Электротехника и электроника

Уравнения мгновенных значений э.д.с. будут:

EA = Em sin t

(3.1)

Кривые мгновенных значении э.д.с. показаны на рис. 3.2. На рис. 3.3 дана векторная диаграмма для их действующих значений

Сумма этих векторов образует замкнутый треугольник: ЕА + ЕВ + ЕС = О -- это трехфазная симметричная система э.д.с. Алгебраическая сумма мгновенных значений э.д.с. eА + еB + еC = 0, что легко проверить, подставив выражения этих значений как синусоидальных функций времени.

Рис. 3.3 Векторы э.д.с. трехфазной системы.

Изображения э.д.с. трехфазной системы в комплексной форме будут:

ЛA = Eф · ej0 = Eф

(3-2)

От последовательности фаз системы зависит направление вращения трехфазных двигателей, поэтому в трехфазных устройствах она проверяется специальными указателями последовательности фаз и обозначается раскраской шин на распределительных устройствах; приняты следующие цвета: фаза А -- желтый, фаза В -- зеленый и фаза С -- красный; незаземленная нейтраль -- белый, заземленная нейтраль -- черный. Зажимы обмоток генератора различают: начала A, В, С, концы X, Y, Z.

Два основных способа соединения обмоток генераторов, трансформаторов и приемников в трехфазных цепях: звездой и треугольником.

3.2 Соединение фаз звездой

Обмотки фаз генераторов можно было бы соединить с тремя приемниками электроэнергии шестью проводами (рис. 3.4а) и получить таким путем три независимые фазные цепи. Практически подобное соединение применяется лишь в редких случаях, но с помощью такой схемы можно нагляднее представить условия, возникающие при объединении цепей в трехфазную систему. Как и в однофазных цепях переменного тока, стрелки на схеме показывают положительные направления фазных э.д.с. и создаваемых ими токов. Положительные направления определяет разметка зажимов обмоток фаз генератора. Внутри обмоток э.д.с. и токи направлены от "концов" (X, Y, Z) к "началам" (А, В, С). Во внешней цепи токи направлены от начал обмоток фаз генераторов к приемникам.

Для соединения звездой (условное обозначение Y) зажимы X, Y, Z ("концы" обмоток фаз генератора) объединяются в одну общую точку N. Соответственно в точке п объединяются и три конца фазных цепей приемника (рис. 3.4б) Между нейтральными точками генератора и приемника проложен общий нейтральный провод (или нейтраль) трехфазной системы, образуемый объединением трех обратных проводов.

Рис.3.4 Образование соединения фаз звездой:

а -- схема не объединенной трехфазной системы.

б -- объединенная трехфазная система

Если предположить равными нулю поочередно все фазные эдс, кроме одной (например, проследить в объединенной системе контур тока IA при наличии в системе одной э.д.с. ЕА) то легко убедиться, что объединение системы не изменит контуры, по которым замыкаются фазные токи. Следовательно, в нейтральном проводе системы ток будет равен векторной сумме фазных токов:

ЭN = ЭA + ЭB + ЭC (3.3)

Нагрузка всех трех фаз называется симметричной, если ток во всех фазах одинаков и равны сдвиги фаз между фазными напряжениями и токами, а также полные сопротивления отдельных фаз приемника (т, е. равны комплексные сопротивления фаз приемника).

Рис. 3.5. Положительные направления фазных напряжений при соединении фаз звездой.

Рис. 3.6. Векторная диаграмма линейных и фазных напряжений для соединения фаз звездой.

При симметричной нагрузке сумма векторов фазных токов образует замкнутый треугольник. Следовательно, в этом случае ток в нейтральном проводе ЭN = 0. По этой причине для заведомо симметричной трехфазной нагрузки нейтральный провод не нужен. В частности, он не используется для трехфазных двигателей.

При соединении звездой фаз генератора и приемника напряжения на их зажимах называются фазными напряжениями Uф (UA , UB, UC на рис. 3.5). Но в системе имеются также напряжения между линейными проводами, называемые линейными напряжениями Uл (UAB,UBC, UCA) Положительные направления фазных напряжений противоположны по отношению к приемнику, включенному между линейными проводами (рис. 3.5). Следовательно, каждое из трех линейных напряжений равно векторной разности соответствующих фазных напряжений:

ЩAB = ЩA - ЩB;

ЩBC = ЩB - ЩC; (3.4)

ЩCA = ЩC - ЩA;

Численные соотношения между линейными и фазными напряжениями в симметричной системе легко определить на основании векторной диаграммы (рис. 3.6). За основу диаграммы можно взять три вектора фазных напряжений ЩA, ЩB и ЩC. Углы между ними равны 120o . Для построения вектора линейного напряжения ЩAB следует из ЩA вычесть ЩB, следовательно, нужно к ЩA прибавить (--ЩB).

Рис. 3.7. Соотношения между фазными и линейными напряжениями при соединении фаз звездой.

Рис. 3.8. Осветительная нагрузка при соединении приемников звездой с нейтральным проводом (четырехпроводная система)

1 - квартирные предохранители;

2 - домовые предохранители;

3 - муфта; 4 - кабель.

Последний равен ЩB по величине, но противоположен ему по направлению.

Так же строятся ЩBC и ЩCA. Так как рассматриваемая система напряжений симметрична, то векторы фазных и линейных напряжений образуют три равнобедренных треугольника с острыми углами по 30° и тупым углом 120°. Опустив из вершины тупого угла любого из треугольников перпендикуляр на противоположную сторону (рис. 3.7), можно найти, что

Uф cos 30o = Uл /2

или

Uл = v3 Uф;

В трехфазной системе, соединенной звездой, линейные напряжения больше фазных в v3 раз. При смешанной осветительной и силовой нагрузке линейное напряжение 380 В подается на зажимы трехфазных двигателей, а фазное 220 В=380/ v3 -- на осветительные приборы.

При соединении звездой токи в проводах линии передачи--линейные токи IЛ равны фазным, так как все части фазной цепи и линейные провода соединены последовательно: IЛ = IФ.

При осветительной нагрузке в случае соединения звездой приемники включаются между линейными проводами и нейтральным проводом.

Часто осветительная нагрузка бывает несимметричной, в этом случае необходим нейтральный провод (рис. 3.8). При отсутствии нейтрального провода в зависимости от отношения сопротивлений фаз приемника одно фазное напряжение может быть ниже необходимого, а другое слишком велико. По этой причине в нейтральном проводе магистрали запрещается устанавливать предохранители или выключатели.

3.3 Соединение фаз треугольником

Несколько реже, чем соединение звездой, в трехфазных устройствах применяют соединение треугольником (условное обозначение ).

При соединении треугольником (рис. 3.9) обмотки фаз генератора соединяются так, чтобы начало одной обмотки фазы соединялось с концом предыдущей (А с Z; В с X и С с Y). Положительные направляя э.д.с. при таком соединении направлены внутри треугольника обмоток фаз одинаково; следовательно, внутри этого треугольника действует алгебраическая сумма мгновенных значений фазных э.д.с. еA + eB + еC = 0 и поэтому уравнительного тока в мотках генератора не возникает Тем не менее для генераторов соединение треугольником применяется редко, так как при отступлении кривых э.д.с. от синусоиды сумма э.д.с. не будет равна нулю и внутри обмоток генератора возникнет уравнительный ток.. Общие точки, созданные объединением двух зажимов обмоток, соединяются с линейными проводами, к которым подключаются фазы приемника. Ток в каждом из линейных проводов системы равен сумме двух токов, положительные направления которых противоположны (см. рис. 3.9). На основании сказанного ясно, что результирующие, токи линейных проводах равны векторной разности соответствующих фазных токов:

Рис. 3.9 Соединение фаз треугольником

ЭA = ЭAB - ЭCA ;

ЭB = ЭBC - ЭAB ;

ЭC = ЭCA - ЭBC ; (3.5)

В этой системе три фазных напряжения будут вместе с тем линейными, поэтому как линейные, так и фазные токи, ими создаваемые, обозначают двумя индексами узлов ("начал" обмоток генератора или фаз приемника).

Три линейных напряжения ЩAB. ЩBC и ЩCA могут быть исходными при построении векторной диаграммы системы (рис. 10а). Углы между ними равны 120°. Векторы фазных токов Эab , Эbc, Эca симметричной нагрузке сдвинуты по отношению создающим их напряжениям на некоторый угол ц значение которого зависит от отношения реактивного и активного сопротивлений приемника.

На основании соотношений (3.5), чтобы построить вектор линейного тока ЭA ,нужно к Эab прибавить (--Эca), т. е. вектор, равный по Эca величине, но противоположный ему по направлению, На этом же основании определяются и два остальных линейных тока.

При симметричной нагрузке фазные токи по величине одинаковы: Iab = Ibc - Iф и должны быть равны между собой линейные токи IA = IB = IC = IЛ.

На диаграмме векторы фазных и линейных токов образуют три равнобедренных треугольника с острыми углами по 30° и тупым углом 120°. В таком треугольнике, опустив из вершины угла перпендикуляр на противолежащую сторону (рис. 3.10б), найдем, что

Iф cos 30o = Iл / 2

или Iл = v3 Iф; (3.6)

Следовательно, в трехфазной симметричной системе, соединенной треугольником, фазные напряжения являются одновременно линейными: Uф = Uл, а линейные токи больше фазных в 3 раз:

Iф = 3 Iф;

Рис. 3.10 Векторная диаграмма напряжений и токов трехфазной системы, соединенной треугольником (а), и векторные соединения между фазными и линейными токами (б)

Рис. 3.11 Осветительная сеть, соединенная треугольником:

1 -- квартирные предохранители, 2 -- ломовые предохранители,

3 -- муфт,. 4 -- кабель.

Некоторым преимуществом соединения фаз треугольником является то, что при несимметричной нагрузке нет необходимости использовать четвертый провод. На рис. 3.11 показана схема осветительной сети жилого дома при соединении фаз приемников треугольником.

Приемники подключаются к трем проводам трехфазной сети, причем они могут быть соединены звездой или треугольником независимо от способа соединения фаз генератора, питающего сеть.

В ряде случаев целесообразно в зависимости от условий работы приемников изменять способ соединения фаз -- переключать фазы приемника от звезды на треугольник и обратно.

Такое переключение применяется для уменьшения пусковых токов трехфазных электродвигателей, для изменения температуры трехфазных электрических печей, для изменения вторичных напряжений трансформаторов.

При переключении со звезды, на треугольник фаз симметричных приемников, сопротивления которых не зависят от напряжения, линейные токи увеличиваются в три раза:

IЛ = 3IЛY

но фазные токи возрастают в 3 раз:

IФ = 3IФY;

3.4 Мощность трехфазной системы и ее измерение

Активная мощность трехфазной системы Р является суммой фазных активных мощностей, а для каждой из них справедливо основное выражение активной мощности цепей переменного тока. Следовательно, фазная активная мощность Рф = ЗUфIфсоs и при симметричной нагрузке активная мощность трехфазного устройства

P = 3 PФ = 3 UФ IФ cos (3.7)

Но в трехфазных установках в большинстве случаев приходится выражать активную мощность устройства не через фазные, а через линейные величины. Это легко сделать на основании соотношений фазных и линейных величин, заменив в выражении активной мощности фазные величины линейными. При соединении звездой UФ = UЛ/3 ; IФ = IЛ, а при соединении треугольником UФ = UЛ; IФ = IЛ/З .После подстановки этих выражений в формулу (3.7) получим одно и то же выражение для активной мощности трехфазной симметричной установки:

P = 3UФ IФ cos = 3 UЛ IЛ cos

Хотя это выражение относится только к активной мощности симметричной системы, тем не менее им можно руководствоваться в большинстве случаев, так как в промышленных устройствах основная нагрузка редко бывает несимметричной.

Реактивная мощность в симметричной системе, так же как и полная мощность, выражается через линейные величины подобно активной мощности:

Q = 3QФ = 3UФ IФ sin = 3 UЛ IЛ sin и

S = 3 UФ IФ = 3 UЛ IЛ

Простейшие условия измерения активной мощности трехфазной системы имеются в том случае, если фазы приемников соединены звездой с доступной нейтральной точкой.

В этом случае для измерения мощности одной фазы цепь тока ваттметра соединяют последовательно с одной из фаз приемника (рис. 3.12а), а цепь напряжения включают под напряжение той фазы приемника, в которую включена цепь тока ваттметра, т. е. зажимы цепи напряжения ваттметра присоединяются один к линейному проводу, а второй--к нейтральной точке приемника. В подобных условиях измеренная мощность

PИЗ = PФ = UФ IФ cos

а мощность симметричного приемника

P =3 PИЗ =3 UФ IФ cos

Часто нейтральная точка недоступна или фазы приемника соединены треугольником. Тогда применяется измерение с помощью искусственной нейтральной точки (рис. 12 б).

Рис. 3.12 Схема измерения активной мощности в симметричной трехфазной системе:

а -- при доступной нейтральной точке,

б -- с искусственной нейтральной точкой

Такая точка (точнее узел) составляется из цепи напряжения ваттметра с сопротивлением rвт.н и двух добавочных резисторов С такими же сопротивлениями.

При таком соединении цепь напряжения ваттметра находится под фазным напряжением, а через цепь тока прибора проходит фазный ток. Следовательно, и при таком измерении

P = 3 PИЗ

Для измерения активной мощности в четырехпроводной установке (т. е. установке с нейтральным проводом) при несимметричной нагрузке применяют способ трех ваттметров (рис. 3.13). В такой установке каждый из ваттметров измеряет активную мощность одной фазы, а активная мощность установки определяется как сумма мощностей, измеренных тремя ваттметрами:

Рис. 3.13 Схема измерения активной мощности в трехфазной четырехпроводной системе (способ трех ваттметров)

В трехпроводных сетях при несимметричной нагрузке мощность измеряют способом двух ваттметров.

Если включить два ваттметра в трехпроводную систему постоянного тока (рис. 3.14), то они будут измерять мощность всей установки. При этом не имеет значения, каковы напряжения отдельных цепей, объединенных в трехпроводную систем. Если вместо постоянных тока и напряжения рассматривать мгновенные значения напряжений и токов трехфазной системы, то в таких условиях ваттметры будут показывать средние значения мгновенных мощностей, т. е. активные мощности. Но следует иметь в виду, что хотя Р = P1 + Р2, мощность системы равна сумме показаний двух ваттметров, но эта сумма алгебраическая, т. е. показание одного из ваттметров может быть отрицательным -- стрелка одного из ваттметров может отклоняться в обратную сторону, за нуль шкалы. Чтобы отсчитать в таких условиях показание ваттметра нужно переключить зажимы цепи напряжения. Показания прибора после такого переключения следует считать отрицательными.

Рис. 3.14 Схема измерения активной мощности в трехфазной трехпроводной системе (способ двух ваттметров)

Пример. Трехфазный симметричный потребитель электроэнергии с сопротивлением фаз Zа = Zь = Zc = Zф = R = 10 Ом соединен "звездой" и включен в трехфазную сеть с симметричным линейным напряжением Uл = 220 В (рис.3.15). Определить токи в фазных и линейных проводах, а также потребляемую активную мощность в режимах:

а) при симметричной нагрузке;

б) при отключении линейного провода;

в) при коротком замыкании той же фазы нагрузки.

Построить для всех трех режимов топографические диаграммы напряжений и показать на них вектора токов.

Рис. 3.15.

а) Решение. Фазные напряжения при симметричной нагрузке: Ua = Ub = Uc = Uф = Uл/3 = 2203 = 127 В. Фазные токи при этой нагрузке: IФ = Uф/Rф = 127/10 = 12,7 А. Линейные токи при симметричной нагрузке: IА = IC = IЛ = Iф = 12,7 А, так как симметричный трехфазный потребитель электроэнергии соединен "звездой".

Активная мощность трехфазного симметричного потребителя:

Р = 3Рф = 3Uф Iф cos = 3 127 12,7 1 = 4850 Вт = 4,85 кВт или Р = 3 Uл Iл cos ф= 3 220 12,7 1 = 4850 Вт= 4,85 кВт, где

cos ф = 1 при ZФ = RФ.

Векторная диаграмма напряжений и токов приведена на рис.3.16.

Рис. 3.16.

б)Решение Ток в линейных проводах аА и сС при обрыве линейного провода ЬВ (выключатель S разомкнут); так как сопротивление фазы Zb = (IВ = 0), а Za = R и Zc = R включены последовательно на линейное напряжение UCA = UЛ = 220 B; IA = IC = I = UCA/(R + R) = 220/(10 + 10) = 11 А.

Напряжение на фазах потребителя при обрыве линейного провода ЬВ (нейтральная точка п в этом случае соответствует середине вектора линейного напряжения UCA): Ua = Uc = UCA/2 = 220/2 = 110 B.

Рис. 3.17.

Напряжение между проводом фазы В и нейтральной точкой п определяют из векторной диаграммы (рис. 3.17): Uc = Uл cos /6 = 220 0.866 = 190,5 B.

Активная мощность потребителя при обрыве линейного провода ЬВ: Р = РА + РС = 2 I2 RФ = 2 112 10 = 2420 Вт = 2,42 кВт.

в) Для условия задачи определить фазные напряжения UФ и токи IФ, активную мощность Рк потребителя при коротком замыкании фазы Zb, построить векторную диаграмму для этого случая рис. 3.18.

Рис. 3.18

Решение. В данном случае Zb = 0 и Ub = 0, нейтральная точка п переместится в точку В, при этом фазные напряжения Uc = UBC, Uа = UАВ, т.е. фазные напряжения равны линейным напряжениям (Uф = UЛ). При этом фазные токи: IA = IC = Uл/R = 220/10 = 22 А. Ток IВ при коротком замыкании в соответствии с первым законом Кирхгофа для нейтральной точки п: IA + IB + IC = 0 или -IB = IA + IC.

Из прямоугольного треугольника на векторной диаграмме рис. 3.19 имеем: (-IB/2)2 + (IA/2)2 = I2 А, откуда IB = 3 IA = 3 22 ? 38 А. При этом IА = UЛ/Za = Iс = UЛ/Zc = Uл/R = 220/10 = 22 А.

Активная мощность цепи при коротком замыкании: Рк = РА + PC = 2 I2ф R = 2 222 10 = 9680 Вт = 9,68 кВт. Векторная диаграмма напряжений и токов приведена на рис. 3.19

Рис. 3.19



Раздел 4. Трансформаторы

4.1 Назначение трансформаторов

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменных напряжений и токов неизменной частоту при передаче электроэнергии от источника к потребителю.

Трансформация напряжений и токов необходима, прежде всего, для экономичной передача и распределения электроэнергии. Энергия большой мощности S = U I при небольшом значении напряжения может быть передана только при большом значении тока. Потери энергии в линии электропередачи определяются по формуле:

Pл = I2 Rп L (4.1)

где Rn - сопротивление 1 км линии передачи, Ом/км;

L - длина линии км, а потери напряжения в этой же линии:

Uл = I Rп L (4.2)

Следовательно, чем меньше ток, тем меньше потери мощности и напряжения в линях электропередачи. Это достигается повышением напряжения в линии. Чем выше напряжение, тем меньше значение тока, а значит меньше сечение проводов линии передачи. Поэтому в местах производства электрической энергии - на электрических станциях напряжение повышают до 35, 11О, 220, 330, 500, 750 кВ и выше, передают энергию по проводам к потребителю, где на понижающих подстанциях трансформируют до 3, 6, 10 кВ. Эти напряжения используют при питании мощных электродвигателей, других приемников, а также трансформаторов, понижающих напряжение до 500, 380, 220 В и ниже.

4.2 Устройство трансформатора

Трансформатор состоят из сердечника (см. рис.4.1), собранного из отдельных листов электротехнической стали и двух обмоток - первичной с числом витков 1 и вторичной с числом витков 2. Обмотки обычно выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Начала обмоток обозначают буквами А и а, концы Х и х. Обмотки различают также по значению напряжения: обмотка высшего напряжения (ВН), обмотка низшего напряжения (НH). К первичной обмотке подключается генератор, ко вторичной - приемник.

Рис.4.1. Электромагнитная схема трансформатора

Условное обозначение трансформатора приведено на рис.4.2

На табличке трансформатора указывается его номинальные величины: мощность SH, первичное U1н и вторичное U2н, напряжения, первичный I1н и вторичный I2н токи, напряжение короткого замыкания UK и частота f которые соответствуют номинальному тепловому режиму.



Рис.4.2. Условные обозначения трансформатора на электрических схемах

4.3 Принцип действия однофазного трансформатора

Переменное напряжение u1, подведенное к первичной обмотке трансформатора, вызывают в ней ток i1, который возбуждает в сердечнике, являющемся магнитопроводом, переменный магнитный поток Ф. Часть потока замыкается вокруг первичной обмотки по сердечнику и по воздуху, образуя поле рассеяния.

Основной магнитный поток Ф наводит в обмотках э.д.с.

(4.3)

Э.д.с. e2 имеет такое же направление по отношению к началу вторичной обмотки, как в э.д.с. e1 по отношению к первичной обмотке (на рис. 4.1 начала обмоток обозначены точками).

Для гармонически изменяющегося магнитного потока

Ф = Фm sin t (4.4)

где Ф и Фт - мгновенное и амплитудное значения потока.

С учетом выражения магнитного потока формулы (4.3) примут следующий вид:

e1 = 1 Фm sin (t - /2) = m1 sin (t - /2);

e2 = 2 Фm sin (t - /2) = m2 sin (t - /2); (4.5)

где E m1 = 1 Фm; E m2 = 2 Фm.

Действующие значения первичной и вторичной э.д.с.

(4.6)

Отношение э.д.с. первичной обмотки к э.д.с. вторичной обмотки, равное отношению чисел витков этих обмоток, называется коэффициентом трансформации трансформатора

(4.7)

Таким образом, для повышения напряжения генератора необходимо выполнить условие 2 > 1. Трансформатор с таким соотношением витков называют повышающим. Если трансформатор понижающий, то для него 1 > 2.

4.4 Потери мощности и кпд трансформаторов

При трансформации электрической энергии в трансформаторе возникают потери мощности

P = P1 - P2, (4.8)

где Р1 = U1 I1 cos1 - мощность, подводимая к трансформатору;

Р2 = U2 I2 cos 2

Потерь мощности состоят из потерь в стальном сердечнике Рст и потерь на нагрев обмоток Рм.

Последние является переменными потерями, поскольку зависят от нагрузки, и определяются:

Pм= Рм1 + Рм2 = R1 I2 + R2 I2, (4.9)

где R1 и R2 активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора.

КПД трансформатора

(4.10)

и составляет для мощных трансформаторов 98 - 99%.

4.5 Режим холостого хода трансформатора

Это такой режим при котором к первичной обмотке трансформатора подведено напряжение сети, а вторичная обмотка разомкнута.

Поскольку вторичная обмотка разомкнута, то ток в ней отсутствует.

Ток первичной обмотки будет равен току холостого хода I1 = I0 , которые составляет 2 - 10% от номинального тока первичной обмотки для силовых трансформаторов. Причем, чем больше мощность трансформатора, ток меньше ток холостого тока. Вследствие малости тока I1 можно считать, что

U1 E1 (4.11)

Учтивая, что в режиме холостого хода U20 = Е2 коэффициент трансформации трансформатора можно определить как

(4.12)

Определив потери на нагрей первичной обмотки по формуле

Pм1 = I2o1 R1, (4.13)

можно найти потери в стали сердечника

Рст = Р1 - Рм1 (4.14)

При проведении опыта холостого хода к первичной обмотке подводят напряжение, которое постепенно повышают от 0 до I, I Uн1 При этом снимают показания приборов, а затем строят характеристики холостого хода, представляющие собой зависимости тока I0 мощности Р0 и коэффициента мощности cos от напряжения U1 Построенные характеристики используются для определения значения тока I0 и мощности Р0 соответствующих номинальному напряжению U1H.



4.6 Режим короткого замыкания

Различают короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации и сопровождающиеся всплесками тока или разрушением обмоток трансформатора, и опыт короткого замыкания, проводимый для определения параметров короткого замыкания.

При опыте короткого замыкания вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной обмотке подводят пониженное напряжение, повышая его от нуля до некоторого значения UK , при котором токи короткого замыкания равны номинальным токам. В этом случае снимают показания приборов и строят характеристики короткого замыкания:

I1K = f (UK),

cos K = f (UK),

PK = f (UK).

Где I1K ток короткого замыкания в первичной обмотке трансформатора;

Рк - мощность потерь короткого замыкания при номинальных токах в обмоткам.

Напряжение короткого замыкания UK обычно выражается в процентах от номинального напряжения первичной обмотки U1H

(4.15)

и составляет 2 8 % от U1H.

На рис. 4.3 приведена упрощенная схема замещения трансформатора i режиме короткого замыкания. Величины сопротивлений RK

Рис. 4.3. Схема замещения трансформатора при коротком замыкания

ХK, ZK называют параметрами короткого замыкания. Их значения определяют из опыта короткого замыкания, При номинальных токах в обмотках измеряют ток I1K, напряжение UK и мощность РK и рассчитывают значения

(4.16)

4.7 Работа трансформатора под нагрузкой

В режиме нагрузки первичная обмотка трансформатора включена на номинальное первичное напряжение, а ко вторичной обмотке подключен приемник (см рис.4.4). В этом случае можно выделить три потока: основной поток Ф , сцепленный с первичной и вторичной обмотками, поток рассеяния первичной обмотки Фроc1 и поток вторичной обмотки Фрoс2 .

Рис. 4.4. Электромагнитная схема

Работа трансформатора под нагрузкой подчиняется тем же закономерностям, что и работа в режимах холостого хода и короткого замыкания. Эта закономерности выражаются в форме уравнений напряжения, э.д.с. и намагничивающих сил, или могут быть изображены с помощью векторных диаграмм.

Нагрузочный режим позволит построить внешние характеристики и определить КПД () трансформатора. С увеличением нагрузки изменяется напряжение на вторичной обмотке. Зависимость этого напряжения от нагрузки выражается графически внешними характеристиками трансформатора U2 = f (I2). Вид внешней характеристики зависит от характера нагрузки и от величины коэффициента мощности cos 2. При активной и активно-индуктивной нагрузках внешние характеристики имеют падающий вид, при активно-емкостной нагрузке внешняя характеристика имеет восходящий вид (рис.4.5).

Рис. 4.5 Внешняя характеристика (а) и график зависимости КПД трансформатора от нагрузки (б)

4.8 Особенности устройства и работы трехфазных трансформаторов

Описание рабочих процессов относится как к однофазным, так и к трехфазным трансформаторам, в последнем случае--к одной фазе трансформатора, нагруженного симметрично. Трансформирование трехфазной системы токов может осуществляться трансформаторной группой -- тремя однофазными трансформаторами, работающими как одни агрегат. Но можно объединить три однофазных трансформатора в один трехфазный аппарат и при этом достигнуть экономии материалов. Это было сделано изобретателем трехфазного трансформатора М. О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Покажем наглядно, как создается экономия материала при построении трехфазного трансформатора.

Представим себе три однофазных трансформатора (рис. 4.6а). Составляя сердечник для трехфазного трансформатора, оставим без изменения те части сердечников однофазных трансформаторов, на которых расположены обмотки, а свободные части этих трех сердечников соединим в один общий магнитопровод (рис. 4.6б).

Такое построение магнитной системы можно сопоставить с соединением трех электрических цепей звездой. Но в трехфазной системе при равномерной на грузке нейтральный провод не нужен; отказываясь от него, получаем экономию меди.

Рис. 4.6 Схема преобразования трех однофазных трансформаторов в один трехфазный

Рис. 4.7 Кривые мгновенных значений магнитных потоков трехфазного трансформатора и распределение потоков в сердечнике

Нейтральному проводу в магнитной системе трехфазного трансформатора соответствует средний общий стержень. При наличии симметричной трехфазной системы магнитных потоков этот стержень не нужен и может быть удален (рис. 4.6в), так как алгебраическая сумма этих магнитных потоков всегда равна нулю.

Магнитный поток в стальном сердечнике трансформатора можно считать прямо пропорциональным напряжению и отстающим от него по фазе почти на 90°. Три первичных напряжения трехфазной системы, следовательно, должны обусловливать три потока одинаковой амплитуды, сдвинутых по фазе по отношению друг к другу на одну треть периода (120°).

Показанный на рис. 4.6в симметричный сердечник неудобен для изготовления и в настоящее время заменен несимметричным магнитопроводом (рис. 4.6г), который, можно мыслить как выпрямленный вариант магнитопровода (рис. 4.6в) Симметричная трехфазная система первичных напряжений трансформатора возбуждает и в таком несимметричном магнитопроводе симметричную систему магнитных потоков.

Но из-за неравенства магнитных сопротивлений намагничивающие токи отдельных фаз между собой не равны. Однако эта несимметрия намагничивающих токов для основных соотношений существенного значения не имеет. Физически в каждый данный момент магнитный поток одного стержня замыкается через два других стержня магнитопровода (рис. 4.7).

Отметим, что для фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке справедливы те же отношения, что и для однофазного трансформатора. Эти условия нарушаются лишь в некоторых случаях при несимметричной нагрузке трехфазных трансформаторов.

Рис. 4.8.Трехфазный масляный трансформатор с трубчатым баком в частичном разрезе:

1 -- катки, 2 -- спускной кран для масла, 3 - изолирующий цилиндр, 4 -- обмотка высшего напряжения, 5 -- обмотка низшего напряжения, 6 -- сердечник, 7 -- термометр, 8, 9 -- выводы низшего напряжения, 10 -- выводы обмотки высшего напряжения. 11 -- расширитель для масла, 12 -- указатель уровня масла, 13 -- радиаторы.

Группа из трех однофазных трансформаторов дороже, чем трехфазный трансформатор той же мощности, занимает больше места, а кпд несколько ниже. Зато в качестве резерва на случай аварии или ремонта при такой группе достаточно иметь один однофазный трансформатор, так как маловероятно одновременное повреждение всех трех фаз трансформатора, а периодический ремонт их может осуществляться поочередно. Но при трехфазном трансформаторе в качестве резерва необходим второй трехфазный трансформатор. Таким образом, трехфазная группа обеспечивает большую надежность при эксплуатации; наконец, перевозка и установка трех однофазных трансформаторов при больших мощностях значительно проще перевозки и установки трехфазного трансформатора большой мощности.

Практически большинство трансформаторов малой и средней мощности выполняют трехфазными (рис. 4.8), а больших мощностей -- с учетом конкретных условий установки. Трехфазные трансформаторы изготовляют мощностью до 60 000 кВ А, но уже начиная с мощности 3 х 600 = 1800 кВ А допускается применять трехфазные группы трехфазных трансформаторов.

Зажимы трехфазного трансформатора размечаются в порядке чередования фаз: на стороне высшего напряжения зажимы А, В, С --начала обмоток, X, У, Z --их концы; на стороне низшего напряжения -- соответственно а, Ь, с, и х, у., z (см. рис. 4.6г).

Основными способами соединения обмоток трехфазного трансформатора являются соединения звездой и треугольником.

Самым простым и дешевым из них является соединение обеих обмоток трансформатора звездой, при котором каждая из обмоток и ее изоляция (при глухом заземлении нейтральной точки) должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток; так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то, следовательно, соединение обмоток звездой требует в каждой из обмоток меньшего количества витков, но большего сечения проводников с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное напряжение. Соединение обеих обмоток звездой широко применяют для трансформаторов небольшой и средней мощности (примерно до 1800 кВ А). Соединение звездой является наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем относительно дороже обходится соединение обмоток треугольником.

Соединение обмоток треугольником конструктивно удобнее при больших токах. По этой причине соединение Y/ широко применяется для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтрального провода.

При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений U1ф/U2ф. всегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток w1/w2, что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа соединения обмоток трансформатора. При одинаковом способе соединения (Y/Y или /) отношение линейных напряжений также равно коэффициенту трансформации. Однако при различном способе соединения (Y/ и /Y) отношение линейных напряжений меньше или больше этого коэффициента в Зраз. Это дает возможность регулировать вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим изменением способа соединения его обмоток.

Пример. Трехфазный понижающий трансформатор с номинальной мощностью SHOM = 20 кВ А и номинальными линейными напряжениями: U1НОМ = 6000 В, U2HOM = 400 В при частоте f = 50 Гц имеет потери мощности холостого хода Р0 = 180 Вт, потери мощности короткого замыкания Рк = 600 Вт и напряжение короткого замыкания Uк = 5,5%. Соединение обмоток трансформатора выполнено по схеме "звезда". Определить коэффициент трансформации К трансформатора, токи I1ном I2ном в обмотках, фазные напряжения UlHOM и U2HOM, сопротивления обмоток: R1, R2, X1, Х2, а также КПД при cos 2 = 0,8 и нагрузке, равной 75% от номинальной ( = 0,75).

Решение. Коэффициент трансформации трансформатора при заданной схеме соединения обмоток К = U1HOM/U2HOM = 6000/400 =15.

Номинальные токи, при S1ном = S2ном = SHOM: первичной обмотки: I1ном = SHOM /3 U1HOM = = 1,93 A; вторичной обмотки: I2HOM = SHOM/3 U2HOM = = 29 А.

Номинальные фазные напряжения трансформатора: U1ф ном = U1НОМ / З = 6000/1,73 = 3470 В; U2ф ном = U2ном /3 = 400/1,73 = 230 В.

Активные сопротивления

короткого замыкания: RK = R1, + R'2 = PK/3I21HOМ = 600/3 19,32 = 10,3 Ом;

первичной обмотки R1 = R '2 = RK/2 = 10,35/2 = 5,17 Ом;

вторичной обмотки R2 = R'2 = RK/K2 = 5,17/152 = 0,023 Ом.

Коэффициент полезного действия трансформатора при cos 2 = 0,8 и = 0,75;

Сопротивления короткого замыкания:

Полное

Индуктивное

Хк = X1 + Х'2 =

Индуктивные сопротивления:

первичной обмотки

X1 = Х'2 = Хк/2 = 98,8/2 = 49,4 Ом;

вторичной обмотки

Х2 = Х'2 = ХК/К2 = 49,4/152 = 0,22 Ом.

Для определения годового эксплуатационного КПД учитывать время трансформатора под нагрузкой н-р 4200 час. ( Sн cos 2 4200), потери Рк (2 Рк 4200) и потери холостого хода, которые определяются временем 365 д 24 ч. = 8760 ч. и равны Ро 8760 ч.



Раздел 5. Асинхронный двигатель

5.1 Исследование короткозамкнутого асинхронного двигателя

1. Асинхронный электродвигатель является основным видом электродвигателей, выпускаемых электротехнической промышленностью. Своей простотой, надежностью, относительной дешевизной он завоевал преимущественное распространение по сравнению с другими видами электроприводов и находит применение во всех отраслях народного хозяйства.

2. Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора. Роторы бывают двух видов короткозамкнутые и с фазной обмоткой. Так как приблизительно 95% двигателей выпускаются короткозамкнутыми, то рассмотрим их подробнее. Коротко замкнутый ротор представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На наружной поверхности ротора выштампованы пазы, которые заливаются расплавленным алюминием, в результате чего образуются продольные проводящие стержни. С обеих сторон (торцов) ротора располагаются алюминиевые кольца, которые замыкают эти стержни.

Статор асинхронного двигателя также представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На внутренней поверхности цилиндра выштампованы пазы, в которых размещаются обмотки из изолированного медного провода. Оси обмоток смещены в пространстве на угол 120° друг относительно друга. Начала обмоток маркируются буквами С1, С2, С3, концы обозначены С4, С5., С6, (рисунок 5.1а).

3. При подключении обмоток статора к трехфазной электрической сети в ней возникают токи, действующие значения которых равны, а начальные фазы сдвинуты друг относительно друга на угол 120°, так как обмотки представляют для сети симметричную трехфазную нагрузку.

Можно строго доказать, что если три обмотки, оси которых сдвинуты друг относительно друга в пространстве, запитать системой токов, сдвинутых .друг относительно друга по фазе, то образующееся при этом магнитное поле будет вращающимся. Рассмотрим упрощенно процесс образования вращающегося поля, Пусть три обмотки на рисунке 5.1а запитаны системой токов, изображенной на рисунке 5.16, причем ток i2 протекает по обмотке С3 - С6, ток i3- по обмотке С3 - С6. За положительное направление токов примем направление от конца к началу обмоток. Изобразим условно проводники обмоток, лежащие в пазах статора, так, как это сделано на рисунке 5.1а, б, в, расставим направления токов в разные моменты времени и определим направление магнитного поля.

Рис. 5.1 Статор асинхронного двигателя и токи, питающие его обмотки

Направление векторов магнитной индукции определяется правилом правоходового винта: при движении правоходового винта в направлении тока магнитная силовая линия, охватывающая этот ток, направлена в сторону вращения головки винта.

Рис. 5.2 Образование вращающегося магнитного поля

В момент времени Т = 90o ток i положителен, а токи i2, i3 отрицательны (рисунок 5.16). Для этого момента времени расставляем на рисунке 5.1а направления токов в проводниках: положительно направленный ток течет от конца С4 к началу С1 (направление "от нас" обозначено крестиком, направление "к нам" - точкой); отрицательно направленные токи текут от начала фазы к концу, т.е. в концах фаз C5 и С6 ток течет "к нам", а в началах С2 и С3 - соответственно "от нас". Образованные этими токами магнитные поля показаны в виде магнитных силовых линий. Суммарный вектор магнитной индукции В направлен вертикально вверх.

Для момента времени t = 210° устанавливаем по рисунку 5.1б, что i2 > 0, i1 < 0 , i3 < 0. Это дает возможность расставить направления токов в обмотках так, как указано на рисунке 5.16. Построив магнитные силовые линии, можно увидеть, что вектор магнитной индукции В повернулся в пространстве на угол 120°.

Для момента времени t = 330°, устанавливаем по рисунку 5.16, что i1 < 0, i2 < 0, , i3 > 0. Построение картины магнитного поля (рисунок 5.2в) дает возможность установить, что вектор магнитной индукции В повернулся в пространстве на угол 240°.

Продолжая аналогичные рассуждения, можно установить, что за время, равное одному периоду изменения тока, вектор магнитной индукции повернется в пространстве на 360°, т.е. полученное магнитное поле будет вращающимся. Можно показать, что скорость вращения магнитного поля определяется выражением:

где f- частота тона трехфазной сети, Гц,

Р - число пар полюсов двигателя.

Метод получения вращающегося магнитного поля был впервые разработан замечательным русским инженером М.О. Доливо-Добровольским.

4. Поместим внутрь расточки статора ротор. Вращающиеся магнитные силовые линии пересекают стержни роторной обмотки. По закону электромагнитной индукции в стержнях возникнут э.д.с., а так как стержни с торцов замкнуты кольцами, то под влиянием э.д.с. в них потекут токи. Известно, что на ток в магнитном поле действует механическая сила. Можно сказать, что эта сила направлена в сторону вращения поля. Под влиянием сил, действующих на стержни с током, ротор начинает вращаться.

По мере увеличения числа оборотов ротора п уменьшается скорость пересечения магнитными силовыми линиями стержней роторной обмотки. При этом уменьшаются роторные э.д.с. и токи. При п = п0 пересечение прекратится, ток ротора станет равным нулю, исчезнет и вращающий момент.

Под влиянием сил трения ротор начнет уменьшать обороты, снова появится пересечение магнитными силовыми линиями стержней ротора и т.д. Ясно, что вращение ротора возможно лишь со скоростью, несколько меньшей, чем скорость вращения магнитного поля, т.е. всегда соблюдается условие п < п0. Величина, характеризующая отставание частоты вращения ротора п от частоты вращения магнитного поля статора п0, называется скольжением

5. В процессе работы асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию, полученную из сети, в механическую энергию, отдаваемую нагрузке. Как и в любой реальной машине, это преобразование не обходится без потерь. При протекании токов по обмоткам статора и ротора в последних возникают потери, называемые медными потерями. При прохождении магнитного потока железу магнитопровода возникают стальные потери. Наконец, при вращении ротора возникают механические потери, вызванные трением в подшипниках, трением ротора о воздух, потерями на вентиляцию. Суммарные потери обозначаются P. К.П.Д. двигателя определяется по формуле:

Коэффициент мощности определяют по формуле:

Зависимость К.П.Д. и cos от полезной мощности называется рабочими характеристиками асинхронного двигателя. Расчет и опыт показывают, что К.П.Д. и cos возрастают с увеличением полезной нагрузки на валу двигателя, достигают максимума при нагрузках, близких к номинальным, а при дальнейшем увеличении нагрузки снижаются. Отсюда вывод -асинхронный двигатель невыгодно эксплуатировать при малых нагрузках, ибо его энергетические показатели (К.П.Д. cos ) малы.

6. Зависимость вращающего момента на валу двигателя М от скольжения S называется механической характеристикой. Анализ показывает, что в процессе пуска при увеличении числа оборотов (т.е. при уменьшении скольжения от I при пуске до некоторой критической величины SK) вращающий момент увеличивается, а при дальнейшем увеличении оборотов вплоть до п0 (т.е. при уменьшении скольжения от SK до 0) вращающий момент снижается до нуля. Типичная для асинхронного двигателя механическая характеристика показана на рисунке 5.3.

Рис. 5.3 Механическая характеристика асинхронного двигателя

На кривой вращающего момента можно выделить характерные точки. В момент пуска при п = 0 и S = 1 двигатель развивает пусковой момент Мn. Пусковой момент всегда должен быть больше момента сопротивления на валу двигателя, иначе двигатель не сможет тронуться с места. Величина отношения пускового момента к номинальному вращающему моменту Мn/Мн называется кратностью пускового момента. Она, как правило, обозначается на фирменной табличке двигателя и в каталогах. Для двигателей общепромышленного исполнения кратность пускового момента равна 1,2 1,6.

Вращающий момент, развиваемый двигателем при критическом скольжении, обозначается Мкр и называется критическим или максимальным моментом.

Из рисунка 5.3 видно, что это самый большой момент, развиваемый двигателем в процессе разгона.

До тех пор, пока момент сопротивления на валу двигателя, создаваемый приводным механизмом, не превосходит максимального момента, еще возможна нормальная работа двигателя, хотя бы кратковременно.

Если же тормозной момент на валу станет больше максимального, то двигатель вынужден сбросить обороты до нуля" Это аварийный режим, получивший название "опрокидывания" двигателя.

Отношение величины максимального момента Мкр к номинальному Мн называется кратностью максимального момента

и для большинства двигателей общепромышленного исполнения составляет 2,5 3. Величина Мкр/ Мн как правило, приводится на фирменной табличке двигателя и в каталогах. Кратность максимального момента называют еще перегрузочной способностью двигателя.

Диапазон (0 Sкp) соответствует рабочем участку механической характеристики. На этом участке увеличение нагрузки на валу приводит к снижению числа оборотов и, следовательно, к увеличению вращающего момента, т.е. равновесие тормозного и вращающего моментов восстанавливается. На рабочем участке возможна устойчивая работа двигателя и здесь же выбирается точка номинального момента, т.е. такого вращающего момента, который двигатель способен развивать длительное время, не перегреваясь.

Диапазон (Sкр 1) соответствует неустойчивому участку работы асинхронного двигателя. В этом случае при увеличении нагрузки вращающий момент уменьшается, что приводит к "опрокидыванию" двигателя.

Пример. Рассчитать по приближенным формулам и построить механические характеристики M(s) и п = (М) асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, с номинальной мощностью Рном = 3,2 кВт и номинальным числом оборотов пном = 1440 об/мин. Кратность пускового момента Мпуск/Мном = 1,1, число пар полюсов двигателя р = 2, частота питающего напряжения f1 = 50 Гц. Механическими потерями мощности Рмех при расчете пренебречь.

Решение. Синхронная круговая частота вращения магнитного поля двигателя: 1 = 2f1/p = 2 3,14 50/2 = 157 с-1.

Синхронная частота вращения ротора n1 = 60f1/p = 60 50/2 = 1500 об/ мин.

Номинальное скольжение ротора:

Или

где ном = nном/30 = 3,14 1440/30 = 150,72 c-1

Номинальный момент нагрузки на валу двигателя: Мном = 9550 Рном/пном = 9550 3,2/1440 = 2 1 ,2 H м.

Пусковой момент двигателя: Мпуск =1,1 Мном =1,1 21,2 = 23,4 Н м.

Максимальное скольжение ротора асинхронного двигателя может быть определено из упрощенного уравнения механической характеристики при пуске:

Момент на валу при номинальной нагрузке:

Откуда

Максимальный момент, развиваемый асинхронным двигателем:

Mmax = Mпуск/2 = (1/sкр + sкр) = 23,4/2 (1/0,21 + 0,21) = 58 Н м.

Кратность максимального момента асинхронного двигателя по отношению к номинальному его значению; Мmax/Мном = 58/21,2 = 2.72.

Координаты естественной механической характеристики асинхронного двигателя для различных значений скольжения ротора рассчитывается по формулам:

и n = n1 (1 - s).

Результаты расчетов сведены в табл. 1.



Таблица 1

Величины, соответствующие работе асинхронного электродвигателя в режимах	Режимы работы двигателя
s		M, H м	2, c-1	n2, об/мин
0	-	0	157	1500	Идеальный холостой ход
0,21	2,00	58,86	125,6	1200	Нагрузка
0,4	2,43	48,36	94,2	900	Нагрузка
0,6	3,20	36,78	62.8	600	Нагрузка
0,8	4,07	28,94	31,4	300	Нагрузка
1	4,97	23,54	0	0	Нагрузка

Координаты характерных точек механических характеристик асинхронного двигателя в двигательном режиме: sном = 0,04; Мном = 21,2 Н м; sкp = 0,21; Мmах = 58 Н м; snyск = 1; Мпуск = 23,4 Н м.

На рис 5.4, а, б приведены механические характеристики асинхронного двигателя s(M) и п(М), рассчитанные по приближенным формулам.

Рис. 5.4 а, б

Для нахождения номинального тока при известных Р2н, Un двигателя

при снижении напряжения в сети на 10% пусковой момент

и максимальный момент

критическое скольжение sкр можно определить по формуле



Раздел 6. Физические основы полупроводниковой электроники

6.1 Полупроводники

Полупроводниками называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлом и диэлектриками. Для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge и кремний Si, а также арсенид галлия GaAs Атомы в кристаллической решетке связаны за счет обменных сил, возникающих при попарном объединении валентных электронов соседних атомов, при этом каждый из атомов остается электрически нейтральным. Такая связь называется ковалентной.

При повышении температуры возникает колебание решетки, ковалентные связи между атомами могут разрываться, что приводит к образованию пары носителей заряда - свободного электрона и незаполненной связи - дырки. Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерацией носителей заряда (рис.6.1.) . Незаполненная электроном связь быстро заполняется одним из валентных электронов соседнего атома, на месте которого образуется дырка. Электроны и дырки совершают хаотическое движение в течение некоторого времени, после чего свободный электрон возвращается на место разорванной валентной связи, при этом исчезает пара свободных носителей заряда. Процесс этот называется рекомбинацией. В полупроводниках используются примесные полупроводники, у которых число носителей заряда существенно увеличивается. При введении в кремний атома элемента V группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (например, мышьяка As) четыре его валентных электрона вступают в связь с четырьмя соседними электронами кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов.

Рис. 6.1. Кристаллическая структура полупроводников

Девятый электрон слабо связан с ядром пятивалентного элемента, он отрывается и становится свободным. Дырки при этом не образуется.

Примесный атом становится ионом с положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной, а полупроводники электронными или n-типа электропроводности. В таких полупроводниках электроны свободны, а дырки связаны. Если в кремний введен атом трехвалентного элемента (например, бора В), то все три валентных электрона вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния. Для устойчивой оболочки не хватает одного. Им является один из валентных электронов, отбираемый от соседнего атома, у которых образуется незаполненная связь - дырка. Примесь такого типа называется акцепторной, а полупроводники -дырочными или р-типа электропроводности. Дырки в них свободны, а электроны связаны. Носители зарядов, преобладающие в данном полупроводнике называются основными. В полупроводниках п-типа основные носители электроны, а не основные - дырки. В полупроводниках р-типа основные носители дырки, а не основные - электроны, (рис.6.1. а, б).

6.2 Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочным переходом называется обедненный свободными носителями зарядов слой полупроводника, разделенный на электронную и дырочную области. Рассмотрим свойства равновесного полупроводника при отсутствии внешнего напряжения (рис. 6.2. а). Предположим, что кристалл разделен на две области: левая область р-дырочная, а правая п-область-электронная.

Дырки под действием сил теплового движения из области р переходят в область п, где они уже будут не основными носителями, а электроны из области п переходят в область р, где тоже будут не основными носителями. Из-за ухода через переход на его правой границе создается пространственный заряд отрицательный, а с левой стороны образуется положительный пространственный заряд из-за ухода электронов.

Рис. 6.2. Условное изображение p - n, перехода (а) с прямым и обратным напряжением (в, б)

Образование пространственных зарядов в р-п переходе приводит к появлению контактной разности потенциалов. За счет контактной разности потенциалов создается электрическое поле. Оно препятствует диффузии дырок и электронов через переход и стремится вернуть дырки и электроны в свои области. Поэтому в центральной части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей зарядов и поэтому с большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим т.е. препятствующим прохождению тока. Внутреннее поле подхватывает не основные носители каждой области и переносит их в соседнюю, образуя дрейфовый ток. В состоянии равновесия дрейфовый и диффузионный токи равны и противоположны. Общий ток равен нулю.

Если к пластине полупроводника с р-п переходом подключить источник постоянного тока напряжением V плюсом к p - области, а минусом к n-области (рис. 6.2. б), в полупроводнике возникает электрическое поле Еnр, направленное навстречу полю пространственных зарядов Ек и результирующее поле Ер в р-п. переходе будет меньше поля Ек понизится потенциальный барьер, ток диффузии увеличится. Такое включение р-п перехода называется прямым включением, а внешнее напряжение такой полярности прямым напряжением Unp . Так как диффузионный ток стал больше дрейфового тока, то через переход, а, следовательно, и через пластину начнет проходить прямой ток Inр. Если прямое напряжение плавно увеличивать, ток Iпр будет расти, сопротивление запирающего слоя уменьшается. Этот процесс называется инжекцией.

...