розетка, вилка), пускорегулирующие аппараты светотехники, генераторы импульсов спец. формы, блоки контроля параметров сетевого напряжения и др.

Электрические аппараты автоматики

Для реализации электрических аппаратов автоматики используются разнообразные физические принципы. По назначению они классифицируются следующим образом:

первичные преобразователи (датчики);

распределители (коммутаторы);

сумматоры, логические элементы, регулирующие органы;

исполнительные аппараты (электрические реле автоматики, электрогидровентили, электрогидрокраны, электроклапаны, магнитные опоры и подвесы, задвижки, толкатели и др.);

электрические реле автоматики (герметизированные магнитоуправляемые контакты (герконы) и др.).

релейные аппараты с механическим управлением (входом) и электрическим выходом (кнопки, ключи, клавиатуры, тумблеры, микровыключатели).

Измерение напряжения токов и мощности

2. Измерение напряжения на участке электрической цепи

Для измерения напряжения существуют специальный измерительный прибор -- вольтметр.

Рис. 1

Условное обозначение вольтметра на электрической схеме:

Рис. 2

При включении вольтметра в электрическую цепь необходимо соблюдать два правила:

1. Вольтметр подключается параллельно участку цепи, на котором будет измеряться напряжение;

Рис. 3

2. Соблюдаем полярность: "+" вольтметра подключается к "+" источника тока, а "минус" вольтметра - к "минусу" источника тока.

Для измерения напряжения источника питания вольтметр присоединяют непосредственно к его зажимам.

Рис. 4

3. Измерение работы и мощности электрического тока

Для определения работы или мощности тока можно использовать специальный измерительный прибор - ваттметр. При отсутствии ваттметра пользуются одновременным подключением двух измерительных приборов к нужному участку цепи: амперметра и вольтметра.

Рис. 5

Далее проводится расчет работы и мощности тока по формулам.

P = UI ......... и ....... A = UIt

Измерение сопротивления с помощью моста постоянного тока

Для измерения сопротивления на постоянном токе широко используются одинарные мосты. Одинарными мостами называют четырехплечие мосты с питанием от источника постоянного тока. Существует ряд конструкций этих приборов с различными характеристиками. Погрешность моста зависит от пределов измерения и указывается обычно в паспорте моста.

Конструктивно мосты оформляются в виде переносных приборов; они рассчитаны на работу с собственным или наружным нуль-индикатором. При измерении малых сопротивлений на результат измерения существенное влияние оказывают сопротивления контактов и соединительных проводов, суммируемые с измеряемым сопротивлением. Для уменьшения этого влияния используют специальные способы присоединения Rx к мосту, для чего мост имеет четыре зажима:

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы, ППП -- широкий класс электронных приборов, изготавливаемых из полупроводников.

К полупроводниковым приборам относятся:

Интегральные схемы (микросхемы)

Полупроводниковые диоды (в том числе варикапы, стабилитроны, диоды Шоттки),

Тиристоры, фототиристоры,

Транзисторы,

Приборы с зарядовой связью,

Полупроводниковые СВЧ-приборы (диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды),

Оптоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, солнечные элементы, детекторы ядерных излучений, светодиоды, полупроводниковые лазеры, электролюминесцентные излучатели),

Терморезисторы, датчики Холла.

Производство

Исследование и первые попытки создания полупроводниковых приборов проводились в СССР еще в 1920-30-х годах. В 1924 году в Нижегородской радиолаборатории ученый О.В. Лосев создал полупроводниковый детектор-усилитель и детектор-генератор электромагнитных излучений на частоты до десятков МГц. На этой основе впервые в мире было создано детекторное приемопередаточное устройство -- кристадин[1].

Позже в СССР для развития отрасли были созданы научно-исследовательские институты и центры. В 1956 году введен в эксплуатацию Завод полупроводниковых приборов. Среди продукции завода на то время - пальчиковые лампы широкого применения и сверхминиатюрные стержневые лампы, первые полупроводниковые диоды Д2, диоды Д9, Д10, Д101-103А, Д11, стабилитроны Д808-813[2].

В 2014 году на Заводе полупроводниковых приборов была запущена новая линия производства для разработки и освоения современных сложных корпусов для интегральных микросхем[3].

Среди крупных производителей интегральных микросхем в СССР и РФ - ОКБ «Искра». Среди продукции предприятия - сильноточные транзисторы, транзисторные модули и силовые быстровосстанавливающиеся диоды. В настоящее время предприятие выпускает микросхемы для нужд российского флота, армии, космоса и атомной энергетики[4].

На данный момент оба предприятия входят в холдинг «Росэлектроника»[5].

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод -- полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.[1]

Основные характеристики и параметры диодов

Диод ДГ-Ц25. 1959 г.

Вольт-амперная характеристика

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение

Максимально допустимое импульсное обратное напряжение

Максимально допустимый постоянный прямой ток

Максимально допустимый импульсный прямой ток

Номинальный постоянный прямой ток

Прямое постоянное напряжение на диоде при номинальном токе (т. н. «падение напряжения»)

Постоянный обратный ток, указывается при максимально допустимом обратном напряжении

Диапазон рабочих частот

Ёмкость

Пробивное напряжение (для защитных диодов и стабилитронов)

Тепловое сопротивление корпуса при различных вариантах монтажа

Максимально допустимая мощность рассеивания

Классификация диодов[править | править вики-текст]

Типы диодов по назначению[править | править вики-текст]

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала

Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Параметрические

Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Умножительные

Настроечные

Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

Низкочастотные

Высокочастотные

СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

Плоскостные

Точечные

Типы диодов по конструкции

Диоды Шоттки

СВЧ-диоды

Стабилитроны

Стабисторы

Варикапы

Светодиоды

Фотодиоды

Pin диод

Лавинный диод

Лавинно-пролётный диод

Диод Ганна

Туннельные диоды

Обращённые диоды

Электронные выпрямители

Выпрямитель (электрического тока) -- преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.[1][2]

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, а пульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию -- преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток -- называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Выпрямление электрического тока[править | править вики-текст]

Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток. Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (т. е. без учета знака ординаты) за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (т. е. полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении).

Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.

Сюда относятся выпрямительные установки для:

железнодорожной тяги,

городского электротранспорта,

электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др.),

питания приводов прокатных станов,

возбуждения генераторов электростанций.

В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.

Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 -- 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.

4. Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Однополупериодный выпрямитель: график напряжения по времени до выпрямления -- одна из возможных схем выпрямителя -- и график напряжения по времени после выпрямления

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе -- пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50--60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 кГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль -- идеальный электрический ключ.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

Us = \frac{1}{2\pi} \int\limits_0^\pi \sqrt 2 U_2 sin(\omega t) d(\omega t) = \frac{\sqrt 2 U_2}{\pi} = 0,45 U_2.

Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

Недостатки:[10]

Большая величина пульсаций

Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)

Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущество: экономия на количестве вентилей.



5. Двухполупериодный выпрямитель

Может строиться по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов). Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствие нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствие нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора -- источника переменного тока -- принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Соответственно, выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора -- должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой -- на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.

Сглаживающий фильтр -- устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор большой ёмкости, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора. Нередко устанавливается параллельно электролитическому конденсатору плёночный (или керамический) ёмкостью доли - единицы микрофарада для устранения высокочастотных помех.

Общие сведения

В любой схеме выпрямления на выходе выпрямленное напряжение помимо постоянной составляющей содержит переменную, называемую пульсацией напряжения[1]. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственно питание нагрузки от выпрямителя возможно относительно редко (при зарядке аккумуляторных батарей, для питания цепей сигнализации, электродвигателей и т. д.) -- там, где приёмник энергии не чувствителен к переменной составляющей выпрямленного напряжения. При питании аппаратуры связи и радиоаппаратуры пульсация напряжения резко ухудшает, а чаще вообще нарушает работу радиоэлектронных устройств. Для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения, то есть для ослабления пульсации, между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр, который обычно состоит из реактивных сопротивлений (то есть тех, которые включают в себя индуктивность и ёмкость). Данный фильтр действует как фильтр нижних частот[2][3], обрезая лишние гармоники.

Переменная составляющая выпрямленного напряжения в общем случае представляет собой совокупность ряда гармоник с различными амплитудами, сдвинутых по отношению к первой на разные углы. При этом первая гармоника имеет амплитуду во много раз превосходящую амплитуды высших гармоник. В зависимости от назначения аппаратуры связи предъявляют различные требования к величине и характеру пульсации выпрямленного напряжения. Чаще всего для радиотехнической аппаратуры качество сглаживания характеризуется величиной максимально допустимой амплитуды переменной составляющей. В этом случае фильтры рассчитывают на максимальное подавление основной гармоники.

Сглаживающий реактор

Статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи с целью уменьшения содержания высших гармоник (пульсаций) в выпрямленном токе. Сглаживающий реактор обычно соединяется последовательно с выпрямителем, таким образом, через него протекает весь ток нагрузки.

6. Машины постоянного тока

Устройство и принцип действия

Устройство статора.

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной - статора и вращающейся - ротора, называемого в машинах постоянного тока якорем. Эскиз машины постоянного тока показан на рис. 1.1, а общий вид с разрезом -- на рис.

Статор состоит из станины 1, главных полюсов 2, дополнительных полюсов 3, подшипниковых щитов 4 и щеточной траверсы со щетками 6.

Станина имеет кольцевую форму и изготовляется из стального литья или стального листового проката. Она составляет основу всей машины и, кроме того, выполняет функцию магнитопровода.

Главные полюсы служат для создания постоянного во времени и неподвижного в пространстве магнитного поля. С этой целью по обмотке полюсов пропускается постоянный ток, называемый током возбуждения (в машинах малой мощности в качестве полюсов могут использоваться постоянные магниты).

Дополнительные полюсы устанавливаются между главными и служат для улучшения условий коммутации. 

Рис. 6

Подшипниковые щиты закрывают статор с торцов. В них впрессовываются подшипники и укрепляется щеточная траверса, которая с целью регулирования может поворачиваться. На щеточной траверсе закреплены пальцы, которые электрически изолированы от траверсы. На пальцах установлены щеткодержатели со щетками, изготовленными из графита или смеси графита с медью.

Устройство якоря.

Вращающаяся часть машин - якорь 9 (рис. 1.1, 1.2, а, б) состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 5.

Сердечник имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец или сегментов листовой электротехнической стали, на внешней поверхности которых выштампованы пазы. В пазы сердечника укладываются секции из медного провода. Концы секций, которые выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуют замкнутую обмотку якоря.



Рис. 7

Коллектор набран из медных пластин клинообразной формы, изолированных друг от друга, и корпуса 3миканитовыми прокладками 2, образующими в сборе цилиндр, который крепится на валу якоря.

Рис. 8

Принцип действия генератора

Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 8, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e1 и e2, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, - к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е1 - е2.

Рис. 9

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него - к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя - отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя - с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 9), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под действием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 10): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний - влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего - в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис. 10

Направление тока в проводниках витка изменяется на противоположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Реакция якоря

Смещение магнитного поля генератора. Под реакцией якоря понимают явление воздействия магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов.

При холостом ходе генератора магнитное поле машины образовано только главными полюсами (рис. 11, а). Оно симметрично относительно оси полюсов и его ось совпадает с осью полюсов. Когда генератор работает с нагрузкой, по обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное поле (рис. 11.б), называемое полем якоря. Ось магнитного поля якоря совпадает с линией, соединяющей щетки, т.е. с геометрической нейтралью, и перпендикулярна оси главных полюсов. При вращении якоря распределение тока в проводниках якоря остается неизменным и поле якоря -- неподвижным в пространстве. Индукция этого поля пропорциональна току в якоре.

Рис. 11



При работе генератора с нагрузкой поле якоря накладывается на поле полюсов. В генераторе создаётся результирующее поле (рис 11, В), повернутое по направлению вращения якоря на некоторый угол у относительно поля главных полюсов. Физическая нейтральная линия оказывается повернутой на тот же угол  относительно геометрической нейтральной линии. При изменении нагрузки индукция поля якоря изменяется, изменяется и угол .

Результаты смещения магнитного поля. Смещение физической нейтральной линии вызывает нежелательные последствия, приводящие к ухудшению работы генератора:

уменьшается ЭДС, так как щетки оказываются установленными в точках, между которыми разность потенциалов не максимальная;

переключение проводников обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую происходит не на физической нейтрали, а на геометрической, где расположены щетки и где результирующее поле В?? 0, что, как будет показано в следующем параграфе, приводит к искрению щеток и обгоранию коллекторных пластин;

индукция магнитного поля под полюсами распределяется неравномерно; под краем полюса, на который якорь набегает, она уменьшается, а под краем полюса, с которого сбегает, - увеличивается (штриховая линия на рис. 12) настолько, что может создаться насыщение сбегающего края полюса и зубцов якоря. В результате появится продольная размагничивающая составляющая поля якоря, направленная против поля главных полюсов, что также приведет к уменьшению ЭДС якоря. Кроме того, в части проводников, находящихся в зоне магнитного насыщения, наводится значительная ЭДС, которая может вызвать пробой изоляции между соседними коллекторными пластинами и повышенное искрение на коллекторе.

Смещение магнитного поля двигателя. У двигателя постоянного тока при том же направлении тока в якоре направление вращения якоря по сравнению с генератором противоположное (штриховая стрелка на рис. 12, в), а картина распределения полей одинаковая. Результирующее поле и физическая нейтральная линия оказываются повернутыми на угол  против направления вращения якоря.

Это приводит к нежелательным последствиям: уменьшается вращающий момент двигателя, так как часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и физической нейтралью, будет находиться в зоне полюса противоположной полярности - эта часть проводников будет создавать тормозной момент.

Как и у генератора, возможно искрение щеток и обгорание коллектора, а также появление продольного размагничивающего поля.

Способы уменьшения влияния реакции якоря. Наиболее действенным и распространенным средством уменьшения влияния реакции якоря на работу машины является применение дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы устанавливаются на геометрической нейтральной линии между главными полюсами (рис. 12).

электрический измерение магнитный поле

Рис. 12



Их обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и намотана так, что ее магнитное поле направлено против магнитного поля якоря. В зоне геометрической нейтральной линии создаются условия, благоприятные для безыскровой работы щеток (более подробно этот вопрос рассмотрен в следующем параграфе). Дополнительные полюсы выполняют свои функции во всех режимах работы машины: при изменении нагрузки одновременно изменяются ток и поле якоря, ток и поле дополнительных, полюсов; при переходе машины в режим двигателя одновременно изменяется направление токаи поля якоря и направление тока и поля дополнительных полюсов.

Для выравнивания индукции под полюсами в быстроходных машинах большой мощности (свыше 80 кВт на один полюс) применяют компенсационную обмотку, которую закладывают в специальные пазы в полюсных наконечниках (рис. 13).

Компенсационная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и обмоткой дополнительных полюсов. Магнитное поле компенсационной обмотки всегда направлено навстречу магнитному полю якоря и таким образом оно компенсирует поле якоря в зоне главных полюсов.

В машинах малой мощности (до нескольких сотен ватт) вместо дополнительных полюсов применяют сдвиг щеток с геометрической нейтральной линии.

7. Коммутация

Основные явления. Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. На рис. 1.13, а показана секция перед коммутацией на рис. 13,б - секция в процессе коммутации (замкнутая накоротко через щетки 1, 2), на рис. 1.13,в - секция после коммутации.

Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 - 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока.

При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.

Рис. 13

Ток i в короткозамкнутой секции 2 за время Тк меняет свое направление на противоположное: от +Iадо - Iа (рис. 14), где Iа - ток в параллельной ветви. Вследствие изменения тока в секции наводится ЭДС самоиндукции

.

Рис. 14

Кроме этого, коммутируемая секция, если щетки расположены на геометрической нейтрали, пересекает поперечное поле якоря и поэтому в ней наводится ЭДС , называемая ЭДС вращения, где BП - индукция поперечного поля. Обе ЭДС вызывают ток коммутации iК, который замыкается по цепи: секция, коллекторная пластина, щетка, коллекторная пластина, секция (штриховая линия на рис. 14,б). От сопротивления этой цепи, а также от значений и направления еL и  зависит значение и направление тока iК. Кроме того, по коммутируемой секции протекает часть тока якоря.

Если еL и  направлены навстречу друг другу и равны, то еL +  = 0 и ток в коммутируемой секции изменяется по закону i = Iа (1 - 2t / Tк), т.е. линейно (рис. 14, прямая 1). В этом случае плотность тока под щеткой везде одинакова и не изменяется в процессе коммутации - искрение под щетками не наблюдается.

Однако практически еL +  ? 0. В этом случае ток iК алгебраически суммируется с частью тока якоря в коммутируемой секции и общий ток в коммутируемой секции изменяется в соответствии с кривыми 2 или 3 (рис. 14). В первом случае коммутация называется замедленной, во втором - ускоренной. В обоих случаях плотность тока под щеткой неодинакова, особенно она велика в набегающей части щетки для генератора и в сбегающей - для двигателя. В результате возникает искрение под щеткой и на коллекторе.

Пути улучшения коммутации. В предыдущем параграфе были рассмотрены электромагнитные причины плохой коммутации. Однако к искрению под щетками могут приводить и механические причины: неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. С учетом этого улучшение коммутации возможно несколькими путями:

обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации; это достигается созданием в зоне коммутации секции дополнительного магнитного поля такой величины и направления, чтобы еL +  = 0;

увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения тока короткого замыкания; это достигается применением твердых графитовых щеток с повышенным переходным сопротивлением (мягкие медно-графитовые щетки с малым переходным сопротивлением применяются только в тихоходных машинах на напряжение до 30 В);

тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток.

Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы. Магнитное поле дополнительных полюсов подбирается таким образом, чтобы еL +  = 0или было несколько больше нуля.

Дополнительные полюсы устанавливаются у всех машин постоянного тока мощностью свыше 1 кВт. В крупных машинах применение дополнительных полюсов сочетается с установкой компенсационной обмотки. В машинах малой мощности (менее 1 кВт) коммутацию настраивают поворотом щеток по направлению вращения у генераторов, а у двигателей - против направления вращения за положение физической нейтральной линии. Практически это положение определяется на глаз по наименьшему искрению под щетками. Улучшение коммутации поворотом щеток - малоэффективный метод, так как при изменении нагрузки положение физической нейтральной линии изменяется, а положение щеток остается фиксированным.



8. Классификация и схемы включения

Электрические машины -- это устройства преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот, а так же машины преобразующую электрическую энергию одних параметров в электрическую энергию других параметров.

Классификация электрических машин по назначению:

генераторы,

двигатели,

тахогенераторы (для преобразования частоты вращения в электрический сигнал),

электромашинные усилители (усилители мощности электрических сигналов),

синхронные компенсаторы (для повышения коэффициента мощности),

индукционные регуляторы (для регулирования напряжения переменного тока),

сельсины (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала).

Классификация электрических машин по принципу действия:

Все электрические машины разделяются на коллекторные и бесколлекторные.

Бесколлекторные машины -- это машины переменного тока -- асинхронные и синхронные.

Коллекторные машины используют главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и переменного тока.

На рисунке представлена диаграмма классификации электрических машин, содержащая основные их виды, получившие наибольшее применение в современной электроэнергетике.

Рис. 15

Классификация электрических машин по назначению: общего

специального -- выполненных с учетом специальных требований.

Классификация электрических машин по мощности:

большой -- несколько сотен мегаватт,

средней -- более 10 кВт,

малой -- 0,5 -- 10 кВт,

микромашины -- меньше 0,5 кВт.

Так же электрические машины одного принципа действия могут различаться схемами включения либо другими признаками, влияющими на эксплуатационные свойства этих машин.

Например, асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными (включаемыми в трехфазную сеть) или однофазными.

Асинхронные машины в зависимости от конструкции обмотки ротора могут быть с короткозамкнутым или фазным ротором.

Синхронные машины и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения разделяют на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами.

Размещено на Allbest.ru

...