ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ Ðàçâèòèå ñîâðåìåííîé òåõíèêè íåâîçìîæíî áåç øèðîêîãî èñïîëüçîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ è ýëåêòðîííûõ àïïàðàòîâ – óñòðîéñòâ óïðàâëåíèÿ ïîòîêàìè ýíåðãèè è èíôîðìàöèè, îñóùåñòâëÿþùèõ: âêëþ÷åíèå è îòêëþ÷åíèå ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé îáúåêòîâ, ïðèíèìàþùèõ ó÷àñòèå â ïîëó÷åíèè, ïðåîáðàçîâàíèè, ïåðåäà÷å, ðàñïðåäåëåíèè è ïîòðåáëåíèè ýëåêòðîýíåðãèè; êîíòðîëü è èçìåðåíèÿ ïàðàìåòðîâ óêàçàííûõ îáúåêòîâ; çàùèòó èõ îò íåñàíêöèîíèðîâàííûõ ðåæèìîâ ðàáîòû; óïðàâëåíèå òåõíîëîãè÷åñêèìè ïðîöåññàìè; ðåãóëèðîâàíèå (ïîääåðæàíèÿ íà íåèçìåííîì óðîâíå èëè èçìåíåíèå ïî îïðåäåëåííîìó çàêîíó) ïàðàìåòðîâ îòìå÷åííûõ âûøå îáúåêòîâ; ïðåîáðàçîâàíèå íåýëåêòðè÷åñêèõ âåëè÷èí â ýëåêòðè÷åñêèå; ñîçäàíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ îïðåäåëåííûìè ïàðàìåòðàìè è íàïðàâëåíèåì â çàäàííîì îáúåìå [1, 7, 51]. Íà÷èíàÿ ñ 1992 ã. äèñöèïëèíà Ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîííûå àïïàðàòû” ñòàëà áàçîâîé ” äëÿ ñòóäåíòîâ, ïðîõîäÿùèõ îáó÷åíèå íà çâàíèå áàêàëàâðà íàóê ïî íàïðàâëåíèþ 551300 Ýëåêòðîòåõíèêà, ýëåêòðîìåõàíèêà è ýëåêòðîòåõíîëîãèè”. Îòñóòñòâèå ó÷åáíèêà ïî íàçâàí” íîé äèñöèïëèíå ïîáóäèëî àâòîðîâ âîñïîëíèòü èìåþùèéñÿ ïðîáåë. Ïðè íàïèñàíèè ó÷åáíèêà àâòîðû ïîñòàðàëèñü ðàñøèðèòü îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ êóðñà, íåîáõîäèìûå äëÿ óñâîåíèÿ òàêèõ äèñöèïëèí, êàê Ýëåêòðîìåõàíèêà”, Àâòîìàòèçèðîâàííûé ýëåêòðîïðèâîä” ” ” è äëÿ óãëóáëåííîãî èçó÷åíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ è ýëåêòðîííûõ àïïàðàòîâ ñòóäåíòàìè èíæåíåðíîé è ìàãèñòðñêîé ïîäãîòîâêè. Ñ ýòîé öåëüþ àâòîðû îñíîâíîå âíèìàíèå óäåëèëè îïèñàíèþ ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ, ðàñêðûòèþ îáùåãî, çíà÷èìîãî äëÿ áîëüøèíñòâà ðàçíîîáðàçíûõ àïïàðàòîâ, ïîä÷åðêèâàíèþ ÷àñòíîãî êàæäîãî èç íèõ, íå ñòðåìÿñü ïîäðîáíî ðàññìàòðèâàòü âîçìîæíûå êîíñòðóêöèè àïïàðàòîâ, ìåòîäû èõ ðàñ÷åòà è ïðîåêòèðîâàíèÿ. Ïî ìíåíèþ àâòîðîâ ýòî ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü áîëåå ãëóáîêèå è ðàçíîñòîðîííèå çíàíèÿ.  ó÷åáíèê ââåäåíû ãëàâû, êîòîðûå ðàíåå îòñóòñòâîâàëè âî âñåõ ó÷åáíèêàõ è ó÷åáíûõ ïîñîáèÿõ – íàïðèìåð, âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ è ò. ï. Íåçàâèñèìî îò íàçíà÷åíèÿ, îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ, ïðèíöèïà äåéñòâèÿ, êîíñòðóêòèâíîãî èñïîëíåíèÿ è ò. ï. âñå ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ìîæíî ðàçäåëèòü íà äâå áîëüøèå ãðóïïû: ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå, íåïðåìåííî ñîäåðæàùèå ïîäâèæíûå ýëåìåíòû, â ðåçóëüòàòå ïåðåìåùåíèÿ êîòîðûõ è îñóùåñòâëÿåòñÿ ôóíêöèîíèðîâàíèå àïïàðàòà; ñòàòè÷åñêèå (èíîãäà íàçûâàåìûå áåñêîíòàêòíûìè) èëè ñèëîâûå ýëåêòðîííûå, íå èìåþùèå ïîäâèæíûõ ÷àñòåé è îñóùåñòâëÿþùèå âîçëîæåííóþ íà íèõ ôóíêöèþ â ðåçóëüòàòå èçìåíåíèÿ ïàðàìåòðîâ è õàðàêòåðèñòèê âõîäÿùèõ â èõ ñîñòàâ ýëåìåíòîâ è áëîêîâ. Èñõîäÿ èç ýòîãî ó÷åáíèê ðàçäåëåí íà äâå ÷àñòè: â ïåðâîé ðàññìàòðèâàþòñÿ îáùèå àñïåêòû, ïðèñóùèå âñåì àïïàðàòàì, è äåòàëüíî îïèñûâàþòñÿ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû; âî âòîðîé âíèìàíèå óäåëåíî ñèëîâûì ýëåêòðîííûì àïïàðàòàì. Ïðè íàïèñàíèè ïåðâîé ÷àñòè ó÷åáíèêà ðàáîòà ìåæäó àâòîðàìè áûëà ðàñïðåäåëåíà ñëåäóþùèì îáðàçîì: àííîòàöèÿ, ïðåäèñëîâèå, ââåäåíèå è çàêëþ÷åíèå íàïèñàíû äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Þ.Ê. Ðîçàíîâûì; ãëàâà 1 – äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Â.Ã. Äåãòÿðåì, êàíä.òåõí.íàóê, äîö. À.Ã. Ãîäæåëëî è äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Â.Í. Øîôôîé; ãëàâà 2 – äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. È.Ñ. Òàåâûì, äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Ï.À. Êóðáàòîâûì è äîêò. òåõí.íàóê, ïðîô. Â.Ã. Äåãòÿðåì; ãëàâà 3 – äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Â.Í. Øîôôîé, êàíä. 3
òåõí.íàóê, äîö. Þ.Ñ. Êîðîáêîâûì è êàíä.òåõí.íàóê äîö. À.Â. Ñàâåëüåâûì; ãëàâà 4 – äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Ã.Ã. Íåñòåðîâûì, êàíä.òåõí.íàóê, äîö. Å.Ã. Àêèìîâûì, äîêò. òåõí. íàóê, ïðîô. È.Ñ. Òàåâûì è äîêò.òåõí.íàóê Â.Å. Ðàéíèíûì; ãëàâà 5 – êàíä.òåõí.íàóê, äîö. Í.À. Âåäåøåíêîâûì; ãëàâà 6 – êàíä.òåõí.íàóê, äîö. Å.Ã. Àêèìîâûì.  íàïèñàíèè âòîðîé ÷àñòè ó÷åáíèêà ïðèíÿëè ó÷àñòèå: ãëàâû 7 – äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Þ.Ê. Ðîçàíîâ è ñò.ïðåïîä. Ì.Â. Ðÿá÷èöêèé; ãëàâû 8 – äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Þ.Ê. Ðîçàíîâ è êàíä.òåõí.íàóê, äîö. À.Ñ. Ïó÷êîâ; ãëàâû 9 – äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Þ.Ê. Ðîçàíîâ è ñò.ïðåïîä. Ì.Â. Ðÿá÷èöêèé; ãëàâû 10 – êàíä.òåõí.íàóê, äîö. Ñ.Þ. Ðûæîâ; ãëàâû 11 – äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Þ.Ê. Ðîçàíîâ; ãëàâû 12 – äîêò.òåõí.íàóê, ïðîô. Þ.Ê. Ðîçàíîâ è êàíä. òåõí.íàóê, äîö. Þ.Ñ. Êîðîáêîâ. Âòîðîå èçäàíèå ó÷åáíèêà íå ñîäåðæèò ïðèíöèïèàëüíûõ èçìåíåíèé ñîäåðæàíèÿ. Óñòðàíåíû çàìå÷àíèÿ, ïîëó÷åííûå îò ìíîãî÷èñëåííûõ ÷èòàòåëåé, âêëþ÷àÿ çàìå÷åííûå îøèáêè è îïå÷àòêè, ÷àñòè÷íî ñîêðàùåí îáúåì ìàòåðèàëà, èçìåíåí äèçàéí èçäàíèÿ. Àâòîðû âûðàæàþò ãëóáîêóþ ïðèçíàòåëüíîñòü âñåì ñîòðóäíèêàì êàôåäðû ýëåêòðè÷åñêèõ è ýëåêòðîííûõ àïïàðàòîâ, ïðèíèìàâøèì ó÷àñòèå â îáñóæäåíèè ðóêîïèñè, àñïèðàíòàì è ñòóäåíòàì êàôåäðû, à òàêæå ìíîãî÷èñëåííûì ÷èòàòåëÿì ó÷åáíèêà çà áëàãîæåëàòåëüíîå îòíîøåíèå ê íàñòîÿùåìó èçäàíèþ. Îñîáóþ áëàãîäàðíîñòü êîëëåêòèâ êàôåäðû âûðàæàåò çà ïîìîùü â èçäàíèè ó÷åáíèêà Âñåñîþçíîìó íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêîìó èíñòèòóòó ïî ìîíòàæíûì è ñïåöèàëüíûì ñòðîèòåëüíûì ðàáîòàì è ðåêëàìíîé êîìïàíèè ÐÀÑÒ ïëþñ”. ” Îòçûâû, çàìå÷àíèÿ è ïîæåëàíèÿ àâòîðû ïðîñÿò ïðèñûëàòü ïî àäðåñó: 111250, Ìîñêâà, Êðàñíîêàçàðìåííàÿ óë., 14, ÌÝÈ, êàô. Ý è ÝÀ. Àâòîðû
4
ÂÂÅÄÅÍÈÅ Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû (ÝÀ) – ýòî ýëåêòðîòåõíè÷åñêèå óñòðîéñòâà, ïðèìåíÿåìûå ïðè èñïîëüçîâàíèè ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè, íà÷èíàÿ îò åå ïðîèçâîäñòâà, ïåðåäà÷è, ðàñïðåäåëåíèÿ è êîí÷àÿ ïîòðåáëåíèåì. Ðàçíîîáðàçèå âèäîâ ÝÀ è ðàçëè÷èå òðàäèöèé ìèðîâûõ ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ øêîë çàòðóäíÿþò èõ êëàññèôèêàöèþ. Ýòî åùå áîëüøå óñóãóáëÿåòñÿ ìíîãîçíà÷íîñòüþ è íåîïðåäåëåííîñòüþ ñàìîãî òåðìèíà àïïàðàò (ëàò. apparatus” – òåõíè” ÷åñêîå óñòðîéñòâî).  Ðîññèè òåðìèí àïïàðàò” áûë ðàñïðîñòðàíåí ñ 1879 ã. èçâåñòíûì ” ýëåêòðîòåõíèêîì Ï.Í. ßáëî÷êîâûì íà ñëåäóþùèå ýëåêòðîòåõíè÷åñêèå óñòðîéñòâà òîãî âðåìåíè: ðóáèëüíèêè, ïåðåêëþ÷àòåëè, êîììóòàòîðû, ðåëå è ðåãóëÿòîðû.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîä ÝÀ ïîíèìàþò ýëåêòðîòåõíè÷åñêèå óñòðîéñòâà óïðàâëåíèÿ ïîòîêàìè ýíåðãèè è èíôîðìàöèè. Ïðè ýòîì ðå÷ü ìîæåò èäòè î ïîòîêàõ ýíåðãèè ðàçëè÷íîãî âèäà: ýëåêòðè÷åñêîé, ìåõàíè÷åñêîé, òåïëîâîé è äð. Íàïðèìåð, ïîòîêîì ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè îò äâèãàòåëÿ ê òåõíîëîãè÷åñêîé ìàøèíå ìîæåò óïðàâëÿòü ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ìóôòà. Ïîòîêàìè òåïëîâîé ýíåðãèè ìîæíî óïðàâëÿòü ïðè ïîìîùè ýëåêòðîìàãíèòíûõ êëàïàíîâ è çàñëîíîê. Òàêèõ ïðèìåðîâ èñïîëüçîâàíèÿ ÝÀ ìîæíî ïðèâåñòè áîëüøîå êîëè÷åñòâî. Ïðèìåðîì èñïîëüçîâàíèÿ ÝÀ äëÿ óïðàâëåíèÿ èíôîðìàöèåé ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå ðåëå â òåëåôîíèè. Íàïðèìåð, ïðè ñîçäàíèè òåëåãðàôíîãî àïïàðàòà Ï.Ë. Øèëëèíã â 1820 ã. ïðèìåíèë âïåðâûå ýëåêòðîìàãíèòíîå ðåëå. Ïðîñòåéøàÿ ôîðìàëüíî – ëîãè÷åñêàÿ îáðàáîòêà äèñêðåòíîé èíôîðìàöèè òàêæå ìîæåò áûòü ðåàëèçîâàíà ýëåêòðîìàãíèòíûìè ðåëå. Îäíàêî íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè ÝÀ äëÿ óïðàâëåíèÿ ïîòîêàìè ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè äëÿ èçìåíåíèÿ ðåæèìîâ ðàáîòû, ðåãóëèðîâàíèÿ ïàðàìåòðîâ, êîíòðîëÿ è çàùèòû ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ ñèñòåì è èõ ñîñòàâíûõ ÷àñòåé. Êàê ïðàâèëî, ôóíêöèè òàêèõ ÝÀ îñóùåñòâëÿþòñÿ ïîñðåäñòâîì êîììóòàöèè (âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ) ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ñ ðàçëè÷íîé ÷àñòîòîé, íà÷èíàÿ îò îòíîñèòåëüíî ðåäêèõ, íåðåãóëÿðíûõ çíà÷åíèé äî ïåðèîäè÷åñêèõ âûñîêî÷àñòîòíûõ, íàïðèìåð, â èìïóëüñíûõ ðåãóëÿòîðàõ íàïðÿæåíèÿ. Îäíèì èç îñíîâíûõ ïðèçíàêîâ êëàññèôèêàöèè ÝÀ ÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèå. Ïî ýòîìó ïðèçíàêó ðàçëè÷àþò àïïàðàòû íèçêîãî (äî 1000 Â) íàïðÿæåíèÿ (ÀÍÍ) è àïïàðàòû âûñîêîãî (ñâûøå 1000 Â) íàïðÿæåíèÿ (ÀÂÍ). Áîëüøèíñòâî àïïàðàòîâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ óñëîâíî ìîæíî ðàçäåëèòü íà ñëåäóþùèå îñíîâíûå âèäû: àïïàðàòû óïðàâëåíèÿ è çàùèòû – àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè, êîíòàêòîðû, ðåëå, ïóñêàòåëè ýëåêòðîäâèãàòåëåé, ïåðåêëþ÷àòåëè, ðóáèëüíèêè, ïðåäîõðàíèòåëè, êíîïêè óïðàâëåíèÿ è äðóãèå àïïàðàòû, óïðàâëÿþùèå ðåæèìîì ðàáîòû îáîðóäîâàíèÿ è åãî çàùèòîé; àïïàðàòû àâòîìàòè÷åñêîãî ðåãóëèðîâàíèÿ – ñòàáèëèçàòîðû è ðåãóëÿòîðû íàïðÿæåíèÿ, òîêà, ìîùíîñòè è äðóãèõ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè; àïïàðàòû àâòîìàòèêè – ðåëå, äàò÷èêè, óñèëèòåëè, ïðåîáðàçîâàòåëè è äðóãèå àïïàðàòû, îñóùåñòâëÿþùèå ôóíêöèè êîíòðîëÿ, óñèëåíèÿ è ïðåîáðàçîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ñèãíàëîâ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ÀÍÍ èíîãäà êëàññèôèöèðóþò ïî âåëè÷èíå êîììóòèðóåìîãî òîêà: ñëàáîòî÷íûå (äî 10 À) è ñèëüíîòî÷íûå (ñâûøå 10 À). Ïðè ýòîì íèæíèå ïðåäåëû êîììóòèðóåìûõ ñîâðåìåííûìè ÝÀ òîêîâ äîñòèãàþò 10–9À, à íàïðÿæåíèé – 10–5Â. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ ðàáîòàþò â ñåòÿõ ñ íàïðÿæåíèåì äî 1150 ê ïåðåìåííîãî òîêà è 750 ê ïîñòîÿííîãî òîêà è òàêæå ñóùåñòâåííî ðàçëè÷àþòñÿ ïî ñâîèì ôóíêöèÿì. Ê ÀÂÍ îáû÷íî îòíîñÿò ñëåäóþùèå îñíîâíûå âèäû àïïàðàòîâ: âûêëþ÷àòåëè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ, îáåñïå÷èâàþùèå âêëþ÷åíèå è îòêëþ÷åíèå ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ ðàáîòû, âêëþ÷àÿ àâàðèéíûå, íàïðèìåð, êîðîòêîå çàìûêàíèå (ÊÇ); 5
òîêîîãðàíè÷èâàþùèå ðåàêòîðû äëÿ îãðàíè÷åíèÿ òîêîâ ÊÇ è øóíòèðóþùèå ðåàêòîðû äëÿ îãðàíè÷åíèÿ ïåðåíàïðÿæåíèé è êîìïåíñàöèè ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè; îãðàíè÷èòåëè ïåðåíàïðÿæåíèé íà îñíîâå ðàçðÿäíèêîâ è ýëåìåíòîâ ñ íåëèíåéíîé âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêîé (íàïðèìåð, îêñèäî-öèíêîâûå îãðàíè÷èòåëè ïåðåíàïðÿæåíèé – ÎÏÍ); ðàçúåäèíèòåëè è îòäåëèòåëè äëÿ îòêëþ÷åíèÿ öåïè áåç òîêà ïðè ðåìîíòå ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ; èçìåðèòåëüíûå òðàíñôîðìàòîðû äëÿ âûñîêîâîëüòíûõ öåïåé. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû êàê íèçêîãî, òàê è âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ îáû÷íî ÿâëÿþòñÿ êîíñòðóêòèâíî çàêîí÷åííûìè òåõíè÷åñêèìè óñòðîéñòâàìè, ðåàëèçóþùèìè îïðåäåëåííûå ôóíêöèè è ðàññ÷èòàííûìè íà ðàçíûå óñëîâèÿ ýêñïëóàòàöèè.  îñíîâå áîëüøèíñòâà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ÝÀ ëåæèò êîíòàêòíàÿ ñèñòåìà ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè ïðèâîäîâ – ðó÷íûì, ýëåêòðîìàãíèòíûì, ìåõàíè÷åñêèì è äð. Ïðîöåññû, ïðîòåêàþùèå â ÝÀ, îïðåäåëÿþòñÿ ðàçëè÷íûìè è ìíîãîîáðàçíûìè ôèçè÷åñêèìè ÿâëåíèÿìè, êîòîðûå èçó÷àþòñÿ â ýëåêòðîäèíàìèêå, ìåõàíèêå, òåðìîäèíàìèêå è äðóãèõ ôóíäàìåíòàëüíûõ íàóêàõ. Îäíîé èç íàèáîëåå ñëîæíûõ çàäà÷, ðåøàåìûõ ïðè ðàçðàáîòêå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ÝÀ, ÿâëÿåòñÿ îáåñïå÷åíèå ðàáîòîñïîñîáíîñòè ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòîâ â òîì ÷èñëå è ïðè ãàøåíèè ýëåêòðè÷åñêîé äóãè, âîçíèêàþùåé ïðè âûêëþ÷åíèè ÝÀ. Áîëüøîé âêëàä â ðàçâèòèå òåîðèè ïðîöåññîâ íà êîíòàêòàõ è ìåòîäîâ ýôôåêòèâíîãî ãàøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè âíåñëè îòå÷åñòâåííûå ó÷åíûå: Â.Â. Ïåòðîâ, Ì.Î. Äîëèâî-Äîáðîâîëüñêèé, À.ß. Áóéëîâ, Ã.Ò. Òðåòüÿê, Ã.Â. Áóòêåâè÷, Î.Á. Áðîí, Í.Å. Ëûñîâ, Ã.À. Êóêåêîâ, À.Ì. Çàëåññêèé, È.Ñ. Òàåâ, Î.ß. Íîâèêîâ, Â.Â. Àôàíàñüåâ è äð. Ñîâåðøåíñòâîâàíèå ìíîãèõ âèäîâ ÝÀ íåðàçðûâíî ñâÿçàíî ñ ðàçâèòèåì òåîðèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ è ìåòîäîâ ðàñ÷åòà ìàãíèòíûõ öåïåé. Áîëüøîå âëèÿíèå íà ðàçâèòèå íàó÷íûõ îñíîâ ýòîãî íàïðàâëåíèÿ îêàçàëè ðàáîòû îòå÷åñòâåííûõ ó÷åíûõ: Ð.Ë. Àðîíîâà, Á.Ê. Áóëÿ, Â.Ñ. Êóëåáàêèíà, À.Ô. Ñîòñêîâà, È.È. Ïåêêåðà, À.Ã. Íèêèòåíêî, À.Ã. Ñëèâèíñêîé, À.Â. Ãîðäîíà, Í.Å. Ëûñîâà, Ì.À. Ëþá÷èêà, Ô.À. Ñòóïåëÿ è äð. Íàëè÷èå ïîäâèæíûõ ìåõàíè÷åñêèõ ÷àñòåé, ÿâëåíèÿ èñêðî- è äóãîîáðàçîâàíèÿ ïðè êîììóòàöèè, îãðàíè÷åííîå áûñòðîäåéñòâèå è äðóãèå íåãàòèâíûå ôàêòîðû, ïðèñóùèå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèì ÝÀ, èíèöèèðîâàëè ðàáîòû ïî ñîçäàíèþ ñòàòè÷åñêèõ ÝÀ, êîòîðûå â íàó÷íî-òåõíè÷åñêîé ëèòåðàòóðå ðàíåå íàçûâàëèñü áåñêîíòàêòíûìè, à â ïîñëåäíåå âðåìÿ – ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè. Ïåðâûìè ñòàòè÷åñêèìè óñòðîéñòâàìè, íà îñíîâå êîòîðûõ íà÷àëè ñîçäàâàòü ñòàòè÷åñêèå ÝÀ, áûëè äðîññåëè íàñûùåíèÿ, óïðàâëÿåìûå ïóòåì ïîäìàãíè÷èâàíèÿ ïîñòîÿííûì òîêîì (ìàãíèòíûå óñèëèòåëè). Íåëèíåéíîñòü èõ âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê è óïðàâëÿåìîñòü îòíîñèòåëüíî ìàëîìîùíûì ñèãíàëîì ïîçâîëèëè ñîçäàòü íà èõ îñíîâå óñèëèòåëè, ðåãóëÿòîðû è ñòàòè÷åñêèå ðåëå. Ýôôåêòèâíîñòü òàêèõ óñòðîéñòâ îñîáåííî âîçðîñëà ïðè âêëþ÷åíèè â ñõåìû òàêèõ óñòðîéñòâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ äèîäîâ. Íàèáîëåå çíà÷èòåëüíûå óñïåõè íà ýòîì íàïðàâëåíèè áûëè äîñòèãíóòû â 50–60-å ãîäû. Ïðè ýòîì çíà÷èòåëüíûé âêëàä â ðàçâèòèå ÝÀ íà îñíîâå ìàãíèòíûõ óñèëèòåëåé âíåñëè îòå÷åñòâåííûå ó÷åíûå: Å.Ë. Ëüâîâ, Ð.À. Ëèïìàí, Ë.Â. Øîïåí è äð. Îñâîåíèå ïðîìûøëåííîñòüþ ïðîèçâîäñòâà ìîùíûõ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ è ñîçäàíèå òèðèñòîðîâ îáóñëîâèëî, íà÷èíàÿ ñ 60-õ ãîäîâ, íîâûé ýòàï ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ, íà îñíîâå êîòîðûõ áûëè ñîçäàíû ðàçëè÷íûå òèïû áûñòðîäåéñòâóþùèõ ðåëå, ðåãóëÿòîðîâ, ïóñêàòåëåé äëÿ àñèíõðîííûõ äâèãàòåëåé è äð. Îäíîâðåìåííî íà÷àëî ôîðìèðîâàòüñÿ íîâîå íàïðàâëåíèå â îáëàñòè ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, â ðàìêàõ êîòîðîãî ðàçðàáàòûâàëèñü ãèáðèäíûå ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû, îáëàäàþùèå äîñòîèíñòâàìè êàê ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ, òàê è ïîëóïðîâîäíèêîâûõ àïïàðàòîâ. Îäíàêî íèçêàÿ òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêàÿ ýôôåêòèâíîñòü áîëüøèíñòâà âèäîâ ñòàòè÷åñêèõ è ãèáðèäíûõ àïïàðàòîâ íà ýòîì ýòàïå ðàçâèòèÿ ýëåêòðîííîé òåõíèêè îãðàíè÷èâàëà îáëàñòü è ìàñøòàáû èõ âíåäðåíèÿ â ïðîèçâîäñòâî.  80-õ ãîäàõ íà÷àëñÿ íîâûé ýòàï â ðàçâèòèè ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè, êîòîðûé áûë îáóñëîâëåí ñîçäàíèåì ìîùíûõ áûñòðîäåéñòâóþùèõ è ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûõ ñèëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ: ìîùíûõ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ è òðàíçèñòîðîâ ñ èçîëèðî6
âàííûì çàòâîðîì, çàïèðàåìûõ òèðèñòîðîâ è äð. Îäíîâðåìåííî ðàçâèòèå ýëåêòðîííûõ òåõíîëîãèé ïîçâîëèëî îðãàíèçîâàòü ìàññîâîå ïðîèçâîäñòâî ñèëîâûõ èíòåãðàëüíûõ ìîäóëåé êîìïàêòíûõ êîíñòðóêöèé.  îäíîì êîðïóñå îíè îáúåäèíÿþò êàê ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è, òàê è ýëåìåíòû ìèêðîýëåêòðîíèêè ñ ðàçëè÷íîé ñòåïåíüþ èíòåãðàöèè. Òàêèå ìîäóëè ïîçâîëÿþò ðåàëèçîâàòü ðàçëè÷íûå çàêîíû ðåãóëèðîâàíèÿ, âêëþ÷àÿ ôîðìèðîâàíèå ñèãíàëîâ çàùèòû, äèàãíîñòèêè è äð. Ïðè íåîáõîäèìîñòè ìîäóëè ìîãóò òàêæå âêëþ÷àòü â ñåáÿ ìèêðîïðîöåññîðû èëè ñîîòâåòñòâóþùèé èíòåðôåéñ äëÿ ñîïðÿæåíèÿ ñ óñòðîéñòâàìè óïðàâëåíèÿ áîëåå âûñîêèõ óðîâíåé.  ðåçóëüòàòå ðàñøèðåííûõ ôóíêöèîíàëüíûõ âîçìîæíîñòåé òàêèå ìîäóëè ïîëó÷èëè íàçâàíèå èíòåëëåêòóàëüíûõ” èëè ðàçóìíûõ”. ” ” Ýëåìåíòíàÿ áàçà ñîâðåìåííîé ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè íå òîëüêî ñóùåñòâåííî ðàñøèðèëà äèàïàçîí êîììóòèðóåìûõ ìîùíîñòåé äî åäèíèö ìåãàâàòò, ïîçâîëèëà ïîäíÿòü âåðõíèé óðîâåíü ÷àñòîòû êîììóòàöèè ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé, ÷òî ñäåëàëî âîçìîæíûì ñîçäàâàòü àïïàðàòû óïðàâëåíèÿ, ðåãóëèðîâàíèÿ è çàùèòû ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî òîêà ñ âûñîêèìè òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèìè ïîêàçàòåëÿìè. Ïîÿâèëèñü íîâûå âèäû ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ àïïàðàòîâ, óïðàâëÿþùèõ êà÷åñòâîì ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè è êîýôôèöèåíòîì ìîùíîñòè. Íîâûé êëàññ ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ àïïàðàòîâ ñîçäàí â ðåçóëüòàòå äîñòèæåíèé ñîâðåìåííîé ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè. Ýòè àïïàðàòû îáëàäàþò áîëüøèìè ôóíêöèîíàëüíûìè âîçìîæíîñòÿìè â ÷àñòè ðåàëèçàöèè çàêîíîâ óïðàâëåíèÿ, çàùèòû, äèàãíîñòèêè òåêóùåãî ñîñòîÿíèÿ, ðàçâèòûì èíòåðôåéñîì äëÿ îáìåíà èíôîðìàöèåé ñ âíåøíåé ñðåäîé. Îäíàêî îíè íå ìîãóò çàìåíèòü áîëüøèíñòâî âèäîâ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ÝÀ, ïîñêîëüêó óñòóïàþò ïîñëåäíèì ïî ðÿäó âàæíûõ ïàðàìåòðîâ. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è ïî ïðèíöèïó äåéñòâèÿ íå îáåñïå÷èâàþò òàêîãî íèçêîãî óðîâíÿ ïîòåðü ìîùíîñòè âî âêëþ÷åííîì (ïðîâîäÿùåì) ñîñòîÿíèè êàê ìåòàëëè÷åñêèå êîíòàêòû è, ñ äðóãîé ñòîðîíû, íå ñïîñîáíû ñîçäàòü óðîâåíü èçîëÿöèè, ñîîòâåòñòâóþùèé ðàçîìêíóòûì êîíòàêòàì ÝÀ.  ýòîé ñâÿçè äëÿ îïðåäåëåííûõ óñëîâèé ïðèìåíåíèÿ íàèáîëåå ýôôåêòèâíûì ïî òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèì ïîêàçàòåëÿì îêàçûâàþòñÿ ãèáðèäíûå ÝÀ. Ïîñëåäíèå ÿâëÿþòñÿ êîìïðîìèññíûì òåõíè÷åñêèì ðåøåíèåì, ïîçâîëÿþùèì ñîåäèíèòü ïîëîæèòåëüíûå êà÷åñòâà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ è ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ àïïàðàòîâ â îäíîì êîìáèíèðîâàííîì óñòðîéñòâå. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî äîñòèæåíèÿ ñîâðåìåííîé ìèêðîýëåêòðîíèêè è, â ÷àñòíîñòè, ìèêðîïðîöåññîðíîé òåõíèêè â íàñòîÿùåå âðåìÿ òàêæå èñïîëüçóþòñÿ ïðàêòè÷åñêè â ÝÀ âñåõ âèäîâ, êàê ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ, òàê è ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ. Ýòî ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ðàñøèðèòü èõ ôóíêöèîíàëüíûå âîçìîæíîñòè, îáåñïå÷èòü ýôôåêòèâíûé êîíòðîëü è äèàãíîñòèêó, à òàêæå âîçìîæíîñòü óïðàâëåíèÿ ñ ðàçëè÷íûõ èåðàðõè÷åñêèõ óðîâíåé ñèñòåìû, â êîòîðîé èñïîëüçóþòñÿ ÝÀ.  áîëåå øèðîêîì ñìûñëå ÝÀ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ìîæíî ñ÷èòàòü òåõíè÷åñêèìè óñòðîéñòâàìè, îòíîñÿùèìèñÿ ê íîâîé, ïåðñïåêòèâíîé îáëàñòè òåõíèêè – ìåõàíîòðîíèêå, ÿâëÿþùåéñÿ ñèíòåçîì ýëåêòðîìåõàíèêè è ýëåêòðîíèêè. Ãîâîðÿ î ðîëè ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè, àâòîðû äåëàþò àêöåíò íà òîì, ÷òî îíà ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü èñïîëíèòåëüíûå, ñèëîâûå îðãàíû óñòðîéñòâà èëè íåïîñðåäñòâåííî óïðàâëÿòü ýëåêòðè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè ìîùíûõ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ. Ïðèìåðîì ÿâëÿþòñÿ ñèëîâûå ýëåêòðîííûå àïïàðàòû, ïîçâîëÿþùèå îñóùåñòâëÿòü ìÿãêèé ïóñê èëè îñòàíîâ äâèãàòåëÿ, èëè óïðàâëÿòü ðàáîòîé äâèãàòåëåé ïîñòîÿííîãî òîêà â èìïóëüñíûõ ðåæèìàõ. Ïîêà íå áûëî ñîîòâåòñòâóþùåé ýëåìåíòíîé áàçû, ðåàëèçàöèÿ òàêèõ òåõíè÷åñêèõ ðåøåíèé áûëà ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíà. Ïî ñóùåñòâó èç-çà íåäîñòàòî÷íî ðàçâèòîé ýëåìåíòíîé áàçû îòñóòñòâîâàëî çâåíî, ñïîñîáíîå ðåàëèçîâàòü ýôôåêòèâíîå âçàèìîäåéñòâèå ñëàáîòî÷íûõ ñèñòåì óïðàâëåíèÿ è ìîùíûõ èñïîëíèòåëüíûõ óñòðîéñòâ.  òî æå âðåìÿ â ÝÀ èñïîëüçóåòñÿ î÷åíü øèðîêàÿ íîìåíêëàòóðà ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ, ÷òî è îïðåäåëèëî íàçâàíèå ñïåöèàëüíîñòè Ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîííûå àïïà” ðàòû”. Ñ ó÷åòîì ñîâðåìåííîé êëàññèôèêàöèè ÝÀ, îñîáåííîñòåé ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â íèõ è ìíîãîîáðàçèé êîíñòðóêòèâíûõ ðåøåíèé â íàñòîÿùåì ó÷åáíèêå âûäåëåíû äâå ÷àñòè, îáúåäèíåííûå îäíèì íàçâàíèåì Ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîííûå àïïàðàòû”. ×àñòü ïåðâàÿ ” ó÷åáíèêà îõâàòûâàåò ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû, à ÷àñòü âòîðàÿ – ýëåêòðîííûå àïïàðàòû è àïïàðàòû ñ ìèêðîïðîöåññîðíûì óïðàâëåíèåì. 7
 ïðèëîæåíèÿõ ïðèâåäåíû ñâåäåíèÿ î ïðîäóêöèè âåäóùèõ ôèðì â îáëàñòè âûñîêîâîëüòíîãî è íèçêîâîëüòíîãî ýëåêòðîòåõíè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ: êîíöåðíà ÀÂÂ, ôèðìû Siemenc AG, ôèðìû Legrand, êîìïàíèè Øíåéäåð Ýëåêòðèê” è êîíöåðíà ALSTOM. Ïðèâåäåííûå ” ìàòåðèàëû äàþò ïðåäñòàâëåíèå î ñîâðåìåííûõ äîñòèæåíèÿõ â îáëàñòè ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèÿ è ìîãóò áûòü ïîëåçíû íå òîëüêî äëÿ ñòóäåíòîâ, èçó÷àþùèõ êóðñ Ýëåêòðè÷åñêèå ” è ýëåêòðîííûå àïïàðàòû”, íî è ñïåöèàëèñòîâ, ñâÿçàííûõ ñ ïðîåêòèðîâàíèåì è ýêñïëóàòàöèåé ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ ñèñòåì ðàçëè÷íîãî íàçíà÷åíèÿ. Ñëåäóåò òàêæå îòìåòèòü, ÷òî ïðèâåäåííàÿ èíôîðìàöèÿ ìîæåò áûòü óñïåøíî èñïîëüçîâàíà ñëóæáàìè ìàðêåòèíãà â ýëåêòðîòåõíèêå. Ïðè íåîáõîäèìîñòè ïîëó÷åíèÿ áîëåå äåòàëüíîé èíôîðìàöèè ðåêîìåíäóåì îáðàùàòüñÿ â ïðåäñòàâèòåëüñòâà, àäðåñà êîòîðûõ óêàçàíû â Ïðèëîæåíèÿõ. Äîïîëíèòåëüíî ê ó÷åáíèêó ïðèëàãàåòñÿ CD-ROM, â ñîñòàâ êîòîðîãî âõîäÿò: ýëåêòðîííàÿ âåðñèÿ ó÷åáíèêà â PDF-ôîðìàòå; ïåðå÷åíü êîíòðîëüíûõ âîïðîñîâ äëÿ ñàìîïðîâåðêè ñ ðàçëè÷íûìè âàðèàíòàìè îòâåòîâ; çàäàíèå è ìåòîäè÷åñêèå óêàçàíèÿ ê êóðñîâîìó ïðîåêòó ïî êóðñó Ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîííûå àïïàðàòû”, ÷àñòü 1; ÑÓÁÄ Âûáîð 2.2” è íàáîð áàç ” ” äàííûõ äëÿ âûáîðà ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ â ðàìêàõ êóðñîâîãî ïðîåêòà. Êî 2-îé ÷àñòè ó÷åáíèêà ïîäãîòîâëåíû çàäà÷è èëè òåñòû â ïðîãðàììíûõ ñðåäñòâàõ Pspice. Ó÷åáíèê ïîñòàâëÿåòñÿ ñ CD-ROM.
8
×àñòü ïåðâàÿ ÝËÅÊÒÐÎÌÅÕÀÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ Ãëàâà ïåðâàÿ ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ ßÂËÅÍÈß È ÏÐÎÖÅÑÑÛ Â ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÀÕ 1.1. ÒÅÏËÎÂÛÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ Â ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÀÕ
ïåðåìåùàòüñÿ â ïðîñòðàíñòâå, ïåðåäàâàÿ óñèëèÿ äðóãèì óçëàì è áëîêàì. Ðàáîòà áîëüøîé ÷àñòè àïïàðàòîâ ñâÿçàíà ñ ïðåîáðàçîâàíèåì îäíèõ âèäîâ ýíåðãèè â äðóãèå. Ïðè ýòîì, êàê èçâåñòíî, íåèçáåæíû ïîòåðè ýíåðãèè è ïðåâðàùåíèå åå â òåïëîòó.
Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ÿâëÿþòñÿ ñëîæíûìè ýëåêòðîòåõíè÷åñêèìè óñòðîéñòâàìè, ñîäåðæàùèìè ìíîãî ýëåìåíòîâ, îäíè èç êîòîðûõ ÿâëÿþòñÿ ïðîâîäíèêàìè ýëåêòðè÷åñêèõ òîêîâ, äðóãèå – ïðîâîäíèêàìè ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ, à òðåòüè ñëóæàò äëÿ ýëåêòðè÷åñêîé èçîëÿöèè. ×àñòü ýëåìåíòîâ ìîæåò
1.1.1. ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ ÒÅÏËÎÒÛ Â ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÀÕ
Ïðè ïðîòåêàíèè òîêà ïî ýëåêòðè÷åñêîìó ïðîâîäíèêó â íåì âûäåëÿåòñÿ ìîùíîñòü, êîòîðàÿ äëÿ îäíîðîäíîãî ïðîâîäíèêà ñ ðàâíîìåðíîé ïëîòíîñòüþ ïîñòîÿííîãî òîêà I îïðåäåëÿåòñÿ êàê P = I 2R,
âàþòñÿ êîýôôèöèåíòîì ïîâåðõíîñòíîãî ýôôåêòà êï ≥ 1. Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî êîýôôèöèåíò ïîâåðõíîñòíîãî ýôôåêòà äëÿ íåìàãíèòíûõ ïðîâîäíèêîâ çàâèñèò îò ôîðìû è ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ ïðîâîäíèêà, à òàêæå îò ñîîòíîøåíèÿ √ f ⁄R , ãäå f –
(1.1)
100
ãäå R – àêòèâíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå îäíîðîäíîãî ïðîâîäíèêà äëèíîé l è ïîïåðå÷íûì ñå÷åíèåì S R=
ρl S
.
÷àñòîòà ïåðåìåííîãî òîêà; R100 – àêòèâíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïîñòîÿííîìó òîêó ïðîâîäíèêà îïðåäåëåííîé äëèíû (îáû÷íî l = 100 ì). Êîýôôèöèåíò áëèçîñòè ká òàêæå, êàê è êîýôôè-
(1.2)
Óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà ïðîâîäíèêà çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû υ è â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ (äî òåìïåðàòóðû 150÷200 °C) âû÷èñëÿåòñÿ ρ = ρ0(1 + αυ), (1.3)
öèåíò ïîâåðõíîñòíîãî ýôôåêòà kï çàâèñèò îò âûðàæåíèÿ
√ f ⁄R , 100
ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ, ôîðìû
ïðîâîäíèêîâ è îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè.  îòëè÷èå îò êîýôôèöèåíòà ïîâåðõíîñòíîãî ýôôåêòà, êîýôôèöèåíò áëèçîñòè ìîæåò áûòü áîëüøå, ìåíüøå èëè ðàâíûì åäèíèöå. Çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ kï è ká ïðèâåäåíû
ãäå ρ0 – óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ïðè òåìïåðàòóðå 0 °C; α – òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ñîïðîòèâëåíèÿ. Êàê èçâåñòíî èç êóðñà òåîðåòè÷åñêèõ îñíîâ ýëåêòðîòåõíèêè, ïîâåðõíîñòíûì ýôôåêòîì íàçûâàåòñÿ ÿâëåíèå íåðàâíîìåðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè ïåðåìåííîãî òîêà ïî ïîïåðå÷íîìó ñå÷åíèþ îäèíî÷íîãî ïðîâîäíèêà, à ýôôåêòîì áëèçîñòè – ÿâëåíèå íåðàâíîìåðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè ïåðåìåííîãî òîêà, îáóñëîâëåííîå âëèÿíèåì äðóã íà äðóãà áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ ïðîâîäíèêîâ ñ òîêàìè. Íåðàâíîìåðíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè òîêà ïðè ïîâåðõíîñòíîì ýôôåêòå ïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ äîïîëíèòåëüíûõ ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîñòîÿííûì òîêîì ïîòåðü ìîùíîñòè, êîòîðûå ó÷èòû-
â [2]. Òàêèì îáðàçîì (1.1) ïðèîáðåòàåò âèä P = kïká P= = kïká I 2R, ~
(1.4)
ãäå P è P= – ïîòåðè ìîùíîñòè ïðè ïåðåìåííîì ~ è ïîñòîÿííîì òîêå ñîîòâåòñòâåííî.  ïðîâîäíèêàõ èç ôåððîìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ ÿâëåíèÿ ïîâåðõíîñòíîãî ýôôåêòà è ýôôåêòà áëèçîñòè ïðîÿâëÿþòñÿ çíà÷èòåëüíî ñèëüíåå, à êîýôôèöèåíòû kï è ká â ýòèõ ñëó÷àÿõ ñóùåñòâåííî áîëüøå, ÷åì â íåìàãíèòíûõ ïðîâîäíèêàõ. 9
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Åñëè ìàãíèòîïðîâîä âûïîëíåí èç ëèñòîâîé ñòàëè, òî ïîòåðè ìîùíîñòè â íåì îïðåäåëÿþòñÿ íà îñíîâàíèè ïðèâåäåííûõ â ñïðàâî÷íîé ëèòåðàòóðå çàâèñèìîñòåé óäåëüíûõ ïîòåðü îò àìïëèòóäíîãî çíà÷åíèÿ èíäóêöèè, ÷àñòîòû òîêà, òîëùèíû ëèñòà è ñîðòà ñòàëè [1, 2]. Ñëåäóåò óêàçàòü, ÷òî ôåððîìàãíèòíûå ÷àñòè àïïàðàòà ìîãóò íàãðåâàòüñÿ â ïåðåìåííîì ìàãíèòíîì ïîëå, äàæå åñëè îíè íå îáðàçóþò çàìêíóòóþ ñèñòåìó äëÿ ìàãíèòíîãî ïîòîêà [1]. Âûøå áûëè ðàññìîòðåíû îñíîâíûå, íàèáîëåå îáùèå äëÿ âñåõ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, èñòî÷íèêè òåïëîòû. Èìååòñÿ åùå ðÿä èñòî÷íèêîâ òåïëîòû, êîòîðûå â îäíèõ àïïàðàòàõ èãðàþò ñóùåñòâåííóþ ðîëü, à â äðóãèõ èìè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Òàê â ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ àïïàðàòàõ, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ êîììóòàöèè ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé, ìîùíûì èñòî÷íèêîì òåïëîòû ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ äóãà.  äðóãèõ àïïàðàòàõ ïîòåðè íà òðåíèå èëè óäàð ñîñòàâëÿþò äîâîëüíî áîëüøóþ äîëþ îò îáùèõ ïîòåðü ìîùíîñòè. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû, èìåþùèå äâèæóùèåñÿ æèäêîñòè èëè ãàçû äîëæíû áûòü ðàññ÷èòàíû ñ ó÷åòîì ãèäðàâëè÷åñêèõ ïîòåðü, à èçîëÿöèÿ âûñîêîâîëüòíûõ è âûñîêî÷àñòîòíûõ àïïàðàòîâ ñ ó÷åòîì äèýëåêòðè÷åñêèõ ïîòåðü è ò. ï.
Ïðîôåññîðîì Í.Å. Ëûñîâûì áûëà ïðåäëîæåíà ýìïèðè÷åñêàÿ ôîðìóëà äëÿ âû÷èñëåíèÿ ïîòåðü ìîùíîñòè ïðè ïðîòåêàíèè ïåðåìåííîãî òîêà ïî ïðîâîäíèêàì èç ôåððîìàãíèòíîãî ìåòàëëà [1] 5⁄3 P = 2,9 – 3,25 10−4 I Sîõë√ f , (1.5) Ï ãäå Sîõë, Ï – ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè îõëàæäåíèÿ è ïåðèìåòð ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ïðîâîäíèêà; f – ÷àñòîòà ïåðåìåííîãî òîêà.  ôåððîìàãíèòíûõ íåòîêîâåäóùèõ ÷àñòÿõ ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà, íàõîäÿùèõñÿ â ïåðåìåííîì ìàãíèòíîì ïîëå, òàêæå èìåþò ìåñòî èñòî÷íèêè òåïëîòû, êîòîðûå îáóñëîâëåíû âèõðåâûìè òîêàìè, âîçíèêàþùèìè òîãäà, êîãäà ïåðåìåííûé âî âðåìåíè ìàãíèòíûé ïîòîê ïðîíèçûâàåò ôåððîìàãíèòíûå ÷àñòè àïïàðàòà. Äëÿ ñïëîøíîãî çàìêíóòîãî ìàãíèòîïðîâîäà ðàñ÷åò ïîòåðü ìîùíîñòè â íåì ìîæíî ïðîèçâîäèòü ïî (1.5), â êîòîðîé âìåñòî òîêà I íåîáõîäèìî ïîäñòàâèòü ÌÄÑ IN, ãäå N – ÷èñëî âèòêîâ, à âìåñòî ïåðèìåòðà Ï – ñðåäíþþ äëèíó ìàãíèòîïðîâîäà lñð. Ýòîé æå ôîðìóëîé ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ è ïðè îïðåäåëåíèè ïîòåðü ìîùíîñòè äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà òîêîïðîâîä çàêëþ÷åí âíóòðü êîëüöà èç ôåððîìàãíèòíîãî ìàòåðèàëà.
1.1.2. ÀÍÀËÈÇ ÑÏÎÑÎÁΠÐÀÑÏÐÎÑÒÐÀÍÅÍÈß ÒÅÏËÎÒÛ Â ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÀÕ
Ðàçëè÷àþò òðè ñïîñîáà ðàñïðîñòðàíåíèÿ òåïëîòû â ïðîñòðàíñòâå: òåïëîïðîâîäíîñòüþ, òåïëîâûì èçëó÷åíèåì è êîíâåêöèåé. Òåïëîïðîâîäíîñòü – ðàñïðîñòðàíåíèå òåïëîâîé ýíåðãèè ïðè íåïîñðåäñòâåííîì ñîïðèêîñíîâåíèè îòäåëüíûõ ÷àñòèö èëè òåë, èìåþùèõ ðàçíóþ òåìïåðàòóðó.  ñîîòâåòñòâèè ñ ãèïîòåçîé Ôóðüå êîëè÷åñòâî òåïëîòû d 2Q, ïðîõîäÿùåå ÷åðåç ýëåìåíòàðíóþ ïëîùàäêó èçîòåðìè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè dS çà ïðîìåæóòîê âðåìåíè dt, îïðåäåëÿåòñÿ êàê ∂υ d 2Q = –n0 λ dSdt . (1.6) ∂n
Òåïëîâîå èçëó÷åíèå – ðàñïðîñòðàíåíèå âíóòðåííåé ýíåðãèè òåëà ïóòåì ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí. Ñîâîêóïíîñòü ïðîöåññîâ âçàèìíîãî èçëó÷åíèÿ, ïîãëîùåíèÿ, îòðàæåíèÿ è ïðîïóñêàíèÿ ýíåðãèè â ñèñòåìå ðàçëè÷íûõ òåë íàçûâàþò òåïëîîáìåíîì èçëó÷åíèåì.  îáùåì ñëó÷àå ïëîòíîñòü ñîáñòâåííîãî èçëó÷åíèÿ ïîä÷èíÿåòñÿ çàêîíó Ñòåôàíà-Áîëüöìàíà T 4 , p = 5,67ε (1.7) 100 ãäå p – ïëîòíîñòü òåïëîâîãî ïîòîêà; ε – êîýôôèöèåíò èçëó÷åíèÿ òåëà (0 ≤ ε ≤ 1); T – òåìïåðàòóðà, Ê.
Çäåñü λ – òåïëîïðîâîäíîñòü; n0 – åäèíè÷íûé âåêòîð íîðìàëè ê ïëîùàäêå dS. Äëÿ áîëüøèíñòâà âåùåñòâ â îïðåäåëåííîì äèàïàçîíå òåìïåðàòóðû òåïëîïðîâîäíîñòü çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû ëèíåéíî, ò. å. λ = λ0[1 + β(υ – υ0)] ,
Êîíâåêöèÿ – ðàñïðîñòðàíåíèå òåïëîòû ïðè ïåðåìåùåíèè îáúåìîâ æèäêîñòåé èëè ãàçîâ â ïðîñòðàíñòâå èç îáëàñòåé ñ îäíîé òåìïåðàòóðîé â îáëàñòè ñ äðóãîé òåìïåðàòóðîé. Ðàçëè÷àþò åñòåñòâåííóþ è âûíóæäåííóþ êîíâåêöèþ. Ïðè âûíóæäåííîé êîíâåêöèè æèäêîñòü èëè ãàç äâèæóòñÿ çà ñ÷åò âíåøíèõ ñèë (íàïðèìåð, ïîä äåéñòâèåì íàñîñà, âåíòèëÿòîðà è ò. ï.). Ïðè åñòåñòâåííîé êîíâåêöèè äâèæåíèå ïðîèñõîäèò çà
ãäå λ0 – òåïëîïðîâîäíîñòü ïðè òåìïåðàòóðå υ = υ0; β – òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè. 10
§ 1.1. Òåïëîâûå ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Ðåøåíèå ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé ÷àñòî âûçûâàåò áîëüøèå òðóäíîñòè. Ïîýòîìó ïðè èíæåíåðíûõ ðàñ÷åòàõ èñïîëüçóþò óïðîùåííóþ ôîðìóëó Íüþòîíà, â ñîîòâåòñòâèè ñ êîòîðîé òåïëîâîé ïîòîê (êîëè÷åñòâî òåïëîòû â åäèíèöó âðåìåíè) îò ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà ê îêðóæàþùåé ñðåäå (æèäêîñòè èëè ãàçó) èëè, íàîáîðîò, îò îêðóæàþùåé ñðåäû ê ïîâåðõíîñòè òåëà ïðîïîðöèîíàëåí ïëîùàäè îõëàæäàþùåé ïîâåðõíîñòè òåëà Sîõë (ïîâåðõíîñòè ñîïðèêîñíîâåíèÿ òâåðäîãî òåëà ñî ñðåäîé) ðàçíîñòè òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè υ è ñðåäû υ0, ò. å.
ñ÷åò âûòàëêèâàþùèõ (Àðõèìåäîâûõ) ñèë, âîçíèêàþùèõ èç-çà ðàçëè÷íûõ ïëîòíîñòåé õîëîäíûõ è ãîðÿ÷èõ ÷àñòèö æèäêîñòè èëè ãàçà. Ïîñêîëüêó êîíâåêöèÿ îáóñëîâëåíà äâèæåíèåì æèäêîñòè èëè ãàçà è ïðè êîíâåêöèè íåèçáåæíî ñîïðèêîñíîâåíèå ÷àñòèö ñ ðàçëè÷íîé òåìïåðàòóðîé, ÷òî ñîïðîâîæäàåòñÿ òåïëîïðîâîäíîñòüþ, òî ïðè àíàëèòè÷åñêîì îïèñàíèè ïðîöåññà êîíâåêöèè â ñèñòåìó óðàâíåíèé âîéäóò, óðàâíåíèå òåïëîïðîâîäíîñòè ñ ó÷åòîì ìàññîîáìåíà (óðàâíåíèå ýíåðãèé), óðàâíåíèå äâèæåíèÿ æèäêîñòè (óðàâíåíèå Íàâüå-Ñòîêñà), óðàâíåíèå íåðàçðûâíîñòè æèäêîñòè èëè ãàçà, à òàêæå óñëîâèÿ îäíîçíà÷íîñòè (íà÷àëüíûå è ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ).
P = kòSîõë(υ – υ0) ,
(1.8)
ãäå kò – êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è.
1.1.3. ÇÀÄÀ×È È ÑÒÀÄÈÈ ÒÅÏËÎÂÛÕ ÐÀÑ×ÅÒΠÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
åñëè ïðèìåíÿþò ïàêåò ïàðàëëåëüíî ðàñïîëîæåííûõ øèí, òî êðàéíèå øèíû ïàêåòà ñíàáæàþò ôåððîìàãíèòíûìè áàíäàæàìè, êîòîðûå ñíèæàþò êîýôôèöèåíò áëèçîñòè; â êîíñòðóêöèè íåòîêîâåäóùèõ ÷àñòåé âìåñòî ôåððîìàãíèòíûõ èñïîëüçóþòñÿ íåôåððîìàãíèòíûå ìàòåðèàëû – íåìàãíèòíûé ÷óãóí, ëàòóíü, áðîíçà è ò. ï.; â íåòîêîâåäóùèõ ôåððîìàãíèòíûõ äåòàëÿõ íà ïóòè ìàãíèòíîãî ïîòîêà âûïîëíÿþò ïðîðåçè, ïðè÷åì ïîëó÷åííûé òàêèì îáðàçîì âîçäóøíûé ïðîìåæóòîê ÷àñòî çàïîëíÿþò íåìàãíèòíûì ìàòåðèàëîì (çàâàðèâàþò íåôåððîìàãíèòíûì ýëåêòðîäîì); ïðèìåíÿþò êîðîòêîçàìêíóòûå âèòêè íà ïóòè ìàãíèòíîãî ïîòîêà â ôåððîìàãíèòíîé äåòàëè. Ïåðå÷èñëåííûå âûøå ñëó÷àè äàëåêî íå â ïîëíîé ìåðå îõâàòûâàþò âñå âîçìîæíûå ìåòîäû óìåíüøåíèÿ ìîùíîñòè èñòî÷íèêîâ òåïëîòû.  êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå íåîáõîäèìî ïðîâîäèòü äîïîëíèòåëüíûå ñïåöèàëüíûå èññëåäîâàíèÿ. Ïîñëå âîçìîæíîãî óìåíüøåíèÿ ìîùíîñòè èñòî÷íèêîâ òåïëîòû ñëåäóåò âûÿâèòü ïóòè óìåíüøåíèÿ ìàêñèìàëüíîé òåìïåðàòóðû â àïïàðàòå. Èç ôîðìóëû Íüþòîíà [ñì. (1.8.)] âèäíî, ÷òî ïðè ïîñòîÿííûõ çíà÷åíèÿõ ìîùíîñòè P è òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû υ0 òåìïåðàòóðó ïîâåðõíîñòè
Èñòî÷íèêè òåïëîòû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ ïðè èõ ðàáîòå îáðàçóþò òåìïåðàòóðíîå ïîëå: υ = υ(x,y,z,t) . (1.9) Ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû ïðè ýòîì íå äîëæíî ïðåâûøàòü äîïóñòèìîå çíà÷åíèå, êîòîðîå çàâèñèò îò ìíîãèõ ôàêòîðîâ è óñòàíàâëèâàåòñÿ ñòàíäàðòàìè. Êðîìå äîïóñòèìîé òåìïåðàòóðû ñòàíäàðòàìè óñòàíîâëåíà òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû. Äëÿ áîëüøèíñòâà ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ïðè ðàñ÷åòå äëèòåëüíûõ ðåæèìîâ ðàáîòû òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû (âîçäóõà) ïðèíèìàåòñÿ ðàâíîé +35 °C [1].  îáùåì ñëó÷àå çàäà÷åé òåïëîâîãî ðàñ÷åòà ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëåíèå ìîùíîñòè èñòî÷íèêîâ òåïëîòû è ðàñ÷åò ïàðàìåòðîâ òåìïåðàòóðíîãî ïîëÿ, ïðè÷åì ìàêñèìàëüíàÿ òåìïåðàòóðà íå äîëæíà áûòü âûøå äîïóñòèìîé. Íà ïðåäâàðèòåëüíîé ñòàäèè ðàñ÷åòà íåîáõîäèìî âûÿâèòü èñòî÷íèêè òåïëîòû â ýëåêòðè÷åñêîì àïïàðàòå, âûäàòü ðåêîìåíäàöèè ïî óìåíüøåíèþ èõ ìîùíîñòè è îöåíèòü âîçìîæíîñòü óìåíüøåíèÿ ìàêñèìàëüíîé òåìïåðàòóðû äî äîïóñòèìîãî çíà÷åíèÿ ïðè óñëîâèè íàèìåíüøåãî ðàñõîäà ìàòåðèàëîâ íà àïïàðàò. Äëÿ óìåíüøåíèÿ ìîùíîñòè èñòî÷íèêîâ òåïëîòû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ: ïðèìåíÿþò ïðîâîäíèêîâûå ìàòåðèàëû ñ ìàëûì óäåëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì; ïðè ðåçêî âûðàæåííîì ïîâåðõíîñòíîì ýôôåêòå èñïîëüçóþò òðóá÷àòûå ïðîâîäíèêè, ÷åì äîñòèãàåòñÿ áîëåå ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè òîêà ïî ñå÷åíèþ; ïðè íàëè÷èè ñîñòàâíûõ øèí èõ ðàñïîëàãàþò òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ïîâåðõíîñòíûé ýôôåêò è ýôôåêò áëèçîñòè îêàçûâàëè âîçìîæíî ìåíüøåå âëèÿíèå íà ìîùíîñòü èñòî÷íèêîâ òåïëîòû;
òåëà υ ìîæíî óìåíüøèòü çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è kò èëè ïëîùàäè Sîõë îõëàæäàþùåé ïîâåðõíîñòè. Òàêîé ñïîñîá óìåíüøåíèÿ òåìïåðàòóðû íàçûâàåòñÿ èíòåíñèôèêàöèåé îõëàæäåíèÿ. Óâåëè÷åíèå êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è îñóùåñòâëÿåòñÿ ðàçëè÷íûìè ñïîñîáàìè: îêðàñêîé íàãðåâàåìûõ ÷àñòåé àïïàðàòà êðàñêîé, èìåþùåé áîëüøèé êîýôôèöèåíò èçëó÷åíèÿ ε, ÷åì ïîâåðõíîñòü, êîòîðàÿ íå áûëà îêðàøåíà; âûíóæäåííîé êîíâåêöèåé, æèäêîñòíûì îõëàæäåíèåì è ò. ï.
11
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
åòñÿ äîâîëüíî ïðîñòî, ïîñêîëüêó ìîæíî îäíîçíà÷íî îïðåäåëèòü êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è è, èñïîëüçóÿ ôîðìóëó Íüþòîíà, ëåãêî íàéòè Päîï, à, ñëåäîâàòåëüíî, è Iäîï; òðåáóåìóþ ïëîùàäü îõëàæäàþùåé ïîâåðõíîñòè, çíàÿ ñïîñîá îõëàæäåíèÿ, äîïóñòèìóþ òåìïåðàòóðó è íàãðóçêó. Ýòî ïåðâàÿ îáðàòíàÿ çàäà÷à. Çäåñü êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è íàõîäèòñÿ ïîäáîðîì, òàê êàê îí çàâèñèò îò ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ àïïàðàòà; ñïîñîá è ïàðàìåòðû îõëàæäåíèÿ ïî èçâåñòíûì íàãðóçêå, äîïóñòèìîé òåìïåðàòóðå è çàäàííûõ ðàçìåðàõ àïïàðàòà. Ýòî âòîðàÿ ïðÿìàÿ çàäà÷à; ïàðàìåòðû òåìïåðàòóðíîãî ïîëÿ â àïïàðàòå (âûÿñíèòü ìàêñèìàëüíóþ òåìïåðàòóðó âñåõ ÷àñòåé), çíàÿ òîê, ñïîñîá îõëàæäåíèÿ è ðàçìåðû àïïàðàòà. Ýòà âòîðàÿ îáðàòíàÿ çàäà÷à ðåøàåòñÿ ïîäáîðîì, ïîñêîëüêó è êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è è ìîùíîñòü èñòî÷íèêîâ òåïëîòû çàâèñÿò îò òåìïåðàòóðû.
Ïðè âûíóæäåííîé êîíâåêöèè êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è ìîæåò áûòü ïîâûøåí íà ïîðÿäîê âåëè÷èí ïî ñðàâíåíèþ ñ êîýôôèöèåíòîì òåïëîîòäà÷è åñòåñòâåííîé êîíâåêöèè. Æèäêîñòíîå îõëàæäåíèå ïðè åñòåñòâåííîé êîíâåêöèè òàêæå ñóùåñòâåííî ïîâûøàåò êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è. Èíòåíñèôèêàöèÿ îõëàæäåíèÿ ïóòåì óâåëè÷åíèÿ ïëîùàäè îõëàæäàþùåé ïîâåðõíîñòè äîñòèãàåòñÿ óâåëè÷åíèåì ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ àïïàðàòà, èëè ïðèìåíåíèåì ðàäèàòîðîâ îõëàæäåíèÿ, ò. å. èñêóññòâåííûì óâåëè÷åíèåì ïëîùàäè îõëàæäàþùåé ïîâåðõíîñòè. Íà ñòàäèè óòî÷íåííîãî òåïëîâîãî ðàñ÷åòà ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü ñëåäóþùåå: äîïóñòèìóþ íàãðóçêó Päîï, çíàÿ äîïóñòèìóþ òåìïåðàòóðó, ãåîìåòðè÷åñêèå ðàçìåðû àïïàðàòà è ñïîñîá åãî îõëàæäåíèÿíèÿ. Ýòî ïðÿìàÿ çàäà÷à è ðåøà-
1.1.4. ÒÅÏËÎÎÒÄÀ×À ÊÎÍÂÅÊÖÈÅÉ È ÈÇËÓ×ÅÍÈÅÌ Ñ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÅÉ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
 ôîðìóëå Íüþòîíà [ñì. (1.8)] äëÿ êîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è kò â îáùåì ñëó÷àå îòðàæàåò äâà âèäà òåïëîîòäà÷è ñ ïîâåðõíîñòè òâåðäîãî òåëà â îêðóæàþùóþ ñðåäó, à èìåííî: òåïëîîòäà÷ó êîíâåêöèåé è òåïëîîòäà÷ó èçëó÷åíèåì, ò. å. ìîæíî çàïèñàòü kò = kò.ê + kò.è , (10)
 ÷àñòíîì ñëó÷àå, êîãäà ýëåêòðè÷åñêèé àïïàðàò íàõîäèòñÿ â îêðóæàþùåé ñðåäå ñ òåìïåðàòóðîé T0 äîñòàòî÷íî äàëåêî îò äðóãèõ òåë, óäåëüíûé òåïëîâîé ïîòîê ñ åãî ïîâåðõíîñòè â îêðóæàþùóþ ñðåäó îïðåäåëèòñÿ êàê 4 T p = 5,67ε T – 0 , 100 100 à êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è èçëó÷åíèåì p kò.è = , υ – υ0 4
ãäå kò.ê è kò.è – êîýôôèöèåíòû òåïëîîòäà÷è êîíâåêöèåé è èçëó÷åíèåì ñîîòâåòñòâåííî. Ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå, íåçíà÷èòåëüíî ïðåâûøàþùåé êîìíàòíóþ, òåïëîâîå èçëó÷åíèå ñ ïîâåðõíîñòåé ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ íåâåëèêî. Îäíàêî, ïðè òåìïåðàòóðå 50–100 °Ñ òåïëîâîå èçëó÷åíèå, êàê ïðàâèëî, ñîèçìåðèìî ñ òåïëîîòäà÷åé êîíâåêöèåé.  ðàñ÷åòàõ òåïëîîòäà÷è èçëó÷åíèåì ñëåäóåò ó÷èòûâàòü íå òîëüêî ñîáñòâåííîå èçëó÷åíèå òåë, îïðåäåëÿåìîå ïî çàêîíó Ñòåôàíà-Áîëüöìàíà [ñì. (1.7)], íî è âçàèìíîå ðàñïîëîæåíèå ýòèõ òåë. Åñëè îäíî òåëî íàõîäèòñÿ âíóòðè äðóãîãî òåëà è èìååò òåìïåðàòóðó T1, êîýôôèöèåíò èçëó÷åíèÿ òåëà ε1 è ïîâåðõíîñòü ïëîùàäüþ îõëàæäåíèÿ Sîõë1, âòîðîå òåëî ñîîòâåòñòâåííî T2, ε2 è Sîõë2 è ïðè ýòîì T1 > T2, Sîõë1 > Sîõë2, à ñàìîîáëó÷åíèå ïåðâîãî òåëà îòñóòñòâóåò, òî ñîãëàñíî [1] ðåçóëüòèðóþùèé óäåëüíûé ïîòîê òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ ñ ïîâåðõíîñòè ïåðâîãî òåëà îïðåäåëÿåòñÿ: T1 4 T2 4 – 5,67 100 100 p12 = . (1.11) Sîõë1 1 1 – 1 ε + ε 1
Sîõë2
2
(1.12)
(1.13)
ãäå υ è υ0 – òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè òåëà è îêðóæàþùåé ñðåäû ñîîòâåòñòâåííî. Êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è êîíâåêöèåé â îáùåì ñëó÷àå ìîæåò áûòü îïðåäåëåí èç ðåøåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåé ñèñòåìû óðàâíåíèé ïðè ñîîòâåòñòâóþùèõ óñëîâèÿõ îäíîçíà÷íîñòè. Îäíàêî, íà ïðàêòèêå åãî îïðåäåëÿþò ýêñïåðèìåíòàëüíî è, èñïîëüçóÿ òåîðèþ ïîäîáèÿ, óêàçàííóþ ñèñòåìó óðàâíåíèé ïðåäñòàâëÿþò â âèäå óðàâíåíèé ïîäîáèÿ, ñïðàâåäëèâûõ äëÿ îïðåäåëåííûõ óñëîâèé è ñëó÷àåâ. Äëÿ êîíâåêòèâíîé òåïëîîòäà÷è óðàâíåíèå ïîäîáèÿ â îáùåì ñëó÷àå èìååò âèä Nu = f (Fî, Gr , Pr, Re) , (1.14) ãäå Nu, Fî, Gr, Pr è Re – ÷èñëà ïîäîáèÿ Íóññåëüòà, Ôóðüå, Ãðàñãîôà, Ïðàíäòëÿ è Ðåéíîëüäñà ñîîòâåòñòâåííî: Nu =
kò.êL λ
; Fî =
at L
2
ν
; Gr = βgL3
Pr = a ; 12
Re =
θ 2
ν
wL ν
,
; Pr =
ν a
;
§ 1.1. Òåïëîâûå ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ãäå kò.ê – êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è êîíâåêöèåé; L – õàðàêòåðíûé ëèíåéíûé ðàçìåð òåëà; λ, a, ν – òåïëîïðîâîäíîñòü è òåìïåðàòóðîïðîâîäíîñòü ìàòåðèàëà òåëà, êèíåìàòè÷åñêàÿ âÿçêîñòü ñðåäû ñîîòâåòñòâåííî; t – âðåìÿ; b – òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò îáúåìíîãî ðàñøèðåíèÿ; g – óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ; w – ñêîðîñòü æèäêîñòè èëè ãàçà; θ = υ – υ0; υ, υ0 – òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè òåëà è îêðóæàþùåé ñðåäû ñîîòâåòñòâåííî. ×èñëà ïîäîáèÿ âû÷èñëÿþòñÿ ïðè îïðåäåëÿþùåé òåìïåðàòóðå è õàðàêòåðíîì ðàçìåðå, êîòîðûå óêàçûâàþòñÿ â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå. Åñëè èçâåñòíî óðàâíåíèå ïîäîáèÿ, òî êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è êîíâåêöèåé îïðåäåëÿåòñÿ êàê λ kò.ê = Nu . (1.15) L Óðàâíåíèÿ ïîäîáèÿ êîíâåêòèâíîé òåïëîîòäà÷è äëÿ ìíîãèõ âñòðå÷àþùèõñÿ íà ïðàêòèêå ñëó÷àåâ ïðèâåäåíû â [1, 2, 3]. Äëÿ åñòåñòâåííîé êîíâåêöèè â íåîãðàíè÷åííîì ïðîñòðàíñòâå [1] óðàâíåíèå ïîäîáèÿ èìååò âèä
Èç ôîðìóëû (1.15) ìîæíî îïðåäåëèòü ñðåäíåå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è ïî ïîâåðõíîñòè òåëà. Åñëè òåëî èìååò ÿâíî âûðàæåííûå, äîñòàòî÷íî ïðîòÿæåííûå ãîðèçîíòàëüíûå ïîâåðõíîñòè, òî êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è âåðõíåé ïîâåðõíîñòè íåîáõîäèìî óâåëè÷èòü íà 30%, à íèæíåé ñîîòâåòñòâåííî óìåíüøèòü íà 30%.  ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòàõ òåïëîïåðåäà÷è â îãðàíè÷åííîì ïðîñòðàíñòâå, íàïðèìåð, ìåæäó êîíöåíòðè÷åñêèìè òðóáàìè ñ ìàëûìè çàçîðàìè èëè â âåðòèêàëüíûõ ùåëÿõ ìåæäó ïëîñêèìè ñòåíêàìè àïïàðàòà, îáû÷íî ñëîæíûé ïðîöåññ òåïëîîáìåíà çàìåíÿþò ýêâèâàëåíòíûì ïðîöåññîì òåïëîïðîâîäíîñòè. Ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü òåïëîâîãî ïîòîêà âû÷èñëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: p = λý
υ1 – υ2 δ
,
ãäå δ – òîëùèíà ùåëè èëè çàçîð ìåæäó òðóáàìè; υ1, υ2 – òåìïåðàòóðà ñòåíîê àïïàðàòà; λý – ýêâèâàëåíòíàÿ òåïëîïðîâîäíîñòü, êîòîðàÿ ó÷èòûâàåò ïåðåäà÷ó òåïëîòû òåïëîïðîâîäíîñòüþ è êîíâåêöèåé è îïðåäåëÿåòñÿ èç ñîîòíîøåíèÿ
Nu m = C [Gr Pr ] nm ,
λý = εê λ ,
ãäå C, n îïðåäåëÿþòñÿ èç òàáë. 1.1.
ãäå λ – òåïëîïðîâîäíîñòü æèäêîñòè èëè ãàçà, çàïîëíÿþùèõ ùåëü; εê – êîýôôèöèåíò êîíâåêöèè, çíà÷åíèå êîòîðîãî ìîæíî îïðåäåëèòü èç óðàâíåíèÿ ïîäîáèÿ [2]
Òàáëèöà 1.1. Çíà÷åíèÿ âåëè÷èí C è n Gr Pr
n
C
Ìåíüøå 10-3 10-3–5.102 5.102–2.107 2.107–1013
0 0,125 0,25 0,33
0,5 1,18 0,54 0,135
εê = A [Gr Pr]rñð .  êà÷åñòâå îïðåäåëÿþùåãî ðàçìåðà ïðèíèìàåòñÿ øèðèíà ùåëè δ, â êà÷åñòâå îïðåäåëÿþùåé òåìïåðàòóðû
Îïðåäåëÿþùàÿ òåìïåðàòóðà íàõîäèòñÿ êàê (υ + υ ) υm = æ ï , 2
υñð =
(υ1 + υ2) . 2
Çíà÷åíèÿ A, r ñì. â òàáë.1.2.
ãäå υæ, υï – ñîîòâåòñòâåííî òåìïåðàòóðà æèäêîñòè èëè ãàçà â òî÷êàõ äîñòàòî÷íî óäàëåííûõ îò ïîâåðõíîñòè òåëà è òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè òåëà. Èíäåêñ m â óðàâíåíèÿõ ïîäîáèÿ ïîêàçûâàåò ïðè êàêîé òåìïåðàòóðå íåîáõîäèìî ïðîèçâîäèòü ðàñ÷åòû.  êà÷åñòâå õàðàêòåðíîãî ðàçìåðà ïðèíèìàåòñÿ âûñîòà òåëà, äëÿ øàðîâ è ãîðèçîíòàëüíûõ öèëèíäðîâ èõ äèàìåòð.
Òàáëèöà 1.2. Çíà÷åíèÿ âåëè÷èí A è r Gr Pr Ìåíüøå 103 103–106 106–1010
r 0 0,3 0,2
A 1 0,105 0,4
1.1.5. ÒÅÏËÎÏÐÎÂÎÄÍÎÑÒÜ Â ×ÀÑÒßÕ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
Äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà èìååòñÿ îäíîðîäíîå èçîòðîïíîå òåëî, ìèêðîñêîïè÷åñêèå ÷àñòèöû êîòîðîãî íåïîäâèæíû äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà, ôèçè÷åñêèå ïàðàìåòðû òåëà ïîñòîÿííû, à âíóòðåííèå
èñòî÷íèêè òåïëîòû ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåíû â òåëå. Èñïîëüçóÿ çàêîí Ôóðüå (1.6), ìîæíî ïîëó÷èòü äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå òåïëîïðîâîäíîñòè [3] 13
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
∂υ = a div(∇υ) + q ⁄cγ , ∂t
ñòàâèì ýêâèâàëåíòíóþ ñõåìó çàìåùåíèÿ (ðèñ. 1.1,á). Ïîñëå ýòîãî çàäà÷ó òåïëîïðîâîäíîñòè ðåøàþò, èñïîëüçóÿ çàêîíû Îìà è Êèðõãîôà. Åñëè ïëîñêàÿ ñòåíêà ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ ñëîåâ ñ íóëåâûìè òåïëîâûìè ñîïðîòèâëåíèÿìè ìåæäó íèìè, òî â ñõåìå íà ðèñ. 1.1,á Rò ÿâëÿåòñÿ ñóììîé n ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííûõ ñîïðîòèâëåíèé. Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû â äàííîì ñëó÷àå áóäåò èìåòü âèä ëîìàííîé ëèíèè. Åñëè ñ îäíîé ñòîðîíû ïëîñêîé ñòåíêè îêðóæàþùàÿ ñðåäà ñ òåìïåðàòóðîé υ01 è êîýôôèöèåíòîì òåïëîîòäà÷è kò1, à ñ äðóãîé ñòîðîíû îêðóæàþùàÿ ñðåäà ñ òåìïåðàòóðîé υ02 è kò2,òî ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ áóäåò èìåòü âèä, èçîáðàæåííûé íà ðèñ. 1.2.  ýòîé ñõåìå Rò2 – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ïëîñêîé ñòåíêè, Rò1 è Rò3 – òåïëîâûå ñîïðîòèâëåíèÿ òåïëîîòäà÷è êîíâåêöèåé îò ñðåäû ñ òåìïåðàòóðîé υ01 ê ñòåíêå è îò ñòåíêè ê ñðåäå ñ òåìïåðàòóðîé υ02. Òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå òåïëîîòäà÷è êîíâåêöèåé Rò.ê â îáùåì ñëó÷àå ìîæåò áûòü ïîëó÷åíî èç ôîðìóëû Íüþòîíà (1.8)
(1.16)
ãäå υ – òåìïåðàòóðà â ïðîèçâîëüíîé òî÷êå ïðîñòðàíñòâà; t – âðåìÿ; q – ïëîòíîñòü òåïëîâîãî ïîòîêà ìîùíîñòè èñòî÷íèêîâ òåïëîòû; a – òåìïåðàòóðîïðîâîäíîñòü; c – óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü; γ – ïëîòíîñòü ñðåäû. Ðàññìîòðèì óñòàíîâèâøèéñÿ òåïëîâîé ðåæèì ïëîñêîé ñòåíêè (ðèñ. 1.1,à) áåç âíóòðåííèõ èñòî÷íèêîâ òåïëîòû, ñ ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè ïåðâîãî ðîäà: υ = υ1 ïðè x = 0 è υ = υ2 ïðè x = δ. Òîãäà (1.16) áóäåò èìåòü âèä d 2υ ⁄ dx2 = 0. Îáùåå ðåøåíèå ýòîãî óðàâíåíèÿ ïîñëå âû÷èñëåíèÿ ïîñòîÿííûõ èíòåãðèðîâàíèÿ ïðèìåò âèä υ = υ1 –
υ1
– υ2 δ
x.
(1.17)
Çäåñü υ1 > υ2 . Èç (1.6) è (1.17) ïîëó÷àåì P=
υ1 − υ2 . Rò
(1.18)
Rò.ê =
Óðàâíåíèå (1.17) íàçûâàþò çàêîíîì Îìà äëÿ òåïëîïðîâîäíîñòè. Ïðè ýòîì òåïëîâîìó ïîòîêó P ñîîòâåòñòâóþò ýëåêòðè÷åñêèé òîê I, òåìïåðàòóðå υ1 è υ2 – ýëåêòðè÷åñêèå ïîòåíöèàëû ϕ1 è ϕ2, à òåïëîïðîâîäíîñòè λ – ýëåêòðîïðîâîäíîñòü 1/ρ (ρ – óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå). Âåëè÷èíó δ Rò = , (1.19)
1 kòSîõë
.
(1.20)
 òåïëîâîì ðàñ÷åòå ñòàöèîíàðíîãî ðåæèìà èçîëèðîâàííûõ ïî âñåé äëèíå ïðîâîäíèêîâ èñïîëüçóþò ñõåìó çàìåùåíèÿ, èçîáðàæåííóþ íà ðèñ. 1.2,á, â êîòîðîé υ01 = υ1, à Rò1 = 0. Òåïëîâîé ïîòîê ïðåä-
ãäå S – ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ñòåíêè, à δ – òîëùèíà ñòåíêè, íàçûâàþò òåïëîâûì ñîïðîòèâëåíèåì ïëîñêîé ñòåíêè áåç âíóòðåííèõ èñòî÷íèêîâ òåïëîòû. Èñïîëüçóÿ óêàçàííóþ âûøå àíàëîãèþ, ñî-
ñòàâëÿåò ñîáîé â ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå ìîùíîñòü èñòî÷íèêîâ òåïëîòû â ïðîâîäíèêå. Ïðè ýòîì, åñëè ïðîâîäíèê èìååò ïðÿìîóãîëüíîå ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå, òî ñîïðîòèâëåíèå Rò2 îïðåäåëÿþò ïî (1.19), à ñîïðîòèâëåíèå Rò3 ïî (1.20). Äëÿ ïðîâîäíèêà èìåþùåãî êðóãîâîå ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ Rò2 è Rò3 îïðåäåëÿþò èç ñïðàâî÷íîé ëèòåðàòóðû, íàïðèìåð [2].
Ðèñ. 1.1. Ê ðàñ÷åòó òåïëîïðîâîäíîñòè ÷åðåç ïëîñêóþ ñòåíêó áåç âíóòðåííèõ èñòî÷íèêîâ òåïëîòû: à – ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû; á – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ
Ðèñ 1.2. Ê ðàñ÷åòó òåïëîïðîâîäíîñòè ÷åðåç ïëîñêóþ ñòåíêó áåç âíóòðåííèõ èñòî÷íèêîâ òåïëîòû: à – ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû; á – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ
λS
14
§ 1.1. Òåïëîâûå ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Ðèñ. 1.3. Ê ðàñ÷åòó òåïëîïðîâîäíîñòè ÷åðåç ïëîñêóþ ñòåíêó ñ ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííûìè â íåé èñòî÷íèêàìè òåïëîòû: à – ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû; á – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ
Óäåëüíóþ ìîùíîñòü èñòî÷íèêîâ òåïëîòû â êàòóøêå îïðåäåëÿþò [1]
Êðîìå ñòåíîê áåç èñòî÷íèêîâ òåïëîòû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ ÷àñòî âñòðå÷àþòñÿ ñòåíêè ñ ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííûìè èñòî÷íèêàìè òåïëîòû, ïðè ýòîì, èõ òåïëîâûå ñîïðîòèâëåíèÿ ìîæíî îïðåäåëèòü ïî [2].  îáùåì ñëó÷àå ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû èìåþò ïëîñêèå ñòåíêè ñ èñòî÷íèêàìè òåïëîòû, ó êîòîðûõ èìåþòñÿ ñòåíêè áåç èñòî÷íèêîâ òåïëîòû è òåïëîîòäà÷à ïðîèñõîäèò ñ äâóõ ñòîðîí (ðèñ. 1.3,à,á). Òîãäà âíóòðè ñòåíêè ñ èñòî÷íèêàìè òåïëîòû áóäåò èìåòü ìåñòî ñëîé (êîîðäèíàòà xm) ñ ìàêñèìàëüíîé òåìïåðàòóðîé υm, ÷àñòü òåïëîòû, âûäåëÿþùåéñÿ â ñòåíêå áóäåò ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ â ëåâóþ ñòîðîíó îò ïëîñêîñòè x = xm, äðóãàÿ ÷àñòü – â ïðàâóþ ñòîðîíó è ñõåìà çàìåùåíèÿ áóäåò èìåòü âèä, èçîáðàæåííûé íà ðèñ. 1.3,á. Êîîðäèíàòà, ñîîòâåòñòâóþùàÿ íàèáîëåå íàãðåòîìó ñëîþ â ýòîì ñëó÷àå [1] δ ∆2 1 δ 2λ + λ + k 2 ò2 xm = . (1.21) δ ∆1 ∆2 1 1 λ + λ + λ + + kò1 kò2 1 2
q = ρ(IN)2 ⁄ kçS 2î.ê ,
(1.22)
ãäå (IN) – ÌÄÑ êàòóøêè; ρ – óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå; kç – êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ; Sî.ê – ïëîùàäü îáìîòî÷íîãî îêíà. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè êàòóøêè èñïîëüçóþò ýìïèðè÷åñêèå ôîðìóëû [2].  ðàñ÷åòàõ ðàäèàòîðîâ îõëàæäåíèÿ ïðèìåíÿþò ìåòîäèêó òåïëîâîãî ðàñ÷åòà ñòåðæíåé áåç èñòî÷íèêîâ òåïëîòû, íàõîäÿùèõñÿ â îêðóæàþùåé ñðåäå ñ òåìïåðàòóðîé υ0, êîýôôèöèåíòîì òåïëîîòäà÷è kò è òåìïåðàòóðîé íà òîðöå ñòåðæíÿ ðàäèàòîðà υ1 > υ0. Åñëè ïðåíåáðå÷ü òåïëîîòäà÷åé ñ òîðöà ñòåðæíÿ, òî çàâèñèìîñòü òåìïåðàòóðû ïî äëèíå l áóäåò èìåòü âèä Θ = Θ1ch [m (l – x)] ⁄ ch(ml ), (1.23) òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ñòåðæíÿ Rò = [ch(ml) – 1] ⁄ [sh(ml )(√ kòÏ ⁄ λS )] , (1.24) ãäå Θ = υ – υ0; Θ1 = υ1 – υ0; Ï, S – ïåðèìåòð è ïëîùàäü ñå÷åíèÿ ñòåðæíÿ; λ – òåïëîïðîâîäíîñòü ìàòåðèàëà ñòåðæíÿ; m = √ kòÏ ⁄ λS . Îáùåå òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ïîâåðõíîñòè, èìåþùåé îõëàæäàþùèå ðåáðà îïðåäåëÿþò
Äëÿ öèëèíäðè÷åñêèõ ñòåíîê ñ èñòî÷íèêàìè òåïëîòû ñõåìà çàìåùåíèÿ áóäåò òàêîé æå, êàê è ñõåìà çàìåùåíèÿ ïëîñêîé ñòåíêè, à òåïëîâûå ñîïðîòèâëåíèÿ, òåïëîâûå ïîòîêè è ðàäèóñ íàèáîëåå íàãðåòîãî ñëîÿ ìîæíî âû÷èñëèòü ïî ñîîòíîøåíèÿì, ïðèâåäåííûì â ñïðàâî÷íîé ëèòåðàòóðå [2]. Êàòóøêè ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ áåç ìàãíèòîïðîâîäîâ ðàññìàòðèâàþò êàê ñòåíêè ñ ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåííûìè èñòî÷íèêàìè òåïëîòû, ïðè÷åì åñëè êàòóøêà ïëîñêàÿ, èñïîëüçóþò ìåòîä ðàñ÷åòà ïëîñêîé ñòåíêè, à åñëè öèëèíäðè÷åñêàÿ, òî ìåòîä ðàñ÷åòà öèëèíäðè÷åñêîé ñòåíêè.
Rò =
RíRð (Rð + nRí)
,
(1.25)
ãäå Rð – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ðåáðà îõëàæäåíèÿ, îïðåäåëÿåìîå ïî (1.24); Rí – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå íåîðåáðåííîé ïîâåðõíîñòè; n – ÷èñëî îõëàæäàþùèõ ðåáåð. 15
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ 1.1.6. ÐÅÆÈÌÛ ÍÀÃÐÅÂÀ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
Ïðè ýêñïëóàòàöèè ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ìîãóò èìåòü ìåñòî ñëåäóþùèå ðåæèìû ðàáîòû: ïðîäîëæèòåëüíûé – ïðè êîòîðîì òåìïåðàòóðà àïïàðàòà äîñòèãàåò óñòàíîâèâøåãîñÿ çíà÷åíèÿ è àïïàðàò ïðè ýòîé òåìïåðàòóðå îñòàåòñÿ ïîä íàãðóçêîé ñêîëü óãîäíî äëèòåëüíîå âðåìÿ; ïðåðûâèñòî-ïðîäîëæèòåëüíûé – ïðè êîòîðîì àïïàðàò îñòàåòñÿ ïîä íàãðóçêîé ïðè óñòàíîâèâøåìñÿ çíà÷åíèè òåìïåðàòóðû îãðàíè÷åííîå òåõíè÷åñêèìè óñëîâèÿìè âðåìÿ; ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííûé – ïðè êîòîðîì, òåìïåðàòóðà ÷àñòåé ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà çà âðåìÿ íàãðóçêè íå äîñòèãàåò óñòàíîâèâøåãîñÿ çíà÷åíèÿ, à çà âðåìÿ ïàóçû íå äîñòèãàåò òåìïåðàòóðû õîëîäíîãî ñîñòîÿíèÿ; êðàòêîâðåìåííûé – ïðè êîòîðîì â ïåðèîä íàãðóçêè òåìïåðàòóðà ÷àñòåé ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà äîñòèãàåò óñòàíîâèâøåãîñÿ çíà÷åíèÿ, à â ïåðèîä îòñóòñòâèÿ íàãðóçêè äîñòèãàåò òåìïåðàòóðû õîëîäíîãî ñîñòîÿíèÿ; êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ – ýòî ÷àñòíûé ñëó÷àé êðàòêîâðåìåííîãî ðåæèìà ðàáîòû, êîãäà òåìïåðàòóðà ÷àñòåé ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà çíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäèò óñòàíîâèâøóþñÿ òåìïåðàòóðó ïðè íîðìàëüíîì ðåæèìå ðàáîòû. Ðàññìîòðèì íåóñòàíîâèâøèéñÿ ïðîöåññ íàãðåâà àïïàðàòà â ìîìåíò âðåìåíè t = 0 ïðè íà÷àëüíîé òåìïåðàòóðå υ = υí. Ïóñòü ìîùíîñòü èñòî÷íèêîâ òåïëîòû â ìîìåíò âðåìåíè t = 0 âîçðîñëà îò íóëåâîãî çíà÷åíèÿ, äî çíà÷åíèÿ P = P0(1 + αυí). Èç àíàëèçà òåïëîâîãî áàëàíñà ìîæíî ïîëó÷èòü äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå, ðåøåíèå êîòîðîãî ïðè kòSîõë ≠ P0 α
υ=
Ðèñ. 1.4. Êðèâûå íàãðåâà ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ
Ðèñ 1.5. Ïðîñòåéøèé âèä êðèâûõ îñòûâàíèÿ (1) è íàãðåâà (2) ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà
íàçûâàåòñÿ óñòàíîâèâøèìñÿ çíà÷åíèåì òåìïåðàòóðû, à âåëè÷èíà τ – ïîñòîÿííîé âðåìåíè íàãðåâà, îíà ïîëîæèòåëüíà è èìååò ðàçìåðíîñòü âðåìåíè. Òàêèì îáðàçîì (1.26) ìîæíî óïðîñòèòü t
t
υ = υó(1 – e– τ ) + υíe– τ . (1.30) Åñëè íà÷àëüíàÿ òåìïåðàòóðà àïïàðàòà ðàâíà òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû υí = υ0, òî êðèâàÿ íàãðåâà (1.30) îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì (ðèñ.1.5)
t t + kòSîõëυ0 (1 – e – τ ) + υíe – τ ; (1.26) kòSîõë – P0 α
P0
ïðè kòSîõë = P0 α
t
υ = υí +
(P0
+ kòSîõëυ0) C
t.
Θ = Θó(1 – e– τ ) .
(1.27)
Ðàññìîòðèì ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííûé ðåæèì íàãðåâà ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà, êîãäà îí íàãðóæàåòñÿ èñòî÷íèêàìè òåïëîòû ïîñòîÿííîé ìîùíîñòè â òå÷åíèå âðåìåíè tð (ðàáî÷èé ïåðèîä) è îõëàæäàåòñÿ çà âðåìÿ tï (âðåìÿ ïàóçû) òàêèì îáðàçîì, ÷òî ðàáî÷èå ïåðèîäû è ïåðèîäû ïàóç áåñêîíå÷íî ïîâòîðÿþòñÿ (ðèñ.1.6,à). Êðèâàÿ íàãðåâà (ðèñ.1.6,á) èìååò ïèëîîáðàçíûé âèä [1], ïðè÷åì
Ãðàôè÷åñêèå ðåøåíèÿ (1.26) è (1.27) ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ.1.4. Ïðè îñòûâàíèè àïïàðàòà (ñì. ðèñ.1.5) t
Θ = Θíe– τ , (1.28) ãäå C – òåïëîåìêîñòü; Θ = υ – υ0; Θí = υí – υ0; τ = k SC . ò îõë
Ïðè÷åì ïðè kòSîõë > P0 α, τ > 0 è âåëè÷èíà
+ kòυ0 Sîõë υó = kò Sîõë − P0 α P0
(1.31)
Θó Θï−ê
(1.29)
16
=
1
– e– 1
–
(tð + tï)
τ
tð – e τ
≥ 1.
(1.32)
§ 1.1. Òåïëîâûå ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ñòâî êîýôôèöèåíòîâ òåïëîîòäà÷è è ðàâåíñòâî îõëàæäàþùèõ ïîâåðõíîñòåé) Θó Θïê
=
Pïð Pïê
=
1
Îòíîøåíèå kp =
Pïê
Pïð
.
– e–
(tp + tï) τ tp – τ
(1.33)
1–e íàçûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì ïåðåãðóçêè ïî ìîùíîñòè è ïîêàçûâàåò âî ñêîëüêî ðàç ìîæíî óâåëè÷èòü ìîùíîñòü èñòî÷íèêîâ òåïëîòû â ýëåêòðè÷åñêîì àïïàðàòå ïðè ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííîì ðåæèìå ðàáîòû ïî ñðàâíåíèþ ñ ìîùíîñòüþ ïðè ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå ïðè óñëîâèè ðàâåíñòâà äîïóñòèìîé òåìïåðàòóðû â òîì è äðóãîì ñëó÷àÿõ. Ïîñêîëüêó ïðè ïðî÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ ìîùíîñòü èñòî÷íèêîâ òåïëîòû â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ïðîïîðöèîíàëüíà êâàäðàòó òîêà (1.4), òî ââîäÿò êîýôôèöèåíò ïåðåãðóçêè ïî òîêó, êîòîðûé ðàâåí kI = √ kp . Åñëè tp + tï ≤ 0,1τ, òî è tï < 0,1τ.  ýòîì ñëó÷àå ñ ïîãðåøíîñòüþ, íå ïðåâûøàþùåé 5% ìîæíî îïðåäåëèòü t +t kp = p t ï . (1.34)
Ðèñ. 1.6. Ê ðàñ÷åòó ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííîãî íàãðåâà ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ: à – ãðàôèê íàãðóçêè; á – êðèâûå íàãðåâà
Ìàêñèìàëüíàÿ òåìïåðàòóðà ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà ïðè ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííîì ðåæèìå íàãðåâà (υïê = Θïê + υ0) ìåíüøå, ÷åì ïðè ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå (υó = Θó + υ0) ïðè óñëîâèè ðàâåíñòâà ìîùíîñòåé èñòî÷íèêîâ òåïëîòû â òîì è äðóãîì ñëó÷àÿõ (Pïê = Pïð). Ïîñêîëüêó ïðåâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû è ìîùíîñòè, îòäàâàåìûå â îêðóæàþùóþ ñðåäó ïðè óñòàíîâèâøåìñÿ è êâàçèñòàöèîíàðíîì ðåæèìàõ íàãðåâà ñâÿçàíû ëèíåéíîé çàâèñèìîñòüþ Íüþòîíà, òî ïðè ïðî÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ (ðàâåí-
ð
×àñòî â ðàñ÷åòàõ èñïîëüçóåòñÿ ïîíÿòèå îòíîñè” òåëüíàÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü âêëþ÷åíèÿ”. Ýòà âåëè÷èíà îïðåäåëÿåòñÿ êàê tð 100 tð + tï
% = ÏÂ% .
(1.35)
100 ÏÂ%
(1.36)
Òîãäà kp =
.
1.1.7. ÒÅÐÌÈ×ÅÑÊÀß ÑÒÎÉÊÎÑÒÜ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
Òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòüþ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ íàçûâàåòñÿ ñïîñîáíîñòü èõ âûäåðæèâàòü áåç ïîâðåæäåíèé, ïðåïÿòñòâóþùèõ äàëüíåéøåé ðàáîòå, òåðìè÷åñêîå âîçäåéñòâèå ïðîòåêàþùèõ ïî òîêîâåäóùèì ÷àñòÿì òîêîâ çàäàííîé äëèòåëüíîñòè. Êîëè÷åñòâåííîé õàðàêòåðèñòèêîé òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ÿâëÿåòñÿ òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, ïðîòåêàþùèé â òå÷åíèå îïðåäåëåííîãî ïðîìåæóòêà âðåìåíè. Íàèáîëåå íàïðÿæåííûì äëÿ ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà ÿâëÿåòñÿ ðåæèì êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ, â ïðîöåññå êîòîðîãî òîêè ïî ñðàâíåíèþ ñ íîìèíàëüíûìè ìîãóò âîçðàñòàòü â äåñÿòêè ðàç, à ìîùíîñòè èñòî÷íèêîâ òåïëîòû â ñîòíè ðàç. Òåðìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà çàâèñèò ïðè ýòîì íå òîëüêî îò ðåæèìà êîðîòêîãî
çàìûêàíèÿ, íî è îò òåïëîâîãî ñîñòîÿíèÿ, ïðåäøåñòâóþùåãî ðåæèìó êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ïîäâåðãàþòñÿ çíà÷èòåëüíûì òåðìè÷åñêèì âîçäåéñòâèÿì. Êàê ïðàâèëî, ýòî àâàðèéíûé ðåæèì ðàáîòû è ïîýòîìó âðåìÿ åãî äåéñòâèÿ îãðàíè÷èâàåòñÿ íà ìèíèìàëüíî âîçìîæíîå. Äëÿ áîëüøèíñòâà ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ýòî âðåìÿ t ≤ 0,1τ, ò. å. íå ïðåâîñõîäèò âðåìåíè íàãðåâà ïðè àäèàáàòíîì ïðîöåññå (íàãðåâ áåç òåïëîîáìåíà ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé). Äðóãèìè ñëîâàìè ðåæèì êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê êðàòêîâðåìåííûé ðåæèì ðàáîòû, ïðè êîòîðîì òåìïåðàòóðà ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà ìîæåò äîñòèãàòü çíà÷åíèé, ïðåâîñõîäÿùèõ äîïóñòèìóþ òåìïåðàòóðó â ïðîäîëæè17
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
òåëüíîì ðåæèìå. Ýòî âîçìîæíî, ïîñêîëüêó âðåìÿ êðàòêîâðåìåííîãî ðåæèìà îáû÷íî íåáîëüøîå, çà êîòîðîå íå ìîæåò ïðîèçîéòè ñóùåñòâåííûõ èçìåíåíèé â ñòàðåíèè èçîëÿöèè è äðóãèõ ýëåìåíòàõ, êîòîðûå îãðàíè÷èâàþò òåìïåðàòóðó â ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå ðàáîòû. Òåì íå ìåíåå è â ýòîì ñëó÷àå ñóùåñòâóþò îãðàíè÷åíèÿ, êîòîðûå â îñíîâíîì äèêòóþòñÿ òåìïåðàòóðîé ðåêðèñòàëëèçàöèè ìàòåðèàëà òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé.  ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ ïðèíÿòû ñëåäóþùèå çíà÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé òåìïåðàòóðû ïðè êðàòêîâðåìåííîì ðåæèìå ðàáîòû [1]: íåèçîëèðîâàííûõ òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé èç ìåäè èëè åå ñïëàâîâ – 300 °C; àëþìèíèåâûõ òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé – 200 °C; òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé (êðîìå àëþìèíèåâûõ), ñîïðèêàñàþùèõñÿ ñ îðãàíè÷åñêîé èçîëÿöèåé èëè ìàñëîì – 250 °C. Ïîñêîëüêó ðåæèì íàãðåâà ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè àäèàáàòíûé, òî òåïëîîòäà÷åé â îêðóæàþùóþ ñðåäó ñ ïîâåðõíîñòè àïïàðàòà ìîæíî ïðåíåáðå÷ü è óðàâíåíèå òåïëîâîãî áàëàíñà ìîæíî çàïèñàòü êàê P0(1 + αυ) = C
dυ dt
.
Ðèñ. 1.7. Ê ðàñ÷åòó ðåæèìà ÊÇ ïî êðèâîé àäèàáàòíîãî íàãðåâà
Äëÿ êàæäîãî ìàòåðèàëà, çíàÿ α, β, ρ0, c0, γ, ìîæíî ïîñòðîèòü çàâèñèìîñòè, íàçûâàåìûå êðèâûìè àäèàáàòíîãî íàãðåâà [1, 2, 3]. Îáû÷íî êðèâûå àäèàáàòíîãî íàãðåâà ïðèâåäåíû äëÿ òåìïåðàòóðû υí = 0. Åñëè υí ≠ 0 è ïî çàäàííîìó J 2t òðåáóåòñÿ íàéòè òåìïåðàòóðó ïðîâîäíèêà, òî ïîñòóïàþò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Äëÿ äàííîé òåìïåðàòóðû υí ïî êðèâîé àäèàáàòíîãî íàãðåâà íàõîäÿò çíà÷åíèå J 2tí (ðèñ. 1.7). Çàòåì íà îñè àáñöèññ îò çíà÷åíèÿ J 2tí îòêëàäûâàþò îòðåçîê, ðàâíûé J 2t
è ïî êðèâîé àäèàáàòíîãî íàãðåâà íàõîäÿò êîíå÷íóþ òåìïåðàòóðó ïðîâîäíèêà υê. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî êðèâûå àäèàáàòíîãî íàãðåâà ïîçâîëÿþò ðåøàòü êàê ïðÿìóþ, òàê è îáðàòíóþ çàäà÷è, ò. å. ïî çíà÷åíèþ J 2t íàõîäèòü òåìïåðàòóðó ïðîâîäíèêà è îáðàòíî ïî çàäàííîé òåìïåðàòóðå – äîïóñòèìîå çíà÷åíèå êâàäðàòè÷íîãî èìïóëüñà ïëîòíîñòè òîêà.  ñèñòåìàõ áîëüøîé ìîùíîñòè ïëîòíîñòü òîêà íå èçìåíÿåòñÿ ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè.  ýòîì ñëó÷àå ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ êðèâûìè àäèàáàòíîãî íàãðåâà. Èç (1.39), ãäå ïëîòíîñòü òîêà èìååò ïîñòîÿííîå çíà÷åíèå, òàêæå ëåãêî âû÷èñëèòü êâàäðàòè÷íûé èìïóëüñ ïëîòíîñòè òîêà. Åñëè êîðîòêîå çàìûêàíèå ïðîèñõîäèò âáëèçè ãåíåðàòîðà, òî ïëîòíîñòü òîêà íå îñòàåòñÿ íåèçìåííîé âî âðåìåíè, ïîñêîëüêó òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â îáùåì ñëó÷àå ñîñòîèò èç àïåðèîäè÷åñêîé è ïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùèõ; ïðè÷åì àìïëèòóäà ïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé ìåíÿåòñÿ â ïðîöåññå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Íàèáîëüøåå çíà÷åíèå àìïëèòóäû ïåðèîäè÷åñêîé è íàèáîëüøåå çíà÷åíèå àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùèõ çàâèñÿò îò ìîìåíòà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Íà ïðàêòèêå ââîäÿò ïîíÿòèå ôèêòèâíîå âðåìÿ ” tô êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ”
(1.37)
Äëÿ óïðîùåíèÿ áóäåì ðàññìàòðèâàòü àäèàáàòíûé íàãðåâ åäèíèöû îáúåìà ïðîâîäíèêà. Òîãäà P0 = J 2ρ0, ãäå J – ïëîòíîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà â ïðîâîäíèêå; ρ0 – óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäíèêà ïðè òåìïåðàòóðå 0 °C, C=cγ, ãäå c – óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü; γ – ïëîòíîñòü ìàòåðèàëà ïðîâîäíèêà. Ïîñêîëüêó ïðè êîðîòêèõ çàìûêàíèÿõ òåìïåðàòóðà ïðîâîäíèêà ìîæåò äîñòèãàòü áîëüøèõ çíà÷åíèé, òî ñëåäóåò ó÷åñòü, ÷òî c = c0(1 + βυ ). Òîãäà (1.37) ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå dυ dt
=
2
J ρ0 (1 + αυ) γc0(1 + βυ)
,
(1.38)
ãäå c0 – óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü ïðè υ = 0 °C. Åñëè J ≠ J(t), òî ïîñëå èíòåãðèðîâàíèÿ (1.38) ïðè υ = 0, ïîëó÷èì γc0 α – β β J 2 t = ρ0 2 ln(1 + αυ) + α υ . (1.39) α Ýòî óðàâíåíèå ÿâëÿåòñÿ òðàíñöåíäåíòíûì è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ôóíêöèîíàëüíóþ çàâèñèìîñòü υ = υ(J 2t) . Âåëè÷èíà J 2t íàçûâàåòñÿ êâàäðàòè÷íûì èìïóëüñîì ïëîòíîñòè òîêà.
t
∫ j dt = Jó t 2
0
18
2
ô
,
(1.40)
§ 1.1. Òåïëîâûå ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ãäå Jó – óñòàíîâèâøååñÿ çíà÷åíèå ïëîòíîñòè òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, ôèêòèâíîå âðåìÿ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ – ýòî âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî óñòàíîâèâøèéñÿ òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ îêàçûâàåò òàêîå æå òåðìè÷åñêîå âîçäåéñòâèå íà òîêîâåäóùèå ÷àñòè, êàê äåéñòâèòåëüíûé òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ çà äåéñòâèòåëüíîå âðåìÿ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ôèêòèâíîå âðåìÿ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ ìîæåò áûòü áîëüøå è ìåíüøå äåéñòâèòåëüíîãî âðåìåíè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Îáû÷íî ôèêòèâíîå âðåìÿ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ îïðåäåëÿþò ïî êðèâûì tô = tô(β′′), èìåþùèìñÿ â ñïðàâî÷íîé ëèòåðàòóðå [2, 4]. Çäåñü β′′=
iï
2 Iä √
ìåííîãî íàãðåâà, ìîæíî ïî êðèâûì àäèàáàòíîãî íàãðåâà îïðåäåëèòü ïëîòíîñòü òîêà òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè àïïàðàòà. Ïîñëå ýòîãî ìîæíî ðåøàòü äâå çàäà÷è, à èìåííî: ïî èçâåñòíîìó ïîïåðå÷íîìó ñå÷åíèþ ïðîâîäíèêà îïðåäåëèòü òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè èëè ïî çàäàííîìó òîêó òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè íàéòè íåîáõîäèìîå ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé. Ðàñ÷åòíûå âðåìåíà êîðîòêèõ çàìûêàíèé ñòàíäàðòèçèðîâàíû è ïðèíÿòû ðàâíûìè 10; 5 è 1 ñ.  ñîîòâåòñòâèè ñ ýòèìè âðåìåíàìè è òîêè òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè íîñÿò íàçâàíèå 10-òè ñåêóíäíûé, 5-òè ñåêóíäíûé è 1–ñåêóíäíûé òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ñîîòâåòñòâåííî. Òàê êàê âðåìåíà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ è ïëîòíîñòè òîêîâ âçàèìîñâÿçàíû
,
J 21t1 = J 22t2 ,
ãäå iï – ïèêîâîå çíà÷åíèå òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ; Iä – äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå óñòàíîâèâøåãîñÿ òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Ââåäÿ ïîíÿòèå ôèêòèâíîå âðåìÿ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ”, ìîæíî”ëåãêî âû÷èñëèòü êâàäðàòè÷íûé èìïóëüñ ïëîòíîñòè òîêà è äëÿ ðàñ÷åòà âîñïîëüçîâàòüñÿ êðèâûìè àäèàáàòíîãî íàãðåâà. Ïîñêîëüêó òåðìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü õàðàêòåðèçóåòñÿ òîêîì òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, òî çíàÿ âðåìÿ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ è ìàòåðèàë ïðîâîäíèêà, à òàêæå åãî äîïóñòèìóþ òåìïåðàòóðó êðàòêîâðå-
ëåãêî ìîæíî ïîëó÷èòü ôîðìóëó ïåðåñ÷åòà òîêîâ òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè I 21 = 5I 25 = 10I 210 . Íàêîíåö, ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ìîæíî ïðè ïîìîùè êðèâûõ àäèàáàòíîãî íàãðåâà ðåøàòü è îáðàòíóþ çàäà÷ó, à èìåííî: çíàÿ òðåáóåìûé òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè è ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ïðîâîäíèêà, ïðîâåðèòü, óäîâëåòâîðÿåò ëè ïðîâîäíèê ýòîé òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ñ òî÷êè çðåíèÿ äîïóñòèìîé òåìïåðàòóðû êðàòêîâðåìåííîãî íàãðåâà.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 10. Äàéòå îïðåäåëåíèå îòíîñèòåëüíîé ïðîäîëæèòåëüíîñòè âêëþ÷åíèÿ. 11. Äàéòå îïðåäåëåíèå êðàòêîâðåìåííîãî ðåæèìà ðàáîòû ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà. 12. Äàéòå îïðåäåëåíèå ðåæèìà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. 13. ×òî òàêîå êâàäðàòè÷íûé èìïóëüñ ïëîòíîñòè òîêà? 14. ×òî ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé çàâèñèìîñòè àäèàáàòíîãî íàãðåâà? 15. ×òî òàêîå ôèêòèâíîå âðåìÿ êîðîòêîãî çàìû” êàíèÿ”? 16. Óêàæèòå ïðèìåðíûå çíà÷åíèÿ äîïóñòèìûõ òåìïåðàòóð ïðè êðàòêîâðåìåííûõ ðåæèìàõ ðàáîòû ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. 17. Äàéòå îïðåäåëåíèå òîêà òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà. 18. Êàê ïîëüçîâàòüñÿ êðèâûìè àäèàáàòíîãî íàãðåâà òîãäà, êîãäà íà÷àëüíàÿ òåìïåðàòóðà àïïàðàòà îòëè÷íà îò íóëåâîãî çíà÷åíèÿ?
1. Íàïèøèòå óðàâíåíèÿ êðèâûõ íàãðåâà è îñòûâàíèÿ. 2. Äàéòå îñíîâíîå îïðåäåëåíèå ïîñòîÿííîé âðåìåíè íàãðåâà. 3. ×òî òàêîå àäèàáàòíûé ïðîöåññ íàãðåâà? 4.  òå÷åíèå êàêîãî âðåìåíè â äîëÿõ îò ïîñòîÿííîé âðåìåíè íàãðåâà ïðîöåññ íàãðåâà ìîæíî ñ÷èòàòü àäèàáàòíûì? 5. Êàêîå èç äâóõ ãåîìåòðè÷åñêè ïîäîáíûõ òåë, áîëüøîå èëè ìàëåíüêîå, áûñòðåå äîñòèãíåò óñòàíîâèâøåéñÿ òåìïåðàòóðû? 6. Äàéòå îïðåäåëåíèå óñòàíîâèâøåãîñÿ ïðåâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû òåëà. 7. Äàéòå îïðåäåëåíèå ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííîãî ðåæèìà ðàáîòû. 8. Ïî÷åìó ïðè ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííîì ðåæèìå ðàáîòû ìîùíîñòü èñòî÷íèêîâ òåïëîòû ìîæåò áûòü áîëüøå, ÷åì ïðè ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå ïðè îäíèõ è òåõ æå çíà÷åíèÿõ äîïóñòèìîé òåìïåðàòóðû? 9. Äàéòå îïðåäåëåíèå êîýôôèöèåíòîâ ïåðåãðóçêè ïî ìîùíîñòè è ïî òîêó. 19
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ 1.2. ÊÎÍÒÀÊÒÍÛÅ ßÂËÅÍÈß Â ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÀÕ
Ýëåêòðè÷åñêèé êîíòàêò – ýòî ñîïðèêîñíîâåíèå òåë, îáåñïå÷èâàþùee ïðîòåêàíèå òîêà â ýëåêòðè-
÷åñêîé öåïè. Íåðåäêî, ñîïðèêàñàþùèåñÿ òåëà íàçûâàþòñÿ êîíòàêòàìè èëè êîíòàêò-äåòàëÿìè.
1.2.1. ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎÍÒÀÊÒÎÂ
Âèäû êîíòàêòíûõ ñîåäèíåíèé, íàèáîëåå ÷àñòî âñòðå÷àþùèåñÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ, êëàññèôèöèðóþòñÿ ïî ðàçëè÷íûì ïðèçíàêàì [1, 7]. Ïî âèäó ñîåäèíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèå êîíòàêòû ìîãóò áûòü: âçàèìîíåïîäâèæíûå: ðàçúåìíûå (íàïðèìåð, áîëòîâîå ñîåäèíåíèå); íåðàçúåìíûå (ñâàðíûå, ïàÿíûå, íàïûëåííûå); âçàèìîïîäâèæíûå: íåðàçìûêàþùèåñÿ – ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ ïåðåäà÷è ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè ñ íåïîäâèæíûõ ÷àñòåé óñòàíîâêè íà ïîäâèæíóþ èëè íàîáîðîò: ùåòî÷íûå ñêîëüçÿùèå (ðèñ. 1.8,à); æèäêîìåòàëëè÷åñêèå (ðèñ. 1.8,á); ðîëèêîâûå (ðèñ. 1.8,â); ðàçìûêàþùèåñÿ – ðàñõîäÿùèåñÿ â ïðîöåññå ðàáîòû [ìîñòèêîâûå êîíòàêòû (ðèñ. 1.9,à), ðîçåòî÷íûå (ðèñ. 1.9,á), ùåòî÷íûå (ðèñ.1.9,â), ïàëüöåâûå èëè íîæåâûå (ðèñ.1.9,ã), ñ ïëîñêèìè ïðóæèíàìè (ðèñ.1.9,ä)].
Ðèñ. 1.8. Íåðàçìûêàþùèåñÿ âçàèìîïîäâèæíûå êîíòàêòû: à – ùåòî÷íûå ñêîëüçÿùèå; á – æèäêîìåòàëëè÷åñêèå; â – ðîëèêîâûå
Ðèñ. 1.9. Ðàçìûêàþùèåñÿ êîíòàêòû: à – ìîñòèêîâûå; á – ðîçåòî÷íûå; â – ùåòî÷íûå; ã – ïàëüöåâûå; ä – ñ ïëîñêèìè ïðóæèíàìè
20
§ 1.2. Êîíòàêòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ 1.2.2. ÊÎÍÒÀÊÒÍÀß ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÜ È ÊÎÍÒÀÊÒÍÎÅ ÑÎÏÐÎÒÈÂËÅÍÈÅ
óñèëèå. Îäíàêî óñëîâèå ìåõàíè÷åñêîãî êîíòàêòà ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì, íî íåäîñòàòî÷íûì. Ïðè áëèæàéøåì ðàññìîòðåíèè ïîâåðõíîñòè, âîñïðèíèìàþùåé óñèëèå, ìîæíî âèäåòü, ÷òî îíà âåñüìà íåîäíîðîäíà, à èìåííî: â îáùåì ñëó÷àå îäíà ÷àñòü åå ïîêðûòà ïëåíêàìè îêñèäîâ, äðóãàÿ – àäãåçèîííûìè èëè õåìîñîðáèðîâàííûìè ñëîÿìè àòîìîâ êèñëîðîäà è, íàêîíåö, òðåòüÿ ÷àñòü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÷èñòî ìåòàëëè÷åñêóþ ïîâåðõíîñòü. Äëÿ ïðîõîæäåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ïîâåðõíîñòü, ïîêðûòàÿ îêñèäíûìè ïëåíêàìè, îáëàäàåò áîëüøèì ýëåêòðè÷åñêèì ñîïðîòèâëåíèåì, ïîñêîëüêó óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå îêñèäîâ íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ âûøå óäåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ÷èñòûõ ìåòàëëîâ. Íàïðèìåð, äëÿ ìåäè óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïðè 0 °C ñîñòàâëÿåò 1,62.10-8 Îì.ì, äëÿ îêñèäà ìåäè (CuO ) – 1÷10 Îì.ì, äëÿ çàêèñè ìåäè (Cu2O ) – 106÷107 Îì.ì. ×åðåç ïîâåðõíîñòü, ïîêðûòóþ àäãåçèîííûìè è õåìîñîðáèðîâàííûìè ñëîÿìè êèñëîðîäà, ýëåêòðè÷åñêèé òîê ìîæåò ïðîòåêàòü çà ñ÷åò òóííåëüíîãî ýôôåêòà. Ýòîò ó÷àñòîê ïîâåðõíîñòè èìååò êâàçèìåòàëëè÷åñêèé õàðàêòåð ïðîâîäèìîñòè. È íàêîíåö, òðåòüÿ ÷àñòü ïîâåðõíîñòè ïðîâîäèò ñâîáîäíî ýëåêòðè÷åñêèé òîê áëàãîäàðÿ ÷èñòî ìåòàëëè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè. Êâàçèìåòàëëè÷åñêèå è ìåòàëëè÷åñêèå ïîâåðõíîñòè êîíòàêòà ïðèíÿòî íàçûâàòü α-ïÿòíàìè [8]. Ýòî èìåííî òå ÷àñòè êîíòàêòíîé ïîâåðõíîñòè, ÷åðåç êîòîðûå â ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòàõ ïðîòåêàåò òîê.  ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòàõ òîê ïðîõîäèò òîëüêî ÷åðåç íåáîëüøóþ ÷àñòü êàæóùåéñÿ êîíòàêòíîé ïîâåðõíîñòè, è, ñëåäîâàòåëüíî, îí äîëæåí èñïûòûâàòü ñîïðîòèâëåíèå ïðè ïðîõîæäåíèè ÷åðåç çîíó êîíòàêòà. Paccìîòðèì îäíîðîäíûé ëèíåéíûé ïðîâîäíèê ïîñòîÿííîãî ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ (ðèñ.1.11,à), ïî êîòîðîìó ïðîòåêàåò ïîñòîÿííûé òîê I. Ìåæäó òî÷êàìè à è á , íàõîäÿùèìèñÿ íà ðàññòîÿíèè l, èçìåðèì ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ U1. Òîãäà àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ó÷àñòêà ïðîâîäíèêà R1 = U1/I. Ðàçðåæåì ïðîâîäíèê â ñðåäíåé ÷àñòè l è çàòåì ñíîâà ñîåäèíèì åãî, ñæàâ ñèëîé P (ðèñ. 1.11,á). Ïðè ïðîòåêàíèè òîãî æå òîêà I ïîëó÷èì ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó òî÷êàìè à è á, U2, îòëè÷íóþ îò ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ U1.  ýòîì îïûòå ñîïðîòèâëåíèå R2 = U2/I. Ðàçíîñòü ñîïðîòèâëåíèé Rê = R1 – R2 íàçûâàåòñÿ ïåðåõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì êîíòàêòà. Èç ðàññìîòðåííîãî âûøå ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî óâåëè÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ Rê ïðîèçîøëî èç-çà íàëè÷èÿ îêñèäíûõ ïëåíîê íà ïîâåðõíîñòè êîíòàêòà
Äëÿ âûÿñíåíèÿ ñóùíîñòè ÿâëåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî êîíòàêòà ðàññìîòðèì ìåõàíè÷åñêèé êîíòàêò äâóõ ìåòàëëè÷åñêèõ òâåðäûõ òåë. Ïðè ëþáîé, ñêîëü óãîäíî ÷èñòîé îáðàáîòêå äâà ìåòàëëè÷åñêèõ òåëà ñîïðèêàñàþòñÿ íå ïî âñåé âèäèìîé ïîâåðõíîñòè, à ëèøü â îòäåëüíûõ òî÷êàõ ïî ìèêðîâûñòóïàì (ðèñ.1.10,à). Îáû÷íî äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íàäåæíîãî ïðîòåêàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà êîíòàêòû ñæèìàþò ñèëîé, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ ñèëîé êîíòàêòíîãî íàæàòèÿ. Ýòà ñèëà ìîæåò ñîçäàâàòüñÿ ïðè çàòÿæêå áîëòîâ, ïðè îáæàòèè êîíòàêòíîãî íàêîíå÷íèêà íà êîíöå ïðîâîäà èëè êàáåëÿ èëè èç-çà äåôîðìàöèè ïðóæèí êîíòàêòíîé ñèñòåìû. Ïðè ýòîì ìèêðîâûñòóïû, ïî êîòîðûì ïðîèçîøåë íà÷àëüíûé êîíòàêò, äåôîðìèðóþòñÿ; â ñîïðèêîñíîâåíèå ìîãóò ïðèéòè äðóãèå âûñòóïû è îíè òàêæå ìîãóò äåôîðìèðîâàòüñÿ. Íà ïîâåðõíîñòè îáðàçóþòñÿ ïëîùàäêè, êîòîðûå è âîñïðèíèìàþò óñèëèå êîíòàêòíîãî íàæàòèÿ. Äàâëåíèå â ðàçíûõ òî÷êàõ ïîâåðõíîñòè êîíòàêòíûõ ïëîùàäîê â îáùåì ñëó÷àå íå îäèíàêîâî è ìîæåò âûçûâàòü êàê óïðóãèå, òàê è ïëàñòè÷åñêèå äåôîðìàöèè. Òàêèì îáðàçîì, ìåõàíè÷åñêèé êîíòàêò äâóõ òåë ïðîèñõîäèò íå ïî âñåé âèäèìîé ïîâåðõíîñòè, à ëèøü â îòäåëüíûõ òî÷êàõ; ïðè ñæàòèè èõ ñèëîé – ïî îòäåëüíûì ïëîùàäêàì. Ïðåäñòàâèì ðàññìîòðåííûå âûøå ïîâåðõíîñòè òåë, êîòîðûå íàõîäèëèñü â ñîïðèêîñíîâåíèè (ðèñ.1.10,á). Îáùàÿ ïîâåðõíîñòü òåë, ñ êîòîðîé ïðîèçâîäèòñÿ êîíòàêò, íàçûâàåòñÿ êàæóùåéñÿ êîíòàêòíîé ïîâåðõíîñòüþ. Íà ýòîé ïîâåðõíîñòè ìîæíî óâèäåòü ïëîùàäêè, ïîëó÷åííûå â ðåçóëüòàòå äåôîðìàöèè ìèêðîâûñòóïîâ, êîòîðûå âîñïðèíèìàþò óñèëèå [8]. Ýòà ÷àñòü êîíòàêòíîé ïîâåðõíîñòè íàçûâàåòñÿ ïîâåðõíîñòüþ, âîñïðèíèìàþùåé óñèëèå. Î÷åâèäíî, ÷òî ýëåêòðè÷åñêèé òîê ìîæåò ïðîõîäèòü òîëüêî â òî÷êàõ êîíòàêòíîé ïîâåðõíîñòè, â êîòîðûõ èìååò ìåñòî ìåõàíè÷åñêèé êîíòàêò, ò. å. ÷åðåç òî÷êè ïîâåðõíîñòè, âîñïðèíèìàþùèå
Ðèñ 1.10. Êîíòàêò òâåðäûõ òåë: à – ïðîôèëîãðàììà êîíòàêòèðîâàíèÿ; á – êîíòàêòíàÿ ïîâåðõíîñòü
21
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
äëÿ òâåðäûõ êîíòàêòîâ âñåãäà áóäåò îòëè÷àòüñÿ îò íóëÿ. Î÷åâèäíî, êðîìå ïëåíîê íà ïîâåðõíîñòè êîíòàêò-äåòàëåé ñóùåñòâóþò åùå êàêèå-òî ïðè÷èíû âîçíèêíîâåíèÿ ïåðåõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ. Ðàññìîòðèì ïðîòåêàíèå òîêà ÷åðåç ýëåêòðè÷åñêèé êîíòàêò ñ îäíèì α-ïÿòíîì (ðèñ.1.12). Åñëè íà íåêîòîðîì óäàëåíèè îò α-ïÿòíà ëèíèè òîêà ïàðàëëåëüíû äðóã äðóãó, òî â íåïîñðåäñòâåííîé áëèçîñòè îò íåãî îíè èñêðèâëÿþòñÿ è ñòÿãèâàþòñÿ” ê ” α-ïÿòíó [8]. Îáëàñòü ýëåêòðè÷åñêîãî êîíòàêòà, ãäå ëèíèè òîêà èñêðèâëÿþòñÿ, ñòÿãèâàÿñü ê α-ïÿòíó, íàçûâàåòñÿ îáëàñòüþ ñòÿãèâàíèÿ.  îáëàñòÿõ ñòÿãèâàíèÿ ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå ïðîâîäíèêà èñïîëüçóåòñÿ íå ïîëíîñòüþ äëÿ ïðîòåêàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà, ÷òî è âûçûâàåò äîïîëíèòåëüíîå ïî ñðàâíåíèþ ñ ñîïðîòèâëåíèåì îäíîðîäíîãî ïðîâîäíèêà àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå. Ýòî ñîïðîòèâëåíèå íàçûâàåòñÿ ñîïðîòèâëåíèåì ñòÿãèâàíèÿ.
Ðèñ. 1.11. Ê îïðåäåëåíèþ ïåðåõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ: à – ïðîâîäíèê; á – ïðîâîäíèê ñ êîíòàêòîì
Ðèñ. 1.12. Îáëàñòü ñòÿãèâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî êîíòàêòà
è èõ ñîïðîòèâëåíèÿ Rïë. Îäíàêî, èç îïûòíûõ äàííûõ, ïåðåõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå êîíòàêòîâ îêàçûâàåòñÿ áîëüøèì, ÷åì ñîïðîòèâëåíèå Rïë, è äàæå åñëè ñîïðîòèâëåíèå Rïë= 0, òî ñîïðîòèâëåíèå Rê
1.2.3. ÌÀÒÅÌÀÒÈ×ÅÑÊÀß ÌÎÄÅËÜ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎÍÒÀÊÒÎÂ
ãäå εr – îòíîñèòåëüíàÿ äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü ñðåäû; ε0 = 10-9/36π – ýëåêòðè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ. Òîãäà
Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòîâ, ïðåäëîæåííàÿ â íà÷àëå âåêà Ð. Õîëüìîì è èñïîëüçóåìàÿ ïî íàñòîÿùåå âðåìÿ, îñíîâàíà íà ñëåäóþùèõ äîïóùåíèÿõ: êîíòàêòíûå ýëåìåíòû îäíîðîäíû, âûïîëíåíû èç îäíîãî ìàòåðèàëà è ïîëóáåñêîíå÷íû; óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà êîíòàêòîâ íå çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû è ïðîòåêàþùåãî òîêà; êîíòàêòíàÿ ïîâåðõíîñòü (α-ïÿòíî) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðóãëóþ ïëîñêóþ ïëîùàäêó, ñîâåðøåííî ÷èñòóþ, áåç ïîñòîðîííèõ ñëîåâ è ïëåíîê, ïðè÷åì ðàäèóñ ïëîùàäêè à çíà÷èòåëüíî ìåíüøå ðàäèóñà êàæóùåéñÿ êîíòàêòíîé ïîâåðõíîñòè; ëèíèè òîêà ðàñïîëîæåíû íà ãèïåðáîëîèäàõ âðàùåíèÿ, à ýêâèïîòåíöèàëüíûå ïîâåðõíîñòè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ýëèïñîèäû âðàùåíèÿ. Äëÿ âû÷èñëåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ñòÿãèâàíèÿ âîñïîëüçóåìñÿ àíàëîãèåé ïîëåé òîêîâ â êîíòàêòå è ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ çàðÿæåííîãî äèñêà. Óñòàíîâèì ñíà÷àëà ñâÿçü ìåæäó çíà÷åíèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ â èçîòðîïíîì îäíîðîäíîì ïðîâîäíèêå è çíà÷åíèåì åìêîñòè ïîëÿ ïëîñêîãî êîíäåíñàòîðà. Íà ðàññòîÿíèè d â ïðîâîäíèêå òîêà âûäåëèì äâå ïàðàëëåëüíûå ïëîùàäêè ∆S (ðèñ. 1.13,à). Ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïàðàëëåëåïèïåäà îïðåäåëÿåòñÿ êàê R = ρd ⁄ ∆S .  ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå åìêîñòü ïëîñêîãî êîíäåíñàòîðà C = εr ε0 ∆S ⁄ d ,
RC = ρεr ε0 .
(1.41)
Âûðàæåíèå (1.41) ÿâëÿåòñÿ îáùèì è ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ âû÷èñëåíèÿ, âõîäÿùèõ â íåãî âåëè÷èí, íàïðèìåð, ñîïðîòèâëåíèÿ ñòÿãèâàíèÿ ðàññìàòðèâàåìîé ìîäåëè êîíòàêòà. Ïîëîâèíà ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ îòäåëüíî âçÿòîãî çàðÿæåííîãî äèñêà ðàäèóñà à àíàëîãè÷íà ïîëîâèíå ïîëÿ òîêîâ ìîäåëè êîíòàêòà (ðèñ. 1.13,á): â íàøåì ñëó÷àå àíàëîãè÷íû íèæíèå ïîëîâèíû ïîëåé. Êàê èçâåñòíî [8], åìêîñòü äèñêà C = 8εr ε0a . Åìêîñòü ïîëîâèíû äèñêà C1 ⁄ 2 = 4εε0a .
Ðèñ 1.13. Ê ðàñ÷åòó ñîïðîòèâëåíèÿ ñòÿãèâàíèÿ: à – ïëîñêîïàðàëëåëüíîå ïîëå; á – ïîëå çàðÿæåííîãî äèñêà
22
§ 1.2. Êîíòàêòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Òîãäà, èñïîëüçóÿ ïîñëåäíåå âûðàæåíèå è îáùåå cooòíîøåíèå (1.41), ïîëó÷àåì
íîñòåé; m = 0,9 ïðè ñîïðèêîñíîâåíèè äâóõ øàðîîáðàçíûõ ïîâåðõíîñòåé. Åñëè äåôîðìàöèè ïëàñòè÷åñêèå, òî
Rc,1 ⁄ 2 C1 ⁄ 2 = Rc,1 ⁄ 2 4εε0a = ρεε0 ,
1 ⁄ 2
a = πσPñì
îòêóäà Rc,1 ⁄ 2 =
ρ 4a
Rc =
.
Rê =
(1.42)
K0 (0,102P)
,
n
(1.45)
ãäå n – ïîêàçàòåëü ñòåïåíè, n = 0,3÷0,8; K0 – êîýôôèöèåíò, çàâèñÿùèé îò ìàòåðèàëà, èç êîòîðîãî èçãîòîâëåíû êîíòàêòû.
Ïîñëåäíÿÿ ôîðìóëà íàçûâàåòñÿ ôîðìóëîé Õîëüìà. Ïðè óïðóãèõ äåôîðìàöèÿõ ðàäèóñ êðóãëîé ïëîùàäêè îïðåäåëÿåòñÿ èç âûðàæåíèÿ [8] a = m (P r ⁄ E)1 ⁄ 3 ,
(1.44)
ãäå σñì – âðåìåííîå ñîïðîòèâëåíèå ñìÿòèÿ ìàòåðèàëà êîíòàêòîâ. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ èñïîëüçóþò ýìïèðè÷åñêóþ ôîðìóëó
.
Ñëåäîâàòåëüíî, îáùåå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ñòÿãèâàíèÿ êîíòàêòà áóäåò ðàâíî óäâîåííîìó çíà÷åíèþ, ò. å. ρ 2a
,
(1.43)
Taáëèöà 1.3. Çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà K0
ãäå P – óñèëèå ñæàòèÿ òåë; E – ìîäóëü óïðóãîñòè ìàòåðèàëà êîíòàêòîâ; r – ðàäèóñ êðèâèçíû ñôåðè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè êîíòàêòa äåòàëè; m = 1.11 ïðè ñîïðèêîñíîâåíèè øàðîîáðàçíîé è ïëîñêîé ïîâåðõ-
Ìàòåðèàë
Ìåäü
Ñåðåáðî
Ëàòóíü
Àëþìèíèé
K0, ìêÎì/Hn
400
60
670
4000
1.2.4. ÂËÈßÍÈÅ ÏÅÐÅÕÎÄÍÎÃÎ ÑÎÏÐÎÒÈÂËÅÍÈß ÊÎÍÒÀÊÒΠÍÀ ÍÀÃÐÅ ÏÐÎÂÎÄÍÈÊÎÂ
ïîòîêè îäèíàêîâû è êàæäûé èç íèõ îïðåäåëÿåòñÿ êàê
Íàëè÷èå ïåðåõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ íåèçáåæíî ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî â çîíå êîíòàêòà âûäåëÿåòñÿ òåïëîòà. Âñÿêèé ýëåêòðè÷åñêèé êîíòàêò ÿâëÿåòñÿ äîïîëíèòåëüíûì èñòî÷íèêîì òåïëîòû.  êîíòàêòíîì ñîåäèíåíèè ìîæíî âûäåëèòü çîíó ñòÿãèâàíèÿ, ò. å. òó ÷àñòü ïðîâîäíèêîâ, ïðèëåãàþùèõ ê ïîâåðõíîñòè êîíòàêòà, â êîòîðîé ñîñðåäîòî÷åíî ñîïðîòèâëåíèå ñòÿãèâàíèÿ. Ðàçóìååòñÿ, ñîïðîòèâëåíèå, îáóñëîâëåííîå íàëè÷èåì ïîñòîðîííèõ ïëåíîê, òàêæå ñîñðåäîòî÷åíî â ýòîé çîíå, íåïîñðåäñòâåííî ìåæäó ïîâåðõíîñòÿìè êîíòàêòà. Äëÿ öèëèíäðè÷åñêèõ ïðîâîäíèêîâ ñ êîíòàêòíûì α-ïÿòíîì, ðàñïîëîæåííûì íà èõ îñè, çîíà ñòÿãèâàíèÿ ïðàêòè÷åñêè îãðàíè÷åíà ïëîñêîñòÿìè, îòñòîÿùèìè ïðèìåðíî íà ðàññòîÿíèè 3/4 äèàìåòðà îò ïëîñêîñòè êîíòàêòà [1]. Ââèäó òîãî, ÷òî íàðóæíàÿ ïîâåðõíîñòü çîíû ñòÿãèâàíèÿ íåâåëèêà, â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü êîëè÷åñòâîì òåïëîòû, îòäàâàåìîé â îêðóæàþùóþ ñðåäó íåïîñðåäñòâåííî ýòîé ïîâåðõíîñòüþ, è ñ÷èòàòü, ÷òî òåïëîòà, ãåíåðèðóåìàÿ â ýòîé çîíå, ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ â ÷àñòè ïðîâîäíèêà, ïðèëåãàþùåé ê ýòîé çîíå, à äàëåå ñ ïîâåðõíîñòè ïðîâîäíèêîâ – â îêðóæàþùóþ ñðåäó. Íà ðèñ. 1.14 èçîáðàæåíû òåïëîâûå ïîòîêè â ñèììåòðè÷íîì êîíòàêòå. Ìîùíîñòü ïîòåðü, îáóñëîâëåííàÿ ñîïðîòèâëåíèåì êîíòàêòà Rê ñîçäàåò äâà òåïëîâûõ ïîòîêà. Èç çà ñèììåòðèè ñèñòåìû ýòè
P = I 2Rê ⁄ 2. Òåïëîâîé ïîòîê, âûõîäÿùèé ÷åðåç íàðóæíóþ ïîâåðõíîñòü ïðîâîäíèêîâ, îáîçíà÷åí íà ðèñóíêå P0. Äëÿ îïèñàííîé èäåàëèçèðîâàííîé êàðòèíû êîíòàêòà ìîæíî ðàññ÷èòàòü ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû â ïðîâîäíèêå âíå çîíû ñòÿãèâàíèÿ. Äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå, îïèñûâàþùåå ðàñïðåäåëåíèå ïðåâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû θ ïîâåðõíîñòè ïðîâîäíèêîâ, èìååò âèä [8] 2
d Θ dx
2
– p2Θ + qV ⁄ λ = 0 ,
(1.46)
ãäå λ – òåïëîïðîâîäíîñòü ìàòåðèàëà ïðîâîäíèêà; p = √ kòÏ ⁄ λS ; S – ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ïðîâîäíèêà; Ï – ïåðèìåòð ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ïðîâîäíèêà; kò – êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è ñ ïîâåðõíîñòè ïðîâîäíèêà; qV = J 2ρ; J – ïëîòíîñòü òîêà â ïðîâîäíèêå; ρ – óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäíèêà; qV – îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü èñòî÷íèêîâ òåïëîòû. Ïðè óäàëåíèè îò êîíòàêòà, êîãäà x → ∞, ïðåâûøåíèå òåìïåðàòóðû ïðîâîäíèêà Θï = I 2ρ ⁄ (SkòÏ ) 23
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
îïðåäåëÿåòñÿ èç óðàâíåíèÿ Íüþòîíà-Ðèõìàíà. Ðàñïðåäåëåíèå ïðåâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî êàê Θ(x) = e−px I 2Rê ⁄ (2pλS) + Θï . (1.47)  çîíå êîíòàêòà, ïðè x = 0 ïîëó÷èì kòÏλS . (1.48) Θ(0) = I 2Rê ⁄ 2√ Èç ðåøåíèÿ (1.47) ñëåäóåò, ÷òî ïðè x = 5/p âëèÿíèåì îäíîãî êîíòàêòà íà äðóãîé ìîæíî ïðåíåáðå÷ü.  ðåàëüíûõ ñèëüíîòî÷íûõ àïïàðàòàõ ïðè äèàìåòðå ìåäíîãî ïðîâîäíèêà d > 2,5 ìì ïðè ðàññòîÿíèÿõ äî 1 ì âëèÿíèåì êîíòàêòîâ äðóã íà äðóãà ïðåíåáðåãàòü íåëüçÿ.  ýòîì ñëó÷àå ïðèõîäèòñÿ èñïîëüçîâàòü ìåòîä ñóïåðïîçèöèè, ïîäðîáíîå îïèñàíèå êîòîðîãî ìîæíî íàéòè â [1, 9].
Ðèñ. 1.14. Ê ðàñ÷åòó âëèÿíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ íà íàãðåâ ïðîâîäíèêîâ
1.2.5. ÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÀ ÏËÎÙÀÄÊÈ ÊÀÑÀÍÈß ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎÍÒÀÊÒÎÂ
Òåîðåòè÷åñêàÿ îöåíêà òåìïåðàòóðû ïëîùàäêè êàñàíèÿ ìîæåò áûòü äàíà äëÿ èäåàëèçèðîâàííîé ìîäåëè êîíòàêòà íà îñíîâàíèè òåîðåìû, äîêàçàííîé Êîëüðàóøåì è Äèññåëüõîðñòîì â 1900 ã. [8]: â ñèììåòðè÷íîé îáëàñòè ñòÿãèâàíèÿ âñå ýêâèïîòåíöèàëüíûå ïîâåðõíîñòè ÿâëÿþòñÿ èçîòåðìè÷åñêèìè. Ðàññìîòðèì òðóáêó òîêà â çîíå ñòÿãèâàíèÿ è íåêîòîðûé ýëåìåíò ýòîé òðóáêè, çàêëþ÷åííûé ìåæäó äâóìÿ ýêâèïîòåíöèàëüíûìè ïîâåðõíîñòÿìè. Ïóñòü îäíà èç ýòèõ ïîâåðõíîñòåé èìååò ïîòåíöèàë ϕ. Òåïëîâîé ïîòîê, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç ýëåìåíòàðíûé ó÷àñòîê dS ýòîé ïîâåðõíîñòè, åñòü âñÿ ìîùíîñòü, âûäåëÿåìàÿ â òðóáêå â ïðåäåëàõ îò ïëîùàäêè êàñàíèÿ ñ ïîòåíöèàëîì ϕa äî ýêâèïîòåíöèàëè ϕ, ò.å. ïî çàêîíó Äæîóëÿ-Ëåíöà dP = (ϕ – ϕa) JdS .
Ïîòåíöèàë ïëîùàäêè êàñàíèÿ ìîæåò áûòü âûáðàí ïðîèçâîëüíî. Ïðè ϕa = 0 ïîëó÷èì äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå Õîëüìà-Êîëüðàóøà − ϕ dϕ = ρλdυ .
Ðåøåíèå ýòîãî óðàâíåíèÿ ñ ðàçäåëåííûìè ïåðåìåííûìè ìîæíî çàïèñàòü, èíòåãðèðóÿ ïðàâóþ è ëåâóþ ÷àñòè â ñîîòâåòñòâóþùèõ ïðåäåëàõ. Åñëè ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà êîíòàêòå Uê, òî ïîòåíöèàë ýêâèïîòåíöèàëè, ïðèíèìàåìîé çà ãðàíèöó îáëàñòè ñòÿãèâàíèÿ, îòëè÷àåòñÿ îò ïîòåíöèàëà ïëîùàäêè êàñàíèÿ íà Uê/2. Òåìïåðàòóðà óêàçàííîé ýêâèïîòåíöèàëè – υê, èç (1.53) îïðåäåëÿåòñÿ êàê:
1 dϕ ρ dn
,
∫ϕdϕ = ∫ρλdυ ,
(1.49)
dυ dn
(1.54)
ãäå υa – òåìïåðàòóðà êîíòàêòíîé ïëîùàäêè. Ïîñëå èíòåãðèðîâàíèÿ ëåâîé ÷àñòè óðàâíåíèÿ ïîëó÷èì
(1.50)
dS ,
υê
0
2
Uê 8
ãäå n – âåêòîð íîðìàëè ê ïîâåðõíîñòè dS; ρ – óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà êîíòàêòîâ. Âìåñòå ñ òåì, ïî çàêîíó Áèî-Ôóðüå äëÿ òîé æå ïëîùàäêè òåïëîâîé ïîòîê dP ìîæåò áûòü âûðàæåí ÷åðåç ãðàäèåíò òåìïåðàòóðû è òåïëîïðîâîäíîñòü λ: dP = –λ
υa
Uê ⁄ 2
Ïëîòíîñòü òîêà J ïëîùàäêè dS îïðåäåëÿåòñÿ èç çàêîíà Îìà J=
(1.53)
υa
∫
= ρλdυ .
(1.55)
υê
Èíòåãðèðîâàíèå ïðàâîé ÷àñòè çàòðóäíÿåòñÿ òåì, ÷òî óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà ρ è åãî òåïëîïðîâîäíîñòü λ çàâèñÿò îò òåìïåðàòóðû. Íî äëÿ ïðèáëèæåííûõ îöåíîê ìîæíî, âîñïîëüçîâàâøèñü òåîðåìîé î ñðåäíåì èíòåãðàëüíîãî èñ÷èñëåíèÿ çàïèñàòü
(1.51)
U
ãäå υ – òåìïåðàòóðà ïëîùàäêè dS. Ïîäñòàâèâ (1.50) â (1.49) è ñðàâíèâ ñ (1.51), ïîëó÷èì 1 (1.52) ρ (ϕ – ϕa)dϕ = –λdυ .
8
2 ê
= (ρλ)ñð(υa – υê) ,
(1.56)
îòêóäà ñëåäóåò, ÷òî ïðåâûøåíèå òåìïåðàòóðû ïëîùàäêè êîíòàêòà íàä òåìïåðàòóðîé ãðàíèöû çîíû 24
§ 1.2. Êîíòàêòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ñòÿãèâàíèÿ θaê = υa – υê ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòó ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà êîíòàêòå. Èç ðåøåíèÿ (1.56) ñëåäóåò, ÷òî äëÿ êàæäîãî äàííîãî ìàòåðèàëà ñóùåñòâóþò îïðåäåëåííûå, õàðàêòåðíûå äëÿ íåãî ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà êîíòàêòàõ, ïðè êîòîðûõ òåìïåðàòóðà êîíòàêòíîãî ïÿòíà äîñòèãàåò çíà÷åíèé, õàðàêòåðèçóþùèõ ôàçîâîå ñîñòîÿíèå ìàòåðèàëà. Òàê, òåìïåðàòóðå ðåêðèñòàëëèçàöèè ñîîòâåòñòâóåò íàïðÿæåíèå ðåêðèñòàëèçàöèè, êîòîðîå íàçûâàþò åùå íàïðÿæåíèåì ðàçìÿã÷åíèÿ, ïîñêîëüêó ïðè ðåêðèñòàëëèçàöèè íàñòóïàåò ðàçìÿã÷åíèå ìåòàëëà. Òåìïåðàòóðå ïëàâëåíèÿ ìàòåðèàëà ñîîòâåòñòâóåò íàïðÿæåíèå ïëàâëåíèÿ, à òåìïåðàòóðå êèïåíèÿ – íàïðÿæåíèå êèïåíèÿ. Äëÿ íåêîòîðûõ ìåòàëëîâ çíà÷åíèÿ ýòèõ íàïðÿæåíèé ïðèâåäåíû â òàáë.1.4.
Ðèñ. 1.15. Çàâèñèìîñòü ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ îò ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà íèõ
ñîïðîòèâëåíèå îò òåìïåðàòóðû êîíòàêòîâ. Íà èíòåðâàëå òåìïåðàòóðû, â êîòîðîì óïðóãèå ñâîéñòâà ñëàáî èçìåíÿþòñÿ, ñîïðîòèâëåíèå êîíòàêòà èç äàííîãî ìàòåðèàëà ïðè çàäàííîé ñèëå ñæàòèÿ çàâèñèò òîëüêî îò òåìïåðàòóðû. Ïðèáëèæåííî ýòà çàâèñèìîñòü îïèñûâàåòñÿ âûðàæåíèåì [8]
Òàáëèöà 1.4. Çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèé ðàçìÿã÷åíèÿ, ïëàâëåíèÿ è êèïåíèÿ Ìåòàëë Cu Ag Pt W Au
Up, Â 0,12 0,09 0,25 0,4 0,08
Uïëàâ, Â 0,43 0,37 0,65 1,1 0,43
Rê(υa) ≈ Rê(υê) [1 + 2 α (υa – υê)] . (1.57)
Uêèï, Â
3
Ïîñêîëüêó υa – υê çàâèñèò îò ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ, òî î÷åâèäíî, ñîïðîòèâëåíèå Rê ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ Uê. Ïðè÷åì ýòà ôóíêöèÿ ìîíîòîííî âîçðàñòàåò. Ïðè äîñòèæåíèè çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ ðàçìÿã÷åíèÿ Uð óïðóãèå ñâîéñòâà ìåòàëëà â îáëàñòè α-ïÿòíà ðåçêî èçìåíÿþòñÿ (ìåòàëë ðàçìÿã÷àåòñÿ), è ïîä âîçäåéñòâèåì íå èçìåíèâøåéñÿ ñèëû ñæàòèÿ ïëîùàäü α-ïÿòíà óâåëè÷èâàåòñÿ, à ñîïðîòèâëåíèå Rê ðåçêî óìåíüøàåòñÿ. Ñëåäóþùåå óìåíüøåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ ïðîèñõîäèò ïðè äîñòèæåíèè íàïðÿæåíèÿ ïëàâëåíèÿ. Õàðàêòåð ïîëó÷àåìûõ êðèâûõ èëëþñòðèðóåòñÿ ðèñ. 1.15. Íàïðÿæåíèå ðàçìÿã÷åíèÿ ó÷èòûâàåòñÿ äëÿ íîðìèðîâàíèÿ êîíòàêòîâ ìàëîé ìîùíîñòè. Äëÿ íèõ îáû÷íî ïðèíèìàþò, ÷òî äîïóñòèìîå ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íå äîëæíî ïðåâîñõîäèòü (0,5÷0,8) Uð .
0,79 0,67 1,5 2,1 0,9
Ïðèâåäåííûå âûøå òåîðåòè÷åñêèå çàâèñèìîñòè è ïîëó÷àåìûå íà èõ îñíîâå çíà÷åíèÿ Up, Uïëàâ è Uêèï ìîãóò áûòü ïîäòâåðæäåíû ýêñïåðèìåíòàëüíî, ÷òî âïåðâûå áûëî ñäåëàíî Ð. Õîëüìîì ïðè èññëåäîâàíèè çàâèñèìîñòè ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ îò ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà íèõ. Îñíîâàíèåì äëÿ òàêîãî ýêñïåðèìåíòà ñëóæàò ñëåäóþùèå ñîîáðàæåíèÿ. Ñîïðîòèâëåíèå ñòÿãèâàíèÿ êîíòàêòà çàâèñèò îò ðàäèóñà α-ïÿòíà a è óäåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ρ, ðàäèóñ α-ïÿòíà – îò ñèëû ñæàòèÿ è óïðóãèõ ñâîéñòâ ìàòåðèàëà, à óäåëüíîå
1.2.6. ÑÂÀÐÈÂÀÍÈÅ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎÍÒÀÊÒÎÂ
Èñïîëüçîâàíèå êîíòàêòîâ ïðè óñëîâèè, ÷òî íàïðÿæåíèå Uê íå ïðåâçîéäåò íàïðÿæåíèÿ Up âîçìîæíî ëèøü â ñëàáîòî÷íûõ àïïàðàòàõ.  ñèëüíîòî÷íûõ àïïàðàòàõ, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ ðàáîòû â ðåæèìàõ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ, òîê ìîæåò âîçðàñòàòü â äåñÿòêè ðàç, óñëîâèå Uê < Up èëè óñëîâèå Uê < Uïëàâ ïðèâåëî áû ê íåîáõîäèìîñòè ñîçäàíèÿ ÷ðåçìåðíî áîëüøèõ óñèëèé ñæàòèÿ êîíòàêòîâ. Ïîýòîìó â ñèëüíîòî÷íûõ àïïàðàòàõ íå èñêëþ÷åíî ðàñïëàâëåíèå α-ïÿòíà â çàìêíóòîì ñîñòîÿíèè êîíòàêòîâ, ÷òî, åñòåñòâåííî, ìîæåò ïðèâåñòè ê ñâàðèâàíèþ êîíòàêòîâ òàê, êàê ýòî ïðîèñõîäèò ïðè òî÷å÷íîé ýëåêòðîñâàðêå.
Òîê, ïðè êîòîðîì â óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå íàãðåâà ïðîèñõîäèò îïëàâëåíèå ïëîùàäêè êàñàíèÿ êîíòàêòîâ, íàçûâàåòñÿ ìèíèìàëüíûì òîêîì ïëàâëåíèÿ (Iïëàâ∞). Èç (1.56) è âûðàæåíèÿ äëÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ñòÿãèâàíèÿ ñ ó÷åòîì çàêîíà Îìà ëåãêî ïîëó÷èòü Iïëàâ∞ = aïëàâ√ 32(λ ⁄ ρ) (υa – υê) .
(1.58)
Ïðè ýòîì çíà÷åíèÿ ρ è λ ñîîòâåòñòâóþò òåìïåðàòóðå ïëàâëåíèÿ, à ðàäèóñ êîíòàêòíîé ïëîùàäêè a (ñ ó÷åòîì ðàçìÿã÷åíèÿ, ïðåäøåñòâóþùåãî ïëàâëå25
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
íèþ) âûáèðàåòñÿ â 1,5 ðàçà áîëüøå ðàäèóñà, ðàññ÷èòàííîãî ïðè òåìïåðàòóðå υê. Ïðè áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ òîêà â ðàñ÷åòàõ ìîæíî èñïîëüçîâàòü (1.44). Òîãäà èç (1.58) ñëåäóåò, ÷òî òîê ñâàðèâàíèÿ Iñâ ìîæåò îïðåäåëÿòüñÿ êàê Iñâ = k √ P , (1.59) ãäå P – ñèëà ñæàòèÿ êîíòàêòîâ; k – ýìïèðè÷åñêèé êîýôôèöèåíò. Äëÿ ìåäíûõ è ëàòóííûõ êîíòàêòîâ ïðîô. Ã.B. Áóòêåâè÷åì ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷åíî, ÷òî k èçìåíÿåòñÿ â ïðåäåëàõ îò 1000 äî 2000 À/H1/2 [1]. Çíà÷åíèÿ, îïðåäåëåííûå èç (1.59), ñîîòâåòñòâóþò íàñòîëüêî ïðî÷íîìó ñâàðèâàíèþ, ÷òî äëÿ ðàçðûâà îáðàçîâàâøåéñÿ ïðè ýòîì ñâÿçè ìåæäó êîíòàêòàìè íåîáõîäèìî óñèëèå, êîòîðîå ìîæåò äîñòèãàòü ñîòåí è òûñÿ÷ íüþòîíîâ.  äåéñòâèòåëüíîñòè ñâàðèâàíèå êîíòàêòîâ íàñòóïàåò ïðè ìåíüøèõ òîêàõ, ïðè êîòîðûõ ïîÿâëÿþòñÿ ìèêðîïëîùàäêè ñõâàòûâàíèÿ. Ñõâàòûâàíèå ìîæåò ïðîÿâëÿòüñÿ è áåç îïëàâëåíèÿ ïðè ðàçìÿã÷åíèè è ñäàâëèâàíèè êîíòàêòîâ ïî òèïó õîëîäíîé ñâàðêè. Îäíàêî â àïïàðàòàõ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ îáû÷íî íå ó÷èòûâàþò ýòî ÿâëåíèå, ïîòîìó ÷òî ïðèâîä ðàññ÷èòûâàåòñÿ òàê, ÷òî îí â ñîñòîÿíèè ðàçîðâàòü êîíòàêòû ïðè íåêîòîðîì íåáîëüøîì ñõâàòûâàíèè. Áåçóñëîâíî, ñëåäóåò èìåòü â âèäó, ÷òî ñâàðèâàíèå êîíòàêòîâ ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò èõ êîíñòðóêöèè, òàê êàê ïîñëåäíÿÿ âî ìíîãîì îïðåäåëÿåò ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå ñèëû, äåéñòâóþùèå íà êîíòàêòû.  êîíòàêòíûõ ñèñòåìàõ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü äâà òèïà ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ ñèë. Ïåðâûå âîçíèêàþò â ëþáûõ êîíòàêòíûõ ñèñòåìàõ è îáóñëîâëåíû ñàìîé ïðèðîäîé êîíòàêòíûõ ÿâëåíèé, ò. å. ñòÿãèâàíèåì ëèíèé òîêà ê êîíòàêòíîé ïëîùàäêå. Ýòè ñèëû Pä, âïåðâûå îáíàðóæåííûå Äâàéòîì, íîñÿò åãî èìÿ. Âòîðîé âèä ñèë – ýòî ñèëû, îáóñëîâëåííûå âçàèìîäåéñòâèåì ýëåìåíòîâ êîíòóðà òîêà êîíòàêòíîé ñèñòåìû, íàçûâàåìûå ÷àñòî êîíòóðíûìè Pê. Ñèëû Äâàéòà âñåãäà îòòàëêèâàþò îäèí êîíòàêò îò äðóãîãî. Ïðè ýòîì íà îäèí êîíòàêò ðàäèóñà r â îñåñèììåòðè÷íîé êîíòàêòíîé ñèñòåìå âäîëü îñè êîíòàêòîâ äåéñòâóåò ñèëà [1] Pä =
µ0i 4π
2
ln
r a
.
Ðèñ. 1.16. Ê îïðåäåëåíèþ ñèë îòòàëêèâàíèÿ â êîíòàêòàõ ïðè ïðîòåêàíèè òîêà
Ðèñ. 1.17. Òèïû êîìïåíñàòîðîâ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé â êîíòàêòàõ
Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî íà ðàçíûå êîíòàêòíûå òåëà äåéñòâóþò ðàçëè÷íûå ñèëû Äâàéòà, ïîêàçàííûå íà ðèñ. 1.16. Êîíòóðíûå ñèëû ìîãóò áûòü íàïðàâëåíû òàê, ÷òîáû êîìïåíñèðîâàòü äåéñòâèå ñèë Äâàéòà. Ýòî âèäíî íà ñõåìàõ êîìïåíñàòîðîâ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ êîíòàêòíûõ óñèëèé (ðèñ. 1.17), ãäå ÷åðåç Pê îáîçíà÷åíû êîíòóðíûå ñèëû, êîìïåíñèðóþùèå ñèëû Äâàéòà Pä.  áûñòðîäåéñòâóþùèõ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëÿõ êîíòóðíûå ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå ñèëû èñïîëüçóþò äëÿ óñêîðåíèÿ îòáðàñûâàíèÿ ïîäâèæíîãî êîíòàêòà, ÷òî ïðèâîäèò ê áûñòðîìó ââåäåíèþ â öåïü ñîïðîòèâëåíèÿ âîçíèêàþùåé ýëåêòðè÷åñêîé äóãè. Ïîñëåäíÿÿ îãðàíè÷èâàåò íàðàñòàíèå òîêà ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè. Ðàññìàòðèâàÿ âîïðîñû ñâàðèâàíèÿ êîíòàêòîâ ñëåäóåò çàìåòèòü, ÷òî ðàäèêàëüíîå ðàçðåøåíèå ýòîé ïðîáëåìû ñîñòîèò â èñïîëüçîâàíèè æèäêîìåòàëëè÷åñêèõ êîíòàêòîâ.
(1.60)
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. ×òî òàêîå ïëîùàäü êîíòàêòà è ÷åì îíà îòëè÷àåòñÿ îò êàæóùåéñÿ âèäèìîé ïîâåðõíîñòè êîíòàêòîâ? 2. ×òî òàêîå ïåðåõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå êîíòàêòîâ? 3. Íàçîâèòå ñîñòàâëÿþùèå ïåðåõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ.
4. Êàê îïðåäåëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèå ñòÿãèâàíèÿ â ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòîâ Ð. Õîëüìà? 5. Êàê ñâÿçàíû ñîïðîòèâëåíèå è åìêîñòü ìåæäó àíàëîãè÷íûìè ýêâèïîòåíöèàëÿìè ïîëÿ òîêîâ ïðîâîäèìîñòè è ïîäîáíîãî åìó ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ? 26
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
9. Êàêèå òî÷êè õàðàêòåðèñòèêè R(U) êîíòàêòà îïðåäåëÿþòñÿ ñâîéñòâàìè êîíòàêòíîãî ìàòåðèàëà? 10. Êàêîâî äîëæíî áûòü ñîïðîòèâëåíèå êîíòàêòà èç ñåðåáðà, ÷òîáû ïðè òîêå 1000 À åãî êîíòàêòíàÿ ïëîùàäêà íå ðàñïëàâëÿëàñü? 11. Äàéòå íàèìåíüøóþ è íàèáîëüøóþ îöåíêè çíà÷åíèÿ ñâàðèâàþùåãî òîêà äëÿ ìåäíûõ êîíòàêòîâ, ñæàòûõ ñèëîé 15 Í. 12. Äâà ìåäíûõ êîíòàêòíûõ ñòåðæíÿ äèàìåòðîì 10 ìì ñæàòû òàêîé ñèëîé, ÷òî ïðè òîêå 1000 À òåìïåðàòóðà êîíòàêòíîé ïëîùàäêè äîñòèãàåò òåìïåðàòóðû ðàçìÿã÷åíèÿ. Íàéäèòå ðàäèóñ êîíòàêòíîé ïëîùàäêè è ñèëû Äâàéòà, îòòàëêèâàþùèå êîíòàêòû.
6. Ïî êàêîìó çàêîíó èçìåíÿåòñÿ òåìïåðàòóðà ïðîâîäíèêà ïðè óäàëåíèè îò ýëåêòðè÷åñêîãî êîíòàêòà? 7. Ñôîðìóëèðóéòå óñëîâèÿ, ïðè êîòîðûõ òî÷êó íà òîêîïðîâîäå ìîæíî ñ÷èòàòü íàñòîëüêî óäàëåííîé îò êîíòàêòà, ÷òî âëèÿíèåì íàãðåâà êîíòàêòà ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. 8. Íà êàêîì ðàññòîÿíèè îò êîíòàêòà â ìåäíîì òîêîïðîâîäå ñå÷åíèÿ 2×8 ìì ìîæíî ïðåíåáðå÷ü âëèÿíèåì êîíòàêòà íà íàãðåâ ïðîâîäíèêà, åñëè êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è ñ ïîâåðõíîñòè ïðîâîäíèêà â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî ðàâåí 10 Âò/(ì2.K)?
1.3. ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÛÅ ßÂËÅÍÈß Â ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÀÕ 1.3.1.ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ È ÓÐÀÂÍÅÍÈß ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÎÃÎ ÏÎËß
Ôèçè÷åñêèå ïîëÿ ñîçäàþòñÿ èñòî÷íèêàìè. Èç òåîðåìû ðàçëîæåíèÿ Ãåëüìãîëüöà [13] ñëåäóåò, ÷òî òàì ãäå ðàñïîëàãàþòñÿ ýòè èñòî÷íèêè, ðîòîð èëè äèâåðãåíöèÿ âåêòîðà ïîëÿ îòëè÷íû îò íóëÿ. Çíà÷åíèå ðîòîðà ðàâíî îáúåìíîé ïëîòíîñòè âåêòîðíîãî èñòî÷íèêà âèõðåâîé ñîñòàâëÿþùåé ïîëÿ, à çíà÷åíèå äèâåðãåíöèè – îáúåìíîé ïëîòíîñòè èñòî÷íèêà ïîòåíöèàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé ïîëÿ. Ýòè îáùèå ïîëîæåíèÿ ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ íà ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå, êîòîðîå îïèñûâàåòñÿ äâóìÿ óðàâíåíèÿìè Ìàêñâåëëà [14], îïðåäåëÿþùèìè ñâÿçü ìåæäó ýëåêòðè÷åñêèìè è ìàãíèòíûìè âåëè÷èíàìè, õàðàêòåðèçóþùèìè ýòî ïîëå. Îäíîçíà÷íîñòü ìàòåìàòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ ïîëÿ ñ ïîìîùüþ óðàâíåíèé Ìàêñâåëëà äîñòèãàåòñÿ äîáàâëåíèåì ê íèì ìàòåðèàëüíûõ óðàâíåíèé ñðåäû. Ïðè àíàëèçå ìíîãèõ ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ, â òîì ÷èñëå ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ïðèáëèæåííî ðàçäåëÿþò íà êîìïîíåíòû: – ñòàöèîíàðíîå ýëåêòðè÷åñêîå (ýëåêòðîñòàòè÷åñêîå) ïîëå; – ñòàöèîíàðíîå ìàãíèòíîå ïîëå; – ïåðåìåííîå âî âðåìåíè è ïîÿâëÿþùååñÿ ìãíîâåííî âî âñåì ïðîñòðàíñòâå (íå ó÷èòûâàþòñÿ âîëíîâûå ïðîöåññû) êâàçèñòàöèîíàðíîå ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå.
Ðàáîòà ëþáîãî ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà ñîïðîâîæäàåòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûìè ÿâëåíèÿìè, êîòîðûå îïðåäåëÿþò åãî ôóíêöèîíèðîâàíèå, à òàêæå ÷àñòî ñîçäàþò íåæåëàòåëüíûå âîçäåéñòâèÿ íà ýòîò æå àïïàðàò, ñîñåäíèå óñòðîéñòâà, ýêîëîãèþ è ïð. Ýòè ÿâëåíèÿ ïîä÷èíÿþòñÿ ðÿäó çàêîíîâ, îáîáùàþùèõ çíàíèÿ î âîçíèêíîâåíèè, ðàñïðîñòðàíåíèè è âçàèìîäåéñòâèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé ñî ñðåäîé. Íà îñíîâàíèè ýòèõ çàêîíîâ ñòðîÿòñÿ ìàòåìàòè÷åñêèå ìîäåëè ïîëÿ, ò.å. çàìêíóòûå ñèñòåìû ðàñ÷åòíûõ óðàâíåíèé, ó÷èòûâàþùèå óñëîâèÿ êîíêðåòíîé çàäà÷è. Ìàòåìàòè÷åñêîå îïèñàíèå ôèçè÷åñêè îïðåäåëåííîãî ïîëÿ âåêòîðà F áàçèðóåòñÿ íà ïîñòóëàòå î ñóùåñòâîâàíèè äâóõ åãî ýëåìåíòàðíûõ ñîñòàâëÿþùèõ: âèõðåâîé Fâ , ó êîòîðîé îòñóòñòâóþò èñòîêè, ò.å. å¸ äèâåðãåíöèÿ ðàâíà íóëþ (∇F â = 0), è ïîòåíöèàëüíîé Fï , ó êîòîðîé îòñóòñòâóþò âèõðè, ò.å. å¸ ðîòîð ðàâåí íóëþ (∇ × F ï = 0). Ñ ïîìîùüþ ýòèõ ñîñòàâëÿþùèõ ìîæíî âîññîçäàòü òîïîãðàôèþ ëþáîé ñëîæíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ âåêòîðîâ â ïðîñòðàíñòâå. Åñëè ïîìåñòèòü æåëåçíûå îïèëêè â ìàãíèòíîå ïîëå, òî âèõðåâàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ýòîãî ïîëÿ îáðàçóåò èç îïèëîê çàìêíóòûå öåïî÷êè, à ïîòåíöèàëüíàÿ – ñõîäÿùèåñÿ èëè ðàñõîäÿùèåñÿ íå çàìêíóòûå íà ñåáÿ öåïî÷êè.
Ñòàöèîíàðíîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå  ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì ïîëå ïåðåìåííûìè ÿâëÿþòñÿ âåêòîð íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ E, âåêòîð ýëåêòðè÷åñêîãî ñìåùåíèÿ ( ýëåêòðè÷åñêàÿ èíäóêöèÿ ) D è âåêòîð ýëåêòðè÷åñêîé ïîëÿðèçàöèè P. Íàïðÿæåííîñòü E õàðàêòåðèçóåò ñèëîâîå âîçäåéñòâèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ íà åäèíè÷íûé
ïðîáíûé çàðÿä â äàííîé òî÷êå. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî âíåñåíèå â ïîëå ïðîáíîãî çàðÿäà íå èçìåíÿåò èñòî÷íèêè, ñîçäàþùèå ýòî ïîëå. Ýëåêòðè÷åñêîå ñìåùåíèå ñâÿçàíî ñ íàïðÿæåííîñòüþ è ïîëÿðèçàöèåé ñëåäóþùåé çàâèñèìîñòüþ D = ε0εrE = ε0E + P ( 1.61) 27
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ãäå ε0 = (1 ⁄ 36π) ⋅ 10−9 [Ô/ì] – ýëåêòðè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ, εr – îòíîñèòåëüíàÿ äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü.  íåëèíåéíûõ ñðåäàõ îòíîñèòåëüíàÿ äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü è âåêòîð ïîëÿðèçàöèè çàâèñÿò îò íàïðÿæåííîñòè.  àíèçîòðîïíûõ ñðåäàõ çàâèñèìîñòü ïðîíèöàåìîñòè îò íàïðÿæåííîñòè èìååò òåíçîðíûé õàðàêòåð, à âåêòîðà ïîëÿðèçàöèè – âèä âåêòîðíîé ôóíêöèè íàïðÿæåííîñòè P(E). Ìàòåìàòè÷åñêèå âûðàæåíèÿ ýòèõ çàâèñèìîñòåé íàçûâàþò ìàòåðèàëüíûìè óðàâíåíèÿìè äèýëåêòðè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ. Äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷ ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ îíè äîëæíû áûòü çàäàíû äîïîëíèòåëüíî ê óðàâíåíèþ (1.61).  òîé ÷àñòè ïðîñòðàíñòâà, ãäå ðàñïîëîæåíû èñòî÷íèêè ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ, ñîãëàñíî äèôôåðåíöèàëüíîé ôîðìå ýëåêòðîñòàòè÷åñêîé òåîðåìû Ãàóññà [14], äèâåðãåíöèè âåêòîðîâ D è E îòëè÷àþòñÿ îò íóëÿ: ∇D = ρñâîá , (1.62) ∇E = (ρñâîá + ρñâÿç) ⁄ ε0 , (1.63)
Âûðàæåíèå (1.65) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðåøåíèå óðàâíåíèÿ Ïóàññîíà [14] äëÿ ñêàëÿðíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà ∇2ϕý = –(ρñâîá + ρñâÿç) ⁄ ε0 ,
(1.66)
êîòîðîå ñëåäóåò èç (1.63) è (1.65). Â îáëàñòÿõ ïîëÿ, íå ñîäåðæàùèõ çàðÿäîâ, óðàâíåíèå (1.66) ïðåâðàùàåòñÿ â óðàâíåíèå Ëàïëàñà ∇2ϕý = 0 .
(1.67)
Óðàâíåíèÿ (1.65) è (1.66) ÿâëÿþòñÿ óðàâíåíèÿìè â ÷àñòíûõ ïðîèçâîäíûõ, äîïóñêàþùèìè ñóùåñòâîâàíèå ìíîæåñòâà ðåøåíèé, èç êîòîðûõ òîëüêî îäíî óäîâëåòâîðÿåò òàê íàçûâàåìûì êðàåâûì óñëîâèÿì, ñîîòâåòñâóþùèì êîíêðåòíîé çàäà÷å ðàñ÷åòà íåèçâåñòíûõ ïîòåíöèàëîâ, íàïðÿæåííîñòåé è çàðÿäîâ.  çàâèñèìîñòè îò ïîñòàíîâêè çàäà÷è â êà÷åñòâå êðàåâûõ óñëîâèé èñïîëüçóþòñÿ çíà÷åíèÿ ïîòåíöèàëà ϕý, åãî ïðîñòðàíñòâåííûõ ïðîèçâîäíûõ èëè ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ ðàñïîëîæåíèÿ âåêòîðîâ íàïðÿæåííîñòè E è ýëåêòðè÷åñêîãî ñìåùåíèÿ (ýëåêòðè÷åñêîé èíäóêöèè) D íà ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà ðàçíîðîäíûõ ñðåä. Òàê ïðè îòñóòñòâèè ñâîáîäíîãî çàðÿäà íà ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà äâóõ ñðåä òàíãåíöèàëüíûå ñîñòàâëÿþùèå (èíäåêñ ”t”) âåêòîðà E è íîðìàëüíûå ñîñòàâëÿþùèå (èíäåêñ ”n”) âåêòîðà D íå ïðåòåðïåâàþò ðàçðûâà, è ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ âûãëÿäÿò ñëåäóþùèì îáðàçîì: Et 1 = Et 2; D n 1 = D n 2; εr 1 En 1 = εr 2 En 2;
ãäå ρñâîá – îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ñâîáîäíîãî çàðÿäà; ρñâÿç – îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ñâÿçàííîãî çàðÿäà, îïðåäåëÿåìàÿ äèâåðãåíöèåé âåêòîðà ïîëÿðèçàöèè: ρñâÿç = –∇P. (1.64) Âèõðåâûå ñîñòàâëÿþùèå ó ïîëåé âåêòîðîâ D, E è P îòñóòñòâóþò, òàê êàê ðàâíû íóëþ ðîòîðû ∇ × D è ∇ × E. Ïîýòîìó ðàñïðåäåëåíèå â ïðîñòðàíñòâå ñîñòàâëÿþùèõ âåêòîðíûõ ïîëåé D è E ïîòåíöèàëüíî. Òàê íàïðÿæåííîñòü ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ E = –∇ϕý , (1.65)
εr 1 D t 1 = εr 2 D t 2 .
(1.68)
Äëÿ âûïîëíåíèÿ óñëîâèé îäíîçíà÷íîñòè ðåøåíèÿ êðàåâîé çàäà÷è äîëæíû áûòü èçâåñòíû òàêæå äèýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ â âèäå çàâèñèìîñòåé : εr (Å), D (E) èëè P (E).
ãäå ϕý – ñêàëÿðíûé ýëåêòðè÷åñêèé ïîòåíöèàë.
Ñòàöèîíàðíîå ìàãíèòíîå ïîëå Ñòàöèîíàðíîå ìàãíèòíîå ïîëå õàðàêòåðèçóåòñÿ ñëåäóþùèìè âåêòîðíûìè ïåðåìåííûìè: ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ B, îïðåäåëÿåìàÿ êàê ñèëà, âîçäåéñòâóþùàÿ íà ïðîâîäíèê ñ òîêîì, íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ H è íàìàãíè÷åííîñòü ñðåäû M. Ýòè ïåðåìåííûå ñâÿçàíû ñîîòíîøåíèÿìè
Èñòî÷íèêè âèõðåâûõ ñîñòàâëÿþùèõ ïåðåìåííûõ ìàãíèòíîãî ïîëÿ îïðåäåëÿþòñÿ ïåðâûì óðàâíåíèåì Ìàêñâåëëà â äèôôåðåíöèàëüíîé ôîðìå ∇×H = J,
(1.70)
ãäå J äëÿ ñòàöèîíàðíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ – âåêòîð ïëîòíîñòè ñòîðîííåãî òîêà (òîêà ïðîâîäèìîñòè) iñò. Ïåðâîå óðàâíåíèå Ìàêñâåëëà â èíòåãðàëüíîé ôîðìå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàêîí ïîëíîãî òîêà (1.71) ∫ H dl = ∫J dS .
B = µ0µr H = µà H , B = µ0(H + M) = µ0H + Bì , ãäå µ0 = 4π ⋅ 10−7 [Ãí/ì] – ìàãíèòíàÿ ïîñòîÿííàÿ; µr – îòíîñèòåëüíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü; µà – àáñîëþòíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü, Bì = µ0M – èíäóêöèÿ íàìàãíè÷åííîñòè.
L
S
Çäåñü èíòåãðàë ∫J dS äëÿ ñòàöèîíàðíîãî ìàãíèòS
íîãî ïîëÿ ðàâåí iñò. 28
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Äëÿ ïëîñêîïàðàëëåëüíîãî ïîëÿ Ô1,2 = (A1 − A2)l ,
Èñòî÷íèêè ïîòåíöèàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ ïåðåìåííûõ ìàãíèòíîãî ïîëÿ îïðåäåëÿþòñÿ ïðàâèëîì íåïðåðûâíîñòè ëèíèé ìàãíèòíîé èíäóêöèè: ïîëå âåêòîðà ìàãíèòíîé èíäóêöèè íå èìååò èñòîêîâ,ò.å. ∇B = 0 .
ãäå Ô1,2 – ìàãíèòíûé ïîòîê ñêâîçü ïëîùàäü, îïðåäåëÿåìóþ ðàññòîÿíèåì ìåæäó òî÷êàìè 1 è 2 íà êàðòèíå ïîëÿ è ãëóáèíîé ïîëÿ l; A 1 è A 2 – çíà÷åíèÿ âåêòîðíîãî ìàãíèòíîãî ïîòåíöèàëà â òî÷êàõ 1 è 2 ñîîòâåòñòâåííî.  îáëàñòÿõ ïðîñòðàíñòâà áåç òîêîâ ìàãíèòíîå ïîëå êðîìå âåêòîðíîãî îáëàäàåò òàêæå ñêàëÿðíûì ìàãíèòíûì ïîòåíöèàëîì ϕì, îïðåäåëÿåìûì ñîîòíîøåíèåì
(1.72)
Ïîëå âåêòîðà ìàãíèòíîé èíäóêöèè â ñîîòâåòñòâèè ñ ýòèì ïðàâèëîì èìååò ÷èñòî âèõðåâîé õàðàêòåð è ñîçäàåòñÿ òîêàìè â ïðîâîäíèêàõ ( òîêàìè iñò) è âèõðÿìè âåêòîðîâ íàìàãíè÷åííîñòè â äåòàëÿõ èç ìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ, òàê êàê èìååò ìåñòî ñîîòíîøåíèå ∇ × B = µ0(∇ × H + ∇ × M) = µ0J + µ0∇ ×M . (1.73)
H = −∇ϕì ,
Ïîëå âåêòîðà íàïðÿæåííîñòè ìîæåò ñîäåðæàòü êàê âèõðåâóþ Hâ, òàê è ïîòåíöèàëüíóþ Hï ñîñòàâëÿþùèå ñ èñòîêàìè â íàìàãíè÷åííîé ñðåäå Âåêòîð ìàãíèòíîé èíäóêöèè ìîæåò áûòü âûðàæåí ÷åðåç âåêòîðíûé ìàãíèòíûé ïîòåíöèàë A
Ïðè íàëè÷èè ôåððîìàãíèòíûõ äåòàëåé ïðèâåäåííûå âûøå óðàâíåíèÿ ñòàöèîíàðíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ äîïîëíÿþòñÿ ìàòåðèàëüíûìè óðàâíåíèÿìè ôåððîìàãíåòèêîâ èñïîëüçóåìûõ ìàòåðèàëîâ â âèäå îäíîé èç âçàèìîñâÿçàííûõ íåëèíåéíûõ ôóíêöèé
(1.75)
Èñïîëüçóÿ (1.70) è (1.75), äëÿ âèõðåâîãî (áåç èñòîêîâ ) ñòàöèîíàðíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïîëó÷àåì ∇2A = −µàJ . (1.76)
B = f (H ), M = f (H ) èëè M = f (B ) . (1.83)
Ïðè J = 0
Êðàåâûå çàäà÷è ñòàöèîíàðíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ôîðìóëèðóþò è ðåøàþò äëÿ îãðàíè÷åííûõ îáëàñòåé èññëåäîâàíèÿ, êîãäà íà ãðàíèöàõ ðàçäåëà ðàçíîðîäíûõ ñðåä èçâåñòíû ëèáî àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ ïîëÿ, ëèáî óñëîâèÿ ðàñïîëîæåíèÿ âåêòîðîâ. Òàê ïðè îòñóòñòâèè òîêîâ íà ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà äâóõ ñðåä òàíãåíöèàëüíûå ñîñòàâëÿþùèå âåêòîðà íàïðÿæåííîñòè H è íîðìàëüíûå ñîñòàâëÿþùèå âåêòîðà èíäóêöèè B íå ïðåòåðïåâàþò ðàçðûâà, è ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ âûãëÿäÿò ñëåäóþùèì îáðàçîì
∇2A = 0 . (1.77) Óðàâíåíèÿ (1.76) è (1.77) îäíîòèïíû ñîîòâåòñòâåííî óðàâíåíèþ Ïóàññîíà (1.66) è óðàâíåíèþ Ëàïëàñà (1.67) äëÿ ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ. Ñ ó÷åòîì (1.75) è âûðàæåíèÿ ∫(∇ × A)dS = ∫ A dl , (1.78) S
L
ñëåäóþùåãî èç òåîðåìû Ñòîêñà, ïîëó÷àåì ñâÿçü ìàãíèòíîãî ïîòîêà Ô, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç ïîâåðõíîñòü S, îãðàíè÷åííóþ êîíòóðîì L, ñ âåêòîðíûì ìàãíèòíûì ïîòåíöèàëîì A Ô = ∫BdS = S
∫
L
A dl =
∫
(1.81)
÷òî ñëåäóåò èç ïåðâîãî óðàâíåíèÿ Ìàêñâåëëà (1.70). Èç (1.72) è (1.81) âûòåêàåò, ÷òî â îäíîðîäíîé è èçîòðîïíîé ñðåäå ñêàëÿðíûé ìàãíèòíûé ïîòåíöèàë ïîä÷èíÿåòñÿ óðàâíåíèþ Ëàïëàñà ∇2ϕì = 0 . (1.82)
∇H = ∇(Hâ + Hï) = ∇(B ⁄ µ0 − M) = −∇M . (1.74)
B=∇×A .
(1.80)
Ht1 = Ht2 ; Bn1 = Bn2 ; µr1Hn1 = µr2Hn2 ;
µr1Bt1 = µr2Bt2 .
A dl cos(A,l ) . (1.79)
(1.84)
L
Ïåðåìåííîå êâàçèñòàöèîíàðíîå ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ëè÷èå ïðîâîäÿùåãî êîíòóðà íå ÿâëÿåòñÿ îáÿçàòåëüíûì.  ïðîâîäÿùåé ñðåäå èíäóêòèðîâàííîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå âûçûâàåò âèõðåâûå òîêè, èçìåíÿþùèå êàðòèíó ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì ïîëíîãî òîêà (1.71), â êîòîðîì ïëîòíîñòü J â îòëè÷èå îò ñòàöèîíàðíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ îïðåäåëÿåòñÿ íå òîëüêî ñòîðîííèì òîêîì iñò , íî è âèõðåâûì òîêîì iâ. Åñëè â (1.85) ïîäñòàâèì âûðàæåíèå ìàãíèòíîé èíäóêöèè ÷åðåç âåêòîðíûé ìàãíèòíûé ïîòåíöèàë
Ïåðåìåííîå êâàçèñòàöèîíàðíîå ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå õàðàêòåðèçóåòñÿ îäíîâðåìåííûì ñóùåñòâîâàíèåì â ïðîñòðàíñòâå âçàèìîñâÿçàííûõ ýëåêòðè÷åñêîãî è ìàãíèòíîãî ïîëåé. Ýòà âçàèìîñâÿçü îïðåäåëÿåòñÿ âòîðûì óðàâíåíåíèåì Ìàêñâåëëà-çàêîíîì ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè: ∇ × E = −∂B ⁄ ∂t . (1.85) Óðàâíåíèå (1.85) âûðàæàåò ôàêò èíäóêòèðîâàíèÿ â ëþáîé ñðåäå âèõðåâîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ èçìåíÿþùèìñÿ âî âðåìåíè ìàãíèòíûì ïîëåì. Íà29
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
E′ = v × B
[ñì.(1.75)], òî, èìåÿ â âèäó âîçìîæíîñòü çàìåíû ïîñëåäîâàòåëüíîñòè äèôôåðåíöèðîâàíèÿ ïî âðåìåíè è ïðîñòðàíñòâåííûì êîîðäèíàòàì, ïîëó÷èì: ∇ × E = −∂(∇ × A) ⁄ ∂t = −∇ × (∂A ⁄ ∂t)
è ñîîòâåòñòâóþùàÿ åé ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà e′ =
èëè, ó÷èòûâàÿ, ÷òî ñóììà ðîòîðîâ ðàâíà ðîòîðó ñóììû: ∇ × (E + ∂A ⁄ ∂t) = 0 . (1.86)
L
Edl = −
∫
L
∇ϕýd l − ∂(
∫
∫
(v × B)d l .
(1.92)
L
E = −∇ϕý − ∂A ⁄ ∂t + (v × B) .
(1.93)
Òðåì ñëàãàþùèì ýòîãî óðàâíåíèÿ ìîæíî äàòü ñëåäóþùèå íàçâàíèÿ, îáëåã÷àþùèå çàïîìèíàíèå èõ ôèçè÷åñêîãî ñìûñëà: −∇ϕý – íàïðÿæåííîñòü â êîíäåíñàòîðå; −∂A ⁄ ∂t – íàïðÿæåííîñòü â òðàíñôîðìàòîðå; v × B – íàïðÿæåííîñòü â ýëåêòðîìàøèííîì ãåíåðàòîðå (èëè êîíäåíñàòîðíàÿ, òðàíñôîðìàòîðíàÿ è ãåíåðàòîðíàÿ íàïðÿæåííîñòè). Âìåñòî íàçâàíèÿ ãåíåðàòîðíàÿ íàïðÿæåííîñòü èñïîëüçóåòñÿ òàêæå òåðìèí íàïðÿæåííîñòü äâèæåíèÿ. Îáîáùåííîìó óðàâíåíèþ Ìàêñâåëëà ñîîòâåòñòâóåò ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà
(1.88)
â êîòîðîå âõîäèò ãðàäèåíò ñêàëÿðíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà. Ðàâåíñòâî (1.88) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äèôôåðåíöèàëüíîå âûðàæåíèå çàêîíà ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè. Äåéñòâèòåëüíî, èíòåãðèðóÿ (1.88) ïî çàìêíóòîìó êîíòóðó L, ïîëó÷èì:
∫
E′d l =
Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî âåêòîðíûå âåëè÷èíû B è E′ èçìåðÿþòñÿ â îäíîé è òîé æå ñèñòåìå îòñ÷åòà. Ñ ó÷åòîì (1.89) è (1.91) ïîëó÷àåì îáîáùåííîå âòîðîå óðàâíåíèå Ìàêñâåëëà â äèôôåðåíöèàëüíîé ôîðìå
ïîñêîëüêó ðîòîð âñÿêîãî ãðàäèåíòà òîæäåñòâåííî ðàâåí íóëþ. Ýòî ðåøåíèå ïðèâåëî Ìàêñâåëëà ê ñëåäóþùåìó âûðàæåíèþ äëÿ îïðåäåëåíèÿ íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ:
e=
∫
L
Ðåøåíèå óðàâíåíèÿ (1.86) ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíî â âèäå: E + ∂A ⁄ ∂t = −∇ϕý , (1.87)
E = −∇ϕý – ∂A ⁄ ∂t ,
(1.91)
Ad l) ⁄ ∂t . (1.89)
e = −∂(
L
∫
A d l) ⁄ ∂t +
L
Ïåðâûé èíòåãðàë â ïðàâîé ÷àñòè (1.89) ðàâåí íóëþ;âòîðîé æå èíòåãðàë ïî (1.79) äàåò íàì ìàãíèòíûé ïîòîê. Ïîýòîìó âûðàæåíèå (1.89) òîæäåñòâåííî çàêîíó Ôàðàäåÿ e = −∂Ô ⁄ ∂t . (1.90)
Çäåñü −∂(
∫
∫
∫
(v × B)d l .
(1.94)
L
A d l) ⁄ ∂t – òðàíñôîðìàòîðíàÿ ý.ä.ñ.;
L
(v × B)d l – ãåíåðàòîðíàÿ ý.ä.ñ. (ý.ä.ñ. äâèæåíèÿ).
L
Âûøå áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ïåðâàÿ ñëàãàåìàÿ â óðàâíåíèè (1.94) òîæäåñòâåííà çàêîíó Ôàðàäåÿ (ñì. (1.90)). Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî âòîðàÿ ñëàãàåìàÿ òàêæå òîæäåñòâåííà ýòîìó çàêîíó (ñì., íàïðèìåð, ðåøåíèå çàäà÷è 6.3 â [101].
Åñëè ìàãíèòíîå ïîëå B íåèçìåííî âî âðåìåíè, íî ñðåäà äâèãàåòñÿ îòíîñèòåëüíî ýòîãî ïîëÿ ñî ñêîðîñòüþ v, òî â ñðåäå òàêæå èíäóêòèðóåòñÿ íàïðÿæåííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ
1.3.2. ÍÀÌÀÃÍÈ×ÈÂÀÍÈÅ È ÌÀÃÍÈÒÍÛÅ ÌÀÒÅÐÈÀËÛ
Ñòðîãî ãîâîðÿ, âñå âåùåñòâà ìàãíèòíû, ïîñêîëüêó ìàãíèòíû èõ àòîìû. Ìàãíèòíûå ñâîéñòâà âåùåñòâ îáóñëàâëèâàþòñÿ ãëàâíûì îáðàçîì äâèæåíèåì ýëåìåíòàðíûõ íîñèòåëåé çàðÿäîâ – ýëåêòðîíîâ, êîòîðûå, âðàùàþòñÿ êàê âîêðóã ñâîåé îñè (ñïèíîâîå äâèæåíèå),òàê è ïî îðáèòå âîêðóã ÿäðà ( îðáèòàëüíîå äâèæåíèå). Ýòè äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ ýêâèâàëåíòíû êðóãîâûì ìèêðîòîêàì, ñîçäàþùèì â ìàòåðèàëå ìàãíèòíûå ìîìåíòû. Êðîìå òîãî ìîãóò âîçíèêàòü èíäóêòèðîâàííûå ìîìåíòû, âûçûâàåìûå âðàùåíèåì ýëåêòðîíîâ âîêðóã îñè íàïðàâëåíèÿ âîçäåéñòâóþùåãî âíåøíåãî ïîëÿ, ÷òî ñâÿçàíî ñ ÿâëåíèåì ýëåêòðîìàã-
íèòíîé èíäóêöèè. Îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ìàãíèòíûõ ìîìåíòîâ íàçûâàåòñÿ âåêòîðîì íàìàãíè÷åííîñòè M. Ìàãíèòíûå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ õàðàêòåðèçóþòñÿ çàâèñèìîñòÿìè èíäóêöèè B èëè íàìàãíè÷åííîñòè M îò íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ H – ìàòåðèàëüíûìè óðàâíåíèÿìè. Ýòè óðàâíåíèÿ ñîîòíîñÿòñÿ ñ êîíêðåòíîé òî÷êîé ïðîñòðàíñòâà è â îáùåì ñëó÷àå èìåþò âèä âåêòîðíûõ ôóíêöèé âåêòîðíûõ ïàðàìåòðîâ ìàãíèòíîãî ïîëÿ, à òàêæå ïðåäûñòîðèè íàìàãíè÷èâàíèÿ. Òàêèå ôóíêöèè ïîçâîëÿþò âîñïðîèçâîäèòü êàê èçîòðîïíûå, òàê è àíèçîòðîïíûå è ãèñòåðåçèñíûå ñâîéñòâà ìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ. 30
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
äåéñòâóþùèå äåçîðèåíòèðóþùåìó òåïëîâîìó äâèæåíèþ ýëåêòðîíîâ. Ïîä äåéñòâèåì ýòèõ ñèë ìàãíèòíûå ìîìåíòû ãðóïïû àòîìîâ îðèåíòèðóþòñÿ ïàðàëëåëüíî äðóã äðóãó è îáðàçóþò ýëåìåíòàðíûå îáúåìû – äîìåíû, ñàìîñòîÿòåëüíî (ñïîíòàííî) íàìàãíè÷åííûå äî íàñûùåíèÿ. Ìàãíèòíûé ìîìåíò äîìåíà ïðèáëèçèòåëüíî â 1015 ðàç áîëüøå ìàãíèòíîãî ìîìåíòà àòîìà. Ðàññìîòðèì ïðîöåññ íàìàãíè÷èâàíèÿ îáðàçöà ôåððîìàãíåòèêà (ðèñ.1.18,à).  íåíàìàãíè÷åííîì ñîñòîÿíèè âåêòîðû ñïîíòàííîé íàìàãíè÷åííîñòè ðàñïîëîæåíû â íåì ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì ðàâíîìåðíî (ðèñ.1.18,á). Ïðè íàëîæåíèè âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ âîçðàñòàþùåé íàïðÿæåííîñòüþ âåêòîðû ñïîíòàííîé íàìàãíè÷åííîñòè, èçíà÷àëüíî îðèåíòèðîâàííûå â ðàçíûõ äîìåíàõ ïî ðàçíîìó, ïîñòåïåííî âûñòðàèâàþòñÿ â îäíîì íàïðàâëåíèè. Ýòîò ïðîöåññ íàçûâàåòñÿ òåõíè÷åñêèì íàìàãíè÷èâàíèåì. Îí õàðàêòåðèçóåòñÿ êðèâîé íà÷àëüíîãî íàìàãíè÷èâàíèÿ (ðèñ.1.18,à) – çàâèñèìîñòüþ B(H) èëè çàâèñèìîñòüþ M(H) â ìàòåðèàëå. Ïðè âîçäåéñòâèè ñëàáîãî íàìàãíè÷èâàþùåãî ïîëÿ ( ó÷àñòîê OA ) ïðîèñõîäÿò îáðàòèìûå ñìåùåíèÿ ìåæäîìåííûõ ãðàíèö. Äîìåíû, ìàãíèòíûå ìîìåíòû êîòîðûõ èìåþò ìàëûé óãîë ñ íàïðàâëåíèåì âíåøíåãî ïîëÿ, ïëàâíî ðàñòóò â îáúåìå çà ñ÷åò ñîñåäíèõ äîìåíîâ (ðèñ.1.18,â). Êðèâàÿ íà÷àëüíîãî íàìàãíè÷èâàíèÿ íà ýòîì ó÷àñòêå, íàçûâàåìîì îáëàñòüþ Ðåëåÿ, èìååò íåáîëüøîé íàêëîí ñ ïîëîæèòåëüíîé êðóòèçíîé. Ïðè ñíÿòèè íàìàãíè÷èâàþùåãî ïîëÿ ôîðìà äîìåíîâ âîññòàíàâëèâàåòñÿ. Íàìàãíè÷åííîñòü îáðàçöà îïÿòü ñòàíîâèòñÿ ðàâíîé íóëþ.  áîëåå ñèëüíûõ ïîëÿõ (ó÷àñòîê AC) äâèæåíèå ãðàíèö äîìåíîâ ïåðåñòàåò áûòü ïëàâíûì. Îòäåëüíûå ó÷àñòêè èçìåíÿþò ñâîå ïîëîæåíèå ñêà÷êîîáðàçíî,÷òî ïðèâîäèò ê ñêà÷êîîáðàçíîìó èçìåíåíèþ íàìàãíè÷åííîñòè îáðàçöà (ýôôåêò Áàðêãàóçåíà). Êðèâàÿ íàìàãíè÷èâàíèÿ êðóòî èäåò ââåðõ.  êîíå÷íîé òî÷êå ýòîãî ó÷àñòêà âåêòîðû ñïîíòàííîé íàìàãíè÷åííîñòè äîìåíîâ áóäóò â îáúåìå âñåãî îáðàçöà îðèåíòèðîâàíû âäîëü îäíîé èç åãî òàê íàçûâàåìûõ îñåé ëåãêîãî íàìàãíè÷èâàíèÿ, èìåþùåé ìèíèìàëüíûé óãîë ñ íàïðàâëåíèåì ïîëÿ (ðèñ.1.18,ã). Äâèæåíèå ãðàíèö íà ýòîì ó÷àñòêå áîëüøåé ÷àñòüþ íåîáðàòèìî.Ïðè óìåíüøåíèè âíåøíåãî ïîëÿ äî íóëÿ íàìàãíè÷åííîñòü îáðàçöà íå âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíóþ òî÷êó, à îïðåäåëÿåòñÿ êðèâîé CD, ò. å. îáðàçåö îñòàåòñÿ íàìàãíè÷åííûì. Ýòî ÿâëåíèå íàçûâàåòñÿ ìàãíèòíûì ãèñòåðåçèñîì. Ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè íàïðÿæåííîñòè (íà÷èíàÿ ñ êîíöà ó÷àñòêà AC) ïðåîáëàäàåò ïðîöåññ îáðàòèìîãî ïîâîðîòà âåêòîðîâ íàìàãíè÷åííîñòè äîìåíîâ â ñòîðîíó íàïðàâëåíèÿ ïðèëîæåííîãî ïîëÿ (ó÷àñòîê CE) äî äîñòèæåíèÿ òåõíè÷åñêîãî
Ïî ìàãíèòíûì ñâîéñòâàì âñå ìàòåðèàëû ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ïàðàìàãíåòèêè, äèàìàãíåòèêè, ôåððîìàãíåòèêè, àíòèôåððîìàãíåòèêè è ôåððèìàãíåòèêè (ôåððèòû). Äèàìàãíåòèêè è ïàðàìàãíåòèêè îòíîñÿòñÿ ê ìàòåðèàëàì ñî ñëàáûìè ìàãíèòíûìè ñâîéñòâàìè.  äèàìàãíåòèêàõ ñïèíîâûå è îðáèòàëüíûå ìîìåíòû êîìïåíñèðóþò äðóã äðóãà – ïðè îòñóòñòâèè âíåøíåãî ïîëÿ ýòè ìàòåðèàëû íå èìåþò ñîáñòâåííîãî ñóììàðíîãî ìîìåíòà. Èíäóêòèðîâàííûå æå â íèõ ìîìåíòû îñëàáëÿþò âíåøíåå ïîëå, ïîýòîìó ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü äèàìàãíèòíîãî âåùåñòâà ìåíüøå ìàãíèòíîé ïîñòîÿííîé µ0. Ó àòîìîâ ïàðàìàãíåòèêîâ èìåþòñÿ ñîáñòâåííûå ñóììàðíûå ìàãíèòíûå ìîìåíòû, ñóùåñòâóþùèå íåçàâèñèìî îò âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Îäíàêî òåïëîâîå äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ â ïàðàìàãíåòèêàõ ïðåïÿòñòâóåò èõ ñàìîïðîèçâîëüíîé (ñïîíòàííîé) îðèåíòàöèè, è ðåçóëüòèðóþùàÿ íàìàãíè÷åííîñòü ïàðàìàãíåòèêà ïðè îòñóòñòâèè âíåøíåãî ïîëÿ ðàâíà íóëþ. Ïðè íàëîæåíèè âíåøíåãî ïîëÿ ìàãíèòíûå ìîìåíòû îðèåíòèðóþòñÿ âäîëü íåãî. Ïðîèñõîäèò óñèëåíèå ïîëÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîëåì, ñîçäàííûì òîé æå ìàãíèòîäâèæóùåé ñèëîé â ïóñòîòå. Ïîýòîìó ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ïàðàìàãíåòèêîâ áîëüøå ÷åì µ0. Çíà÷èòåëüíî áîëåå ñèëüíûé ýôôåêò íàìàãíè÷èâàíèÿ íàáëþäàåòñÿ ó ôåððîìàãíåòèêîâ. Ôåððîìàãíåòèçì íàáëþäàåòñÿ ó íåêîòîðûõ ìåòàëëîâ(æåëåçà, êîáàëüòà, íèêåëÿ). Êðîìå òîãî ôåððîìàãíèòíûìè ìîãóò áûòü ñïëàâû èç ôåððîìàãíèòíûõ è èç ôåððîìàãíèòíûõ è íåôåððîìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ. Èçâåñòíû òàêæå ôåððîìàãíèòíûå ñïëàâû òîëüêî èç íåôåððîìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ, íàïðèìåð, ñïëàâû ìàðãàíöà ñ ìåäüþ è àëþìèíèåì, ìàðãàíöà ñ ñåðåáðîì è àëþìèíèåì. Ìåæäó àòîìàìè ôåððîìàãíèòíûõ âåùåñòâ ñóùåñòâóþò òàê íàçûâàåìûå îáìåííûå ñèëû, ïðîòèâî-
Ðèñ. 1.18. Ñõåìà ïðîöåññà íàìàãíè÷èâàíèÿ: à – êðèâûå íà÷àëüíîãî íàìàãíè÷èâàíèÿ; á – ðàçìàãíè÷åííîå ñîñòîÿíèå; â – ñìåùåíèå ãðàíèö äîìåíîâ; ã, ä – âðàùåíèå ìàãíèòíûõ ìîìåíòîâ; å – ïàðàïðîöåññ
31
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
íèÿ ìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ ïîä äåéñòâèåì öèêëè÷åñêè èçìåíÿþùåãîñÿ âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ïðè èñïûòàíèÿõ ýòèõ ìàòåðèàëîâ ïåòëè ãèñòåðåçèñà ñòðîÿòñÿ äëÿ ôóíêöèé B(H) èëè M(H) âíóòðè ìàòåðèàëà â çàôèêñèðîâàííîì íàïðàâëåíèè. Ñòàòè÷åñêàÿ ïåòëÿ ãèñòåðåçèñà (ÑÏÃ) îïðåäåëÿþòñÿ ïðè ìåäëåííîì èçìåíåíèè âíåøíåãî ïîëÿ (dH/dt ≈ ≈ 0), ò. å. ïðàêòè÷åñêè ïðè ïîñòîÿííîì òîêå. Ïóñòü ìû íàìàãíèòèëè ìàòåðèàë äî òåõíè÷åñêîãî íàñûùåíèÿ (Hs,Bs) – òî÷êà 1 íà ðèñ.1.19. Ïîñëåäóþùåå ñíèæåíèå íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ H âíóòðè ìàòåðèàëà äî íóëÿ (ó÷àñòîê 1-2 íà ïåòëå ãèñòåðåçèñà) ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü çíà÷åíèå îñòàòî÷íîé ìàãíèòíîé èíäóêöèè Br (òî÷êà 2). Äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ â îòðèöàòåëüíîì íàïðàâëåíèè (ó÷àñòîê 2-3) äî çíà÷åíèÿ Hñâ (êîýðöèòèâíàÿ ñèëà ïî ìàãíèòíîé èíäóêöèè) ïðèâîäèò ê B = 0(òî÷êà 3). Äàëåå ìàòåðèàë ïåðåìàãíè÷èâàåòñÿ â îòðèöàòåëüíîì íàïðàâëåíèè (ó÷àñòîê 3-4) äî íàñûùåíèÿ ïðè H=-Hs. Èçìåíåíèå íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ â ïîëîæèòåëüíîì íàïðàâëåíèè çàìûêàåò ïðåäåëüíûé ãèñòåðåçèñíûé öèêë ïî êðèâîé 4-5-6-1, ïðåäñòàâëÿþùåé ñîáîé îòðàæåíèå ñïèíêè ïåòëè 1-2-3-4 îòíîñèòåëüíî òî÷êè 0, – ïîëó÷àåì ïðåäåëüíóþ ñòàòè÷åñêóþ ïåòëþ ãèñòåðåçèñà (ÏÑÏÃ). Ìíîæåñòâî ñîñòîÿíèé ìàòåðèàëà â ïðåäåëàõ ïëîùàäè, îõâàòûâàåìîé ÏÑÏÃ, ìîæåò áûòü äîñòèãíóòî ïðè èçìåíåíèÿõ íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïðèâîäÿùèõ ê ÷àñòíûì ñèììåòðè÷íûì èëè ÷àñòíûì íåñèììåòðè÷íûì ãèñòåðåçèñíûì öèêëàì.
íàñûùåíèÿ ìàòåðèàëà â êîíöå ýòîãî ó÷àñòêà (òî÷êà E), êîãäà âåêòîðà ñïîíòàííîé íàìàãíè÷åííîñòè ñîâïàäàþò ñ âåêòîðîì ïîëÿ (ðèñ.1.18,ä). Ýòî ñîñòîÿíèå íàñòóïàåò ïðè íàïðÿæåííîñòè òåõíè÷åñêîãî íàñûùåíèÿ Hs, êîòîðîé íà êðèâîé B(H) ñîîòâåòñòâóåò ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ òåõíè÷åñêîãî íàñûùåíèÿ Bs, à íà êðèâîé M(H) – íàìàãíè÷åííîñòü òåõíè÷åñêîãî íàñûùåíèÿ Ms. Äàëüíåéøèé ïðîöåññ íàìàãíè÷èâàíèÿ áëèçîê ê ïðîöåññàì íàìàãíè÷èâàíèÿ ïàðàìàãíåòèêîâ.  ýòîé îáëàñòè âîçðàñòàåò íàìàãíè÷åííîñòü ñàìèõ ñïîíòàííûõ îáëàñòåé çà ñ÷åò ïåðåîðèåíòàöèè îòäåëüíûõ ñïèíîâûõ ìàãíèòíûõ ìîìåíòîâ,äåçîðèåíòèðîâàííûõ òåïëîâûì äâèæåíèåì. Äåëî â òîì, ÷òî òîëüêî ïðè àáñîëþòíîì íóëå òåìïåðàòóðû â îáëàñòè ñïîíòàííîé íàìàãíè÷åííîñòè (â äîìåíå) ñïèíîâûå ìàãíèòíûå ìîìåíòû (ñïèíû) âñå íàïðàâëåíû â îäíó ñòîðîíó. Ïðè òåìïåðàòóðå æå âûøå àáñîëþòíîãî íóëÿ åñòü àíòèïàðàëëüíûå ñïèíû. Ïîëå ïåðåîðèåíòèðóåò èõ, è íàìàãíè÷åííîñòü ðàñòåò (ðèñ.1.18,å), íî ñóùåñòâåííî â ìåíüøåé ñòåïåíè, ÷åì íà ïðåäûäóùèõ ó÷àñòêàõ êðèâîé íà÷àëüíîãî íàìàãíè÷èâàíèÿ. Ñ óâåëè÷åíèåì òåìïåðàòóðû íàðóøàåòñÿ ïàðàëëåëüíîñòü ñïèíîâ â äîìåíå, âñå áîëüøå ïîÿâëÿåòñÿ àíòèïàðàëëåëüíûõ ñïèíîâ. Ñïîíòàííàÿ íàìàãíè÷åííîñòü ñíèæàåòñÿ. Äëÿ êîíêðåòíîãî ôåððîìàãíèòíîãî ìàòåðèàëà ñóùåñòâóåò îïðåäåëåííàÿ òåìïåðàòóðà, ïðè êîòîðîé äîìåííûå îáðàçîâàíèÿ ïîëíîñòüþ èñ÷åçàþò, ò.å. èñ÷åçàåò ñïîíòàííàÿ íàìàãíè÷åííîñòü. Ýòà òåìïåðàòóðà íîñèò íàçâàíèå òåìïåðàòóðà òî÷êè Êþðè”. Äëÿ æåëåçà îíà ðàâíà ” 790 °C, äëÿ íèêåëÿ 340 °C, äëÿ êîáàëüòà 1150 °C, äëÿ ïÿòèäåñÿòèïðîöåíòíîãî (50% Fe + 50%Ni) ïåðìàëëîåâîãî ñïëàâà 550 °C. Âûøå òåìïåðàòóðû òî÷êè Êþðè ôåððîìàãíèòíûå ìàòåðèàëû âåäóò ñåáÿ êàê ïàðàìàãíåòèêè. Óìåíüøåíèå òåìïåðàòóðû íèæå òåìïåðàòóðû òî÷êè Êþðè âîçâðàùàåò ìàòåðèàëó ìàãíèòíûå ñâîéñòâà, ïðè÷åì îí ñòàíîâèòñÿ ðàçìàãíè÷åííûì, ò.å. ïðèîáðåòàåò äîìåííóþ ñòðóêòóðó ñ íóëåâîé ðåçóëüòèðóþùåé íàìàãíè÷åííîñòüþ. Ïîýòîìó ðàçîãðåâ èçäåëèé èç ôåððîìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ âûøå òåìïåðàòóðû òî÷êè Êþðè èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èõ ïîëíîãî ðàçìàãíè÷èâàíèÿ. Ïîìèìî íà÷àëüíîé êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ ñóùåñòâóþò è äðóãèå âèäû, â ÷àñòíîñòè, îñíîâíàÿ(èëè êîììóòàöèîííàÿ) êðèâàÿ íàìàãíè÷èâàíèÿ, ÿâëÿþùàÿñÿ ãåîìåòðè÷åñêèì ìåñòîì âåðøèí ÷àñòíûõ ñòàòè÷åñêèõ ñèììåòðè÷íûõ ïåòåëü ãèñòåðåçèñà (ðèñ.1.19). Ïåòëÿìè ãèñòåðåçèñà (ðèñ.1.19) íàçûâàþò êðèâûå, îòðàæàþùèå èçìåíåíèÿ ìàãíèòíîãî ñîñòîÿ-
Ðèñ. 1.19. Ìàãíèòíûé ãèñòåðåçèñ: 1 – êðèâàÿ íà÷àëüíîãî íàìàãíè÷èâàíèÿ; 2 – ïðåäåëüíûé ãèñòåðåçèñíûé öèêë; 3 – îñíîâíàÿ êðèâàÿ íàìàãíè÷èâàíèÿ; 4 – ñèììåòðè÷íûå ÷àñòíûå öèêëû; 5 – íåñèììåòðè÷íûå ÷àñòíûå öèêëû
32
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Êðèâûå íàìàãíè÷èâàíèÿ è ãèñòåðåçèñíûå öèêëû ñòðîÿòñÿ òàêæå äëÿ çàâèñèìîñòåé íàìàãíè÷åííîñòè M îò íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ H.  ýòîì ñëó÷àå íà ïðåäåëüíîì ãèñòåðåçèñíîì öèêëå îòìå÷àþòñÿ õàðàêòåðíûå òî÷êè: íàìàãíè÷åííîñòü íàñûùåíèÿ ìàòåðèàëà Ms ïðè Hs; îñòàòî÷íàÿ íàìàãíè÷åííîñòü Mr, êîãäà íàïðÿæåííîñòü ïîëÿ â ìàòåðèàëå ðàâíà íóëþ; êîýðöèòèâíàÿ ñèëà ïî íàìàãíè÷åííîñòè HcM, êîãäà íàìàãíè÷åííîñòü â ìàòåðèàëå ðàâíà íóëþ (êîýðöèòèâíûå ñèëû ïî èíäóêöèè è íàìàãíè÷åííîñòè íå ðàâíû äðóã äðóãó). Ôîðìà ÑÏÃ(ðèñ.1.19) õàðàêòåðèçóåòñÿ íàêëîíîì ïîëîãèõ è êðóòûõ ó÷àñòêîâ.  ðÿäå ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ (ìàãíèòíûå óñèëèòåëè, ìàãíèòíûå ëîãè÷åñêèå ýëåìåíòû, àïïàðàòû ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè è äð.) èñïîëüçóþòñÿ ìàãíèòíûå ìàòåðèàëû, ÑÏà êîòîðûõ ïðè àíàëèçå ðàáîòû ýòèõ àïïàðàòîâ îáîñíîâàííî ïðåäñòàâëÿåòñÿ èäåàëüíî ïðÿìîóãîëüíîé (ðèñ.1.21). Äëÿ ÑÏà òàêîé ôîðìû íà âåðòèêàëüíûõ ó÷àñòêàõ µad = ∞, à íà ãîðèçîíòàëüíûõ ó÷àñòêàõ µad = 0. Ïëîùàäü ÑÏà îïðåäåëÿåò ïîòåðè â ôåððîìàãíåòèêå ïðè åãî ñòàòè÷åñêîì (ìåäëåííîì) ïåðåìàãíè÷èâàíèè, êîòîðûå íàçûâàþòñÿ ïîòåðÿìè íà ãèñòåðåçèñ. Ýëåêòðîìàãíèòíûå êîìïîíåíòû ìíîãèõ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ðàáîòàþò íà ïåðåìåííîì òîêå. Ïîýòîìó îïèñàíèå ñâîéñòâ ôåððîìàãíåòèêîâ â òàêèõ àïïàðàòàõ ïîñðåäñòâîì ÑÏà ïðèâîäèò ê íåïðàâèëüíûì ðåçóëüòàòàì, îñîáåííî íà ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ. Äëÿ ýòèõ öåëåé èñïîëüçóþò äèíàìè÷åñêèå ïåòëè ãèñòåðåçèñà (ÄÏÃ), êîòîðûå ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé çàâèñèìîñòè B(H), êîãäà dH ⁄ dt >> 0 (ðèñ.1.22). Ïðè ýòîì ñ ïîâûøåíèåì ÷àñòîòû ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ ÄÏà ðàñøèðÿþò ñâîþ ïëîùàäü, ò. å óâåëè÷èâàþòñÿ ïîòåðè â ôåððîìàãíåòèêå. Êðîìå òîãî êðóòûå ó÷àñòêè ÄÏà ñòàíîâÿòñÿ áîëåå ïîëîãèìè. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ çàïàçäûâàíèåì îðèåíòàöèè äîìåíîâ îò èçìåíåíèÿ H (ÿâëåíèå ìàãíèòíîé âÿçêîñòè) è âèõðåâûìè òîêàìè â ôåððîìàãíåòèêå, ïðåïÿòñòâóþùèìè ïðîöåññó ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ. Íà õàðàêòåð ÄÏà îêàçûâàþò âëèÿíèå íå òîëüêî ñâîéñòâà ôåððîìàãíåòèêà, íî è äðóãèå ôàêòîðû, íàïðèìåð, âèä ïåðåìàãíè÷èâàþùåãî óñòðîéñòâà (èñòî÷íèê òîêà èëè èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ), ôîðìà âîçäåéñòâóþùèõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé, êîíñòðóêöèÿ ìàãíèòîïðîâîäà è äð.[85]. Ôåððîìàãíèòíûå ìàòåðèàëû ðàçäåëÿþò íà ìàãíèòîìÿãêèå è ìàãíèòîòâåðäûå. Ìàãíèòîìÿãêèå ôåððîìàãíèòíûå ìàòåðèàëû îáëàäàþò ìàëîé êîýðöèòèâíîé ñèëîé ( Hñâ < 0,4 êA/ì),
×àñòíûå ñèììåòðè÷íûå ãèñòåðåçèñíûå öèêëû (öèêëû 4 íà ðèñ.1.19) îïèðàþòñÿ âåðøèíàìè íà îñíîâíóþ êðèâóþ íàìàãíè÷èâàíèÿ. ×àñòíûå íåñèììåòðè÷íûå ãèñòåðåçèñíûå öèêëû îáðàçóþòñÿ, åñëè íà÷àëüíàÿ òî÷êà îòõîäà íå íàõîäèòñÿ íà îñíîâíîé êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ ïðè ñèììåòðè÷íîì èçìåíåíèè íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ (öèêëû 5 íà ðèñ.1.19), à òàêæå ïðè íåñèììåòðè÷íîì èçìåíåíèè íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ. Ñâÿçü ìåæäó ìàãíèòíîé èíäóêöèåé B è íàïðÿæåííîñòüþ H ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïî îñíîâíîé êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ÷åðåç àáñîëþòíóþ ìàãíèòíóþ ïðîíèöàåìîñòü µà (ñì.(1.69)). Äëÿ òîãî, ÷òîáû îõàðàêòåðèçîâàòü ñâÿçü B è H â êîíêðåòíîé òî÷êå êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ ïðè ìàëûõ èçìåíåíèÿõ ýòèõ âåëè÷èí, èñïîëüçóþò äèíàìè÷åñêóþ (äèôôåðåíöèàëüíóþ) ìàãíèòíóþ ïðîíèöàåìîñòü µad = dB ⁄ dH . (1.95) Êà÷åñòâåííûå çàâèñèìîñòè µa è µad îò H ïðèâåäåíû íà ðèñ.1.20.
Ðèñ. 1.20. Êðèâûå ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè
Ðèñ. 1.21. Èäåàëüíàÿ ïðÿìîóãîëüíàÿ êðèâàÿ íàìàãíè÷èâàíèÿ
33
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
âûñîêîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ ( µr äî 300.103) è â çíà÷èòåëüíîé ñâîåé ÷àñòè – áîëüøåé ìàãíèòíîé èíäóêöèåé òåõíè÷åñêîãî íàñûùåíèÿ (Bs äî 1,5÷ ÷2,4 Òë).
Ê íèì îòíîñÿòñÿ òåõíè÷åñêè ÷èñòîå æåëåçî, ýëåêòðîòåõíè÷åñêèå ñòàëè, ïåðìàëëîè, ïåðìåíäþðû è àìîðôíûå ñïëàâû. Áëàãîäàðÿ ìàëîé êîýðöèòèâíîé ñèëå îíè èìåþò óçêóþ ÑÏÃ, ÷òî îïðåäåëÿåò ìàëûå ïîòåðè íà ãèñòåðåçèñ. Âûñîêàÿ ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ íàñûùåíèÿ îáåñïå÷èâàåò ïðîõîæäåíèå ìàêñèìàëüíîãî ìàãíèòíîãî ïîòîêà ÷åðåç çàäàííóþ ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ. Ýòè ñâîéñòâà ïîçâîëÿþò èñïîëüçîâàòü ìàãíèòîìÿãêèå ìàòåðèàëû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ äëÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ è êîíöåíòðàòîðîâ ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ.Îñíîâíûå êðèâûå íàìàãíè÷èâàíèÿ íåêîòîðûõ èç òàêèõ ìàòåðèàëîâ ïðèâåäåíû íà ðèñ.1.23. Òåõíè÷åñêè ÷èñòîå æåëåçî ñîäåðæèò ìåíåå 0,05% óãëåðîäà è ìèíèìàëüíûé ïðîöåíò ïðèìåñåé, â òîì ÷èñëå êðåìíèÿ. Ïî ìíîãèì ïàðàìåòðàì ê ýòîìó ìàòåðèàëó áëèçêè íèçêîóãëåðîäèñòûå ýëåêòðîòåõíè÷åñêèå ñòàëè ñ µr äî (3÷6).103, HcB = (0,06÷0,1) êÀ/ì è Bs ≈ 2,1 Òë. Ýòè ìàòåðèàëû, âûïóñêàåìûå â âèäå ëèñòîâ è ïðóòêîâ, ïðèìåíÿþòñÿ ïðè èçãîòîâëåíèè ìàëîìîùíûõ ýëåêòðîìàãíèòîâ. Êðåìíèñòûå ýëåêòðîòåõíè÷åñêèå ñòàëè ñîäåðæàò 0,5÷5% êðåìíèÿ è ïîýòîìó èìåþò âûñîêîå óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå, ÷òî ñíèæàåò ïîòåðè íà âèõðåâûå òîêè.Èõ ìàêñèìàëüíàÿ îòíîñèòåëüíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ñîñòàâëÿåò (6÷40)103, êîýðöèòèâíàÿ ñèëà HcB ìåíåå 0,1êÀ/ì, à èíäóêöèÿ òåõíè÷åñêîãî íàñûùåíèÿ äîõîäèò äî (1,9÷2,1) Òë. Êðåìíèñòûå ýëåêòðîòåõíè÷åñêèå ñòàëè âûïóñêàþòñÿ â âèäå ëèñòîâ è ëåíò è èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ øèõòîâàííûõ ìàãíèòîïðîâîäîâ áûñòðîäåéñòâóþùèõ ýëåêòðîìàãíèòîâ ïîñòîÿííîãî òîêà è ýëåêòðîìàãíèòîâ ïåðåìåííîãî òîêà, à òàêæå äëÿ âèòûõ ñåðäå÷íèêîâ ìàãíèòíûõ êîìïîíåíòîâ ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè. Îíè ïðèìåíÿþòñÿ ïðè ðàáî÷èõ ÷àñòîòàõ îò 50 Ãö äî 5 êÃö. Ïðè áîëåå âûñîêèõ ÷àñòîòàõ èç ìàãíèòîìÿãêèõ ôåððîìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ èñïîëüçóþòñÿ ïåðìàëëîè. Ïåðìàëëîè – ýòî ñïëàâû æåëåçà ñ íèêåëåì, ëèãèðîâàííûå äðóãèìè ýëåìåíòàììè (Mo, Cr,Cu,Si è ïð). Ñóùåñòâóþò äâà âèäà ïåðìàëëîåâ: âûñîêîíèêåëåâûå ñ ñîäåðæàíèåì íèêåëÿ 70÷80% (íàïðèìåð, ìàðêà 79ÍÌ) è íèçêîíèêåëåâûå ñ ñîäåðæàíèåì íèêåëÿ 40÷50% (íàïðèìåð, ìàðêà 50Í).  ñëàáûõ ìàãíèòíûõ ïîëÿõ ïåðìàëëîè îáëàäàþò áîëåå âûñîêîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ ÷åì ýëåêòðîòåõíè÷åñêèå ñòàëè – ñì. ðèñ. 1.23. Çíà÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé îòíîñèòåëüíîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè äîñòèãàåò ó íèçêîíèêåëåâûõ ïåðìàëëîåâ 125.103, à ó âûñîêîíèêåëåâûõ – 300.103. Äëÿ íèõ òàêæå õàðàêòåðíû íèçêèå çíà÷åíèÿ êîýðöèòèâíîé ñèëû (HcB ≈ 0,002÷0,08 êÀ/ì). Áëàãîäàðÿ ýòèì äâóì ôàêòîðàì ïåðìàëëîè îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé ïðÿìî-
Ðèñ. 1.22. Ñòàòè÷åñêàÿ (ÑÏÃ) è äèíàìè÷åñêàÿ (ÄÏÃ) ïåòëè ãèñòåðåçèñà
Ðèñ. 1.23. Êðèâûå íàìàãíè÷èâàíèÿ íåêîòîðûõ íàèáîëåå èñïîëüçóåìûõ ìàãíèòîìÿãêèõ ìàòåðèàëîâ: 1 – ïåðìåíäþð (ñïëàâ 50% Fe è 50% Co); 2 – ýëåêòðîòåõíè÷åñêàÿ ñòàëü 3413; 3 – ýëåêòðîòåõíè÷åñêàÿ ñòàëü 1211; 4 – ïåðìàëëîé 50Í; 5 – ïåðìàëëîé 79ÍÌ
34
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
òåëüíûé ýêîíîìè÷åñêèõ ýôôåêò ïðè ïðîèçâîäñòâå ñåðèéíûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ êîìïîíåíòîâ çà ñ÷åò ñíèæåíèÿ èõ ìåòàëëî- è ýíåðãîåìêîñòè [87]. Ìàãíèòîòâåðäûå ôåððîìàãíèòíûå ìàòåðèàëû îòëè÷àþòñÿ áîëüøèìè çíà÷åíèÿìè êîýðöèòèâíîé ñèëû (Hñ > 40 êÀ/ì ) è ìàãíèòíîé ýíåðãèè, îòäàâàåìîé âî âíåøíåå ïðîñòðàíñòâî âûïîëíåííûìè èç íèõ è íàìàãíè÷åííûìè èçäåëèÿìè. Ýòè èçäåëèÿ íàçûâàþòñÿ ïîñòîÿííûìè ìàãíèòàìè, êîòîðûå ñîâìåñòíî ñ îáìîòêàìè, ïî êîòîðûì ïðîòåêàåò òîê, ÿâëÿþòñÿ ïåðâè÷íûìè èñòî÷íèêàìè ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Âàæíåéøåé õàðàêòåðèñòèêîé òàêèõ ìàòåðèàëîâ ÿâëÿåòñÿ ó÷àñòîê ÑÏÃ, ðàñïîëîæåííûé âî âòîðîì êâàäðàíòå (ìåæäó ïîëîæèòåëüíîé îñüþ ìàãíèòíîé èíäóêöèè B, íàìàãíè÷åííîñòè M èëè èíäóêöèè íàìàãíè÷åííîñòè BM è îòðèöàòåëüíîé îñüþ íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ H – ñì. ðèñ.1.19). Ýòîò ó÷àñòîê ÑÏà íàçûâàåòñÿ êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ. Êðèâûå ðàçìàãíè÷èâàíèÿ íàèáîëåå èñïîëüçóåìûõ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ìàãíèòîòâåðäûõ ìàòåðèàëîâ äàíû íà ðèñ.1.24. Âûáîð ìàãíèòîòâåðäîãî ìàòåðèàëà îïðåäåëÿåòñÿ íàçíà÷åíèåì ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà, à òàêæå òåõíîëîãè÷åñêèìè è ýêîíîìè÷åñêèìè ñîîáðàæåíèÿìè. Êðîìå òîãî íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü âîïðîñû ìåõàíè÷åñêîé ïðî÷íîñòè, óñòîé÷èâîñòè ê âîçäåéñòâèþ ðàçìàãíè÷èâàþùèõ ïîëåé è îêðóæàþùåé òåìïåðàòóðû. Áîëåå ïîäðîáíûå ñâåäåíèÿ î ìàãíèòîòâåðäûõ ìàòåðèàëàõ è ïîñòîÿííûõ ìàãíèòàõ ìîæíî ïîëó-
óãîëüíîñòüþ ÑÏà è ìàëîé å¸ ïëîùàäüþ. Ïîñëåäíåå îïðåäåëÿåò ìàëûå ïîòåðè íà ãèñòåðåçèñ. Îäíàêî ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ òåõíè÷åñêîãî íàñûùåíèÿ ó ýòèõ ìàòåðèàëîâ(0,5÷1,5 Òë) íèæå ÷åì ó ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ ñòàëåé. Ïåðìàëëîè âûïóñêàþòñÿ â âèäå ëåíò, ëèñòîâ è ïðóòêîâ. Ìèíèìàëüíàÿ òîëùèíà ëåíòû äîñòèãàåò 5 ìêì. Ñ òî÷êè çðåíèÿ óìåíüøåíèÿ ãàáàðèòîâ è ìàññû ðàçëè÷íûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ àïïàðàòîâ áîëüøîé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ñïëàâû æåëåçà ñ êîáàëüòîì (ñïëàâû òèïà ïåðìåíäþð). Èõ ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ òåõíè÷åñêîãî íàñûùåíèÿ äîñòèãàåò 2,4 Òë. Ìàêñèìàëüíàÿ îòíîñèòåëüíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ó áîëüøèíñòâà ýòèõ ñïëàâîâ ñîñòàâëÿåò 4,5.103÷40.103, à êîýðöèòèâíàÿ ñèëà äîñòàòî÷íî íèçêàÿ (0,02÷0,26 êÀ/ì). Ïðåèìóùåñòâî ñïëàâîâ æåëåçî-êîáàëüò ïåðåä òåõíè÷åñêè ÷èñòûì æåëåçîì ñòàíîâèòñÿ îùóòèìûì â îáëàñòè èíäóêöèé âûøå 1 Òë. Òàê âáëèçè èíäóêöèè 1,8 Òë ïðîíèöàåìîñòü êîáàëüòîâûõ ñïëàâîâ áîëüøå ÷åì ó æåëåçà ïðèáëèçèòåëüíî â 40 ðàç. Ïîýòîìó ýòè ñïëàâû ïðèìåíÿþò,â ÷àñòíîñòè, äëÿ ïîëþñíûõ íàêîíå÷íèêîâ ñ âûñîêîé èíäóêöèåé. Ïîñðåäñòâîì ñïåöèàëüíûõ ðåæèìîâ ïðîêàòêè, îòæèãà è ìàãíèòíîé îáðàáîòêè èç ñïëàâà 49%Fe, 49%Co è 2%V óäàëîñü ñîçäàòü àíèçîòðîïíûé ìàòåðèàë, èìåþùèé ïðàêòè÷åñêè ïðÿìîóãîëüíóþ ÑÏà è ìàêñèìàëüíóþ îòíîñèòåëüíóþ ìàãíèòíóþ ïðîíèöàåìîñòü äî 70.103. Ïðè èíäóêöèè 2 Òë ïðîíèöàåìîñòü ó íåãî ñíèæàåòñÿ äî 33.103, îäíàêî ïðè âûñîêèõ èíäóêöèÿõ îíà ó ýòîãî ñïëàâà â 500 ðàç âûøå ïðîíèöàåìîñòè æåëåçà, ïðèìåíÿåìîãî â ìàãíèòîïðîâîäàõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ðåëå. Âûñîêàÿ ñòîèìîñòü æåëåçîêîáàëüòîâûõ ñïëàâîâ ïðåäîïðåäåëÿåò èõ ïðèìåíåíèå ãëàâíûì îáðàçîì â ñïåöèàëüíîé àïïàðàòóðå. Àìîðôíûå ñïëàâû îòëè÷àþòñÿ îò óêàçàííûõ âûøå ìàãíèòîìÿãêèõ ìàòåðèàëîâ îòñóòñòâèåì êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè. Àìîðôíîå ñîñòîÿíèå ñòðóêòóðû äîñòèãàåòñÿ çàêàëèâàíèåì ðàñïëàâëåííîãî ìàòåðèàëà ñ î÷åíü áîëüøîé ñêîðîñòüþ (ïðèìåðíî 10 °C/ñ). Îñíîâîé òàêèõ ìàòåðèàëîâ ÿâëÿþòñÿ ðàçëè÷íûå ñïëàâû æåëåçà ñ áîðîì è êðåìíèåì, ëåãèðîâàííûå ðàçëè÷íûìè êîìïîíåíòàìè, íàïðèìåð õðîìîì. Àìîðôíûå ñïëàâû îòëè÷àþòñÿ îò êðèñòàëëè÷åñêèõ ðÿäîì ïîâûøåííûõ ìàãíèòíûõ è ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ, à òàêæå âûñîêîé àíòèêîððîçèîííîé ñòîéêîñòüþ. Îñíîâíîå èõ ïðåèìóùåñòâî – íèçêîå çíà÷åíèå óäåëüíûõ ïîòåðü íà ïåðåìàãíè÷èâàíèå (áîëåå ÷åì íà ïîðÿäîê ìåíüøå ó îòäåëüíûõ ìàðîê ýòèõ ñïëàâîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ êðèñòàëëè÷åñêèìè ñïëàâàìè). Ýòî ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü çíà÷è-
Ðèñ. 1.24. Êðèâûå ðàçìàãíè÷èâàíèÿ íåêîòîðûõ íàèáîëåå èñïîëüçóåìûõ ìàãíèòîòâåðäûõ ìàòåðèàëîâ: 1 – ñïëàâ NdFeB; 2 – ðåäêîçåìåëüíûé ñïëàâ ÊÑ37À; 3 – ñïëàâ àëüíèêî ÞÍÄÊ35Ò5ÁÀ; 4 – ôåððèò ñòðîíöèÿ 28ÑÀ
35
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Ìàëûå ïîòåðè ìîùíîñòè îò âèõðåâûõ òîêîâ, à òàêæå âîçìîæíîñòü ïðîèçâîäñòâà èçäåëèé èç íèõ ïðîèçâîëüíîé ôîðìû îáóñëîâèëî øèðîêîå èñïîëüçîâàíèå ìàãíèòîìÿãêèõ ôåððèòîâ â êà÷åñòâå ìàãíèòîïðîâîäîâ. Èçäåëèÿ èç ìàãíèòîìÿãêèõ, òàê íàçûâàåìûõ òåðìîìàãíèòíûõ ôåððèòîâ (ñ íèçêèìè òåìïåðàòóðàìè òî÷êè Êþðè – 10÷70 °C) íàøëè ïðèìåíåíèå â ïîæàðíûõ èçâåùàòåëÿõ. Ìàãíèòîòâåðäûå ôåððèòû (íàïðèìåð, ôåððèò ñòðîíöèÿ, – ðèñ.1.24), èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ïîñòîÿíííûõ ìàãíèòîâ. Äëÿ ñîçäàíèÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ ñ ìàëûìè çíà÷åíèÿìè ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè, ìàëî çàâèñÿùåé îò âîçäåéñòâèÿ ïîñòîÿííûõ è ïåðåìåííûõ ïîëåé, èñïîëüçóþòñÿ ìàãíèòîäèýëåêòðèêè. Ýòè ìàòåðèàëû èìåþò î÷åíü âûñîêîå óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå, ÷òî ïðàêòè÷åñêè èñêëþ÷àåò âîçíèêíîâåíèå â íèõ âèõðåâûõ òîêîâ. Ñðåäè òàêèõ ìàòåðèàëîâ íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èë àëüñèôåð – òðîéíîé ñïëàâ àëþìèíèÿ, êðåìíèÿ è æåëåçà. Íèçêèå çíà÷åíèÿ àáñîëþòíîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè µa (îò íåñêîëüêèõ åäèíèö äî ñîòåí) ïîçâîëÿþò ýôôåêòèâíî èñïîëüçîâàòü ýòè ñïëàâû â ðåàêòîðàõ è ôèëüòðàõ ñ ïðàêòè÷åñêè ïîñòîÿííîé èíäóêòèâíîñòüþ â øèðîêîì äèàïàçîíå èçìåíåíèÿ íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ.
÷èòü èç ïàðàãðàôà 1.3.4 íàñòîÿùåãî ó÷åáíèêà è èç ñïåöèàëüíîé ëèòåðàòóðû,íàïðèìåð [16].  ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ èñïîëüçóþòñÿ òàêæå ìàòåðèàëû, êîòîðûå ïî ñâîèì ñâîéñòâàì îòíîñÿòñÿ ê àíòèôåððîìàãíåòèêàì. Ó íèõ îêàçûâàåòñÿ ýíåðãåòè÷åñêè âûãîäíûì àíòèïàððàëëåëüíîå ðàñïîëîæåíèå ñïèíîâ ñîñåäíèõ àòîìîâ. Ñîçäàíû àíòèôåððîìàãíåòèêè, îáëàäàþùèå çíà÷èòåëüíûì ñîáñòâåííûì ìàãíèòíûì ìîìåíòîì, ïðèáëèæàþùèìñÿ (â 2–5 ðàç ìåíüøå) ê ìîìåíòó ôåððîìàãíåòèêîâ. Òàêèå ìàòåðèàëû ïîëó÷èëè íàçâàíèå ôåððèìàãíåòèêîâ (ôåððèòîâ).  îòëè÷èå îò ìåòàëëè÷åñêèõ, õîðîøî ïðîâîäÿùèõ ôåððîìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ, ôåððèòû ÿâëÿþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêàìè. Ïîýòîìó èõ óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå íàìíîãî ïðåâûøàåò àíàëîãè÷íîå ñîïðîòèâëåíèå ñòàëåé è ñïëàâîâ. Âûñîêîå çíà÷åíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî ñíèçèòü âèõðåâûå òîêè è âûçûâàåìûå èìè ïîòåðè ìîùíîñòè. Ôåððèòû èçãîòàâëèâàþò ïóòåì ïðåññîâàíèÿ è òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè ïîðîøêîâ èç îêèñëîâ æåëåçà,öèíêà, ìàðãàíöà è äðóãèõ ìàòåðèàëîâ. Ìàêñèìàëüíàÿ îòíîñèòåëüíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ó íèõ ðàâíà (2÷5).103, à èíäóêöèÿ òåõíè÷åñêîãî íàñûùåíèÿ 0,35÷0,5 Òë [87]. Ôåððèòû áûâàþò êàê ìàãíèòîìÿãêèå (íèêåëåâûå, ìàðãàíöåâûå), òàê è ìàãíèòîòâåðäûå (áàðèåâûå, ñòðîíöèåâûå).
1.3.3. ÑÈËÎÂÛÅ ÂÇÀÈÌÎÄÅÉÑÒÂÈß Â ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÎÌ ÏÎËÅ
ïðèëîæåííîãî ê îáìîòêå, èëè òîêà â îáìîòêå. Òàêóþ çàâèñèìîñòü íàçûâàþò òÿãîâîé õàðàêòåðèñòèêîé. Âîçíèêàþùèå ïðè ïðåîáðàçîâàíèè ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè â ìåõàíè÷åñêóþ â ýòèõ àïïàðàòàõ ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà èëè ýëåêòðîìàãíèòíûé ìîìåíò ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿþòñÿ ïàðàìåòðàìè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ. Êàê ïîêàçàíî â ïîäðàçäåëå 1.3.1, ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ñîçäàåòñÿ åãî èñòî÷íèêàìè.
Àíàëèç ñèëîâûõ âçàèìîäåéñòâèé â ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ àïïàðàòàõ òðåáóåòñÿ äëÿ óñòàíîâëåíèÿ êîëè÷åñòâåííûõ ñâÿçåé ìåæäó ýëåêòðè÷åñêèìè è ìåõàíè÷åñêèìè âåëè÷èíàìè.  ÷àñòíîñòè, äëÿ ýëåêòðîìàãíèòîâ îäíîé èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê ÿâëÿåòñÿ çàâèñèìîñòü ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû (èëè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ìîìåíòà) îò ïîëîæåíèÿ ïîäâèæíîãî ýëåìåíòà (â ýëåêòðîìàãíèòàõ – ýòî ÿêîðü) äëÿ ðàçëè÷íûõ ïîñòîÿííûõ çíà÷åíèé íàïðÿæåíèÿ,
Îïðåäåëåíèå ýëåêòðîñòàòè÷åñêèõ ñèë Íà ðàñïðåäåëåííûå â ïðîñòðàíñòâå ýëåêòðè÷åñêèå îáúåìíûå çàðÿäû ïëîòíîñòüþ ρ è ïîâåðõíîñòíûå çàðÿäû ïëîòíîñòüþ σ äåéñòâóåò ýëåêòðîñòàòè÷åñêàÿ ñèëà Pýñ, îïðåäåëÿåìàÿ çàêîíîì Êóëîíà äëÿ ðàñïðåäåëåííûõ çàðÿäîâ. Pýñ = ∫ ρEdV + ∫ σEdS , (1.96) V
ãäå V è S – îáúåì è ïëîùàäü ïîâåðõíîñòåé, çàíèìàåìûå çàðÿäàìè, ñ êîòîðûìè îïðåäåëÿåòñÿ ñèëîâîå âçàèìîäåéñòâèå ïîëÿ; E – íàïðÿæåííîñòü âíåøíåãî ïî îòíîøåíèþ ê òåêóùåé òî÷êå èíòåãðèðîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, ò.å. ïîëÿ, ñîçäàííîãî âñåìè âíåøíèìè ïî îòíîøåíèþ ê äàííîé òî÷êå çàðÿäàìè.
S
36
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Îïðåäåëåíèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèë à) Îïðåäåëåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ïðîâîäíèêîâ ñ òîêîì è ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà îñíîâå èñïîëüçîâàíèÿ çàêîíà Àìïåðà è çàêîíà Áèî-Ñàâàðà-Ëàïëàñà Çàêîí Àìïåðà â äèôôåðåíöèàëüíîé ôîðìå îïðåäåëÿåò ýëåìåíòàðíóþ ýëåêòðîìàãíèòíóþ ñèëó d Pýì, äåéñòâóþùóþ íà ýëåìåíòàðíûé ó÷àñòîê dl áåñêîíå÷íî òîíêîãî ïðîâîäíèêà ñ òîêîì i, íàõîäÿùèéñÿ â îäíîðîäíîì ìàãíèòíîì ïîëå ñ èíäóêöèåé B, ñîçäàâàåìîì âíåøíèìè ïî îòíîøåíèþ ê ýòîìó ó÷àñòêó èñòî÷íèêàìè: dPýì = i(d l × B) = i dl sinγ , (1.97) ãäå γ – óãîë ìåæäó âåêòîðàìè dl è B. Ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ B, ñîçäàâàåìàÿ â ñåðåäèíå ó÷àñòêà äëèíîé dl âíåøíèì ýëåìåíòàðíûì èñòî÷íèêîì äëèíîé dl′ è òîêîì i ′, ïðè îòñóòñòâèè ôåððîìàãíèòíûõ ó÷àñòêîâ â ïîëå ( èëè ïðåíåáðåæåíèè èõ âëèÿíèåì ) íàõîäèòñÿ, èñïîëüçóÿ çàêîí Áèî-Ñàâàðà-Ëàïëàñà
Ðèñ. 1.25. Ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ W è ìàãíèòíàÿ êîýíåðãèÿ W* â ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèñòåìå áåç îñòàòî÷íîãî ìàãíåòèçìà
ñèëà íàïðàâëåíà â ñòîðîíó óìåíüøåíèÿ ìàãíèòíîé ýíåðãèè ñèñòåìû. Â óñëîâèÿõ ïîñòîÿíñòâà òîêîâ âñåõ âîçáóæäàþùèõ êîíòóðîâ èëè êàòóøåê (ik = const; k= 1,2,....,n) ïðè ïåðåìåùåíèè x ïîäâèæíîãî ýëåìåíòà ñèëà Pýì íàõîäèòñÿ ïî èçìåíåíèþ ìàãíèòíîé êîýíåðãèè W* (ðèñ.1.25) [5,102]: (1.100) Pýì = ∂W ∗ ⁄ ∂x .
dB = µ0i′ (d l′ × r) ⁄ 4πr3 = µ0i dl sinα ⁄ 4πr 2, (1.98) ãäå r – ðàäèóñ-âåêòîð îò ñåðåäèíû äëèíû dl′ äî ñåðåäèíû äëèíû dl, α – óãîë ìåæäó âåêòîðàìè dl′ è r. Ïîëíàÿ ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà Pýì, äåéñòâóþùàÿ íà âåñü ïðîâîäíèê äëèíîé l è òîêîì i, íàõîäèòñÿ ñóììèðîâàíèåì dPýì. Åñëè òðåáóåòñÿ ó÷åñòü êîíêðåòíûå ðàçìåðû ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ïðîâîäíèêîâ, èñïîëüçóåòñÿ ïîíÿòèå êîýôôèöèåíòà åãî ôîðìû [2,4]. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ñèëû, âîçíèêàþùèå ïðè âîçäåéñòâèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà ïðîâîäíèêè ñ òîêîì, íàçûâàþòñÿ òàêæå ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèìè ñèëàìè (ñì. ï. 2.3). á) Îïðåäåëåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû ïî èçìåíåíèþ ìàãíèòíîé ýíåðãèè èëè ìàãíèòíîé êîýíåðãèè (ýíåðãåòè÷åñêèé ìåòîä) Ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà Pýì ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî èçìåíåíèþ ìàãíèòíîé ýíåðãèè (ýíåðãèè, çàïàñàåìîé ìàãíèòíûì ïîëåì) W ìàãíèòíîé ñèñòåìû (ðèñ.1.25) ïðè ïåðåìåùåíèè x ïîäâèæíîãî ýëåìåíòà â óñëîâèÿõ ïîñòîÿíñòâà ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ Φk âñåõ n âîçáóæäàþùèõ êîíòóðîâ (Φk = const;
Íà ïðèìåðå ìàãíèòíîé ñèñòåìû ñ îäíîé âîçáóæäàþùåé êàòóøêîé, ðàñïîëîæåííîé â îïðåäåëåííîì ïîëîæåíèè íà ìàãíèòîïðîâîäå, ìàãíèòíàÿ êîýíåðãèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìåõàíè÷åñêóþ ðàáîòó, ñîâåðøàåìóþ ýëåêòðîìàãíèòíûìè ñèëàìè ïðè ïåðåìåùåíèè ýòîé êàòóøêè, çàðàíåå âîçáóæäåííîé òîêîì ik = const è ïðåäâàðèòåëüíî áåñêîíå÷íî óäàëåííîé ñ ìàãíèòîïðîâîäà â ñðåäó ñ ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ µ = 0, â ïðåæíåå ïîëîæåíèå íà ìàãíèòîïðîâîäå.  [5] ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ ñ äðóãèì (ðàâíîçíà÷èìûì) ïðèìåðîì ôèçè÷åñêîé èíòåðïðåòàöèè ìàãíèòíîé êîýíåðãèè. Èç (1.100) ñëåäóåò, ÷òî ïðè óñëîâèè ïîñòîÿíñòâà òîêîâ â âîçáóæäàþùèõ êîíòóðàõ èëè êàòóøêàõ ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà íàïðàâëåíà â ñòîðîíó óâåëè÷åíèÿ ìàãíèòíîé êîýíåðãèè. Èñïîëüçîâàíèå ïîíÿòèÿ ìàãíèòíîé êîýíåðãèè îïðàâäàíî òîëüêî äëÿ íåëèíåéíûõ ñèñòåì, òàê êàê â ýòîì ñëó÷àå èçìåíåíèå ìàãíèòíîé êîýíåðãèè íå ðàâíî èçìåíåíèþ ìàãíèòíîé ýíåðãèè. Äëÿ ëèíåéíîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû
k = 1,2,....,n) èëè ïîñòîÿíñòâå ïîòîêîñöåïëåíèé ψk âñåõ n âîçáóæäàþùèõ êàòóøåê [5,103,104]: Pýì = −(∂W ⁄ ∂x).
n
n
W = W ∗ = ∑ Wk = ∑ W ∗k =
(1.99)
k=1
Çíàê ìèíóñ” â (1.99) îçíà÷àåò, ÷òî ïðè íåçàâè” ñèìîñòè ïîòîêîâ (èëè ïîòîêîñöåïëåíèé) îò ïåðåìåùåíèÿ ïîäâèæíîãî ýëåìåíòà ýëåêòðîìàãíèòíàÿ
k=1
n
n
k=1
k=1
= ∑ ikΦk ⁄ 2 = ∑ i 2kLk ⁄ 2 .
37
(1.101)
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ãäå L è F – ñòàòè÷åñêàÿ èíäóêòèâíîñòü è ìàãíèòîäâèæóùàÿ ñèëà (ÌÄÑ) îáìîòêè; Λ Σψ = ψ ⁄ FN – ñóììàðíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü ìàãíèòíîé ñèñòåìû, ïðèâåäåííàÿ ïî ïîòîêîñöåïëåíèþ îáìîòêè ê å¸ ÌÄÑ è ÷èñëó âèòêîâ N (ñì.ïï.1.3.4.). Àíàëîãè÷íîå âûðàæåíèå äëÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ìîìåíòà
Çäåñü Lk – ýêâèâàëåíòíàÿ (ñ ó÷åòîì âëèÿíèÿ îñòàëüíûõ êîíòóðîâ) ñòàòè÷åñêàÿ èíäóêòèâíîñòü k-ãî êîíòóðà. Ìàãíèòíîå ïîëå â ëèíåéíîé ìàãíèòíîé ñèñòåìå ïðåäñòàâëÿåòñÿ â âèäå ñóììû ïîëåé, âîçáóæäàåìûõ îòäåëüíî òîêàìè im â å¸ êîíòóðàõ, ãäå m = 1,2,...n. Òîãäà ïîòîê Φk, ñöåïëåííûé ñ k-ì êîíòóðîì ïðè çàäàííûõ òîêàõ â êîíòóðàõ, ðàâåí ñóììå ïîòîêîâ Φkm, îáðàçîâàííûõ âñåìè òîêàìè im: n
n
m=1
m=1
Φk = ∑Φkm = ∑ imLkm = ikLk ,
Mýì = 0,5F 2 (dΛΣψ ⁄ dα) ,
(1.102) ãäå α – óãëîâîå ïåðåìåùåíèå ïîäâèæíîãî ýëåìåíòà. Ïðè íåèçìåííîì ïîòîêîñöåïëåíèè îáìîòêè èç (1.99) è (1.106) äëÿ ëèíåéíîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû Pýì = −0,5ψ(di ⁄ dx) =
ãäå Lkm = Φkm ⁄ im – ñòàòè÷åñêàÿ âçàèìîèíäóêòèâíîñòü êîíòóðîâ k è m . Èç (1.102) ñëåäóåò n
Lk = (∑ imLkm) ⁄ ik ,
(ψ = const)
(1.103)
m= 1
= −0,5ψ2[d (1 ⁄ ΛΣψ) ⁄ dx] ⁄ N 2 .
à èç (1.101) è (1.102) n
n
k=1
m=1
W = W∗ = 0,5 ∑ ik ∑ imLkm .
Mýì = −0,5ψ2[d(1 ⁄ ΛΣψ) ⁄ dα] ⁄ N 2 .
n
Ïðè ïèòàíèè îáìîòêè ëèíåéíîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû îò èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ ïåðåìåííîãî òîêà è äîïóùåíèè íåçàâèñèìîñòè ïîòîêîñöåïëåíèÿ îáìîòêè îò ïåðåìåùåíèÿ ïîäâèæíîãî ýëåìåíòà (ñì.ïï.1.3.4) èç (1.109) ñ ó÷åòîì ïðèíÿòèÿ i = Im sin ωt è ψ = ψm sin ωt (Im è ψm – àìïëèòóäíûå çíà÷åíèÿ ñîîòâåòñòâåííî òîêà è ïîòîêîñöåïëåíèÿ) ñëåäóåò âûðàæåíèå äëÿ ìãíîâåííîãî çíà÷åíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû
m=1 n
∑ ik ∑ imLkm = i 21L11 ± i1i2L12 ± i2i1L21 + i 22L22 ;
k=1 m=1
L1 = L11 + i2L12 ⁄ i1 ; L2 = L22 + i1L21 ⁄ i2 . Òîãäà äëÿ òàêîé ñèñòåìû W = W ∗ = i 21L11 ⁄ 2 + i 22L22 ⁄ 2 ± i1i2M , (1.105)
Pýì = −Pýìm sin2ωt = −0,5Pýìm(1 − cos2ωt) , (1.111)
ãäå L11 è L22 – ñòàòè÷åñêèå ñàìîèíäóêòèâíîñòè êîíòóðîâ 1 è 2; M = L12 = L21 – còàòè÷åñêàÿ âçàèìîèíäóêòèâíîñòü ýòèõ êîíòóðîâ. Çíàê ”+” ïåðåä ïîñëåäíèì ÷ëåíîì â (1.105) ñîîòâåòñòâóåò ñîãëàñíîìó âêëþ÷åíèþ êîíòóðîâ, à çíàê –” – âñòðå÷íîìó. ” Äëÿ ëèíåéíîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû ñ îäíîé îáìîòêîé âîçáóæäåíèÿ
ãäå àìïëèòóäíîå çíà÷åíèå ñèëû Pýìm = 0,5ψm(dIm ⁄ dx) = ψ (dI ⁄ dx). (1.112)  (1.112) ψ è I – äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ ïîòîêîñöåïëåíèÿ è òîêà, îïðåäåëÿåìûå èç âûðàæåíèé
(1.106)
ãäå i è ψ – ñîîòâåòñòâåííî òîê è ïîòîêîñöåïëåíèå îáìîòêè. Ïðè íåèçìåííîì òîêå â îáìîòêå è ëèíåéíîé ìàãíèòíîé ñèñòåìå èç (1.100 ) è (1.106 ) ñëåäóåò
ψ = E ⁄ ω = E ⁄ 2πf ;
(1.113)
E=√ U 2 − (IR )2 ,
(1.114)
ãäå E è U – äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ ÝÄÑ îáìîòêè è íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ, R – àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå öåïè îáìîòêè. Ñðåäíåå çíà÷åíèå ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû çà ïåðèîä T
Pýì = 0,5i (dψ ⁄ dx) = 0,5i2(dL ⁄ dx) =
T
Pýì.ñð = (1 ⁄ T )∫Pýìdt = 0,5Pýìm = 0,5ψ(dI ⁄ dx).(1.115) Èç (1.111) è (1.115) ñëåäóåò
(i = const)
= 0,5F 2(dΛΣψ ⁄ dx) ,
(1.110)
(ψ = const)
∑ imLkm = i1Lk1 = i2Lk2 ;
W = W ∗ = iψ ⁄ 2 ,
(1.109)
Ñîîòâåòñòâåííî, âûðàæåíèå äëÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ìîìåíòà
(1.104)
Íàïðèìåð, äëÿ ñèñòåìû, ñîñòîÿùåé èç äâóõ êîíòóðîâ:
n
(1.108)
(i = const)
Pýì = −Pýì.ñð(1 − cos2ωt).
(1.107) 38
(1.116)
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ãäå qx, qy, qz – åäèíè÷íûå âåêòîðû (îðòû) ñîîòâåòñòâåííî ïî îñÿì x, y, z; Tnx , Tny, Tnz – ñîñòàâëÿþùèå Tn ïî ýòèì îñÿì. Òîãäà Pýì = qxPýìx + qyPýìy + qzPýìz , ãäå
Pýìx =
∫
TnxdS ; Pýìy =
S
Pýìz =
Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî
∫
∫
(1.120)
TnydS ;
S
TnzdS .
(1.121)
S
Tn = (BBn − 0,5B2n ) ⁄ µr µ0 .
(1.122)
Âûðàæåíèå (1.122) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ôîðìóëó Ìàêñâåëëà äëÿ íàòÿæåíèÿ. Èç âûðàæåíèé (1.117) è (1.122) ñëåäóåò ôîðìóëà Ìàêñâåëëà äëÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû Pýì = (1 ⁄ µr µ0)
 ôîðìóëàõ (1.122) è (1.123) B – âåêòîð ìàãíèòíîé èíäóêöèè â ðàññìàòðèâàåìîé òî÷êå ïîâåðõíîñòè S; µr µ0 = µa – àáñîëþòíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ñðåäû â ýòîé òî÷êå (â âîçäóõå µr = 1); n – åäèíè÷íûé íîðìàëüíûé âåêòîð (íîðìàëüíûé îðò) ê òîé ÷àñòè ïîâåðõíîñòè, íà êîòîðóþ äåéñòâóåò íàòÿæåíèå Tn; Bn è B – ñîîòâåòñòâåííî íîðìàëüíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ è ìîäóëü âåêòîðà B.  ñèñòåìå êîîðäèíàò x, y, z
Ìåòîä ðàñ÷åòà ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû ïî èçìåíåíèþ ìàãíèòíîé ýíåðãèè èëè ìàãíèòíîé êîýíåðãèè öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü, êîãäà ìàãíèòíîå ïîëå ñèñòåìû ìîæíî âûðàçèòü àíàëèòè÷åñêè, â ÷àñòíîñòè, ïðè îïèñàíèè ïðîöåññîâ â ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèñòåìå óðàâíåíèÿìè ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ öåïåé. â) Îïðåäåëåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû ïî íàòÿæåíèþ â ìàãíèòíîì ïîëÿ Ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà Pýì ïðåäñòàâëÿåòñÿ êàê ñóììà ýëåìåíòàðíûõ ñèë íàòÿæåíèÿ dPýì, äåéñòâóþùèõ èçâíå íà êàæäûé ýëåìåíò dS ïîâåðõíîñòè S, îõâàòûâàþùåé îáúåì V â îáëàñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ (ðèñ.1.26) [103]:
∫
dPýì =
S
ãäå
∫
TndS,
(BBn − 0,5B2n ) dS . (1.123)
S
Ðèñ. 1.26. Âûðàæåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëûPýì , äåéñòâóþùåé íà îáúåì V â îáëàñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ÷åðåç íàòÿæåíèå Tn
Pýì =
∫
B = qxBx + qyBy + q zBz ;
(1.124)
n = q xcos(n,q x) + qycos(n,q y) = q zcos(n,q z) ; (1.125) Bn = nB = Bxcos(n,qx) + Bycos(n,qy) + + Bzcos(n,qz) .
(1.126)
Ïîñëå ïîäñòàíîâêè (1.124)–(1.126) â (1.122) ñ ó÷åòîì (1.119) ïîëó÷àåì:
(1.117)
S
Tnx = [(B 2x − 0,5B 2)cos(n,qx) + BxBycos(n,qy) + Tn = lim(∆Pýì ⁄ ∆S )
(∆ → 0)
(1.118)
+ BxBzcos(n ,qz)] ⁄ µr µ0 ; Tny = [ByBxcos(n,qx) + (B 2y − 0,5B 2)cos(n,q y) +
– íàòÿæåíèå, ïðåäñòàâëÿþùåå ñîáîé ñèëó, äåéñòâóþùóþ èçâíå íà åäèíèöó ïîâåðõíîñòè. Ýëåìåíòàðíàÿ ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà dPýì çàâèñèò íå òîëüêî îò ðàçìåðà ýëåìåíòà dS, íî è îò åãî îðèåíòàöèè, ò. å. ðàñïîëîæåíèÿ åãî öåíòðà îòíîñèòåëüíî ñèñòåìû êîîðäèíàò (çäåñü ïðèíèìàåì äåêàðòîâó ñèñòåìó ) è íàïðàâëåíèÿ âíåøíåé íîðìàëè n ê ýòîìó ýëåìåíòó ( ðèñ.1.26). Â âûáðàííîé ñèñòåìå êîîðäèíàò Tn = qxTnx + q yTny + qzTnz ,
+ ByBzcos(n,qz)] ⁄ µr µ0 ; Tnz = [BzBxcos(n,q x) + BzBycos(n,q y) + + (B 2z − 0,5B 2)cos(n,q z)] ⁄ µr µ0 .
(1.127)
 ñëó÷àå, êîãäà ïîâåðõíîñòü S ðàçäåëÿåò îáúåì V (ðèñ.1.26), çàïîëíåííûé ôåððîìàãíåòèêîì ñ µr = ∞, è âîçäóøíóþ ñðåäó (µr = 1), âåêòîð B íàïðàâëåí ïî n; ñ ó÷åòîì ýòîãî èç (1.117) è (1.122): Pýì = 0,5(1 ⁄ µ0)
(1.119)
∫ S
39
B 2ndS .
(1.128)
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Åñëè íà êàêîé-òî ïëîùàäè Sk, ÿâëÿþùåéñÿ ÷àñòüþ ïîâåðõíîñòè S ôåððîìàãíèòíîé äåòàëè, ïîëå ìîæíî ñ÷èòàòü ðàâíîìåðíûì (Bk = const), òî ïðè äîïóùåíèè äëÿ ôåððîìàãíåòèêà µr = ∞ íà ýòîò ó÷àñ-
Îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû p ýìv = qxpýìvx + q ypýìvy + qzpýìvz = (J × B) − 0,5H 2∇µa = = (J × B) + 0,5B 2∇(1 ⁄ µa),
òîê äåéñòâóåò ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà
ãäå pýìvx, pýìvy, pýìvz – ñîñòàâëÿþùèå p ýìv ïî îñÿì x, y, z; J – îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü òîêîâ, ðàñïðåäåëåííûõ â îáúåìå dV (ðèñ.1.27). Èç (1.132) ñëåäóåò, ÷òî âòîðàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ îáúåìíîé ïëîòíîñòè ñèëû ïðîïîðöèîíàëüíà êâàäðàòó íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ, êîëëèíåàðíà ãðàäèåíòó µa è íàïðàâëåíà ïî îòíîøåíèþ ê íåìó â ïðîòèâîïîëîæíóþ ñòîðîíó, ò. å â ñòîðîíó óìåíüøåíèÿ ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè. Ôîðìóëó (1.132) òàêæå ìîæíî íàçâàòü ôîðìóëîé Ìàêñâåëëà äëÿ îáúåìíîé ïëîòíîñòè ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû, òàê êàê îíà èì âïåðâûå âûâåäåíà äëÿ ñîñòàâëÿþùèõ ýòîé ïëîòíîñòè. Ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû, ïðèëîæåííîé ê ýëåìåíòó dS ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà Sð ìåæäó ñðåäàìè 1 è 2 (ðèñ.1.28):
Pýì = 0,5(1 ⁄ µ0)∫ B 2kdS = 0,5(1 ⁄ µ0)B 2kSk = Sk
= 0,5(1 ⁄ µ0)Φ 2k ⁄ Sk ,
(1.129)
ãäå ìàãíèòíûé ïîòîê Φk = BkSk. Äëÿ ïîäàâëÿþùåãî áîëüøèíñòâà ïðàêòè÷åñêèõ çàäà÷, âñòðå÷àþùèõñÿ ïðè àíàëèçå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, äîïóñòèìî ïðèáëèæåííî èñïîëüçîâàòü ôîðìóëû (1.128) è (1.129) óæå ïðè µr > 100, â ÷åì ìîæíî óáåäèòüñÿ, ðåøèâ çàäà÷è (1.13, 1.15 è 5.13 â [101]. Ñóììèðóÿ ýëåìåíòàðíûå ìîìåíòû dMýì = [r dPýì ] îòíîñèòåëüíî öåíòðà êîîðäèíàò O (ðèñ.1.26), íàéäåì âûðàæåíèå äëÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ìîìåíòà, äåéñòâóþùåãî íà îáúåì V îòíîñèòåëüíî ýòîãî öåíòðà. Mýì =
∫
p ýìs = 0,5n 2[H 2τ (µa1 − µa2) + + B 2n(1 ⁄ µa2 − 1 ⁄ µa1)] ,
[rTn]dS = qxMýìx + qyMýìy + qzMýìz , (1.130)
S
ãäå Mýìx = qxMýì =
∫ ∫
(yTnz − zTny)dS ; (zTnx − xTnz)dS ;
S
Mýìz = q zMýì =
∫
(xTny − yTnx)dS −
S
– ñîñòàâëÿþùèå ìîìåíòà îòíîñèòåëüíî îñåé x, y è z. ã) Îïðåäåëåíèå ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû ïî å¸ îáúåìíîé è ïîâåðõíîñòíîé ïëîòíîñòÿì â ìàãíèòíîì ïîëå Ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà, äåéñòâóþùàÿ íà ôåððîìàãíåòèê îáúåìîì V, îïðåäåëÿåòñÿ ýòèì ñïîñîáîì [103] ïî ôîðìóëå Pýì = ∫p ýìv dV + ∫p ýìs dS , V
(1.133)
ãäå n2 – íîðìàëü, âíåøíÿÿ ïî îòíîøåíèþ ê ñðåäå 1; µa1 è µa2 – ìàãíèòíûå ïðîíèöàåìîñòè â ñðåäàõ 1 è 2; H 2τ = H 2τ1 = H 2τ2 è B 2n = B 2n1 = B 2n2 – êâàäðàòû òàíãåíöèàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ íàïðÿæåííîñòè è íîðìàëüíûå ñîñòàâëÿþùèå èíäóêöèè íà ýëåìåíòå dS ïîâåðõíîñòè Sð. Ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû, äåéñòâóþùàÿ íà ãðàíèöå ìåæäó ñðåäàìè, âñåãäà íàïðàâëåíà ïî íîðìàëè â ñòîðîíó ñðåäû ñ ìåíüøåé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ. Ïðåäïîëîæèì, íàïðèìåð, ÷òî ñðåäà 1 – ôåððîìàãíåòèê, à ñðåäà 2 – âîçäóõ (ðèñ.1.28). Òîãäà µa2 < µa1, çíà÷å-
S
Mýìy = q yMýì =
(1.132)
(1.131)
Sp
ãäå p ýìv – îáúåìíàÿ ïëîòíîñòü ñèëû â ïðåäåëàõ îáúåìà, â êîòîðîì íåò ðàçðûâà ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè (íåò ãðàíèö ìåæäó ñðåäàìè ñ ðàçëè÷íûìè ìàãíèòíûìè ïðîíèöàåìîñòÿì); pýìs – ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü ñèëû íà ïîâåðõíîñòÿõ ðàçðûâà ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè, íàïðèìåð, íà ãðàíèöå ìåæäó ôåððîìàãíåòèêîì è âîçäóõîì; Sð – ñóììà ïîâåðõíîñòåé ðàçðûâà ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè â ïðåäåëàõ îáúåìà V.
Ðèñ. 1.27. Îïðåäåëåíèå îáúåìíîé ïëîòíîñòè ñèëû pýìv
40
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
äëÿ ïîâåðõíîñòíîé ïëîòíîñòè ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû. Ñ ó÷åòîì îáúåìíîé è ïîâåðõíîñòíîé ïëîòíîñòåé ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû äåéñòâóþùèé íà âûäåëåííûé îáúåì V ýëåêòðîìàãíèòíûé ìîìåíò Mýì = ∫(r × p ýìv)dV + V
∫
(r × p ýìs)dS . (1.134)
Sp
Ôîðìóëû Ìàêñâåëëà, ïðèâåäåííûå â ìåòîäàõ â) è ã) ñïðàâåäëèâû äëÿ ëèíåéíûõ è íåëèíåéíûõ èçîòðîïíûõ áåçãèñòåðåçèñíûõ ñðåä è ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû äëÿ ðàñ÷åòà ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèë è ìîìåíòîâ ìàãíèòíîé ñèñòåìû ïðîèçâîëüíîé ôîðìû ïðè óñëîâèè, ÷òî ïðåäâàðèòåëüíî ïðîâåäåí ðàñ÷åò å¸ ìàãíèòíîãî ïîëÿ (ñì., íàïðèìåð, [15]).
Ðèñ. 1.28. Îïðåäåëåíèå ïîâåðõíîñòíîé ïëîòíîñòè ñèëû pýìs
íèå â êâàäðàòíûõ ñêîáêàõ â (1.133) ïîëîæèòåëüíî è ïëîòíîñòü ñèëû pýìs íàïðàâëåíà ïî íîðìàëè n2, ò. å. â ñòîðîíó âîçäóõà. Ôîðìóëà (1.133) âûòåêàåò èç ôîðìóëû (1.132), ïîýòîìó å¸ ìîæíî íàçâàòü ôîðìóëîé Ìàêñâåëëà
1.3.4. ÌÀÃÍÈÒÍÀß ÑÈÑÒÅÌÀ È ÌÀÃÍÈÒÍÀß ÖÅÏÜ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
æóùàÿ ñèëà (ÌÄÑ), ðàçíîñòü ñêàëÿðíûõ ìàãíèòíûõ ïîòåíöèàëîâ (ìàãíèòíîå íàïðÿæåíèå), ìàãíèòíûé ïîòîê, ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü, ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå. Ýòè ïîíÿòèÿ ôîðìàëüíî àíàëîãè÷íû, ñîîòâåòñòâåííî, ïîíÿòèÿì ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà, ýëåêòðè÷åñêîå íàïðÿæåíèå, òîê ïðîâîäèìîñòè è ñîïðîòèâëåíèå ýëåêòðè÷åñêîé öåïè. Àíàëîãèÿ ìåæäó ýëåêòðè÷åñêèìè è ìàãíèòíûìè öåïÿìè ôîðìàëüíà. Íàïðèìåð, óäåëüíàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîâîäèìîñòü ïðîâîäíèêîâ ïðèìåðíî â 1010÷1020 ðàç âûøå ÷åì ó èçîëÿòîðîâ, òîãäà êàê ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ìàãíèòîìÿãêèõ ìàòåðèàëîâ îáû÷íî òîëüêî â 103÷106 ðàç áîëüøå ÷åì ó íåìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ. Ìàãíèòíûå öåïè áîëüøèíñòâà ìàãíèòíûõ ñèñòåì ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ðàçîìêíóòû íåìàãíèòíûìè çàçîðàìè, êîòîðûå, îäíàêî, íå ïðåðûâàþò ìàãíèòíûé ïîòîê, à òîëüêî óâåëè÷èâàþò ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå íà åãî ïóòè. Èçîëÿöèîííûé æå ïðîìåæóòîê â ýëåêòðè÷åñêîé öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà ïðàêòè÷åñêè ïðåðûâàåò òîê. Ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü çàâèñèò îò ïîòîêà, à ýëåêòðè÷åñêàÿ óäåëüíàÿ ïðîâîäèìîñòü ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò òîêà (áåç ó÷åòà íàãðåâà ïðîâîäíèêà). Ýòè îòëè÷èÿ äåëàþò ðàñ÷åòû ìàãíèòíûõ öåïåé áîëåå ñëîæíûìè ÷åì ðàñ÷åòû ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé. Ìàãíèòíûå öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà. Äëÿ àíàëèçà è ðàñ÷åòà ìàãíèòíûõ öåïåé ïîñòîÿííîãî òîêà èñïîëüçóþòñÿ òðè çàêîíà: ïåðâûé è âòîðîé çàêîíû Êèðõãîôà è çàêîí Îìà äëÿ ìàãíèòíûõ öåïåé. Ïåðâûé çàêîí Êèðõãîôà. Àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ Ô â óçëå ìàãíèòíîé öåïè ðàâíà íóëþ
Ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà – ýòî ñîâîêóïíîñòü ïðîâîäíèêîâ ñ òîêîì (èëè ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ) è (ïðè íåîáõîäèìîñòè) ìàãíèòîìÿãêèõ ýëåìåíòîâ, ïðåäíàçíà÷åííàÿ äëÿ ñîçäàíèÿ çàäàííîé êîíôèãóðàöèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ è åãî çíà÷åíèÿ â îïðåäåëåííîì ìåñòå ïðîñòðàíñòâà. Ìàãíèòîìÿãêèå ýëåìåíòû ìàãíèòíîé ñèñòåìû îáðàçóþò ìàãíèòîïðîâîä, êîòîðûé ñëóæèò äëÿ óìåíüøåíèÿ ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïîòîêó è ïîäâåäåíèÿ åãî ê òîìó ìåñòó ïðîñòðàíñòâà, ãäå ïîòîê èñïîëüçóåòñÿ. Ðàñ÷åò ïîëÿ ìàãíèòíîé ñèñòåìû îñóùåñòâëÿåòñÿ ëèáî íåïîñðåäñòâåííî ìåòîäàìè òåîðèè ïîëÿ (ïîëåâûå ìåòîäû), ëèáî ìåòîäàìè òåîðèè öåïåé, âûòåêàþùèìè èç òåîðèè ïîëÿ. Ïîëå ïîäàâëÿþùåãî áîëüøèíñòâà ìàãíèòíûõ ñèñòåì ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ òðåõìåðíî. Ðàñ÷åò òðåõìåðíûõ ïîëåé ïîëåâûìè ìåòîäàìè îáû÷íî ñâÿçàí ñî çíà÷èòåëüíûìè îáúåìàìè âû÷èñëèòåëüíûõ ðàáîò. Íî ýòè ìåòîäû áîëåå óíèâåðñàëüíû, äàþò âîçìîæíîñòü, åñëè òðåáóåòñÿ, òî÷íåå ðåøèòü çàäà÷ó, ÷åì ìîãóò îáåñïå÷èòü ìåòîäû òåîðèè öåïåé. Ïîýòîìó âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ èõ öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü êàê ìàòåìàòè÷åñêèå ìîäåëè âûñîêîãî óðîâíÿ, êîãäà óæå ïðåäâàðèòåëüíî ñóùåñòâåííî ñóæåíà îáëàñòü ïîèñêà ðàçìåðîâ ìàãíèòíîé ñèñòåìû è íåîáõîäèìî òîëüêî îòøëèôîâàòü” ïðîåêòèðîâàíèå. ” Ìåòîäû òåîðèè öåïåé øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ è áóäóò ïðèìåíÿòüñÿ â îáîçðèìîì áóäóùåì, îñîáåííî íà ïåðâûõ ñòàäèÿõ ïðîåêòèðîâàíèÿ. Ìàãíèòíàÿ öåïü – ýòî óïðîùåííîå ïðåäñòàâëåíèå î ìàãíèòíîé ñèñòåìå è åå ìàãíèòíîì ïîëå, ïðè êîòîðîì ýëåêòðîìàãíèòíûå ïðîöåññû îïèñûâàþòñÿ óðàâíåíèÿìè, ñîäåðæàùèìè ïîíÿòèÿ: ìàãíèòîäâè-
∑Φ = 0 . 41
(1.135)
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
îïðåäåëåíèÿ ìàãíèòíûõ ïðîâîäèìîñòåé ó÷àñòêîâ íåìàãíèòíîãî ïðîñòðàíñòâà, îêðóæàþùåãî ìàãíèòíóþ ñèñòåìó. Ðàññìîòðèì íåêîòîðóþ ïðîèçâîëüíóþ òðóáêó ìàãíèòíîãî ïîòîêà â âîçäóõå (ðèñ. 1.29), ìåæäó êîíöàìè êîòîðîé äåéñòâóåò ìàãíèòíîå íàïðÿæåíèå Uì = ϕì1 − ϕì2, ãäå ϕì1 è ϕì2 – ñêàëÿðíûå ìàãíèòíûå ïîòåíöèàëû êîíöîâ òðóáêè. Ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü ýëåìåíòàðíîãî ó÷àñòêà ýòîé òðóáêè ñ ïëîùàäüþ dS è äëèíîé dl ñîãëàñíî (1.137 )
Ïîòîê, âõîäÿùèé â óçåë, áåðåòñÿ ñ îäíèì çíàêîì, à âûõîäÿùèé èç óçëà – ñ äðóãèì. Ïåðâûé çàêîí Êèðõãîôà äëÿ ìàãíèòíîé öåïè âûòåêàåò èç óñëîâèÿ íåïðåðûâíîñòè ëèíèé ìàãíèòíîé èíäóêöèè: B dS = 0, ãäå B – ìàãíèòíàÿ èíäóê-
∫
S
öèÿ; S – ïëîùàäü íåêîòîðîé çàìêíóòîé ïîâåðõíîñòè. Âòîðîé çàêîí Êèðõãîôà. Àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà ìàãíèòíûõ íàïðÿæåíèé íà ìàãíèòíûõ ñîïðîòèâëåíèÿõ ëþáîãî ïðîèçâîëüíî âûáðàííîãî çàìêíóòîãî êîíòóðà îáõîäà ðàâíà àëãåáðàè÷åñêîé ñóììå ÌÄÑ, äåéñòâóþùèõ â ýòîì êîíòóðå
∑Uì = ∑ F ,
∆Λ =
(1.136)
B dS Hdl
.
(1.138)
Òîãäà ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü âñåé òðóáêè
ãäå Uì – ìàãíèòíîå íàïðÿæåíèå íà ñîïðîòèâëåíèè ó÷àñòêà êîíòóðà; F – ÌÄÑ, äåéñòâóþùàÿ â ýòîì êîíòóðå. Åñëè íàïðàâëåíèå îáõîäà êîíòóðà ñîâïàäàåò ñ äåéñòâèòåëüíûì èëè óñëîâíî ïðèíèìàåìûì (êîãäà îíî íå î÷åâèäíî) ïîëîæèòåëüíûì íàïðàâëåíèåì ìàãíèòíîãî íàïðÿæåíèÿ, òî ýòî íàïðÿæåíèå ïîäñòàâëÿåòñÿ ñî çíàêîì ïëþñ, åñëè íå ñîâïàäàåò, òî ñî çíàêîì ìèíóñ. Ïîëîæèòåëüíîå íàïðàâëåíèå ìàãíèòíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ìàãíèòíîì ñîïðîòèâëåíèè ñîâïàäàåò ñ ïîëîæèòåëüíûì íàïðàâëåíèåì ïîòîêà â ýòîì ñîïðîòèâëåíèè. Åñëè íàïðàâëåíèå ÌÄÑ ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì îáõîäà, òî îíî ïîäñòàâëÿåòñÿ ñî çíàêîì ïëþñ, åñëè íå ñîâïàäàåò, òî ñî çíàêîì ìèíóñ. Îïðåäåëåíèå â ðåçóëüòàòå ðàñ÷åòîâ êàêîé-ëèáî âåëè÷èíû ñ ïëþñîì îçíà÷àåò, ÷òî ïðåäâàðèòåëüíî ïðèíÿòîå óñëîâíî ïîëîæèòåëüíîå íàïðàâëåíèå ñîâïàäàåò ñ äåéñòâèòåëüíûì; åñëè æå ñ ìèíóñîì, òî îíî ïðîòèâîïîëîæíî äåéñòâèòåëüíîìó. Âòîðîé çàêîí Êèðõãîôà äëÿ ìàãíèòíîé öåïè âûòåêàåò èç çàêîíà ïîëíîãî òîêà: H d l = ∑ I, ãäå
Λ=
∫ B dS
S
l
∫Hdl
,
(1.139)
ãäå B è H – ñîîòâåòñòâåííî âåêòîðû ìàãíèòíîé èíäóêöèè è íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ; S – ïëîùàäü ïðîèçâîëüíîãî ñå÷åíèÿ òðóáêè, â êîòîðîì ïðîèçâîäèòñÿ ðàñ÷åò ïîòîêà Φ ïî èíäóêöèè B; l – äëèíà ëèíèè ìàãíèòíîé èíäóêöèè, ïî êîòîðîé ðàññ÷èòûâàåòñÿ öèðêóëÿöèÿ H, ðàâíàÿ Uì. Åñëè ìàãíèòíîå ïîëå â âîçäóõå îïðåäåëåíî âåêòîðíûì ìàãíèòíûì ïîòåíöèàëîì A, òî ñ ó÷åòîì B = rot A = µ0H è òåîðåìû Ñòîêñà ( rotA d S = A d l1 )
∫
S
∫
l1
µ0
Λ= l
∫
∫Adl
1
l1
∫ rotA d l
,
(1.140)
ãäå l1 – êîíòóð, îãðàíè÷èâàþùèé ñå÷åíèå S.
l
H – íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ âäîëü çàìêíóòîãî êîíòóðà îáõîäà äëèíîé l : ∑ I – àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà òîêîâ, ïðîíèçûâàþùèõ ýòîò êîíòóð. Çàêîí Îìà äëÿ ó÷àñòêà ìàãíèòíîé öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà
Φ=
Uì
Rì
= UìΛ ,
(1.137)
ãäå Rì – ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå ó÷àñòêà ìàãíèòíîé öåïè; Λ – ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü ýòîãî ó÷àñòêà. Çàêîí Îìà äëÿ ìàãíèòíîé öåïè âûòåêàåò èç çàêîíà ïîëíîãî òîêà ñ ó÷åòîì (1.136). Òî÷íîñòü ðàñ÷åòà ìàãíèòíîé ñèñòåìû ìåòîäàìè öåïåé â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè çàâèñèò îò òî÷íîñòè
Ðèñ. 1.29. Îïðåäåëåíèå ìàãíèòíîé ïðîâîäèìîñòè ïðîèçâîëüíîé òðóáêè ìàãíèòíîãî ïîòîêà
42
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Ðàññìîòðèì ìàãíèòíóþ ñèñòåìó ïðÿìîõîäîâîãî ýëåêòðîìàãíèòà, èçîáðàæåííóþ íà ðèñ. 1.30,à. Åå ìàãíèòîïðîâîä ñîñòîèò èç ïîäâèæíîãî ýëåìåíòà – ÿêîðÿ 1 – è íåïîäâèæíîãî ñåðäå÷íèêà 2. Ïîñëåäíèé èìååò äâå âåðòèêàëüíûå ÷àñòè è îäíó ñîåäèíÿþùóþ èõ âíèçó ãîðèçîíòàëüíóþ ÷àñòü – ÿðìî. ßêîðü îòäåëåí îò ñåðäå÷íèêà äâóìÿ âîçäóøíûìè çàçîðàìè δ1 è δ2, íàçûâàåìûìè ðàáî÷èìè çàçîðàìè. Èìåííî èç-çà èçìåíåíèÿ ýòèõ çàçîðîâ ïðîèñõîäèò ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè è îáåñïå÷èâàåòñÿ ôóíêöèîíèðîâàíèå àïïàðàòà. Êðîìå ðàáî÷èõ çàçîðîâ â ìàãíèòíîé ñèñòåìå ìîãóò ïðèñóòñòâîâàòü ïàðàçèòíûå (íåìàãíèòíûå, âîçäóøíûå) çàçîðû, îáóñëîâëåííûå îñîáåííîñòÿìè êîíñòðóêöèè è òåõíîëîãè÷åñêèìè óñëîâèÿìè åå âûïîëíåíèÿ. Ìàãíèòíîå ïîëå ñîçäàåòñÿ òîêîì â îáìîòêå 3, îõâàòûâàþùåé ëåâóþ âåðòèêàëüíóþ ÷àñòü ñåðäå÷íèêà. Íàïðàâëåíèå òîêà ïîêàçàíî êðåñòèêîì (îò íàñ) è òî÷êîé (ê íàì) íà ïîïåðå÷íîì ñå÷åíèè îáìîòêè. Òîê è ëèíèè ìàãíèòíîé èíäóêöèè ñîçäàâàåìûõ èì ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ, îáðàçóþò ïðàâîâèíòîâóþ ñèñòåìó.  äàëüíåéøåì ìàãíèòíûé ïîòîê, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç ðàáî÷èå çàçîðû, áóäåì íàçûâàòü óñëîâíî ðàáî÷èì ïîòîêîì, à îñòàëüíûå ïîòîêè – ïîòîêàìè ðàññåÿíèÿ. Íà ðèñ. 1.30,a ïðåäñòàâëåíà êàðòèíà ïîëÿ ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû [21]. Ââåäåì ðÿä óïðîùåíèé â ðàññìàòðèâàåìóþ ìàãíèòíóþ ñèñòåìó è åå ìàãíèòíîå ïîëå – ðèñ. 1.30,á. Îáìîòêó ïðåäñòàâèì â âèäå áåñêîíå÷íî òîíêîé ëåíòû 3 äëèíîé lîá, ðàñïîëîæåííîé íåïîñðåäñòâåííî íà ëåâîé âåðòèêàëüíîé ÷àñòè ñåðäå÷íèêà äëèíîé lñ è ïðèìåì lîá = lñ. Ïðè óêàçàííûõ ïðåäñòàâëåíèè è ðàçìåùåíèè îáìîòêè èñ÷åçàþò ïîòîêè ðàññåÿíèÿ Φâ.í è Φâ.â (ðèñ. 1.30,à). Ïðåíåáðåæåì òàêæå íà” ðóæíûì” ïîòîêîì ðàññåÿíèÿ Φñ.í, ñ÷èòàÿ åãî ñóùåñòâåííî ìåíüøèì àíàëîãè÷íîãî âíóòðåííåãî” ïî” òîêà ðàññåÿíèÿ Φñ.â (ðèñ. 1.30,à). Ïîëå ïîñëåäíåãî ïðèìåì ïëîñêîïàðàëëåëüíûì è îãðàíè÷åííûì ñâåðõó ãîðèçîíòàëüíîé øòðèõîâîé ëèíèåé. Áóäåì òàêæå ñ÷èòàòü, ÷òî ðàáî÷èé ïîòîê ïðîõîäèò èç ñåðäå÷íèêà â ÿêîðü â çàçîðå δ1 è äàëåå èç ÿêîðÿ â ñåðäå÷íèê â çàçîðå δ2 òîëüêî â ïðåäåëàõ òîðöîâ ñåðäå÷íèêà, ïðè÷åì îáëàñòè ïðîõîæäåíèÿ ýòîãî ïîòîêà â îáîèõ çàçîðàõ ñ÷èòàåì îäèíàêîâûìè; äëÿ óïðîùåíèÿ ðàñ÷åòà ìàãíèòíûõ ïðîâîäèìîñòåé ýòèõ îáëàñòåé ([17–20]) îãðàíè÷èì èõ â ïëîñêîñòè ÷åðòåæà ÷àñòÿìè îêðóæíîñòè. Âûäåëèì ýëåìåíòàðíóþ òðóáêó ïîòîêà ðàññåÿíèÿ, óäàëåííóþ íà ðàññòîÿíèå õ îò ÿðìà (ðèñ.1.30,â).  îáùåì ñëó÷àå ïîòîê, ïðîòåêàþùèé ïî ýòîé òðóáêå, dΦdx = Uìdx λdx dx , (1.143)
Èç (1.139) è (1.140) ñëåäóåò, ÷òî äëÿ îïðåäåëåíèÿ Λ â îáùåì ñëó÷àå íåîáõîäèìî çíàòü âåêòîðíûå õàðàêòåðèñòèêè ïîëÿ. Ýòî ñâÿçàíî ñ ðåøåíèåì ñîîòâåòñòâóþùåé ãðàíè÷íîé çàäà÷è, ÷òî îñóùåñòâèòü àíàëèòè÷åñêè ÷àùå âñåãî íåâîçìîæíî è ïðèõîäèòñÿ èñïîëüçîâàòü ÷èñëåííûå èëè äðóãèå ïðèáëèæåííûå ìåòîäû, ñ êîòîðûìè ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â [17–20]. Äëÿ ïðîñòåéøåãî ðàñïðåäåëåíèÿ ïîëÿ – ïëîñêîïàðàëëåëüíîãî ó÷àñòêà ïëîùàäüþ S è äëèíîé l, èìåÿ â âèäó, ÷òî äëÿ òàêîãî ïîëÿ â ïðåäåëàõ âñåãî ó÷àñòêà B = µ0 H = const, èç (1.139) ñëåäóåò, Λ=
µ0S l
.
(1.141)
Ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå ó÷àñòêà ìàãíèòîïðîâîäà ñ ïîñòîÿííîé ïëîùàäüþ ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ S è äëèíîé l Rì.ì =
l µàS
=
ρì l . S
(1.142)
Çäåñü µà è ρì = 1 ⁄ µà – ñîîòâåòñòâåííî àáñîëþòíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü è óäåëüíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà. Ïðè èñïîëüçîâàíèè ìåòîäîâ ðàñ÷åòà öåïåé ïîñòóïàþò ñëåäóþùèì îáðàçîì. 1. Àíàëèçèðóþò êà÷åñòâåííîå (íî ïîëíîå) ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ â ìàãíèòíîé ñèñòåìå. 2. Ðåàëüíóþ êîíôèãóðàöèþ ïîëÿ çàìåíÿþò óïðîùåííîé êîíôèãóðàöèåé, ñîñòîÿùåé èç îòäåëüíûõ ó÷àñòêîâ, äîñòàòî÷íî ïðîñòî îïèñûâàåìûõ ìàòåìàòè÷åñêè; íåêîòîðûìè ó÷àñòêàìè ïðåíåáðåãàþò; âèõðåâûå îáëàñòè ïîëÿ ÷àñòî çàìåíÿþò áåçâèõðåâûìè, äëÿ ÷åãî îáúåìíîå ðàñïðåäåëåíèå òîêîâ ïðèâîäÿò ê áåñêîíå÷íî òîíêîé ëåíòå èëè íèòè. 3. Ñîñòàâëÿþò ìàãíèòíóþ öåïü. 4. Íàõîäÿò ìàãíèòíûå ïðîâîäèìîñòè (èëè ìàãíèòíûå ñîïðîòèâëåíèÿ) îòäåëüíûõ ó÷àñòêîâ ïîëÿ â âîçäóõå è äðóãèõ íåôåððîìàãíèòíûõ ó÷àñòêàõ. 5. Ïðîâîäÿò ðàñ÷åò ìàãíèòíîé öåïè ñ ó÷åòîì èëè áåç ó÷åòà ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà. Ïðè ðàñ÷åòå ìàãíèòíîé öåïè ðåøàåòñÿ îáû÷íî îäíà èç äâóõ çàäà÷: ïðÿìàÿ èëè îáðàòíàÿ.  ïðÿìîé çàäà÷å èçâåñòíûì ÿâëÿåòñÿ ìàãíèòíûé ïîòîê Φ (èëè ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ B) íà íåêîòîðîì ó÷àñòêå ìàãíèòíîé ñèñòåìû; òðåáóåòñÿ îïðåäåëèòü ìàãíèòîäâèæóùóþ ñèëó (ÌÄÑ) îáìîòêè F.  îáðàòíîé çàäà÷å çàäàíà ÌÄÑ îáìîòêè; òðåáóåòñÿ îïðåäåëèòü ïîòîê (èëè èíäóêöèþ). Êàê ïðè ïðÿìîé, òàê è ïðè îáðàòíîé çàäà÷àõ èçâåñòíû òàêæå âñå ðàçìåðû ìàãíèòíîé ñèñòåìû è ìàòåðèàë ìàãíèòîïðîâîäà.  ïîäàâëÿþùåì áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ðàñ÷åòû ìàãíèòíûõ öåïåé ïîñòîÿííîãî òîêà ïðîâîäÿò áåç ó÷åòà ãèñòåðåçèñà íàìàãíè÷èâàíèÿ. 43
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Ðèñ. 1.30. Àíàëèç ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ðàñïðåäåëåíèÿ ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ â ìàãíèòíîé ñèñòåìå ïîñòîÿííîãî òîêà: à – êàðòèíà ìàãíèòíîãî ïîëÿ; á – óïðîùåííàÿ ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà; â – ñõåìà ïîòîêîðàñïðåäåëåíèÿ; ã-æ – ýïþðû èçìåíåíèÿ ñîîòâåòñòâåííî ÷èñëà âèòêîâ îáìîòêè, ðàçíîñòè ìàãíèòíûõ ïîòåíöèàëîâ, ïîòîêà ðàññåÿíèÿ è ïîòîêà â ìàãíèòîïðîâîäå
ãäå Uìdx è λdx – ñîîòâåòñòâåííî ìàãíèòíîå íàïðÿæåíèå íà ýëåìåíòàðíîé òðóáêå (ìåæäó âåðòèêàëüíûìè ÷àñòÿìè ñåðäå÷íèêà) è óäåëüíàÿ (íà åäèíèöó äëèíû ld) ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü ðàññåÿíèÿ íà ðàññòîÿíèè x îò ÿðìà; dx – øèðèíà òðóáêè. Ïðè ðàâåíñòâå êîíôèãóðàöèé âåðòèêàëüíûõ ÷àñòåé ñåðäå÷íèêà äëÿ ïðèíÿòîé óïðîùåííîé êàðòèíû ïîëÿ (ðèñ. 1.30,á) x
Uìdx =
∫ f dx − Φ x
0
ÿðRì.ÿð
âåííî ìàãíèòíûé ïîòîê â âåðòèêàëüíûõ ÷àñòÿõ ñåðäå÷íèêà è óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå ýòèõ ÷àñòåé íà ðàññòîÿíèè x îò ÿðìà. Çíà÷åíèå óäåëüíîãî ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ rìx =
∫ Φ rì dx . x
õ
=
ρìx Scx
,
(1.145)
ãäå µax, ρìõ è Sñõ – àáñîëþòíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü, óäåëüíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà è ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ âåðòèêàëüíûõ ÷àñòåé ñåðäå÷íèêà íà ðàññòîÿíèè x îò ÿðìà. Ñ ó÷åòîì (1.136) è (1.137) è çàêîíà ïîëíîãî òîêà
x
−2
1 µaxScx
(1.144)
0
Çäåñü fx – óäåëüíàÿ (íà åäèíèöó äëèíû) ÌÄÑ îáìîòêè; Φÿð – ìàãíèòíûé ïîòîê â ÿðìå; Rì.ÿð – ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå ÿðìà; Φx è rìx – ñîîòâåòñò-
x
∫Φr x
0
44
ìxdx =
x
∫ H dx , x
0
(1.146)
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Ãðàôèê ðàñïðåäåëåíèÿ ïîòîêà ΦX âäîëü îñè x äàí íà ðèñ. 1.30,æ. Ïðè x = ld ïîòîê Φx ðàâåí ïîòîêó Φδ, à ïðè x = 0 – ïîòîêó â ÿðìå Φÿð è ïðåäñòàâëÿåò äëÿ ïðèíÿòûõ äîïóùåíèé (â òîì ÷èñëå µa = ∞) ñóììàðíûé ïîòîê ìàãíèòíîé ñèñòåìû
ãäå Hx – íàïðÿæåííîñòü ïîëÿ â âåðòèêàëüíûõ ÷àñòÿõ ñåðäå÷íèêà íà ðàññòîÿíèè x îò ÿðìà. Ñ ó÷åòîì (1.143) è (1.144) ñëåäóåò, ÷òî ïîòîê ðàññåÿíèÿ, óøåäøèé ñ ëåâîé âåðòèêàëüíîé ÷àñòè ñåðäå÷íèêà íà åãî ïðàâóþ ÷àñòü íà ðàññòîÿíèè x, x
Φdx =
xx
∫
Uìdx λdx dx =
0
∫∫ f
x
λdx dx dx −
ΦΣ = Φÿð = F(Λδýê + KÔΛdΣÃ) .
00
x
Çäåñü ΛdΣà = λdld – ñóììàðíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü ïëîñêîïàðàëëåëüíîãî ïîëÿ ðàññåÿíèÿ ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû (ðèñ. 1.30,á,â), îïðåäåëÿåìàÿ òîëüêî åå ãåîìåòðèåé; KÔ= 1/2 – êîýôôèöèåíò ïðèâåäåíèÿ ïî ïîòîêó ìàãíèòíîé ïðîâîäèìîñòè ðàññåÿíèÿ ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû ê ÌÄÑ îáìîòêè F. ×àñòü âûðàæåíèÿ (1.154), çàêëþ÷åííàÿ â ñêîáêè, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñóììàðíóþ ìàãíèòíóþ ïðîâîäèìîñòü ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû, ïðèâåäåííóþ ïî ïîòîêó ΦΣ ê ÌÄÑ îáìîòêè F:
xx
∫
∫∫ Φ r
− ΦÿðRì.ÿð λdxdx − 2 0
x ìx
λdx dx dx . (1.147)
00
Ïðè ïðåíåáðåæåíèè ìàãíèòíûì ñîïðîòèâëåíèåì ìàãíèòîïðîâîäà (µax = ∞ , ρìõ = 0, Rì.ÿð = 0) x
Uìdx =
∫f
x
dx .
(1.148)
0
Ïðè ðàâíîìåðíîì ðàñïðåäåëåíèè âèòêîâ îáìîòêè âäîëü åå äëèíû (ðèñ. 1.30,ã) fx = f = const, èç (1.148) ñëåäóåò Uìdx = f x
ΛΣΦ =
(1.149)
(1.150)
λdld 2
.
Φx = Φδ + (Φd Σ − Φdx) = F Λδýê + Fλd 2
− ld
x
, (1.108)
ãäå Λδýê – ýêâèâàëåíòíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü äâóõ ïîñëåäîâàòåëüíûõ ðàáî÷èõ çàçîðîâ δ1 è δ2. Ñ ó÷åòîì ïðèíÿòîãî äîïóùåíèÿ îá èäåíòè÷íîñòè îáëàñòåé ïîëÿ â ðàáî÷èõ çàçîðàõ Λδýê = 1/Rìδýê = = (Λδ Λδ ) ⁄ (Λδ + Λδ ) = Λδ ⁄ 2, ãäå Rìδýê – ìàãíèòíîå 1
2
1
ld
∫ dΨ
dx
.
(1.156)
(1.157)
ãäå Nx – ÷èñëî âèòêîâ îáìîòêè, îõâàòûâàåìûõ ïîòîêîì dΦdx. Äëÿ ðàâíîìåðíîé íàìîòêè âèòêîâ è lîá = ld èìååì Nx = NΣx ⁄ ld. Òîãäà èç (1.156) ñ ó÷åòîì (1.150) ïîñëå èíòåãðèðîâàíèÿ
2
2
= Λδýê + KΦ ΛdΣÃ , (1.155)
dΨdx = NxdΦdx
Ïîòîê â âåðòèêàëüíûõ ÷àñòÿõ ñåðäå÷íèêà íà ðàññòîÿíèè x (ðèñ. 1.30,â) 2
F
Òàê êàê ëèíèè ìàãíèòíîé èíäóêöèè ðàáî÷åãî ïîòîêà Φδ â ðàññìàòðèâàåìîé óïðîùåííîé ìîäåëè ïîëÿ (ðèñ. 1.30,á) îõâàòûâàþò âñå âèòêè îáìîòêè NΣ, òî Ψδ = NΣΦδ. Äèôôåðåíöèàëüíîå âûðàæåíèå äëÿ ïîòîêîñöåïëåíèÿ ðàññåÿíèÿ
(1.151)
(1.152)
ld
ΦΣ
0
(ðèñ. 1.30,å). Ñóììàðíûé ïîòîê ðàññåÿíèÿ (x = ld) Φd Σ = F
=
Ψ = Ψδ +
è èç (1.147) ïîñëå èíòåãðèðîâàíèÿ ñ ó÷åòîì lîá = ld Φdx = f λd x ⁄ 2 = F λd x2 ⁄ 2ld
1 RìΣΦ
ãäå RìΣΦ – ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå, ñîîòâåòñòâóþùåå ñóììàðíîé ìàãíèòíîé ïðîâîäèìîñòè ΛΣΦ. Îòíîøåíèå ΦΣ ⁄ Φδ = σΣΦ íàçûâàåòñÿ ñóììàðíûì êîýôôèöèåíòîì ðàññåÿíèÿ ìàãíèòíîé ñèñòåìû ïî ïîòîêó. Ñóììàðíîå ïîòîêîñöåïëåíèå ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû
(ñì. ðèñ. 1.30,ä).  óïðîùåííîé êàðòèíå ïîëÿ (ðèñ. 1.30,á) ìû äîïóñòèëè ðàâíîìåðíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ ïîòîêà ðàññåÿíèÿ, ÷òî îçíà÷àåò ïðè ïðåíåáðåæåíèè ìàãíèòíûì ñîïðîòèâëåíèåì ìàãíèòîïðîâîäà λdx = λd = const. Òîãäà èç (1.143) ñ ó÷åòîì (1.149) dΦdx = f λd x dx
(1.154)
ΨΣ = NΣF (Λδýê + KΨΛdΣÃ) . (1.158) Çäåñü KΨ = 1 ⁄ 3 – êîýôôèöèåíò ïðèâåäåíèÿ ïî ïîòîêîñöåïëåíèþ ìàãíèòíîé ïðîâîäèìîñòè ðàññåÿíèÿ ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû ê ÌÄÑ F è ñóììàðíîìó ÷èñëó âèòêîâ NΣ îáìîòêè.
2
ñîïðîòèâëåíèå, ñîîòâåòñòâóþùåå ïðîâîäèìîñòè Λδýê. 45
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
äâóìÿ èç ýòèõ ó÷àñòêîâ ïî âîçäóõó, ïðåäñòàâëÿþò ñîñðåäîòî÷åííûì â âèäå âåòâè ìàãíèòíîé öåïè ñ ñîîòâåòñòâóþùèì ìàãíèòíûì ñîïðîòèâëåíèåì âîçäóøíîãî ïðîìåæóòêà, âêëþ÷åííûì ìåæäó íà÷àëàìè, êîíöàìè èëè ñåðåäèíàìè ýòèõ ó÷àñòêîâ. Èñòèííàÿ ðàñïðåäåëåííàÿ ìàãíèòíàÿ öåïü çàìåíÿåòñÿ ìåíåå ðàñïðåäåëåííîé” – ðàñ÷åòíîé ìàãíèòíîé ” öåïüþ. 2. Ìàãíèòîïðîâîä ñ èçìåíÿþùèìñÿ ïî åãî äëèíå ìàãíèòíûì ïîòîêîì (â ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìå – Φx) çàìåíÿåòñÿ ñóììîé ó÷àñòêîâ, â ïðåäåëàõ êàæäîãî èç êîòîðûõ ïîòîê ïðèíèìàåòñÿ íåèçìåííûì, à ñîîòâåòñòâåííî, ïðè ïîñòîÿííîé âäîëü äëèíû ó÷àñòêà ïëîùàäüþ åãî ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ, ïðèíèìàåòñÿ íåèçìåííîé è ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ. ×åì áîëüøå ó÷àñòêîâ, òåì áëèæå ðàñ÷åòíàÿ ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà ê ïåðâè÷íîé .  êà÷åñòâå ïðèìåðà êàæäóþ èç âåðòèêàëüíûõ ÷àñòåé ñåðäå÷íèêà äëèíîé ld ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû ðàçîáüåì íà äâà ðàâíûõ ó÷àñòêà – ñì. ãîðèçîíòàëüíóþ øòðèõîâóþ ëèíèþ Á íà ðèñ. 1.30,â. Ïîòîê ðàññåÿíèÿ Φd1 ìåæäó ïåðâûìè (âåðõ-
×àñòü (1.158), çàêëþ÷åííàÿ â ñêîáêè, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñóììàðíóþ ìàãíèòíóþ ïðîâîäèìîñòü ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû, ïðèâåäåííóþ ïî ïîòîêîñöåïëåíèþ ΨΣ ê F è NΣ îáìîòêè: ΨΣ
ΛΣΨ =
NΣF
= Λδýê + KΨΛdΣÃ .
(1.159)
Ñ ó÷åòîì òîãî, ÷òî KΦ = 1 ⁄ 2, à KΨ = 1 ⁄ 3, èç ñðàâíåíèÿ (1.155) è (1.159) ñëåäóåò: ΛΣΨ < ΛΣΦ. Îòíîøåíèå ΨΣ ⁄ Ψδ = σΣΨ íàçûâàåòñÿ ñóììàðíûì êîýôôèöèåíòîì ðàññåÿíèÿ ïî ïîòîêîñöåïëåíèþ. Èíäóêòèâíîñòü L è ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ Wì ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû ïðè âñåõ ïðèíÿòûõ âûøå äîïóùåíèÿõ L= Wì =
ΨΣ I
ΨΣI
2
= N 2Σ (Λδýê + KΨΛdΣÃ) ;
=
LI 2 2
= F2
Λδýê + KΨΛdΣÃ
2
(1.160) . (1.161)
Ýòè âûðàæåíèÿ ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû äëÿ ðàñ÷åòà ïî ýíåðãåòè÷åñêèì ôîðìóëàì ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû, ñîçäàâàåìîé äàííîé ìàãíèòíîé ñèñòåìîé. Âûðàæåíèå (1.160), êðîìå òîãî, íåîáõîäèìî äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîñòîÿííîé âðåìåíè ýòîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû è âðåìåííûõ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ñ åå ïðèìåíåíèåì. Íà ðèñ. 1.31,à ïðèâåäåíà ìàãíèòíàÿ öåïü ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû, ñîñòàâëåííàÿ ïî óïðîùåííîé êàðòèíå ïîëÿ (ðèñ. 1.30,â) áåç ó÷åòà ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà. Íà ðèñ. 1.31,á,â ïîêàçàíû ïîñëåäîâàòåëüíûå ýòàïû ïðåîáðàçîâàíèÿ ýòîé èñõîäíîé ñõåìû çàìåùåíèÿ äî ïðîñòåéøåé öåïè ðèñ. 1.31,â ñ èñòî÷íèêîì ÌÄÑ è ñóììàðíûì ìàãíèòíûì ñîïðîòèâëåíèåì RìΣΦ íà åãî çàæèìàõ. Ïðè àíàëèçå ìàãíèòíîé ñèñòåìû ñ ó÷åòîì ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà ðåøèòü àíàëèòè÷åñêè (1.144), (1.147) è ïîäîáíûå èì óðàâíåíèÿ, îïðåäåëÿþùèå ðàñïðåäåëåíèå â ìàãíèòíîé ñèñòåìå ìàãíèòíûõ íàïðÿæåíèé è ïîòîêîâ, ÷àùå âñåãî íå óäàåòñÿ äàæå ïðè fx = const è λdx = const.
íèìè) ó÷àñòêàìè ñîñðåäîòî÷èì â âåòâü ìàãíèòíîé öåïè ñ ñîïðîòèâëåíèåì Rìd1, ïîäêëþ÷åííûì ê òî÷-
Ýòî ñâÿçàíî ñî ñëîæíîñòüþ íàõîæäåíèÿ µax , îïðåäåëÿåìîé, â ñâîþ î÷åðåäü, ïðè çàäàííîì ìàòåðèàëå ìàãíèòîïðîâîäà ðàñïðåäåëåíèåì ïîòîêîâ â ìàãíèòíîé ñèñòåìå, òàê êàê µax çàâèñèò îò èíäóêöèè.
Äëÿ ïðåîäîëåíèÿ ýòîãî çàòðóäíåíèÿ ïîñòóïàþò, íàïðèìåð, ñëåäóþùèì îáðàçîì. 1. Äåòàëè ìàãíèòîïðîâîäà, ìåæäó êîòîðûìè ïî âîçäóõó ïðîõîäèò ðàñïðåäåëåííûé ïîòîê (íàïðèìåð, ïîòîê Φd â ðàññìàòðèâàåìîé ìàãíèòíîé ñèñòåìå) ðàçáèâàþò íà ðÿä ó÷àñòêîâ; ïóòü äîëè ñóììàðíîãî ðàñïðåäåëåííîãî ïîòîêà, ïðîõîäÿùèé ìåæäó
Ðèñ. 1.31. Ìàãíèòíûå öåïè ñèñòåìû, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 1.30,á: à–â – áåç ó÷åòà ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà; ã – ñ ó÷åòîì ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà
46
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
êàì δ è δ′ ïîñðåäèíå ñîîòâåòñòâåííî ëåâîãî è ïðàâîãî âåðõíèõ ó÷àñòêîâ. Ïîòîê ðàññåÿíèÿ Φd2 ìåæäó âòî-
äîëæåí ïðîòåêàòü òîê òàêîãî çíà÷åíèÿ, ÷òîáû ñîçäàòü ýòî ïîòîêîñöåïëåíèå. Åñëè ïðåíåáðå÷ü ìàãíèòíûì ñîïðîòèâëåíèåì ìàãíèòîïðîâîäà, òî èç (1.163) ñ ó÷åòîì (1.159) ñëåäóåò
ðûìè (íèæíèìè) ó÷àñòêàìè ñîñðåäîòî÷èì â âåòâü ñ ñîïðîòèâëåíèåì Rìd2, ïîäêëþ÷åííûì ê òî÷êàì b
è b′, ñîîòâåòñòâóþùèì ñåðåäèíàì íèæíèõ ó÷àñòêîâ. Íà ðèñ. 1.31,ã ïðèâåäåíà ýêâèâàëåíòíàÿ ïðèíÿòîìó ðàçáèåíèþ ìàãíèòíàÿ öåïü ñ ó÷åòîì ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà. Îáîçíà÷åíèÿ â öåïè ïîíÿòíû ïðè ñîâìåñòíîì ðàññìîòðåíèè ðèñ. 1.30,â è ðèñ. 1.31,ã. Îïðåäåëåíèå ïàðàìåòðîâ òàêîé öåïè îñóùåñòâëÿåòñÿ ïóòåì ïîñëåäîâàòåëüíûõ èòåðàöèé. Åñëè çàäàí ïîòîê Φδ è íåîáõîäèìî íàéòè ÌÄÑ îáìîòêè F, òî çàäàþòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíî ðÿäîì çíà÷åíèé F è ïðè êàæäîì èç ýòèõ çíà÷åíèé ðàññ÷èòûâàþò ìàãíèòíóþ öåïü äî òåõ ïîð, ïîêà ìàãíèòíîå íàïðÿæåíèå ìåæäó áåñêîíå÷íî áëèçêèìè òî÷êàìè ä è ä′ (ðèñ. 1.30,â è ðèñ. 1.31,ã) íå ñòàíåò îòëè÷àòüñÿ ïî ìîäóëþ îò íóëÿ ìåíüøå çàðàíåå çàäàííîãî ìàëîãî çíà÷åíèÿ ε << F. Ñîîòâåòñòâóþùåå ýòîìó óñëîâèþ çíà÷åíèå F è áóäåò èñêîìûì. Ìàãíèòíûå öåïè ïåðåìåííîãî òîêà. Çíà÷åíèå òîêà â îáìîòêå ìàãíèòíîé ñèñòåìû, ïîäêëþ÷åííîé ê èñòî÷íèêó ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ u, íå ðàâíî ýòîìó íàïðÿæåíèþ, äåëåííîìó íà àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäà îáìîòêè, êàê ýòî èìååò ìåñòî â ìàãíèòíîé ñèñòåìå ïîñòîÿííîãî òîêà â ñòàòè÷åñêîì èëè êâàçèñòàòè÷åñêîì ðåæèìàõ ðàáîòû (ïðè áåñêîíå÷íî ìåäëåííîì ïåðåìåùåíèè ÿêîðÿ). Ñâÿçü ìåæäó ìãíîâåííûìè çíà÷åíèÿìè íàïðÿæåíèÿ u, òîêà i, àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ R è ïîòîêîñöåïëåíèÿ ψ íà ïåðåìåííîì òîêå îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì u = iR +
dψΣ dt
,
I=
= Um cos ωt =
(1.164)
íèÿ ðàññåÿíèÿ Ψd. Ñ óâåëè÷åíèåì çàçîðà δ ïîòîêî-
ñöåïëåíèå ðàññåÿíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ, à ðàáî÷åå ïîòîêîñöåïëåíèå óìåíüøàåòñÿ. Êðîìå òîãî, åñëè ó÷åñòü ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà àêòèâíîì ñîïðîòèâëåíèè R, òî ΨΣ =
2 2 √ U − (IR )
ω
,
(1.165)
à òàê êàê ñ óâåëè÷åíèåì çàçîðà δ òîê óâåëè÷èâàåòñÿ, òî ñóììàðíîå ïîòîêîñöåïëåíèå ΨΣ óìåíüøàåòñÿ. Îäíàêî ýòî óìåíüøåíèå, òàê æå êàê è óìåíüøåíèå ðàáî÷åãî ïîòîêîñöåïëåíèÿ (à ñîîòâåòñòâåííî è ðàáî÷åãî ïîòîêà) çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, ÷åì â òàêîé æå ìàãíèòíîé ñèñòåìå ïîñòîÿííîãî òîêà. Ïî ýòîé ïðè÷èíå òÿãîâûå õàðàêòåðèñòèêè ìàãíèòíîé ñèñòåìû (íàïðèìåð, çàâèñèìîñòè ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû îò ðàáî÷åãî çàçîðà) ïåðåìåííîãî òîêà áîëåå ïîëîãè, ÷åì òÿãîâûå õàðàêòåðèñòèêè ìàãíèòíûõ ñèñòåì ïîñòîÿííîãî òîêà. Ïðè ðàñ÷åòå ìàãíèòíîé ñèñòåìû ïåðåìåííîãî òîêà êðîìå àêòèâíûõ ìàãíèòíûõ ñîïðîòèâëåíèé âîçäóøíûõ ïðîìåæóòêîâ è ìàãíèòîïðîâîäà íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïîòåðè â ìàãíèòîïðîâîäå èç-çà ãèñòåðåçèñà è âèõðåâûõ òîêîâ, à òàêæå äåéñòâèå âòîðè÷íûõ ýëåêòðîïðîâîäÿùèõ êîíòóðîâ (äîïîëíèòåëüíûå çàìêíóòûå îáìîòêè, êîðîòêîçàìêíóòûå âèòêè, äðóãèå ýëåêòðîïðîâîäÿùèå òåëà), ïðîíèçûâàåìûõ ïîòîêîì ïåðâè÷íîé îáìîòêè ìàãíèòíîé ñèñòåìû. Ïîòåðè îïðåäåëÿþò ðàçíûå ôàçû ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ è ÌÄÑ. Äëÿ ó÷åòà ýòîé îñîáåííîñòè ïî àíàëîãèè ñ ýëåêòðè÷åñêèìè öåïÿìè èñïîëüçóþòñÿ êîìïëåêñíûå çíà÷åíèÿ ìàãíèòíûõ ñîïðîòèâëåíèé. Çíà÷åíèÿ ìàãíèòíîãî ïîòîêà, ïîòîêîñöåïëåíèÿ, ÌÄÑ è ìàãíèòíîãî íàïðÿæåíèÿ òàêæå ïðåäñòàâëÿþòñÿ â êîìïëåêñíîì âèäå, íàïðèìåð,
(1.162)
2 ωΨΣ cos ωt = √ 2 U cos ωt . √
U 2 ΨΣ = Uωm = 4,44f √ .
.
èç ðàáî÷åãî ïîòîêîñöåïëåíèÿ Ψδ è ïîòîêîñöåïëå-
Îòêóäà ΨΣm =
2
Òàêèì îáðàçîì, òîê â îáìîòêå áóäåò âîçðàñòàòü ñ óâåëè÷åíèåì ðàáî÷åãî çàçîðà δ, òàê êàê ïðè ýòîì óìåíüøàåòñÿ çíà÷åíèå ΛΣΨ. Êîíå÷íî, èç ýòîãî íå ñëåäóåò äåëàòü âûâîä, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì δ ðàáî÷èé ïîòîê îñòàåòñÿ íåèçìåííûì. Ñóììàðíîå ïîòîêîñöåïëåíèå ΨΣ ñêëàäûâàåòñÿ
ãäå iR = uR, dψΣ ⁄ dt = ue = −e; uR – àêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ íàïðÿæåíèÿ; ue – ðåàêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ íàïðÿæåíèÿ, ðàâíàÿ ïî ìîäóëþ è îáðàòíàÿ ïî ôàçå ÝÄÑ îáìîòêè e. Åñëè ïðåíåáðå÷ü uR è ñ÷èòàòü, ÷òî ψΣ = ψΣm sinωt, òî u = ωΨΣm cos ωt =
U
ωNΣΛΣΨ
(1.163)
Òàêèì îáðàçîì, åñëè çàäàíî íàïðÿæåíèå, òî çàäàíî è ïîòîêîñöåïëåíèå, êîòîðîå ïðè äîïóùåíèè uR = 0 íå çàâèñèò îò ðàáî÷åãî çàçîðà δ. Ïî îáìîòêå
Φm = 47
Uìm Zì
,
(1.166)
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ ñòàëåé, êîòîðûå îáëàäàþò ìàëûìè ïîòåðÿìè íà ïåðåìàãíè÷èâàíèå (ìàëà êîýðöèòèâíàÿ ñèëà) è íà âèõðåâûå òîêè (ïîâûøåííîå óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå).  öåëÿõ óìåíüøåíèÿ ïîòåðü íà âèõðåâûå òîêè ìàãíèòîïðîâîäû èçãîòîâëÿþò øèõòîâàííûìè â âèäå íàáîðà ýëåêòðè÷åñêè èçîëèðîâàííûõ äðóã îò äðóãà ïëàñòèí òîëùèíîé îò 0,1 äî 1 ìì. Äëÿ ñíèæåíèÿ ïîòåðü â ìàãíèòíîé ñèñòåìå ïåðåìåííîãî òîêà èñïîëüçóþò òàêæå è äðóãèå ìàòåðèàëû, íàïðèìåð, ìàãíèòîìÿãêèå ôåððèòû, àìîðôíûå ñïëàâû. Ðàññìîòðèì ïðîñòåéøóþ ìàãíèòíóþ ñèñòåìó, ïðåäñòàâëÿþùóþ ñîáîé òîðîèäàëüíûé ìàãíèòîïðîâîä ñ ðàâíîìåðíî íàìîòàííîé íà íåì îáìîòêîé (ðèñ. 1.32,à). Ïîëíàÿ (äëÿ ýëåêòðè÷åñêîé è ìàãíèòíîé öåïåé) âåêòîðíàÿ äèàãðàììà òàêîé ñèñòåìû äàíà íà ðèñ. 1.32,á, à ñõåìà åå ìàãíèòíîé öåïè – íà ðèñ. 1.32,â. Îáìîòêà èìååò àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå R è ïîäêëþ÷åíà ê èñòî÷íèêó íàïðÿæåíèÿ U ïåðåìåííîãî òîêà. Êîìïëåêñíûå äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ âåëè÷èí íà äèàãðàììå ñîîòâåòñòâóþò ýêâèâàëåíòíûì ñèíóñîèäàì [23]. Âåêòîð íàïðÿæåíèÿ Ue ðàçëîæåí íà äâå ñîñòàâëÿþùèå: àêòèâíóþ UeR, ñîâïàäàþùóþ ïî ôàçå ñ òîêîì I, è ðåàêòèâíóþ UeX, îïåðåæàþùóþ òîê íà 90°.  ñâîþ î÷åðåäü UeR = IRï, à UeX = jIXýê. Çíà÷åíèå Rï îïðåäåëÿåòñÿ ïîòåðÿìè â ìàãíèòîïðîâîäå Pï (Rï = Pï ⁄ I 2), à ýêâèâàëåíòíîå ðåàêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå îáìîòêè Xýê = ωLýê, ãäå Lýê – åå ýêâèâàëåíòíàÿ èíäóêòèâíîñòü. Èñïîëüçóÿ âåêòîðíóþ äèàãðàììó ðèñ. 1.32,á, îïðåäåëèì âûðàæåíèÿ äëÿ Lýê è Rï. Çíà÷åíèå ÝÄÑ E = ωN Φ. Èç âåêòîðíîé äèàãðàììû ñëåäóåò, ÷òî Φ = IN cosγ ⁄ Rì.ì. Òîãäà E = IωL0 cosγ, ãäå
ãäå Zì – êîìïëåêñíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå, êîòîðîå îïðåäåëÿåòñÿ êàê Zì = Rì + jXì .
(1.167)
Çäåñü R è Xì – ñîîòâåòñòâåííî àêòèâíàÿ è ðåàêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùèå Zì. Åñëè Φt = Φm sin ωt, òî uì = Uìm sin(ωt + γ), ãäå óãîë
γ = arctg (Xì ⁄ Rì)
(1.168)
íàçûâàåòñÿ óãëîì ïîòåðü. Ñîãëàñíî (1.166) êîìïëåêñíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå ó÷àñòêà ìàãíèòîïðîâîäà Zì.ì =
Uì.ì m
Φm
=
Hm l Bm S
.
(1.169)
Îáîçíà÷èì ρìZ = Hm ⁄ Bm = H ⁄ B. Ýòà âåëè÷èíà – êîìïëåêñíîå óäåëüíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà. Îáðàòíàÿ åé âåëè÷èíà µa = 1 ⁄ ρìZ = B ⁄ H – êîìïëåêñíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà. Ðàçëîæèì ρìZ íà àêòèâíóþ ρìR è ðåàêòèâíóþ ρìX ñîñòàâëÿþùèå: ρìZ = ρìR + jρìX .
( 1.170)
Òîãäà Zì.ì = ρìZ l ⁄ S = (ρìR + jρìX) l ⁄ S. Ñîãëàñíî (1.167) àêòèâíàÿ è ðåàêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùèå Zì.ì: Rì.ì = ρìR l ⁄ S; Xì.ì = ρìX l ⁄ S . (1.171) Àêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ êîìïëåêñíîãî ìàãíèòíîãî íàïðÿæåíèÿ Uì.ìR = ΦRì.ì, à ðåàêòèâíàÿ Uì.ìX = j ΦXì.ì. Äëÿ âû÷èñëåíèÿ ρìX íåîáõîäèìî çíàòü ïîòåðè íà âèõðåâûå òîêè è ïåðåìàãíè÷èâàíèå. Çíà÷åíèÿ ýòèõ ïîòåðü ïðèâîäÿòñÿ â íîðìàòèâíûõ äîêóìåíòàõ, òåõíè÷åñêèõ óñëîâèÿõ íà ìàòåðèàë èëè íàõîäÿòñÿ ðàñ÷åòíûì ïóòåì [19]. Çíà÷åíèÿ ρìZ îïðåäåëÿþòñÿ ïî êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ, ñíÿòîé íà ïåðåìåííîì òîêå ñîîòâåòñòâóþùåé ÷àñòîòû. Çàòåì ðàññ÷èòûâàþòñÿ çíà÷åíèÿ ρìR = √ ρ2ìZ − ρ2ìX . Äëÿ ðÿäà ìàòåðèàëîâ ρìR è ρìX ìîæíî íàéòè ïî êðèâûì çàâèñèìîñòåé îò ìàãíèòíîé èíäóêöèè [19]. Ïðè ýòîì ñëåäóåò èìåòü â âèäó, ÷òî ÷àñòî â òåõíè÷åñêîé ëèòåðàòóðå, â òîì ÷èñëå â [19] çà êîìïëåêñíîå óäåëüíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå âìåñòî ρìZ = Hm ⁄ Bm = H ⁄ B ïðèíÿòî îòíîøåíèå äåéñòâóþùåãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ ê àìïëèòóäå ìàãíèòíîé èíäóêöèè, ò. å. H ⁄ Bm. Ìàãíèòîïðîâîäû ìàãíèòíûõ ñèñòåì ïåðåìåííîãî òîêà âûïîëíÿþò â îñíîâíîì èç êðåìíèñòûõ
L0 = N 2 ⁄ Rì
(1.172)
– èíäóêòèâíîñòü îáìîòêè áåç ïîòåðü â ìàãíèòîïðîâîäå è ýêðàíàõ.  äàííîì ñëó÷àå L0 = N 2 ⁄ Rì.ì. Ñîãëàñíî âåêòîðíîé äèàãðàììå E = Ue = UeX ⁄ cosγ = IXýê ⁄ cosγ = IωLýê ⁄ cosγ , ãäå γ = arctg(Xì.ì ⁄ Rì.ì). Ïðèðàâíèâàÿ äâà ïîëó÷åííûõ âûðàæåíèÿ äëÿ ÝÄÑ îáìîòêè, ïîëó÷àåì Lýê = L0cos2γ .
(1.173)
Îáðàùàÿñü åùå ðàç ê âåêòîðíîé äèàãðàììå, èìååì E = Ue = UeR ⁄ sinγ = IRï ⁄ sinγ, ÷òî äàåò íàì âîçìîæíîñòü îïðåäåëèòü Rï = ωL0 sinγ cosγ . 48
(1.174)
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Ñóììàðíûå àêòèâíûå ïîòåðè â ìàãíèòíîé ñèñòåìå
Ýêâèâàëåíòíîå êîìïëåêñíîå ñîïðîòèâëåíèå îáìîòêè Z = Rýê + jXýê ,
P = IUcosϕ = IURýê = I 2Rýê , (1.179)
(1.175)
ãäå ϕ – óãîë ñäâèãà ôàç ìåæäó òîêîì è íàïðÿæåíèåì, ðàâíûé ϕ = arctg(Xýê ⁄ Rýê) . (1.180) Ðàññìîòðèì òåïåðü ìàãíèòíóþ ñèñòåìó ðèñ. 1.33,a, ñîäåðæàùóþ ìàãíèòîïðîâîä, ñîñòîÿùèé èç äâóõ (1 è 2) ÷àñòåé, ðàçäåëåííûõ îäèíàêîâûìè âîçäóøíûìè çàçîðàìè δ. Íà ëåâîé ÷àñòè ìàãíèòîïðîâîäà ðàñïîëîæåíà ïåðâè÷íàÿ îáìîòêà ñ N âèòêàìè. Ê îáìîòêå ïîäâåäåíî íàïðÿæåíèå U. Íà ïðàâîé ÷àñòè ìàãíèòîïðîâîäà ðàñïîëîæåíà âòîðè÷íàÿ îáìîòêà (ýëåêòðîìàãíèòíûé ýêðàí) ñ ÷èñëîì âèòêîâ Ný. Ðàññìîòðèì ðàáîòó òàêîé ìàãíèòíîé
ãäå Rýê = R + Rï
(1.176)
– åå ýêâèâàëåíòíîå àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå. Êîìïëåêñíîå íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ U = URýê + UeX,
(1.177)
è åãî äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå U= √ U 2Rýê + U 2eX .
(1.178)
Çäåñü URýê = IRýê.
Ðèñ. 1.32. Ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà ïåðåìåííîãî òîêà â âèäå òîðîèäàëüíîãî ìàãíèòîïðîâîäà ñ ðàâíîìåðíî íàìîòàííîé îáìîòêîé (à), åå ïîëíàÿ âåêòîðíàÿ äèàãðàììà (á) è ñõåìà ìàãíèòíîé öåïè (â)
Ðèñ. 1.33. Ê àíàëèçó ìàãíèòíîé ñèñòåìû ïåðåìåííîãî òîêà ñ äâóìÿ âîçäóøíûìè çàçîðàìè è ýëåêòðîìàãíèòíûì ýêðàíîì áåç ó÷åòà ðàññåÿíèÿ è ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà: à – ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà; á – ïîëíàÿ âåêòîðíàÿ äèàãðàììà; â – ñõåìà ìàãíèòíîé öåïè
49
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Òîãäà (ðèñ. 1.33,â ): Zì = Rìδýê + jXì.ý .
ñèñòåìû ïðè ñîãëàñíûõ óñëîâíî ïîëîæèòåëüíûõ íàïðàâëåíèÿõ [23] òîêîâ è ÌÄÑ îáìîòîê (ðèñ. 1.33,a). Îáìîòêè ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé îáùèì ìàãíèòíûì ïîòîêîì Φ. Ïîòîêàìè ðàññåÿíèÿ îáìîòîê è ìàãíèòíûì ñîïðîòèâëåíèåì ìàãíèòîïðîâîäà ïðåíåáðåæåì. Óñëîâíî ïîëîæèòåëüíîå íàïðàâëåíèå ïîòîêà Φ òàêæå ìîæíî âûáðàòü ïðîèçâîëüíî. Çäåñü è äàëåå áóäåì åãî ñâÿçûâàòü ïðàâèëîì ïðàâîãî âèíòà ñ òîêîì ïåðâè÷íîé îáìîòêè. Äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ïåðâè÷íîé îáìîòêè è ýêðàíà ìîæíî çàïèñàòü: U = IR + Ue ; (1.181) Ue = −E = jωNΦ ;
(1.182)
Uý = Eý = IýRý = −jωNýΦ .
(1.183)
Äëÿ ìàãíèòíîé öåïè: F + Fý = UìR = Uìδýê = ΦRìδýê ,
Íà ðèñ. 1.33,á âåêòîð Ue àíàëîãè÷íî ïðåäûäóùåìó ñëó÷àþ (ðèñ. 1.32,á) ðàçëîæåí íà äâå ñîñòàâëÿþùèå: àêòèâíóþ UeR = IRï è ðåàêòèâíóþ UeX = jIXýê = jIωLýê. Ñðàâíèâàÿ âåêòîðíûå äèàãðàììû ðèñ. 1.32,á è ðèñ. 1.33,á, ïðèõîäèì ê âûâîäó, ÷òî äëÿ ìàãíèòíîé ñèñòåìû ñ ýêðàíîì ïðè ïðèíÿòûõ äîïóùåíèÿõ îñòàþòñÿ ñïðàâåäëèâûìè (1.172)– (1.180). Ñëåäóåò òîëüêî ó÷èòûâàòü, ÷òî â (1.173) è (1.174), ïðèìåíèòåëüíî ê ìàãíèòíîé ñèñòåìå, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 1.33,a, ïðè ïðèíÿòûõ äîïóùåíèÿõ L0 = N 2 ⁄ Rìδýê; γ = arctg (Xì.ý ⁄ Rìδýê ). Åñëè ïîñòðîèòü ñ ó÷åòîì äèàãðàììû ðèñ. 1.33,á êðèâûå èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè ïîòîêà, à òàêæå ÝÄÑ è òîêîâ â ïåðâè÷íîé îáìîòêå è ýêðàíå, òî ìîæíî óáåäèòüñÿ, ÷òî ïðè ïðèíÿòûõ äîïóùåíèÿõ áîëüøóþ ÷àñòü âðåìåíè äåéñòâèòåëüíûå íàïðàâëåíèÿ ÌÄÑ ïåðâè÷íîé îáìîòêè è ýêðàíà âñòðå÷íû, à ìåíüøóþ – ñîãëàñíû. Âñòðå÷íîå íàïðàâëåíèå ÌÄÑ îçíà÷àåò, ÷òî â ýòè ìîìåíòû âðåìåíè äåéñòâèòåëüíîå íàïðàâëåíèå òîêà Iý ïðîòèâîïîëîæíî ïðåäâàðèòåëüíî ïðèíÿòîìó íà ðèñ. 1.33,a óñëîâíî ïîëîæèòåëüíîìó íàïðàâëåíèþ. Ñðàâíåíèå âåêòîðíûõ äèàãðàìì ðèñ. 1.32,á è ðèñ. 1.33,á ïîêàçûâàåò èõ ñòðóêòóðíóþ èäåíòè÷íîñòü. Ñëåäîâàòåëüíî, àíàëèçèðóÿ ìàãíèòíóþ ñèñòåìó ñ ýêðàíîì ïðè ó÷åòå àêòèâíîãî è ðåàêòèâíîãî ìàãíèòíûõ ñîïðîòèâëåíèé ìàãíèòîïðîâîäà, à òàêæå ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóøíûõ çàçîðîâ è ïðåíåáðåæåíèè ðàññåÿíèåì ïåðâè÷íîé îáìîòêè è ýêðàíà, ìîæíî èñïîëüçîâàòü óæå èçâåñòíûå (1.172)–(1.180). Íåîáõîäèìî òîëüêî ó÷èòûâàòü, ÷òî òîãäà (1.172) ïðèìåò âèä:
(1.184)
ãäå F = IN, Fý = IýNý, Rìδýê – ýêâèâàëåíòíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå äâóõ âîçäóøíûõ çàçîðîâ δ. Ïî ïîëó÷åííûì óðàâíåíèÿì íà ðèñ. 1.33,á ïîñòðîåíà ïîëíàÿ âåêòîðíàÿ äèàãðàììà. Ïî äåéñòâèòåëüíîé îñè îòëîæåí ïîòîê Φ. Îò ïîòîêà îòñòàþò íà 90° ÝÄÑ E è Eý. Ñ ÝÄÑ Eý, èíäóêòèðîâàííîé â ýêðàíå, ñîâïàäàåò ïî íàïðàâëåíèþ [ñì. (1.182)] òîê Iý, à çíà÷èò è ÌÄÑ Fý. Ñóììà ÌÄÑ F è Fý äàåò ìàãíèòíîå íàïðÿæåíèå UìR = Uìδýê íà àêòèâíîì ñîïðîòèâëåíèè Rìδýê. Ýòî íàïðÿæåíèå ñîâïàäàåò ïî ôàçå ñ ïîòîêîì Φ [ñì.(1.184)]. Èç (1.184) è âåêòîðíîé äèàãðàììû ñëåäóåò, ÷òî âåêòîð F èìååò àêòèâíóþ UìR è ðåàêòèâíóþ UìX ñîñòàâëÿþùèå: F = UìR + UìX ,
(1.185)
UìX = −Fý .
(1.186)
L0 = N 2 ⁄ (Rì.ýê + Rì.ì),
ãäå
ãäå γ = arctg [(Xì.ý + Xì.ì) ⁄ (Rìδýê + Rì.ì)]. Êîìïëåêñíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå â ýòîì ñëó÷àå:
Çàìåíà Fý íà ðåàêòèâíîå ìàãíèòíîå íàïðÿæåíèå UìX ðàâíîñèëüíà çàìåíå åå íà ðåàêòèâíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå ýêðàíà Xì.ý, ïîòîê â êîòîðîì îòñòàåò îò ìàãíèòíîãî íàïðÿæåíèÿ íà 90°: UìX = j ΦXì.ý . (1.187)
Zì = (Rìδýê + Rì.ì) + j(Xì.ý + Xì.ì) . (1.191) Àíàëèç ìàãíèòíîé ñèñòåìû ïåðåìåííîãî òîêà ñ ó÷åòîì ïîòîêîâ ðàññåÿíèÿ ïåðâè÷íîé îáìîòêè è ýêðàíà, à òàêæå ðàçâåòâëåííûõ ìàãíèòíûõ ñèñòåì ïåðåìåííîãî òîêà áîëåå ñëîæåí è íå ÿâëÿåòñÿ ïðåäìåòîì ðàññìîòðåíèÿ â äàííîì ó÷åáíèêå. Ñ ýòèìè âîïðîñàìè ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â [19, 23]. Ìàãíèòíûå ñèñòåìû ñ ïîñòîÿííûìè ìàãíèòàìè. Ïîñòîÿííûå ìàãíèòû – ýòî òåëà, âûïîëíåííûå èç ñïåöèàëüíûõ ñïëàâîâ èëè èçãîòîâëåííûå ïóòåì ñïåêàíèÿ ÷àñòèö ðàçëè÷íûõ ìàòåðèàëîâ, êîòîðûå, áóäó÷è íàìàãíè÷åííûìè, ñïîñîáíû çà ñ÷åò çàïà-
Òàêèì îáðàçîì èññëåäóåìàÿ ìàãíèòíàÿ öåïü ôîðìàëüíî ïðèâîäèòñÿ ê ìàãíèòíîé öåïè ñ îäíîé îáìîòêîé (ðèñ. 1.33,â). Èç (1.183) ñëåäóåò: Iý = ωNýΦ ⁄ Rý . (1.188) Òàê êàê UìX = Fý = IýNý, òî ñ ó÷åòîì (1.187) è (1.188) èìååì Xì.ý = IýNý ⁄ Φ = ωN2ý ⁄ Rý .
(1.190)
(1.189) 50
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Ïðîöåäóðà ïîñòðîåíèÿ èëëþñòðèðóåòñÿ ðèñ. 1.34,a,á, íà êîòîðîì ïî îñè îðäèíàò îòëîæåíû B è BÌ. Ïóñòü çàäàíà ïåòëÿ ãèñòåðåçèñà BÌ = f (H ) è íàäî ïîñòðîèòü ïåòëþ ãèñòåðåçèñà B = f (H ). Èç íà÷àëà êîîðäèíàò ïðîâîäÿò ïðÿìóþ, õàðàêòåðèçóþùóþ ïîëå â âàêóóìå Bâ = µ0H, óãîë íàêëîíà γ êîòîðîé ê îñè H îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì
ñåííîé ìàãíèòíîé ýíåðãèè ñëóæèòü èñòî÷íèêîì ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Âàæíåéøåé õàðàêòåðèñòèêîé ìàòåðèàëà ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà ÿâëÿåòñÿ êðèâàÿ ðàçìàãíè÷èâàíèÿ, ïðåäñòàâëÿþùàÿ ñîáîé ÷àñòü ïðåäåëüíîé ïåòëè ãèñòåðåçèñà B = f (H ) ýòîãî ìàòåðèàëà, ðàñïîëîæåííàÿ âî âòîðîì êâàäðàíòå îñåé B è H. Ñóùåñòâóåò è äðóãèå ðàçíîâèäíîñòè êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ: BÌ = f (H ), ãäå BÌ = µ0M – èíäóêöèÿ íàìàãíè÷åííîñòè Ì ìàòåðèàëà, è M = f (H ). Åñëè èçâåñòíà îäíà èç ýòèõ õàðàêòåðèñòèê, òî äðóãóþ ìîæíî ïîñòðîèòü íà îñíîâàíèè âûðàæåíèÿ (1.69).
tgγ =
Bâ HKì
=
µ0 Kì
,
(1.192)
ãäå Kì = mB ⁄ mH – îòíîøåíèå ìàñøòàáîâ ïî îñÿì B è H.  ïåðâîì êâàäðàíòå BÌ, Bâ è H ïîëîæèòåëüíû. Ïîýòîìó êðèâàÿ B = f (H) çäåñü ïðîõîäèò âûøå êðèâîé BÌ = f (H). Âî âòîðîì êâàäðàíòå BÌ ïîëîæèòåëüíà, à H è Bâ îòðèöàòåëüíû; êðèâàÿ B = f (H) ïðîõîäèò íèæå êðèâîé BÌ = f (H). Ïðàêòè÷åñêè ïðÿìîóãîëüíîé ìîæåò áûòü òîëüêî êðèâàÿ ðàçìàãíè÷èâàíèÿ BÌ = f (H ). Ñîîòâåòñòâóþùàÿ åé êðèâàÿ ðàçìàãíè÷èâàíèÿ B = f (H ) ïðè øèðîêîé ïåòëå BÌ = f (H ) ïðåäñòàâëÿåò â ýòîì ñëó÷àå ëèíèþ, íàêëîíåííóþ ê îñè H íà óãîë γ, òàíãåíñ êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ èç (1.192) (ðèñ. 1.34,a). Âàæíåéøèìè ïàðàìåòðàìè êðèâûõ ðàçìàãíè÷èâàíèÿ ÿâëÿþòñÿ îñòàòî÷íàÿ ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ Br è êîýðöèòèâíàÿ ñèëà ïî èíäóêöèè HcB èëè ïî íàìàãíè÷åííîñòè HñÌ (ðèñ. 1.34). Âñåãäà HñÌ áîëüøå HcB. ×åì âûøå ó ìàòåðèàëà çíà÷åíèå HñÌ, òåì ñóùåñòâåííåé ðàçíèöà ìåæäó HñÌ è HcB (ñðàâíè ðèñ. 1.34,a è ðèñ. 1.34,á). Äîïóñòèì, ÷òî HñÌ = ∞. Òîãäà ïðè ïðÿìîóãîëüíîé ïåòëå ãèñòåðåçèñà BÌ = f (H) BÌ = Br = const è âî âòîðîì êâàäðàíòå B = BÌ − µ0H = Br − µ0H. Íî ïðè B = 0 H = HcB, êîòîðàÿ â ýòîì ñëó÷àå äîñòèãàåò ñâîåãî ïðåäåëüíî âîçìîæíîãî çíà÷åíèÿ HcBïðåä = Br ⁄ µ0 .
(1.193)
Îòíîøåíèå
Θ=
µ0HcB Br
(1.194)
íàçûâàåòñÿ ìàãíèòíîé òâåðäîñòüþ ìàòåðèàëà. Èç (1.193) è (1.194) ïîëó÷àåì ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå ìàãíèòíîé òâåðäîñòè
Θïðåä = µ0HcBïðåä ⁄ Br = 1 . (1.195) Ñóùåñòâóþùèå ìàãíèòîòâåðäûå ìàòåðèàëû ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà äâå ãðóïïû: çàêðèòè÷åñêèå è äîêðèòè÷åñêèå. Ó ìàòåðèàëîâ ïåðâîé ãðóïïû êîëåíî” ëåâîé, ” íèñïàäàþùåé ÷àñòè ïåòëè ãèñòåðåçèñà ëåæèò â òðåòüåì êâàäðàíòå, à åå ó÷àñòîê â ïðåäåëàõ âòîðîãî êâàäðàíòà ïðÿìîëèíååí (ðèñ. 1.34,a). Ó ìàòåðèàëîâ
Ðèñ. 1.34. Ïðåäåëüíûå ïåòëè ãèñòåðåçèñà è êðèâûå ðàçìàãíè÷èâàíèÿ BM = f (H ) è B = f (H ) äëÿ çàêðèòè÷åñêîãî (à) è äîêðèòè÷åñêîãî (á) ìàòåðèàëîâ
51
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
âèì â âèäå ðàçìàãíè÷èâàþùåé íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ H. Òîãäà èíäóêöèÿ â ïîñòîÿííîì ìàãíèòå óìåíüøèòñÿ ñ Br äî B [ñì. òî÷êó α0 íà êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ B = f (H ) (ðèñ. 1.35)]. Åñëè ïðåíåáðå÷ü ðàññåÿíèåì, òî ïîòîê â âîçäóøíîì çàçîðå Φδ ðàâåí ïîòîêó â ïîñòîÿííîì ìàãíèòå Φï.ì: Φδ = FδΛδ = Hlï.ìΛδ = Φï.ì = BSï.ì , (1.198)
âòîðîé ãðóïïû êîëåíî” ýòîé ÷àñòè ïåòëè ãèñòåðå” çèñà íàõîäèòñÿ âî âòîðîì êâàäðàíòå, è åå ó÷àñòîê â ïðåäåëàõ âòîðîãî êâàäðàíòà èìååò âèä ãèïåðáîëû (ðèñ. 1.34,á). Ðàçëè÷èå âèäà êðèâûõ ðàçìàãíè÷èâàíèÿ â îñíîâíîì çàâèñèò îò îòíîøåíèÿ µ0HcB ê Br. ×òîáû êðèâàÿ ðàçìàãíè÷èâàíèÿ âî âñåì âòîðîì êâàäðàíòå èìåëà ëèíåéíûé õàðàêòåð íåîáõîäèìî (ðèñ. 1.34,a), ÷òîáû ñîáëþäàëîñü ðàâåíñòâî: Br ⁄ HcBKì = tgγ. Òîãäà ñ ó÷åòîì (1.192) íåîáõîäèìî, ÷òîáû µ0HcB ⁄ Br = 1. Íî HcM > HcB, ïîýòîìó òðåáóåòñÿ ñîáëþäåíèå óñëîâèÿ µ0HcM ⁄ Br > 1. Åñëè µ0HcM ⁄ Br < 1, òî êîëåíî” íèñïàäàþùåé ÷àñòè ïåòëè ãèñòåðåçèñà ” ëåæèò â òðåòüåì êâàäðàíòå. Ïðèìåðàìè çàêðèòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ñëóæàò ìàãíèòîòâåðäûå ôåððèòû ìàðîê 6ÁÈ240, 15ÁÀ300; ìàòåðèàë ìàðêè ÊÑ37 íà îñíîâå èíòåðìåòàëëè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ ñàìàðèé-êîáàëüò”; ñïëàâû íå” ” îäèì-æåëåçî-áîð”.  ãðóïïó äîêðèòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ âõîäÿò ñïëàâû òèïà àëüíèêî è ìîíîêðèñòàëëû èç àíàëîãè÷íûõ ìàòåðèàëîâ. Íàïðèìåð, ñïëàâû ìàðêè ÞÍ14ÄÊ24, ÞÍÄÊ35Ò5ÀÀ, ÞÍÄÊ40Ò8. Íåêîòîðûå ìàðêè ìàãíèòîòâåðäûõ ôåððèòîâ îòíîñÿòñÿ ê êðèòè÷åñêèì ìàòåðèàëàì (ïðîìåæóòî÷íûì ìåæäó çàêðèòè÷åñêèìè è äîêðèòè÷åñêèìè), ó êîòîðûõ êîëåíî” êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ ” B = f (H) íàõîäèòñÿ íà ãðàíèöå âòîðîãî è òðåòüåãî êâàäðàíòîâ (ìàðêè 18ÁÀ220, 22ÁÀ220). Ìàòåðèàë ìàðêè ÊÑÏ37 íà îñíîâå ñîåäèíåíèÿ ñàìàðèé-êîáàëüò ìîæíî îòíåñòè òàêæå ê êðèòè÷åñêèì. Äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà íåîáõîäèìî, ÷òîáû îí â ìàãíèòíîé ñèñòåìå áûë ñ âîçäóøíûì çàçîðîì . Ñîñòàâëÿþùàÿ ÌÄÑ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà, çàòðà÷èâàåìàÿ íà ïðîâåäåíèå ïîòîêà â ýòîì çàçîðå, íàçûâàåòñÿ ñâîáîäíîé ÌÄÑ (ïàäåíèåì ìàãíèòíîãî íàïðÿæåíèÿ â ìàãíèòîïðîâîäå çäåñü è äàëåå ïðåíåáðåãàåì). Ïðè îòñóòñòâèè çàçîðà (ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà çàìêíóòà, èíäóêöèÿ â ïîñòîÿííîì ìàãíèòå ðàâíà Br) âñÿ ÌÄÑ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà ðàñõîäóåòñÿ íà ïðîâåäåíèå ïîòîêà ïî ïîñòîÿííîìó ìàãíèòó (çäåñü òàêæå ïðåíåáðåãàåì ïàäåíèåì ìàãíèòíîãî íàïðÿæåíèÿ â ìàãíèòîïðîâîäå) F = Hclï.ì ,
ãäå Λδ – ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü çàçîðà; Sï.ì – ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà. Èç ðèñ. 1.35 ñ ó÷åòîì (1.196) ñëåäóåò B 1 H Kì
=
Λδlï.ì 1 Sï.ì Kì
= tg α .
(1.199)
Òàêèì îáðàçîì, èìåÿ êðèâóþ ðàçìàãíè÷èâàíèÿ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà, åãî ðàçìåðû lï.ì, Sï.ì è çíàÿ Λδ, ìîæíî, ïîëüçóÿñü (1.199), âû÷èñëèòü ïîòîê â çàçîðå. Äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî ïðîâåñòè íà äèàãðàììå ðèñ. 1.35 ïðÿìóþ èç íà÷àëà êîîðäèíàò ïîä óãëîì Λδlï.ì α = arctg S K . (1.200) ï.ì ì Ýòà ïðÿìàÿ íàçûâàåòñÿ ëèíèåé ïðîâîäèìîñòè. Òî÷êà ïåðåñå÷åíèÿ ëèíèè ïðîâîäèìîñòè ñ êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ B = f (H ) îïðåäåëÿåò çíà÷åíèÿ B è H â ïîñòîÿííîì ìàãíèòå Ïî íàéäåííîé èíäóêöèè B èç (1.198) íàõîäÿò ïîòîêè â ïîñòîÿííîì ìàãíèòå è çàçîðå (ïðè ïðåíåáðåæåíèè ðàññåÿíèåì). Ïðè ó÷åòå ðàññåÿíèÿ â (1.200) íåîáõîäèìî ïîäñòàâèòü â ôîðìóëó íå ïðîâîäèìîñòü Λδ, à ñóììàðíóþ ïðîâîäèìîñòü âñåé ìàãíèòíîé ñèñòåìû ñ ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì. Òîãäà ïîëó÷àåìîå çíà÷åíèå èíäóêöèè B ñîîòâåòñòâóåò íåéòðàëüíîìó ñå÷åíèþ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà.  ýòîì æå ñå÷åíèè Φï.ì = BSï.ì , à ïîòîê â âîçäóøíîì çàçîðå Φ
BS
Φδ = σï.ì = σ ï.ì , ΣΦ ΣΦ
(1.201)
ãäå σΣΦ – ñóììàðíûé êîýôôèöèåíò ðàññåÿíèÿ ìàãíèòíîé ñèñòåìû ïî ïîòîêó. Ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ìàãíèòíîé ñèñòåìû ñ ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì ñòðåìÿòñÿ ê ìàêñèìàëüíîìó èñïîëüçîâàíèþ ìàòåðèàëà ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà,
(1.196)
ãäå lï.ì – äëèíà ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà. Ïðè íàëè÷èè âîçäóøíîãî çàçîðà â ìàãíèòíîé ñèñòåìå F = Fï.ì + Fδ . (1.197) Çäåñü Fï.ì è Fδ – äîëè ñóììàðíîé ÌÄÑ ìàãíèòà F, ðàñõîäóåìûå ñîîòâåòñòâåííî íà ïðîâåäåíèå ïîòîêà â ïîñòîÿííîì ìàãíèòå è çàçîðå. Ââåäåíèå çàçîðà îêàçûâàåò íà ïîñòîÿííûé ìàãíèò ðàçìàãè÷èâàþùåå äåéñòâèå, êîòîðîå ïðåäñòà-
Ðèñ. 1.35. Îïðåäåëåíèå êîîðäèíàò ðàáî÷åé òî÷êè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà íà êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ
52
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ñâîäÿùåìóñÿ ê ïîëó÷åíèþ ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ îòäàâàåìîé èì ñâîáîäíîé (âíåøíåé) ìàãíèòíîé ýíåðãèè. Ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ, ñîñðåäîòî÷åííàÿ â âîçäóøíîì çàçîðå Wì =
ΦδFδ 2
.
ρb =
BHlï.ìSï.ì 2
=
(1.202)
BHVï.ì 2
.
BH
2
.
(1.206)
ρb.ïðåä = µ0 .
(1.207)
Ðàññìîòðèì âëèÿíèå ôîðìû ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ íà èõ õàðàêòåðèñòèêè. Íà ðèñ. 1.38,a ïðèâåäåíû äâå ïàðû êðèâûõ ðàçìàãíè÷èâàíèÿ: 1 è 2 – çàâèñèìîñòè B = f (H ) ñîîòâåòñòâåííî äëÿ çàêðèòè÷åñêîãî è äîêðèòè÷åñêîãî ìàòåðèàëîâ; 1′ è 2′ – çàâèñèìîñòè Bì = f (H ) äëÿ ýòèõ æå ìàòåðèàëîâ. Ëèíèÿ ïðîâîäèìîñòè Od1, ïðîâåäåííàÿ ïîä óãëîì α1, ñîîòâåòñòâóåò ïîñòîÿííîìó ìàãíèòó â ôîðìå òîíêîé ïëàñòèíêè, íàìàãíè÷åííîé ïåðïåíäèêóëÿðíî ê åå ïëîñêîñòè. Ëèíèÿ ïðîâîäèìîñòè Od2, ïðîâåäåííàÿ ïîä óãëîì α2, ñîîòâåòñòâóåò ïîñòîÿííîìó ìàãíèòó â ôîðìå äëèííîãî ñòåðæíÿ, íàìàãíè÷åííîãî ïðîäîëüíî. Ïåðåñå÷åíèå äâóõ óêàçàííûõ ëèíèé ïðîâîäèìîñòè ñ êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ 1 äàåò òî÷êè d1 è d2, êîòîðûì íà êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ 1′ ñîîòâåòñòâóþò òî÷êè d1′ è d2′. Ïîñëåäíèå íàõîäÿòñÿ íà ïðàêòè÷åñêè ãîðèçîíòàëüíîì ó÷àñòêå çàâèñèìîñòè
(1.203)
Ìàòåðèàë ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà õàðàêòåðèçóåòñÿ ìàãíèòíîé ýíåðãèåé, îòíåñåííîé ê åäèíèöå åãî îáúåìà, ò. å. çíà÷åíèåì
ωì =
= Kìtgγ ′
íàçûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì âîçâðàòà. Ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà âîçâðàòà ñ ó÷åòîì tgγ ′ = tgγ è (1.192):
Ïðèíèìàÿ, ÷òî Φδ = Φï.ì = BSï.ì (áåç ó÷åòà ðàññåÿíèÿ) è äîïóñêàÿ êîëëèíåàðíîñòü è ïîñòîÿíñòâî B è H ïî âñåìó îáúåìó ìàãíèòà Vï.ì, è ó÷èòûâàÿ Fδ = Hlï.ì, ïîëó÷àåì Wì =
∆B ∆H
(1.204)
Ïîëüçóÿñü êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ B = f (H ), ìîæíî ïîñòðîèòü êðèâóþ ωì = f (B ) (ðèñ. 1.36). Ýòà êðèâàÿ èìååò ìàêñèìóì ωì max. Ïðè HcM = ∞ êðèâàÿ B = f (H ) â ïðåäåëàõ âòîðîãî êâàäðàíòà (ðèñ. 1.34,a) ÿâëÿåòñÿ ïðÿìîé, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç òî÷êè Br è HcB. Ñëåäîâàòåëüíî ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå ωì: ωì.ïðåä = (Br ⁄ 2) (HcB ⁄ 2) ⁄ 2 = = (Br ⁄ 2) (Br ⁄ 2µ0) ⁄ 2 = B2r ⁄ 8µ0. (1.205)  ïðîöåññå ðàáîòû ìàãíèòíîé ñèñòåìû ðàáî÷èé çàçîð ìîæåò ìåíÿòüñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ìàãíèòíîé ïðîâîäèìîñòè ñèñòåìû. Äîïóñòèì, ÷òî ïîñòîÿííûé ìàãíèò, ïðåäâàðèòåëüíî íàìàãíè÷åííûé ïîëíîñòüþ â íàìàãíè÷èâàþùåé óñòàíîâêå, ïîñëå óäàëåíèÿ èç ýòîé óñòàíîâêè èìåë” ðàáî÷óþ ” òî÷êó à0 íà êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ B = f (H ) (ðèñ. 1.37), êîòîðîé ñîîòâåòñòâóåò óãîë α1, èíäóêöèÿ B è íàïðÿæåííîñòü H. Ïðè ñîåäèíåíèè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà ñ ìàãíèòîïðîâîäîì ìàãíèòíîé ñèñòåìû ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü ñèñòåìû óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷åìó áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü íîâûé óãîë α2 è áîëüøàÿ èíäóêöèÿ â ïîñòîÿííîì ìàãíèòå. Îäíàêî óâåëè÷åíèå èíäóêöèè â ïîñòîÿííîì ìàãíèòå ïðîèñõîäèò íå ïî êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ, à ïî íåêîòîðîé äðóãîé êðèâîé a0bc, íàçûâàåìîé êðèâîé âîçâðàòà. Ïðè ïîëíîì çàìûêàíèè ìàãíèòíîé ñèñòåìû (α = π/2) èìåëè áû èíäóêöèþ B1. Åñëè ìàãíèòîïðîâîä óäàëèòü, òî èíäóêöèÿ áóäåò èçìåíÿòüñÿ ïðèìåðíî ïî êðèâîé cda0. Êðèâûå a0bc è cda0 ÿâëÿþòñÿ êðèâûìè ÷àñòíûõ öèêëîâ íàìàãíè÷èâàíèÿ è ðàçìàãíè÷èâàíèÿ. Øèðèíà ïåòëè ÷àñòíîãî öèêëà îáû÷íî íåâåëèêà, è ïåòëþ çàìåíÿþò ïðÿìîé a0c, íàçûâàåìîé ïðÿìîé âîçâðàòà. Îòíîøåíèå
Ðèñ. 1.36. Ê îïðåäåëåíèþ ñâîáîäíîé ìàãíèòíîé ýíåðãèè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà
Ðèñ. 1.37. Êðèâûå è ëèíèÿ âîçâðàòà ìàòåðèàëà ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà
53
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Bì = f (H ) – êðèâàÿ 1′. Ïîýòîìó çíà÷åíèÿ íàìàãíè÷åííîñòè M â íèõ îäèíàêîâû. Òàêèì îáðàçîì, ìàãíèòíûé ìîìåíò ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà mï.ì, ðàâíûé (ïðè äîïóùåíèè îäíîìåðíîñòè ïîëÿ M) M dV, ïðè èñïîëüçîâàíèè çàêðèòè÷åñêîãî ìàòå-
ìàòåðèàëà è èìååò ôîðìó, êîòîðîé ñîîòâåòñòâóåò ëèíèÿ ïðîâîäèìîñòè ñ óãëîì α (ðèñ. 1.38,á). Òîãäà ðàáî÷àÿ òî÷êà ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà íà êðèâîé 1 ïðè îòñóòñòâèè ñòîðîííåãî ïîëÿ íàõîäèòñÿ â ïîëîæåíèå d1”, à íà êðèâîé 1′ – â ïîëîæåíèå d1′”. Êàê ” ðèñ. 1.38,á , ïðèíÿòîå çíà÷åíèå ðàçìàãíè” âèäíî èç ÷èâàþùåãî ïîëÿ ïðàêòè÷åñêè íå èçìåíèëî íàìàãíè÷åííîñòü ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà èç çàêðèòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà, à, ñëåäîâàòåëüíî, è åãî ìàãíèòíûé ìîìåíò. Ïðîâåäåíèå àíàëîãè÷íîãî àíàëèçà ñ ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì, âûïîëíåííûì èç äîêðèòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà (êðèâûå 2 è 2′) ïîêàçûâàåò, ÷òî âîçäåéñòâèå òàêîãî æå ðàçìàãíè÷èâàþùåãî ïîëÿ âûçûâàåò çíà÷èòåëüíîå èçìåíåíèå íàìàãíè÷åííîñòè (ñðàâíè òî÷êè b1 è b2 íà êðèâîé 2′) â ïîñòîÿííîì ìàãíèòå è åãî ìàãíèòíîãî ìîìåíòà. Ïðè ñíÿòèè âîçäåéñòâèÿ ïîëÿ (– Hñò) ïîñòîÿííûé ìàãíèò èç çàêðèòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà âîññòàíàâëèâàåò ñâîè õàðàêòåðèñòèêè, òàê êàê ðàáî÷àÿ òî÷êà íà êðèâîé 1 èç ïîëîæåíèÿ „d2” ïðàêòè÷åñêè ” âîçâðàùàåòñÿ â ïîëîæåíèå d1”. Ìàãíèò æå èç ” äîêðèòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà íå âîññòàíàâëèâàåò ñâîè õàðàêòåðèñòèêè, òàê êàê âîçâðàò ðàáî÷åé òî÷êè èç ïîëîæåíèÿ „b2” ïðîèñõîäèò íå ïî êðèâîé 2, ò. å. íå ” â ïîëîæåíèå b1”, à ïî ëèíèè âîçâðàòà b2–c â ïîëî” æåíèå „c”. ” Ïîëÿðèçîâàííûå ìàãíèòíûå ñèñòåìû. Ïîëÿðèçîâàííûå ìàãíèòíûå ñèñòåìû îòëè÷àþòñÿ îò íåïîëÿðèçîâàííûõ, íàïðèìåð, îò óæå ðàññìîòðåííîé (ñì. ðèñ. 1.30,a), òåì, ÷òî îíè èìåþò äâà âèäà èñòî÷íèêà ìàãíèòíîãî ïîëÿ – ïîëÿðèçóþùèé è óïðàâëÿþùèé. Èñòî÷íèêîì ïîëÿðèçóþùåãî ïîëÿ â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ÿâëÿþòñÿ ïîñòîÿííûå ìàãíèòû, íî èíîãäà äëÿ ýòîé öåïè èñïîëüçóåòñÿ ñïåöèàëüíàÿ îáìîòêà ñ òîêîì. Óïðàâëÿþùåå ïîëå ñîçäàåòñÿ ÌÄÑ óïðàâëÿþùåé îáìîòêè. Îñíîâíîé îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ ïîëÿðèçîâàííîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû ÿâëÿåòñÿ çàâèñèìîñòü åå äåéñòâèÿ íå òîëüêî îò çíà÷åíèÿ, íî è îò íàïðàâëåíèÿ òîêà â óïðàâëÿþùåé îáìîòêå. Ïðè îòñóòñòâèè òîêà â ýòîé îáìîòêå íà ïîäâèæíóþ ÷àñòü ìàãíèòíîé ñèñòåìû – ÿêîðü äåéñòâóåò ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà, ñîçäàâàåìàÿ ïîëÿðèçóþùèì ïîëåì. Ïðèìåíåíèå ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü ôèêñèðîâàííîå ïîëîæåíèå ÿêîðÿ íåçàâèñèìî îò íàëè÷èÿ èëè îòñóòñòâèÿ èñòî÷íèêà òîêà è èñêëþ÷àåò ïîòðåáëåíèå ýíåðãèè â íåðàáî÷èé ïåðèîä. Íàëè÷èå ïîëÿðèçóþùåãî ïîëÿ îïðåäåëÿåò òàêæå âûñîêóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü è áûñòðîäåéñòâèå ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ íà îñíîâå ïîëÿðèçîâàííûõ ìàãíèòíûõ ñèñòåì. Ýòî ñâÿçàíî ãëàâíûì îáðàçîì ñ òåì, ÷òî ïðè ñðàáàòûâàíèè ýòèõ àïïàðàòîâ ìàãíèòíîå ïîëå íå ñîçäàåòñÿ âíîâü ïîëíîñòüþ,
∫
V
ðèàëà èçìåíÿåòñÿ ëèøü ïðè èçìåíåíèè îáúåìà V ìàãíèòà è ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò åãî ôîðìû. Ðàññìîòðèì ïîñòîÿííûé ìàãíèò èç äîêðèòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà. Ïåðåñå÷åíèå òåõ æå ëèíèé ïðîâîäèìîñòè ñ êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ 2 äàåò òî÷êè b1 è b2, êîòîðûì íà êðèâîé ðàçìàãíè÷èâàíèÿ 2′ ñîîòâåòñòâóþò òî÷êè b1′ è b2′. Êàê âèäíî, â ýòîì ñëó÷àå íàìàãíè÷åííîñòü è, ñëåäîâàòåëüíî, ìàãíèòíûé ìîìåíò ñóùåñòâåííî çàâèñÿò îò ôîðìû ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà. Ïðîàíàëèçèðóåì âëèÿíèå ñòîðîííåãî (âíåøíåãî) ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà ïîñòîÿííûå ìàãíèòû, âûïîëíåííûå èç òåõ æå äâóõ âèäîâ ìàòåðèàëîâ. Ïóñòü ïîñòîÿííûé ìàãíèò èçãîòîâëåí èç çàêðèòè÷åñêîãî
Ðèñ. 1.38. Âëèÿíèå ôîðìû ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà (à) è ñòîðîííåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ (á) íà õàðàêòåðèñòèêè ìàãíèòîâ, âûïîëíåííûõ èç çàêðèòè÷åñêîãî è äîêðèòè÷åñêîãî ìàòåðèàëîâ
54
§ 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ëåíèÿ, âêëþ÷åííûå ïîñëåäîâàòåëüíî è ñîãëàñíî. Ñ ìàãíèòîïðîâîäîì æåñòêî ñêðåïëåí ïîñòîÿííûé ìàãíèò 3, ñîçäàþùèé ïîëÿðèçóþùèé ìàãíèòíûé ïîòîê Φï.ì (îáîçíà÷åí ñïëîøíûìè ëèíèÿìè). ßêîðü 5 ìîæåò ïîâîðà÷èâàòüñÿ íà îñè 6 â ïîäøèïíèêàõ (íå ïîêàçàíû íà ðèñóíêå). Ïîòîê Φï.ì ïðîõîäèò ÷åðåç âîçäóøíûé çàçîð δ2 â ÿêîðü è çàòåì ðàçâåòâëÿåòñÿ íà äâà ïîòîêà (Φï.ìδ1 è Φï.ìδ3), ïðîõîäÿùèå ñîîòâåòñòâåííî ÷åðåç âîçäóøíûå çàçîðû δ1 è δ3. Ïðè îòñóòñòâèè òîêà â îáìîòêàõ è ãîðèçîíòàëüíîì ïîëîæåíèè ÿêîðÿ äåéñòâóþùèå íà íåãî ýëåêòðîìàãíèòíûå ñèëû â çàçîðàõ δ1 è δ3 îäèíàêîâû. ßêîðü ïðè ýòîì íàõîäèòñÿ â íåóñòîé÷èâîì ïîëîæåíèè: ïðè íåçíà÷èòåëüíîì ïîâîðîòå ÿêîðÿ (íàïðèìåð, ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè, ò. å. â ñòîðîíó óìåíüøåíèÿ çàçîðà δ1 è óâåëè÷åíèÿ çàçîðà δ3) ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà â çàçîðå δ1 óâåëè÷èòñÿ, à â çàçîðå δ3 óìåíüøèòñÿ.  ðåçóëüòàòå ÿêîðü ïåðåõîäèò â ïîëîæåíèå, èçîáðàæåííîå íà ðèñ. 1.39,à. Ïîñëå âêëþ÷åíèÿ îáìîòîê ñ ïîëÿðíîñòüþ, ïîêàçàííîé íà ðèñóíêå, ñîçäàåòñÿ óïðàâëÿþùèé ìàãíèòíûé ïîòîê Φó (îáîçíà÷åí øòðèõîâûìè ëèíèÿìè), ïðîõîäÿùèé ïîñëåäîâàòåëüíî ÷åðåç çàçîðû δ1 è δ3. Ïðè ýòîì â çàçîðå δ1 ïðîèñõîäèò âû÷èòàíèå ïîòîêîâ Φï.ìδ1 è Φó, à â çàçîðå δ3 – ñëîæåíèå ïîòîêîâ Φï.ìδ3 è Φó. Ïðè îïðåäåëåííîé ÌÄÑ îáìîòîê ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà â çàçîðå δ3 ñòàíåò áîëüøå ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû â çàçîðå δ1, è (ïðè óñëîâèè îòñóòñòâèÿ äðóãèõ ñèë) ÿêîðü ïîâåðíåòñÿ ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå è çàéìåò äðóãîå êðàéíåå ïîëîæåíèå.  ýòîì ïîëîæåíèè ÿêîðü îñòàíåòñÿ è ïîñëå ñíÿòèÿ íàïðÿæåíèÿ ñ îáìîòîê. Åñëè ñíîâà âêëþ÷èòü îáìîòêè, íî ñ èçìåíåíèåì ïîëÿðíîñòè òîêà, òî ÿêîðü ïåðåáðîñèòñÿ â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè.  äèôôåðåíöèàëüíûõ ñõåìàõ íà îñü ÿêîðÿ (ðèñ. 1.39,à) èëè ïëîñêóþ ïðóæèííóþ ïîäâåñêó (ðèñ. 1.39,á) äåéñòâóþò çíà÷èòåëüíûå óñèëèÿ, ïðè÷èíîé êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ âîçäåéñòâèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèë íà ÿêîðü.  ïåðâîì ñëó÷àå ïðè ïåðåìåùåíèè ÿêîðÿ â ïîäøèïíèêàõ âîçíèêàþò çíà÷èòåëüíûå ñèëû òðåíèÿ, ÷òî îòðèöàòåëüíî ñêàçûâàåòñÿ íà ÷óâñòâèòåëüíîñòè àïïàðàòà. Âî âòîðîì ñëó÷àå òå æå óñèëèÿ, âûçûâàþò íå òîëüêî èçãèá ïðóæèíû, íî è åå ðàñòÿæåíèå, ÷òî ïðèâîäèò ê íåîáõîäèìîñòè ïðèìåíÿòü äëÿ ïðóæèíû ìàòåðèàëû ñ âûñîêèì âðåìåííûì ñîïðîòèâëåíèåì ðàçðûâó. Ìîñòîâûå ñõåìû (ðèñ. 1.39,â–å) ýòèì íåäîñòàòêîì íå îáëàäàþò. Åùå îäíèì èç íåäîñòàòêîâ äèôôåðåíöèàëüíûõ ñõåì ÿâëÿåòñÿ íåâîçìîæíîñòü ïîëíîãî ðàçäåëåíèÿ ïîëÿðèçóþùåãî è óïðàâëÿþùåãî ïîòîêîâ â ÿêîðå. Ýòî âûçûâàåò íåîáõîäèìîñòü óâåëè÷åíèÿ ïëîùàäè ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ è, ñëåäîâàòåëüíî, ìàññû ÿêîðÿ,
à ïðîèñõîäèò òîëüêî ïåðåðàñïðåäåëåíèå ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ. Ïîëÿðèçîâàííûå ìàãíèòíûå ñèñòåìû ÿâëÿþòñÿ îñíîâîé âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûõ áûñòðîäåéñòâóþùèõ ðåëå, ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé ýëåêòðè÷åñêîãî ñèãíàëà â ïðîïîðöèîíàëüíîå óãëîâîå èëè ëèíåéíîå ïåðåìåùåíèå, áûñòðîäåéñòâóþùèõ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé, áëîêèðóþùèõ óñòðîéñòâ è ò. ä. Ñóùåñòâóåò áîëüøîå ðàçíîîáðàçèå ïîëÿðèçîâàííûõ ìàãíèòíûõ ñèñòåì.  çàâèñèìîñòè îò ñõåìû ìàãíèòíîé öåïè îíè äåëÿòñÿ íà ìàãíèòíûå ñèñòåìû ñ ïîñëåäîâàòåëüíîé, äèôôåðåíöèàëüíîé è ìîñòîâîé ìàãíèòíûìè öåïÿìè [17, 22, 23]. Êàæäàÿ èç ýòèõ ãðóïï èìååò ìíîãî ðàçíîâèäíîñòåé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè ìàãíèòíûå ñèñòåìû ñ äèôôåðåíöèàëüíûìè è ìîñòîâûìè ìàãíèòíûìè öåïÿìè. Íåêîòîðûå èç íèõ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 1.39.  êà÷åñòâå ïðèìåðà ðàññìîòðèì ïðèíöèï äåéñòâèÿ îäíîé èç äèôôåðåíöèàëüíûõ ìàãíèòíûõ ñèñòåì (ðèñ. 1.39,a). Îíà ñîñòîèò èç ìàãíèòîïðîâîäà 1, íà êîòîðîì ðàçìåùåíû äâå (2 è 4) îáìîòêè óïðàâ-
Ðèñ. 1.39. Ïðèìåðû äèôôåðåíöèàëüíûõ (à, á ) è ìîñòîâûõ (â–å) ñõåì ïîëÿðèçîâàííûõ ìàãíèòíûõ ñèñòåì
55
Ãë. 1. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
êàê ìèíèìóì ÷åòûðüìÿ òàêèìè çàçîðàìè (δ1, δ2, δ3, δ4 íà ðèñ. 1.39,â–å). Ýòî â ðÿäå ñëó÷àåâ (ñì., íàïðèìåð, ðèñ. 1.39,å) äàåò âîçìîæíîñòü óìåíüøèòü ïðèìåðíî âäâîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå óïðàâëÿþùåìó ïîòîêó ïî ñðàâíåíèþ ñ àíàëîãè÷íûì ñîïðîòèâëåíèåì ñõåì ñ äâóìÿ çàçîðàìè, òàê êàê ìàãíèòíûå ñîïðîòèâëåíèÿ çàçîðîâ íà ïóòè óïðàâëÿþùåãî ïîòîêà â ïåðâîì ñëó÷àå ðàñïîëîæåíû ïîïàðíî ïàðàëëåëüíî (δ1 è δ4, à òàêæå δ2 è δ3).
÷òî ñíèæàåò áûñòðîäåéñòâèå àïïàðàòà è åãî óñòîé÷èâîñòü ê âíåøíèì ìåõàíè÷åñêèì âîçäåéñòâèÿì.  íåêîòîðûõ ìîñòîâûõ ñõåìàõ (íàïðèìåð, ðèñ. 1.39,â–ä) îäèí èç ïîòîêîâ (óïðàâëÿþùèé èëè ïîëÿðèçóþùèé) íàïðàâëåí âäîëü ÿêîðÿ, à âòîðîé – ïîïåðåê.  îòëè÷èå îò äèôôåðåíöèàëüíûõ ñõåì, èìåþùèõ ïðàêòè÷åñêè òîëüêî äâà ðàáî÷èõ çàçîðà (δ1 è δ3 íà ðèñ. 1.39,à ), ìîñòîâûå ñõåìû õàðàêòåðèçóþòñÿ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. Ïî÷åìó ëþáîå âåêòîðíîå ïîëå ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ñóììû äâóõ ýëåìåíòàðíûõ ñîñòàâëÿþùèõ: âèõðåâîé è ïîòåíöèàëüíîé? 2. Êàêèå äîïîëíèòåëüíûå èñòî÷íèêè âîçíèêàþò â ïåðåìåííîì ýëåêòðîìàãíèòíîì ïîëå ïî ñðàâíåíèþ ñî ñòàöèîíàðíîì ìàãíèòíîì ïîëåì? 3. Êàêèå ìåòîäû ðàñ÷åòà ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèë Âû çíàåòå? 4. Îáúÿñíèòå ïðîöåññ íàìàãíè÷èâàíèÿ ïðåäâàðèòåëüíî ðàçìàãíè÷åííîãî ôåððîìàãíèòíîãî òåëà. 5. Êàêèå ìàãíèòíûå ìàòåðèàëû Âû çíàåòå? Èõ ñâîéñòâà? 6. Èçîáðàçèòå íà ïðåäåëüíîé ïåòëå ãèñòåðåçèñà ÷àñòíûå íåñèììåòðè÷íûå ãèñòåðåçèñíûå öèêëû, ðàñïîëîæåííûå â ïåðâîì è òðåòüåì êâàäðàíòàõ. 7.  êàêîé ÷àñòè ìàãíèòîïðîâîäà óêàçàííîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû ìàãíèòíûé ïîòîê èìååò íàèáîëüøåå çíà÷åíèå? ×òî íàäî ïðåäïðèíÿòü, ÷òîáû èçìåðèòü ýòîò ïîòîê? Îòëè÷àåòñÿ ëè ýòîò ïîòîê îò ìàêñèìàëüíîãî ïîòîêà ñèñòåìû?
9. Èçîáðàçèòå çàâèñèìîñòü äåéñòâóþùåãî çíà÷åíèÿ òîêà â îáìîòêå ìàãíèòíîé ñèñòåìû, ïîäêëþ÷åííîé ê èñòî÷íèêó ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ, îò ðàáî÷åãî çàçîðà. 10. ×òî ó÷èòûâàåò ðåàêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ êîìïëåêñíîãî ìàãíèòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ? 11. ×òî ïîíèìàåòñÿ ïîä ëèíèåé âîçâðàòà ïðè ôóíêöèîíèðîâàíèè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà? 12. Êàê îïðåäåëÿåòñÿ ñâîáîäíàÿ ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ åäèíèöû îáúåìà ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà? ×òî òàêîå ìàêñèìàëüíàÿ ñâîáîäíàÿ ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ”? 13. ” Îáúÿñíèòå ïðèíöèï äåéñòâèÿ ïîëÿðèçîâàííîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû: à) ñ äèôôåðåíöèàëüíîé ìàãíèòíîé öåïüþ? á) ñ ìîñòîâîé ìàãíèòíîé öåïüþ? 14. ×åì îáúÿñíÿåòñÿ áîëåå âûñîêàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ñ ïîëÿðèçîâàííîé ìàãíèòíîé ñèñòåìîé ïî ñðàâíåíèþ ñ àïïàðàòàìè ñ íåïîëÿðèçîâàííîé ñèñòåìîé?
8. Â êàêîé èç ìàãíèòíûõ ñèñòåì íàèìåíüøèé ìàãíèòíûé ïîòîê ðàññåÿíèÿ, åñëè äîïóñòèòü, ÷òî îí çàìûêàåòñÿ òîëüêî ìåæäó ñòåðæíÿìè 1 è 2? ÌÄÑ ó âñåõ ñèñòåì îäèíàêîâà.
56
Ãëàâà âòîðàÿ ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÅ È ÝËÅÊÒÐÎÌÅÕÀÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÛ 2.1. ÊÎÌÌÓÒÀÖÈß ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÎÉ ÖÅÏÈ
Ýòîò çàêîí íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü, â ÷àñòíîñòè, ïðè âûáîðå íà÷àëüíûõ óñëîâèé ïðè ðåøåíèè äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé, îïèñûâàþùèõ ïðîöåññû êîììóòàöèè ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ öåïåé. Ïîä ãëóáèíîé êîììóòàöèè ïîíèìàþò îòíîøåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ Rîòê êîììóòèðóþùåãî îðãàíà â îòêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè ê ñîïðîòèâëåíèþ Râêë âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè
Êîììóòàöèÿ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè – ïðîöåññ çàìûêàíèÿ èëè ðàçìûêàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè. Êîììóòàöèÿ ìîæåò ïðîèñõîäèòü ïîä âîçäåéñòâèåì âíåøíèõ èëè âíóòðåííèõ äëÿ äàííîãî óñòðîéñòâà èñòî÷íèêîâ íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà. Ïðè àíàëèçå è ðàñ÷åòå ïðîöåññîâ êîììóòàöèè íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü îáùèé çàêîí êîììóòàöèè: ïðè êîììóòàöèè èíäóêòèâíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé íå ìîãóò èçìåíÿòüñÿ ñêà÷êîì òîê öåïè è ìàãíèòíûé ïîòîê (di ⁄ dt ≠ ∞ è dΦ ⁄ dt ≠ ∞); ïðè êîììóòàöèè åìêîñòíûõ öåïåé íå ìîãóò èçìåíÿòüñÿ ñêà÷êîì íàïðÿæåíèå è ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä (dU ⁄ dt ≠ ∞, dQ ⁄ dt ≠ ∞).
hk =
Rîòê Râêë
.
Äëÿ áåñêîíòàêòíûõ àïïàðàòîâ îáû÷íî hk = = 104÷107, äëÿ êîíòàêòíûõ hk = 106÷1014.
2.1.1. ÈÄÅÀËÜÍÛÉ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÉ ÊËÞ×
ãî êëþ÷à. Ïîòåðè àêòèâíîé ìîùíîñòè â ñòàòè÷åñêèõ ðåæèìàõ PS = iSUS ðàâíû íóëþ. Êîììóòàöèÿ ÿâëÿåòñÿ äèíàìè÷åñêèì ïðîöåññîì è ïîýòîìó îñíîâíûå ïàðàìåòðû è õàðàêòåðèñòèêè êëþ÷à îïðåäåëÿþòñÿ äèíàìè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè è ôèçè÷åñêîé ïðèðîäîé êëþ÷à, à òàêæå çàâèñÿò îò õàðàêòåðà íàãðóçêè â êîììóòèðóåìîé öåïè. Óïðîùåííî ïåðåõîä ýëåêòðîííîãî êëþ÷à èç îäíîãî
Ïîíÿòèå êëþ÷” â ýëåêòðîòåõíèêå îáû÷íî îò” íîñèòñÿ ê óñòðîéñòâàì êîììóòàöèè.  ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ ýëåêòðîííûì êëþ÷îì ïðèíÿòî íàçûâàòü óñòðîéñòâî äëÿ áåñêîíòàêòíîé êîììóòàöèè òîêà â ýëåêòðè÷åñêèõ öåïÿõ àâòîìàòèêè, òåëåìåõàíèêè, âû÷èñëèòåëüíîé è èçìåðèòåëüíîé òåõíèêè è ò. ï. Îñíîâíîé ýëåìåíò ýëåêòðîííîãî êëþ÷à – ïîëóïðîâîäíèêîâûé èëè ýëåêòðîâàêóóìíûé ïðèáîð, ðàáîòàþùèé â ðåæèìå âêëþ÷åíèå-îòêëþ÷å” íèå”.  ýëåêòðîìåõàíèêå êîììóòèðóþùèå êîíòàêòíûå ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû îáû÷íî íàçûâàþòñÿ âûêëþ÷àòåëÿìè, ðàçúåäèíèòåëÿìè, ïåðåêëþ÷àòåëÿìè è ò. ï. Ïîíÿòèå êëþ÷” ê íèì ðåäêî ïðèìåíÿåòñÿ, ” õîòÿ ýòè àïïàðàòû ïî ñóùåñòâó òàêæå âûïîëíÿþò ôóíêöèè êëþ÷à. Ñ ðàçâèòèåì ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è ñòàëè çàìåíÿòü êîíòàêòíûå êîììóòàöèîííûå ýëåìåíòû èëè ñîâìåùàòüñÿ ñ íèìè (ãèáðèäíûå àïïàðàòû) è ïîíÿòèå êëþ÷” ” âîøëî â îáëàñòü ýëåêòðîìåõàíèêè. Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà (ÂÀÕ) èäåàëüíîãî ýëåêòðîííîãî êëþ÷à (ðèñ. 2.1,à) îòðàæàåò äâà êðàéíèõ (ñòàòè÷åñêèõ) ñîñòîÿíèÿ. Èç õàðàêòåðèñòèêè ñëåäóåò, ÷òî èäåàëüíûé êëþ÷ ìîæåò ïðîâîäèòü òîê ± iS ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèé â âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè è âûäåðæèâàòü íàïðÿæåíèÿ ±US ïðîòèâîïîëîæíûõ ïîëÿðíîñòåé.  âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè èäåàëüíîãî êëþ÷à íàïðÿæåíèå US = 0 ïðè òîêàõ iS, äîïóñêàåìûõ ïî òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ýëåêòðîííîãî êëþ÷à, à â âûêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè iS = 0 ïðè íàïðÿæåíèè US, íå ïðåâûøàþùåì äîïóñòèìîãî ïî îáðàòíîìó íàïðÿæåíèþ ýëåêòðîííî-
Ðèñ. 2.1. Èäåàëüíûé ýëåêòðîííûé êëþ÷: à – âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà; á – óñëîâíûå èçîáðàæåíèÿ â âûêëþ÷åííîì è âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèÿõ; â – äèàãðàììû òîêà (ïðè âûêëþ÷åíèè) è íàïðÿæåíèÿ (ïðè âêëþ÷åíèè) ýëåêòðîííîãî êëþ÷à
57
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
ìóòàöèè àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ R íàãðóçêè (ðèñ. 2.2,á) âûäåëÿåìàÿ ïðè âêëþ÷åíèè ýíåðãèÿ îïðåäåëÿåòñÿ êàê
ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå ìîæíî õàðàêòåðèçîâàòü èçìåíåíèåì âî âðåìåíè åãî ñîïðîòèâëåíèÿ, óáûâàþùåãî ïðè âêëþ÷åíèè è âîçðàñòàþùåãî ïðè âûêëþ÷åíèè. Áûñòðîäåéñòâèå êëþ÷à îïðåäåëÿåò ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ åãî ñîïðîòèâëåíèÿ (ðèñ. 2.1,á). Ëîãè÷íî õàðàêòåðèçîâàòü äèíàìèêó èäåàëüíîãî êëþ÷à ìàêñèìàëüíûì áûñòðîäåéñòâèåì. Ôîðìàëüíî ýòî áûñòðîäåéñòâèå ìîæíî âûðàçèòü ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ïðè âêëþ÷åíèè íàïðÿæåíèå íà êëþ÷å US(t) ñíèæàåòñÿ äî íóëÿ ïî ëèíåéíîìó çàêîíó (â èäåàëüíîì ýëåêòðîííîì êëþ÷å) çà âðåìÿ ∆ tâêë, à ïðè âûêëþ÷åíèè òîê êëþ÷à iS(t) ñíèæàåòñÿ äî íóëÿ çà âðåìÿ ∆ tâûêë (ðèñ. 2.1,â). Äëÿ èäåàëüíîãî êëþ÷à, îáëàäàþùåãî äèíàìè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, ∆tâêë → 0 è ∆tâûêë → 0. Ïðè òàêîé èíòåðïðåòàöèè êîììóòàöèîííîãî ïðîöåññà òîê ïðè âêëþ÷åíèè iS(t) è íàïðÿæåíèå ïðè âûêëþ÷åíèè US(t) áóäóò ôóíêöèÿìè ïàðàìåòðîâ öåïè è áóäóò îòðàæàòü ðåàêöèþ êîììóòèðóþùåé öåïè íà ìãíîâåííîå èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà. Äëÿ ïîëíîé õàðàêòåðèñòèêè èäåàëüíîãî êëþ÷à ñëåäóåò ïðèíÿòü çàòðà÷èâàåìóþ ïðè êîììóòàöèè ìîùíîñòü óïðàâëåíèÿ Póïð → 0, ò.å. ñ÷èòàòü óïðàâëåíèå ÷èñòî èíôîðìàöèîííûì ïðîöåññîì. Íà ðèñ. 2.2,à ïðèâåäåíà ñõåìà êëþ÷à.
∆tâûêë
WS = ∆tâûêë
=
∫ (U
0
0 S
∫ i (t) U (t) dt = S
S
0
⁄ R) (1 −
t ∆tâûêë
) U 0S
t ∆tâûêë
dt =
0
(U S) ∆tâûêë , 6R
(2.1)
ãäå U 0S – íàïðÿæåíèå â óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå. Ïðè êîììóòàöèè ýëåêòðè÷åñêîé öåïè èäåàëüíûì êëþ÷îì ∆tâêë → 0 è ∆tâûêë → 0 è, ñëåäîâàòåëüíî, WS → 0. Òàêèì îáðàçîì êîììóòàöèÿ öåïè ñ àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì èäåàëüíûì êëþ÷îì ïðèâîäèò ê âïîëíå îáúÿñíèìîìó ðåçóëüòàòó.  äèíàìè÷åñêîì ðåæèìå êëþ÷ íå ïîäâåðãàåòñÿ âîçäåéñòâèþ òîêîâ è íàïðÿæåíèé, êîòîðûå ïðåâûøàëè áû çíà÷åíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå çíà÷åíèÿì ýòèõ âåëè÷èí â ñòàòè÷åñêîì ðåæèìå. Ýòî ìîæíî ïðîèëëþñòðèðîâàòü ãðàôè÷åñêèì èçîáðàæåíèåì òðàåêòîðèé ïåðåêëþ÷åíèÿ, ò. å. çàâèñèìîñòåé èçìåíåíèÿ òîêà îò íàïðÿæåíèÿ è íàîáîðîò â ïðîöåññå êîììóòàöèè (ðèñ. 2.2,á,â). Èíà÷å ïðîöåññû êîììóòàöèè ïðîòåêàþò â öåïÿõ ñ åìêîñòíûìè èëè èíäóêòèâíûìè ýëåìåíòàìè. Ïðè èäåàëèçàöèè ýëåêòðè÷åñêîãî êëþ÷à î÷åâèäíî ïðîòèâîðå÷èå ñ îáùèì çàêîíîì êîììóòàöèè, ÿâëÿþùèìñÿ ôóíäàìåíòàëüíûì â òåîðèè öåïåé ïðè àíà-
Äëÿ èäåàëüíîãî ýëåêòðîííîãî êëþ÷à õàðàêòåðíû î÷åíü êîðîòêèå ïðîäîëæèòåëüíîñòè âðåìåí âêëþ÷åíèÿ ∆ tâêë è âûêëþ÷åíèÿ ∆ tâûêë. Ïîýòîìó äëÿ íèõ ìîæíî ïðèíÿòü ëèíåéíûå èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè òîêîâ iS(t) è íàïðÿæåíèé US(t). Äëÿ ñõåìû êîì-
Ðèñ. 2.2. Êîììóòàöèÿ àêòèâíîé íàãðóçêè: à – ñõåìà çàìåùåíèÿ; á – äèàãðàììû òîêîâ, íàïðÿæåíèé ïðè êîììóòàöèè; â – âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà èäåàëüíîãî ýëåêòðîííîãî êëþ÷à
58
§ 2.1. Êîììóòàöèÿ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè
Ðèñ. 2.3. Êîììóòàöèÿ åìêîñòíîé íàãðóçêè: à – ñõåìà çàìåùåíèÿ; á – äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ è òîêà; â – âîëüòàìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè
äóþùèå çíà÷åíèÿ UC1 = UC2 = U ⁄ 2. Ñëåäîâàòåëüíî, ïîñëå êîììóòàöèè ýíåðãèÿ, çàïàñåííàÿ â ýëåêòðè÷åñêîé öåïè ïðè ðàâåíñòâå åìêîñòåé C1 = C2 = C ñòàíåò ðàâíîé
ëèçå ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ. Îäíàêî ïðè áîëåå âíèìàòåëüíîì àíàëèçå ïðîöåññîâ êîììóòàöèè â ýòèõ ñëó÷àÿõ íåòðóäíî óáåäèòüñÿ, ÷òî èäåàëèçàöèÿ êëþ÷à íå ïðîòèâîðå÷èò îñíîâíîìó çàêîíó ôèçèêè – çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè. Ïðîòèâîðå÷èÿ æå ñ çàêîíîì êîììóòàöèè ìîãóò áûòü ëåãêî óñòðàíåíû ïðè ïåðåñìîòðå â ýòèõ ñëó÷àÿõ òðàäèöèîííî ïðèíèìàåìûõ äîïóùåíèé îá èäåàëüíîñòè è ñîñðåäîòî÷åííîñòè ýëåìåíòîâ êîììóòèðóåìîé öåïè. Ðàññìîòðèì ýòè ïðîöåññû áîëåå âíèìàòåëüíî. Íà ðèñ. 2.3,à ïðåäñòàâëåíà ñõåìà ïîäêëþ÷åíèÿ êîíäåíñàòîðà åìêîñòüþ C2 ñ íà÷àëüíûì çíà÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ UC2 ê êîíäåíñàòîðó åìêîñòüþ C1, ïðåäâàðèòåëüíî çàðÿæåííîìó äî íàïðÿæåíèÿ UÑ1 > 0. Ñ÷èòàÿ ýëåêòðîííûé êëþ÷ èäåàëüíûì, à òàêæå ïðèíèìàÿ äîïóùåíèÿ, àíàëîãè÷íûå ïðèíÿòûì ïðè ðàññìîòðåíèè êîììóòàöèè öåïè ñ àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì, ìîæíî çàïèñàòü
2
WΣ = WC1 + WC2 =
∆tâêë
dU ∫ U (t)C 2 dt S
S
2
2
U C
+
2
2
=
CU 4
2
.
(2.3)
Ïðè ïðèíÿòûõ äîïóùåíèÿõ îá èäåàëüíîñòè ýëåìåíòîâ ñõåìû, âêëþ÷àÿ êëþ÷åâîé ýëåìåíò, ñîçäàåòñÿ âïå÷àòëåíèå íàðóøåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî áàëàíñà. Îäíàêî äîëÿ èñ÷åçíóâøåé” ýíåðãèè òî÷íî ” ñîîòâåòñòâóåò çíà÷åíèþ ýíåðãèè WS, âûäåëåííîé ïðè êîììóòàöèè. Äëÿ èäåàëüíîãî êëþ÷à âðåìÿ êîììóòàöèè ∆tâêë → 0, à òîê iS(t) → ∞. Ïî ñóùåñòâó èìååò ìåñòî î÷åíü óçêèé èìïóëüñ òîêà, êîòîðûé ìàòåìàòè÷åñêè îïèñûâàåòñÿ ôóíêöèåé Äèðàêà δ (t), ïðåäñòàâëÿþùåé ñîáîé åäèíè÷íûé ìãíîâåííûé èìïóëüñ (ðèñ. 2.3,â), äëÿ êîòîðîãî ∆t → 0, h → ∞, à ïëîùàäü èìïóëüñà îñòàåòñÿ ðàâíîé åäèíèöå, ò. å.
∆tâêë
WS =
2
U C
+∞
=
∫ υ(t) dt = 1. Êîíå÷íîå çíà÷åíèå ïëîùàäè â äàííîì
0
−∞
∫U
S
1 +
t C dUS(t) ∆tâêë dt
1 ∆tâêë
C (−
US ∆tâêë
Öèôðà 2” â çíàìåíàòåëå ïîêàçûâàåò, ÷òî â ” êîíöå êîììóòàöèè íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå C2 ñòàíåò ðàâíûì UC2 = 1 ⁄ 2UC1; â ïåðåõîäíîì ïðîöåññå çà âðåìÿ ∆ tâûêë äåéñòâóåò ðàçíîñòü íàïðÿæåíèé UC1 − UC2 = (1 ⁄ 2)UC1, à íå ïîëíîå UC1.
ñëó÷àå ñîãëàñóåòñÿ ñ êîíå÷íûì çíà÷åíèåì çàðÿäà (q = CU ⁄ 2), êîòîðûé ïðîøåë ÷åðåç êëþ÷ S â ïðîöåññå êîììóòàöèè. Åñëè íå íàðóøàòü ïðèíÿòûå äîïóùåíèÿ îá îòñóòñòâèè â ñõåìå ýëåìåíòîâ ñ àêòèâíûìè ïîòåðÿìè, òî òàêîé ìãíîâåííûé ýíåðãåòè÷åñêèé èìïóëüñ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê èìïóëüñ ýíåðãåòè÷åñêèõ êâàíòîâ, èçëó÷åííûé ýëåêòðîìàãíèòíûì ïîëåì êîììóòèðóåìîé öåïè. Î âåðîÿòíîñòè òàêîãî ïðîöåññà ðàññåÿíèÿ èçëó÷åíèåì âûäåëåííîé â ýëåêòðîííîì êëþ÷å ýëåêòðîìàãíèòíîé ýíåðãèè ñâèäåòåëüñòâóþò çíà÷åíèÿ òîêà iS(t) → ∞ è âðåìåíè ∆t → 0.
Äî êîììóòàöèè â êîíäåíñàòîðå çàïàñåíà ýíåðãèÿ 2 CU WC1 = 2 . Ñîãëàñíî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà â çàìêíóòîé ñèñòåìå ïîñëå êîììóòàöèè íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðàõ ïðèìóò ñëå-
 ðåàëüíûõ êëþ÷àõ ïðè ñîõðàíåíèè äîïóùåíèé îá èäåàëüíîñòè îñòàëüíûõ ýëåìåíòîâ ñõåìû ýòà ýíåðãèÿ âûäåëÿåòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî â âèäå òåïëîâîé ýíåðãèè. Ïðè ýòîì ïàðàìåòðû òåïëîâûäåëÿþùèõ ýëåìåíòîâ áóäóò îïðåäåëÿòüñÿ âèäîì êëþ÷à
=
0
dt =
∆tâêë
∫U
S
0
1 +
t) dt = −
CU 4
2 S
.
(2.2)
59
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
Ðèñ. 2.4. Êîììóòàöèÿ èíäóêòèâíîé íàãðóçêè: à – ñõåìà çàìåùåíèÿ; á – äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ è òîêà; â – âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè
(ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèé, ïîëóïðîâîäíèêîâûé è äð.). Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â îòëè÷èå îò êîììóòàöèè öåïè ñ àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì â ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå òðàåêòîðèÿ êîììóòàöèè êëþ÷à S ÿâëÿåòñÿ äèíàìè÷åñêîé ÂÀÕ, çàâèñÿùåé îò çíà÷åíèÿ ∆ tâêë (ðèñ. 2.3,á). Àíàëîãè÷íûé ïîäõîä ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí ïðè ðàññìîòðåíèè îòêëþ÷åíèÿ èäåàëüíûì ýëåêòðè÷åñêèì êëþ÷îì öåïè ñ ïîñòîÿííîé èíäóêòèâíîñòüþ, òàê êàê ýëåêòðîìàãíèòíûå ïðîöåññû â íåé äóàëüíû ïðîöåññàì â åìêîñòè. Íà ðèñ. 2.4,à ïðåäñòàâëåíà ñõåìà âêëþ÷åíèÿ êîðîòêîçàìêíóòîé öåïè ñ èíäóêòèâíîñòüþ L è íà÷àëüíûì çíà÷åíèåì êîììóòèðóåìîãî òîêà IS(0). Òîãäà â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðèíÿòûìè äîïóùåíèÿìè ýíåðãèÿ, âûäåëÿåìàÿ ïðè çàìûêàíèè êëþ÷à, ìîæåò áûòü âûðàæåíà ñîîòíîøåíèåì
ÂÀÕ êëþ÷à S ïðè êîììóòàöèè öåïè ñ èíäóêòèâíîñòüþ ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2.4,á,â.  ðåàëüíûõ êëþ÷àõ ýòà ýíåðãèÿ òàêæå â îñíîâíîì ïðåâðàùàåòñÿ â òåïëîâóþ ýíåðãèþ, âûäåëÿåìóþ â êëþ÷å.  ïåðâîé ÷àñòè íàñòîÿùåãî ó÷åáíèêà ðàññìàòðèâàþòñÿ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû, ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ êîòîðûõ áëèçêè ê ÂÀÕ èäåàëüíîãî êëþ÷à. Îäíàêî ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ, âîçíèêàþùèå â ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êîíòàêòàõ, è èõ èíåðöèîííîñòü äåëàþò èõ äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ïðèíöèïèàëüíî îòëè÷íûìè îò ñîîòâåòñòâóþùèõ õàðàêòåðèñòèê èäåàëüíîãî ýëåêòðîííîãî êëþ÷à. Ñëåäóåò îäíàêî îòìåòèòü, ÷òî ñîâðåìåííûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è ïðèáëèæàþòñÿ ê èäåàëüíûì ïî äèíàìè÷åñêèì ïîêàçàòåëÿì è çíà÷èòåëüíî óñòóïàþò ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèì àïïàðàòàì ïî ñòàòè÷åñêèì ÂÀÕ.
∆tâûêë
WS =
∫ i (t) U (t) dt = S
S
Ïðè àíàëèçå ïðîöåññîâ è õàðàêòåðèñòèê ðåàëüíûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé íàäî ó÷èòûâàòü, ÷òî ðåàëüíàÿ íàãðóçêà â ñåòÿõ è öåïÿõ ñî÷åòàåò â ñåáå àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå è èíäóêòèâíîñòü, êîòîðûå îïðåäåëÿþò âðåìåíà ïðîòåêàíèÿ ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ êîììóòàöèè. Ðåàëüíûå âðåìåíà è èçìåíÿþùèåñÿ âî âðåìåíè ïàðàìåòðû ïðîöåññîâ êîììóòàöèè îêàçûâàþòñÿ äàëåêî íå òåìè, êîòîðûå îïðåäåëèë áû ñàì êîíòàêòíûé èëè ýëåêòðîííûé êîììóòèðóþùèé êëþ÷.
0 ∆tâûêë
=
∫ I (0) − ∆tI (0) S
0
S
âûêë
t
L diS(t) dt
=−
2
LI S(0) 2
. (2.4)
Ïðè ∆tâûêë → 0 äàííûé èíòåãðàë ñîîòâåòñòâóåò ìãíîâåííîìó ýíåðãåòè÷åñêîìó èìïóëüñó, èçëó÷àåìîìó èäåàëüíûì êëþ÷îì S. Ïðè ýòîì íàïðÿæåíèå íà êëþ÷å US → 0, è âðåìÿ êîììóòàöèè ∆tâûêë → 0. Äèàãðàììû òîêà iS è íàïðÿæåíèÿ US êëþ÷à, à òàêæå
2.1.2. ÂÊËÞ×ÅÍÈÅ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÖÅÏÅÉ
Àêòèâíî-èíäóêòèâíàÿ öåïü ïîñòîÿííîãî òîêà. Óðàâíåíèå áàëàíñà íàïðÿæåíèé öåïè, âêëþ÷àåìîé íà ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå, èìååò âèä iR + L
di dt
= U0 .
ñîñòàâëÿþùàÿ òîêà ïåðåõîäíîãî ðåæèìà, îïðåäåëÿåìàÿ ïðè îòñóòñòâèè âëèÿíèÿ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ. Óñòàíîâèâøèéñÿ òîê ióñò = I0 = U0 ⁄ R. Ïåðåõîäíûé òîê íàõîäèòñÿ èç ðåøåíèÿ óðàâíåíèÿ:
(2.5)
Åãî ðåøåíèå: iΣ = ióñò + iïåð, ãäå ióñò– óñòàíîâèâøååñÿ ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà çíà÷åíèå òîêà; iïåð èëè iñâ – ïåðåõîäíàÿ (ñâîáîäíàÿ)
iïåðR + L
diïåð dt
= 0;
Ïîñëå èíòåãðèðîâàíèÿ 60
diïåð iïåð
=−
dt L⁄R
.
§ 2.1. Êîììóòàöèÿ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè
ln iïåð = −
t τýì
+ Cè .
 íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè t = 0 òîê i = 0. Òîãäà ïîñòîÿííàÿ èíòåãðèðîâàíèÿ Cè = − U0 ⁄ R. Îêîí÷àòåëüíî ðåçóëüòèðóþùèé òîê áóäåò èìåòü âèä t
i = U0 ⁄ R (1 − e− τýì ) .
(2.6)
 íà÷àëüíûé ìîìåíò ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà ïðîèçâîäíàÿ di ⁄ dt diΣ dtt = 0
=
I0 τýì
.
Íà îñíîâå ýòîãî ñîîòíîøåíèÿ ìîæíî ïðèíÿòü, ÷òî êàñàòåëüíàÿ ê êðèâîé iΣ (t), ïðîâåäåííàÿ èç íà÷àëà êîîðäèíàò, îòñå÷åò íà ëèíèè óñòàíîâèâøåãîñÿ òîêà I0 îòðåçîê âðåìåíè, ðàâíûé ýëåêòðîìàãíèòíîé ïîñòîÿííîé âðåìåíè τýì . Àêòèâíî-èíäóêòèâíàÿ öåïü ïåðåìåííîãî òîêà. Èñõîäíîå óðàâíåíèå: iR + L
di dt
= Umaxsin(ωt + Ψ) ,
Ðèñ. 2.5. Êðèâûå ïðîöåññîâ âêëþ÷åíèÿ RL-öåïè ê èñòî÷íèêó ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ
Õàðàêòåðíûå çíà÷åíèÿ äëÿ óñëîâèé ðàáîòû àïïàðàòîâ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ – τýì = 10-2 ñ, kóä = 1,8; àïïàðàòîâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ τýì = 10-3 ñ, kóä = 1,4. Ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå óñèëèÿ â êîíòàêòàõ àïïàðàòîâ ïðè âêëþ÷åíèè ìîãóò âîçðàñòàòü èç-çà óäàðíîãî òîêà â k2óä ðàç. Òðàíñôîðìàòîð íà õîëîñòîì õîäå. Âêëþ÷àåòñÿ íàïðÿæåíèå íà ïåðâè÷íóþ îáìîòêó N òðàíñôîðìàòîðà, âòîðè÷íàÿ îáìîòêà ðàçîìêíóòà. Óðàâíåíèå ïðîöåññà èìååò âèä
(2.7)
ãäå Ψ – óãîë âêëþ÷åíèÿ, îïðåäåëÿåìûé îòðåçêîì âðåìåíè îò ìîìåíòà ïåðåõîäà íàïðÿæåíèÿ öåïè ÷åðåç íóëü äî ìîìåíòà îòêðûòèÿ àïïàðàòà äëÿ ” òîêà” (çàìûêàíèÿ êîíòàêòîâ). Óðàâíåíèå (2.7) ðåøàåòñÿ àíàëîãè÷íî ïðåäûäóùåìó. Ñëàãàþùàÿ óñòàíîâèâøåãîñÿ òîêà ióñò =
Umax Z
iïåð = CU e− τýì ; CU = −
Umax Z
dΦ dt
Òàêèì îáðàçîì ìãíîâåííîå çíà÷åíèå òîêà áóäåò ïîä÷èíÿòüñÿ ñëåäóþùåìó ñîîòíîøåíèþ
U=−N
t
t=
π ω)
dΦ dt
kóä =
Ióä Imax
π
1 + e− ωτýì ; π
= 1 + e− ωτýì .
Umax N
sin(ωt + Ψ).
(2.10)
dΦ dt
= Umax sinωt; Φ =
Umax ωN
cosωt;
+
R L
Φ = Φmax sin(ωt + Ψ).
Àíàëîãè÷íî ïðåäûäóùåìó ïîëó÷èì ðåøåíèå ýòîãî äèôôåðåíöèàëüíîãî óðàâíåíèÿ: Φïåð(t) = Φmax sin(ωt + Ψ − ϕ) ; t
Φàïåð(t) = Cè e− τýì ; t
ΦΣ = Φmax sin(ωt + Ψ − ϕ) + Cè e− τýì .  ñîîòâåòñòâèè ñ íà÷àëüíûìè óñëîâèÿìè ïðè t = 0 îñòàòî÷íûé ïîòîê Φîñò ìîæåò ïðèíèìàòü ïîëîæèòåëüíûå è îòðèöàòåëüíûå çíà÷åíèÿ. Ïîñòîÿííàÿ èíòåãðèðîâàíèÿ ïðè t = 0 îïðåäåëÿåòñÿ êàê Cè = ±Φîñò − Φmax sin(ωt + Ψ) ;
îïðåäåëÿþòñÿ êàê Umax Z
Φ=
Òîãäà
2
Ióä =
R L
Φmax = Umax ⁄ ωN .
sin (ωt + Ψ − ϕ) − sin (Ψ − ϕ) e− τýì = = iïåð + iàïåð . Êðèâàÿ ðåçóëüòèðóþùåãî òîêà ñîäåðæèò äâå ñîñòàâëÿþùèå – ïåðèîäè÷åñêóþ iïåð è àïåðèîäè÷åñêóþ iàïåð. Êðèâûå ïðîöåññîâ âêëþ÷åíèÿ èçîáðàæåíû íà ðèñ. 2.5. Óäàðíûé òîê âêëþ÷åíèÿ Ióä è óäàðíûé êîýôôèπ öèåíò â íåáëàãî-ïðèÿòíûõ óñëîâèÿõ (Ψ = 0, ϕ = , iΣ (t) =
+
Íà îñíîâå çàêîíà ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè ïîëó÷èì
sin(ωt + Ψ).
Umax Z
= umax sin(ωt + Ψ).
Ñ ó÷åòîì ñîîòíîøåíèÿ L = Ψ ⁄ i, Ψ = NΦ è i = Ψ ⁄ L èñõîäíîå óðàâíåíèå ðåøàåòñÿ îòíîñèòåëüíî ïîòîêà Φ :
ϕ = arctg (ωL ⁄ R); Z = √ R2 + (ωL)2 . Ñëàãàþùàÿ ïåðåõîäíîãî òîêà îïðåäåëÿåòñÿ àíàëîãè÷íî ïðåäûäóùåìó ñëó÷àþ: ïðè óñëîâèè t = 0, iΣ = 0. Toãäà t
dΦ dt
iR +
sin (ωt + Ψ − ϕ) ;
(2.8) (2.9) 61
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
Ðèñ. 2.6. Èçìåíåíèå ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ ïðè âêëþ÷åíèè òðàíñôîðìàòîðà (à) è ïîñòðîåíèå êðèâûõ íàìàãíè÷èâàþùåãî òîêà (á)
ΦΣ = Φmaxsin(ωt + Ψ − ϕ) +
ôè÷åñêîå îïðåäåëåíèå åãî íà îñíîâå êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ B (H) ñòàëè ìàãíèòîïðîâîäà èëëþñòðèðóåòñÿ íà ðèñ. 2.6,á (îñü H ñîîòâåòñòâóåò îñè òîêà i â òðàíñôîðìàòîðå; êðèâûå íàìàãíè÷èâàþùèõ òîêîâ i1 è i2 äëÿ ïîòîêîâ Φ1 è Φ2 ïîñòðîåíû ïî òî÷êàì 1–6). Áðîñîê òîêà íàìàãíè÷èâàíèÿ ìîæåò áûòü â äåñÿòêè ðàç áîëüøå, à ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå ñèëû îòòàëêèâàíèÿ êîíòàêòîâ â ñîòíè ðàç ïðåâîñõîäèòü óñèëèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå íîìèíàëüíûì óñëîâèÿì.
t
+ [±Φîñò − Φmaxsin(Ψ − ϕ) e− τýì ] . Êðèâûå èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ ïðè âêëþ÷åíèè òðàíñôîðìàòîðà ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2.6,à. Ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ îñòàòî÷íûé ïîòîê óâåëè÷èò óäàðíûé ïîòîê Φóä, âûçîâåò íàñûùåíèå ñòàëè è áðîñîê íàìàãíè÷èâàþùåãî òîêà Iíîìmax. Ãðà-
2.1.3. ÎÒÊËÞ×ÅÍÈÅ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÎÉ ÖÅÏÈ
 ïðîöåññå îòêëþ÷åíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà êîììóòàöèîííûé îðãàí ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà ïðåâðàùàåòñÿ èç ïðîâîäíèêà ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà â èçîëÿòîð. Ýòî ïðåâðàùåíèå ïðîòåêàåò â ñîðåâíîâàíèè äâóõ ïðîöåññîâ – íàðàñòàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè êîììóòèðóþùåãî îðãàíà, íàçûâàåìîé âîññòàíàâëèâàþùåéñÿ ïðî÷íîñòüþ, è íàðàñòàíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà íåì, íàçûâàåìîãî âîññòàíàâëèâàþùèìñÿ íàïðÿæåíèåì. Òàêàÿ òðàêòîâêà îòíîñèòñÿ êàê ê ïîñòîÿííîìó, òàê è ïåðåìåííîìó òîêó, à òàêæå êàê ê êîíòàêòíûì, òàê è ê ïîëóïðîâîäíèêîâûì (áåñêîíòàêòíûì) ýëåêòðè÷åñêèì àïïàðàòàì. Îáùåå óñëîâèå îòêëþ÷åíèÿ öåïè ñ òîêîì: êðèâàÿ âîññòàíàâëèâàþùåéñÿ ïðî÷íîñòè Uâ.ï(t), îïðåäåëÿåìàÿ êîììóòèðóþùèì îðãàíîì, äîëæíà ëåæàòü âûøå êðèâîé âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ Uâ(t), îïðåäåëÿåìîãî ïàðàìåòðàìè îòêëþ÷àåìîé öåïè. Íà ðèñ. 2.7,à,á ýòî óñëîâèå èçîáðàæåíî ãðàôè÷åñêè äëÿ ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî òîêà.  ïåðâîì ñëó÷àå íàïðÿæåíèå âîññòàíàâëèâàåòñÿ äî ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà U0 ñ âîçìîæíîñòüþ êðàòêîâðåìåííîãî ïåðåíàïðÿæåíèÿ Umax , âî âòîðîì – äî ìãíîâåííîãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 2.7. Îáùåå óñëîâèå îòêëþ÷åíèÿ ïîñòîÿííîãî (à) è ïåðåìåííîãî (á) òîêîâ è ñõåìà êîíòóðà âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ (â): ÊÝ – êîììóòèðóþùèé ýëåìåíò
62
§ 2.1. Êîììóòàöèÿ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè
èñòî÷íèêà U0 â ìîìåíò ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü, íàçûâàåìîãî âîçâðàùàþùèìñÿ íàïðÿæåíèåì ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû. Äëÿ îòêëþ÷åíèÿ öåïè ñ èíäóêòèâíîñòüþ íàäî âûâåñòè èç íåå ýëåêòðîìàãíèòíóþ ýíåðãèþ Wýì = LI 2 ⁄ 2.  êîíòàêòíûõ àïïàðàòàõ ýòà ýíåðãèÿ ïðåîáðàçóåòñÿ â îñíîâíîì â òåïëîâóþ ýíåðãèþ ïëàçìû è ðàññåèâàåòñÿ â îêðóæàþùóþ ñðåäó, â áåñêîíòàêòíûõ (ïîëóïðîâîäíèêîâûõ) ïðè íåîáõî-
äèìîñòè ïðåâðàùàåòñÿ â ýíåðãèþ çàðÿäà êîíäåíñàòîðîâ. Ïðè ïåðåìåííîì òîêå íåîáõîäèìîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé ýíåðãèè Wýì îòïàäàåò, åñëè öåïü òîêà ðàçîðâàòü ïðè ïåðåõîäå òîêà ÷åðåç íóëü, êîãäà ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ Wýì = 0. Ïðîâåäåíèå òîêà öåïè îò ìîìåíòà ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîâ äî åãî ïåðåõîäà ÷åðåç íóëü îáåñïå÷èâàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãîé, â áåñêîíòàêòíûõ àïïàðàòàõ – ïîëóïðîâîäíèêîâûì ýëåìåíòîì.
2.1.4. ÂOÑÑTÀÍÎÂËÅÍÈÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß ÍÀ ÊÎÌÌÓÒÈÐÓÞÙÅÌ ÎÐÃÀÍÅ
sin ϕ â (2.11). Ïðèíèìàÿ çäåñü R ðàâíûì íóëþ, èç (2.12) íàõîäèì
Ïðè êîììóòàöèè ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ýëåêòðè÷åñêèìè àïïàðàòàìè íåîáõîäèìî ðàññìîòðåòü ïðîöåññ âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà êîíòàêòàõ. Ñõåìà êîíòóðà äëÿ ðàñ÷åòà íàïðÿæåíèÿ UÂ(t) èçîáðàæåíà íà ðèñ. 2.7,â. Ââèäó êðàòêîâðåìåííîñòè ïðîöåññà ìãíîâåííîå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà ïðèíèìàåòñÿ ïîñòîÿííûì. Îíî çàâèñèò îò íîìèíàëüíîãî (ëèíåéíîãî) íàïðÿæåíèÿ ñåòè Uíîì, ñèíóñà óãëà ñäâèãà ôàç ìåæäó òîêîì è íàïðÿæåíèåì (sin ϕ ) è êîýôôèöèåíòà ñõåìû kñõ: ïðè ôàçíîì íàïðÿæåíèè ñåòè – kñõ = 1 ⁄ √ 3 ; ïðè ëèíåéíîì – kñõ = 1; äëÿ ïåðâîé ðâóùåé ôàçû â òðåõôàçíîé ñåòè – kñõ = 1,5. Âîçâðàùàþùååñÿ íàïðÿæåíèå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû: U0 = √ 2 ⁄ 3 kñõUíîìsin ϕ .
2
d UÂ dt
U0 = iΣR + L ñóììàðíûé òîê
dt
+ UB(t) ;
iø =
UÂ(t) Rø
ãäå m =
dUc dt
+
UÂ LC
=
U0 LC
.
(2.13)
α m
1 √ − 1 ; α = 1 LC 2CR 2
2
4C R ø
ø
(2.14)
.
Äëÿ ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû òîêà (50 Ãö) ìîæíî ñ÷èòàòü α ⁄ m << 1. Òîãäà UÂ(t) = U0 1 − ch(mt) e− αt .
(2.11)
(2.15)
Åñëè m < 0, òî ïåðåõîäíîé ïðîöåññ íîñèò êîëåáàòåëüíûé õàðàêòåð è ãèïåðáîëè÷åñêèå ôóíêöèè â ñîîòâåòñòâèè ñ ñîîòíîøåíèåì ch(jx) = cosx ïåðåõîäÿò â êðóãîâûå è (2.14) ïðèíèìàåò âèä UÂ(t) = U0 1 − cos(ω0t) e− αt ; (2.16) ω0 = 2πf0, ãäå f0 – ÷àñòîòà ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé íàïðÿæåíèÿ Uâ(t0) : f0 =
(2.12)
1 2π
1 1 √ − LC 4C R 2
2 ø
; f0 =
1 2π√ LC
.
×àñòîòà ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé, Ãö, â ñåòÿõ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ [9] 0,8 0,2 f0 = (2300 ÷ 2600)U −íîì Io .
(2.17)
 ñåòÿõ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ ÷àñòîòà ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé ñîñòàâëÿåò ïðèáëèæåííî f0 ≈ 0,3÷10 êÃö. Åñëè m > 0, òî ïåðåõîäíîé ïðîöåññ íîñèò àïåðèîäè÷åñêèé õàðàêòåð è çàâèñèìîñòü (2.14) èìååò âèä
;
òîê êîíäåíñàòîðà iC = C
1 dUÂ CRø dt
UÂ(t) = U0 1 − sh(mt) + ch(mt) e− αt
iΣ = iø + iC ;
òoê øóíòà
+
Ïðè íà÷àëüíûõ óñëîâèÿõ: t = 0, U = 0, dU ⁄ dt = 0, ðåøåíèå (2.13) áóäåò èìåòü âèä [10]:
Øóíòèðóþùåå ñîïðîòèâëåíèå Rø ñïåöèàëüíî âêëþ÷àåòñÿ â ñõåìó àïïàðàòà äëÿ îáëåã÷åíèÿ óñëîâèé îòêëþ÷åíèÿ öåïè èëè îíî èìèòèðóåò îñòàòî÷íîå ñîïðîòèâëåíèå êîììóòèðóþùåãî îðãàíà (çà íóëåì òîêà). Åìêîñòü C – ýòî ïðèâåäåííàÿ ê çàæèìàì àïïàðàòà ýêâèâàëåíòíàÿ åìêîñòü îòêëþ÷àþùåé ñåòè. Ïàðàìåòðû ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà â êîíòóðå (ðèñ. 2.7,â) îïðåäåëÿþòñÿ èç ñëåäóþùèõ ñîîòíîøåíèé: Áàëàíñ íàïðÿæåíèé â êîíòóðå diΣ
2
.
Îñíîâíîå âëèÿíèå íà íàïðÿæåíèå U0 îêàçûâàåò ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè R, îïðåäåëÿÿ çíà÷åíèå
UÂ(t) = U0 [1 − e− α1t]; α1 = 63
Rø L
.
(2.18)
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
Íà ðèñ. 2.8 ïðèâåäåíû êðèâûå UÂ(t) ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ øóíòèðóþùåãî ñîïðîòèâëåíèÿ Rø. Êîýôôèöèåíò àìïëèòóäû âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ ïðè êîëåáàòåëüíîì ïðîöåññå, ïîëó÷åííûé íà îñíîâå ðåøåíèÿ (2.16) ïðè t = π ⁄ α, ðàâåí kà =
dU Â dt
Óñëîâèå ïåðåõîäà êîëåáàòåëüíîãî ïðîöåññà â àïåðèîäè÷åñêèé 1 2
√ CL
= Rø.êð ,
(2.21)
= ñð
kàU0 têð
=
kàU0 (1 ⁄ 2f0)
= 2√ 2 kñõkàf0Uíîìsinϕ . 3
(2.22)
Âëèÿíèå ïàðàìåòðîâ öåïè íà U (t ) ñâîäèòñÿ ê ñëåäóþùåìó: àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè óìåíüøàåò sin ϕ è íàïðÿæåíèå U0 ; èíäóêòèâíîñòü L óâåëè÷èâàåò sin ϕ è íàïðÿæåíèå U0, ñíèæàåò ñîáñòâåííóþ ÷àñòîòó f0 è (dU ⁄ dt)ñð; åìêîñòü C ñíèæàåò f0 è (dU ⁄ dt)ñð ; øóíòèðóþùåå ñîïðîòèâëåíèå Rø ñíèæàåò (dU ⁄ dt)ñð è U0 (â ñî÷åòàíèè ñ ñîïðîòèâëåíèåì R íàãðóçêè).
(2.19)
ãäå Rø.êð – êðèòè÷åñêîå øóíòèðóþùåå ñîïðîòèâëåíèå. Êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ ìîæíî ïåðåâåñòè â àïåðèîäè÷åñêèé òàêæå ïóòåì óâåëè÷åíèÿ àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè R R ≥ 2√ L⁄C .
= 1 + e− α ⁄ 2f0 .
Ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü óâåëè÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ ïðè êîëåáàòåëüíîì ïðîöåññå
Ðèñ. 2.8. Êðèâûå U (t) ïðè øóíòèðóþùèõ ñîïðîòèâëåíèÿõ áîëüøå (1), ðàâíî ( 2) è ìåíüøå (3) êðèòè÷åñêîãî øóíòèðóþùåãî ñîïðîòèâëåíèÿ
Rø ≤
UÂmax U0
(2.20)
2.1.5. ÎÒÊËÞ×ÅÍÈÅ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÎÉ ÖÅÏÈ ÊÎÍÒÀÊÒÍÛÌÈ ÀÏÏÀÐÀÒÀÌÈ
ê àíîäó âñòðå÷àþò íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî íåéòðàëüíûõ ÷àñòèö è èîíèçàöèÿ çàòðóäíåíà.  ýòèõ óñëîâèÿõ, ÷òîáû èìåòü â ïðîìåæóòêå äîñòàòî÷íîå êîëè÷åñòâî ïîëîæèòåëüíûõ èîíîâ, ñïîñîáíûõ ñäåëàòü ðàçðÿä ñàìîïîääåðæèâàþùèìñÿ, òðåáóåòñÿ ïîâûñèòü íàïðÿæåíèå. Ïðè âûñîêîì äàâëåíèè, íàîáîðîò, ýëåêòðîíû íå â ñîñòîÿíèè ïðèîáðåñòè íà ìàëîì ïóòè ñâîáîäíîãî ïðîáåãà íåîáõîäèìóþ ýíåðãèþ äëÿ èîíèçàöèè. Ïîýòîìó äëÿ äîñòèæåíèÿ íåîáõîäèìîãî óðîâíÿ èîíèçàöèè ýëåêòðè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü ñ ðîñòîì äàâëåíèÿ òàêæå ïîâûøàåòñÿ. Åñëè çà Umin ïðîèçâåäåíèå pl óìåíüøàåòñÿ íå èç-çà p, à èç-çà l, òî êðèâàÿ Uïð = f (pl) → 0 (øòðèõîâàÿ ëèíèÿ). Íàïðÿæåíèÿ ïðîáîÿ çäåñü ñíèæàþòñÿ ïîä âëèÿíèåì àâòîýëåêòðîííîé ýìèññèè ñ êàòîäà ïðè ìàëûõ ðàññòîÿíèÿõ ìåæäó ýëåêòðîäàìè èç-çà âûòÿãèâàíèÿ áóãîðêîâ íà ìåòàëëå ýëåêòðîñòàòè÷åñêèìè ñèëàìè. Ïðè äàâëåíèè âûøå àòìîñôåðíîãî è ðàññòîÿíèÿõ ìåæäó êîíòàêòàìè áîëåå ìèëëèìåòðà ñïðàâåäëèâà ïðàâàÿ ÷àñòü êðèâîé Ïàøåíà.  ñòàäèè äóãîâîãî ðàçðÿäà ïðåîáëàäàåò òåðìè÷åñêàÿ èîíèçàöèÿ – ðàçáèåíèå àòîìîâ íà ýëåêòðîíû è ïîëîæèòåëüíûå èîíû çà ñ÷åò ýíåðãèè òåïëîâîãî ïîëÿ, ïðè òëåþùåì – âîçíèêàåò óäàðíàÿ èî-
Îòêëþ÷åíèå öåïè êîíòàêòíûì àïïàðàòîì õàðàêòåðèçóåòñÿ âîçíèêíîâåíèåì ïëàçìû, êîòîðàÿ ïðîõîäèò ðàçíûå ñòàäèè ãàçîâîãî ðàçðÿäà â ïðîöåññå ïðåîáðàçîâàíèÿ ìåæêîíòàêòíîãî ïðîìåæóòêà èç ïðîâîäíèêà ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà â èçîëÿòîð. Ïðè òîêàõ âûøå 1 À âîçíèêàåò ñòàäèÿ äóãîâîãî ðàçðÿäà 1 (ðèñ. 2.9); ïðè ñíèæåíèè òîêà âîçíèêàåò ñòàäèÿ òëåþùåãî ðàçðÿäà 2 (ó êàòîäà); ñòàäèÿ 3 – òàóíñåíäîâñêèé ðàçðÿä, è, íàêîíåö, ñòàäèÿ 4 (ñòàäèÿ èçîëÿöèè, â êîòîðîé íîñèòåëè ýëåêòðè÷åñòâà – ýëåêòðîíû è èîíû – íå îáðàçóþòñÿ çà ñ÷åò èîíèçàöèè, à ìîãóò ïîñòóïàòü èç îêðóæàþùåé ñðåäû). Äëÿ ñòàäèè äóãîâîãî ðàçðÿäà õàðàêòåðíû âûñîêàÿ òåìïåðàòóðà (áîëåå 3000 Ê), áîëüøàÿ ïëîòíîñòü òîêà (äî 106À/ñì2) è íåáîëüøîé ãðàäèåíò íàïðÿæåíèÿ (10–100 Â/ñì). Òëåþùèé ðàçðÿä îáðàçóåòñÿ â ïðèêàòîäíîé çîíå ñ îêîëîêàòîäíûì íàïðÿæåíèåì 200–300  è íàïðÿæåííîñòüþ ïîëÿ Eîê ≈ 104 Â/ñì. Òðåòüþ ñòàäèþ õàðàêòåðèçóþò êðèâûå Ïàøåíà – çàâèñèìîñòè íàïðÿæåíèÿ ïðîáîÿ Uïð îò ïðîèçâåäåíèÿ äàâëåíèÿ ãàçà p íà äëèíó èçîëÿöèîííîãî ïðîìåæóòêà l (ðèñ. 2.10). Ïðè ìàëîì äàâëåíèè, êîãäà ïðîèçâåäåíèå pl ìàëî, ýëåêòðîíû íà ñâîåì ïóòè 64
§ 2.1. Êîììóòàöèÿ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè
Ðèñ. 2.9 .Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñòàäèé ãàçîâîãî ðàçðÿäà
Ðèñ. 2.10. Êðèâàÿ Ïàøåíà äëÿ âîçäóõà ïðè T = 273 Ê
Ðèñ. 2.11. Õàðàêòåðèñòèêà ïðîöåññîâ îòêëþ÷åíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà: ÌÐÊ – ìîìåíò ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîâ
Ðèñ. 2.12. Ê îïðåäåëåíèþ óñëîâèÿ ãàøåíèÿ äóãè ïîñòîÿííîãî òîêà
Ïðèáëèæåííûé ðàñ÷åò ïðîöåññîâ âîçìîæåí íà îñíîâå ñòàòè÷åñêîé âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè äóãè è óðàâíåíèÿ áàëàíñà íàïðÿæåíèé â öåïè:
íèçàöèÿ ó êàòîäà çà ñ÷åò ñîóäàðåíèÿ ñ ýëåêòðîíàìè, ðàçãîíÿåìûìè ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì, ïðè òàóíñåíäîâñêîì ðàçðÿäå óäàðíàÿ èîíèçàöèÿ ïðåîáëàäàåò âî âñåì ñòîëáå äóãè ãàçîâîãî ðàçðÿäà. Îòêëþ÷åíèå ïîñòîÿííîãî òîêà. Ïðè îòêëþ÷åíèè ïîñòîÿííîãî òîêà ñîïðîòèâëåíèå âîçíèêàþùåé äóãè Rä íåïðåðûâíî óâåëè÷èâàåòñÿ äî áåñêîíå÷íîñòè, âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü Uâ.ï(t) – äî íàïðÿæåíèÿ ïðîáîÿ Uïð õîëîäíîãî” ïðîìåæóòêà, ” òîê i óìåíüøàåòñÿ äî íóëÿ, íàïðÿæåíèå äóãè Uä(t) óâåëè÷èâàåòñÿ äî âîçíèêàþùåãî â êîíöå ïðîöåññà ïåðåíàïðÿæåíèÿ Umax, êîòîðîå óìåíüøàåòñÿ äî íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà U0 (ðèñ. 2.11). Ìàòåìàòè÷åñêîå îïèñàíèå ïðîöåññîâ ïðîèçâîäèòñÿ íà îñíîâå ðåøåíèÿ ñèñòåìû äâóõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé – óðàâíåíèÿ áàëàíñà íàïðÿæåíèé â îòêëþ÷àåìîé öåïè è äèíàìè÷åñêîé âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè äóãè, êîòîðûå çäåñü íå ïðèâîäÿòñÿ.
Uî = iR + Ldi ⁄ dt + Uä(iä) .
(2.23)
Äëÿ õàðàêòåðèñòèêè 1 äóãè (ðèñ. 2.12) ñîñòàâëÿþùèå ýòîãî óðàâíåíèÿ òàêîâû, ÷òî (Ldi ⁄ dt)′ > 0 è äóãà ãîðèò óñòîé÷èâî. Äëÿ õàðàêòåðèñòèêè 2 äóãè, ëåæàùåé âûøå ðåîñòàòíîé õàðàêòåðèñòèêè öåïè, ïðîèçâîäíàÿ (Ldi ⁄ dt)′′ > 0 – îòðèöàòåëüíà è äóãà ãàñíåò. Î÷åâèäíî, ÷òî òî÷êà  ÿâëÿåòñÿ òî÷êîé óñòîé÷èâîãî ãîðåíèÿ äóãè, à òî÷êà À – íåóñòîé÷èâîãî. Îòñþäà ñëåäóåò óñëîâèå ãàøåíèÿ äóãè ïîñòîÿííîãî òîêà: ñòàòè÷åñêàÿ âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà äóãè äîëæíà ëåæàòü âûøå ðåîñòàòíîé õàðàêòåðèñòèêè (U0 − I0) îòêëþ÷àåìîé öåïè. 65
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
Åå ìîæíî ñ÷èòàòü ðàâíîé íà÷àëüíîé âîññòàíàâëèâàþùåéñÿ ïðî÷íîñòè U 0â.ï (â ìîìåíò ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü). Òîãäà ïðè ÷èñëå ðàçðûâîâ n íà ïîëþñ àïïàðàòà óñëîâèå ãàøåíèÿ äóãè ñ ó (2.11) äëÿ âîçâðàùàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ U0 ìîæíî âûðàçèòü ñîîòíîøåíèÿìè:
Åñëè èçìåíåíèå òîêà äóãè âî âðåìåíà åå ãàøåíèÿ âûðàçèòü iä(t) = I0 1 − t n , tä ãäå n > 1 èëè n < 1, òî èç (2.23) ïîëó÷èì ôîðìóëó äëÿ ðàñ÷åòà ïåðåíàïðÿæåíèÿ Umax = U01 +
nτýì , tä
2⁄3 kàkñõUíîìsin ϕ √
nU 0â.ï ≥ kàU0 ; n ≥
(2.24)
0
U â.ï
,
(2.25)
ãäå êîýôôèöèåíò àìïëèòóäû kà îïðåäåëÿåòñÿ èç (2.21). Óãîë ñäâèãà ôàç ìåæäó òîêîì è íàïðÿæåíèåì ϕ îïðåäåëÿåòñÿ ñ ó÷åòîì àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äóãè Rä àïïàðàòà
ãäå τýì = L ⁄ R; tä – âðåìÿ äóãè. Îòêëþ÷åíèå ïåðåìåííîãî òîêà. Îòêëþ÷åíèå öåïè ïåðåìåííîãî òîêà ïîäðàçäåëÿåòñÿ íà äâå ñòàäèè: ñòàäèþ ãîðåíèÿ äóãè – îò ìîìåíòà ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîâ äî ìîìåíòà ïîñëåäíåãî ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü è ñòàäèþ ãàøåíèÿ äóãè – çà ïåðåõîäîì òîêà ÷åðåç íóëü, êîãäà êðèâàÿ âîññòàíàâëèâàþùåéñÿ ïðî÷íîñòè ëåæèò âûøå êðèâîé âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ, òî åñòü êîãäà âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå îòêëþ÷åíèÿ öåïè ïåðåìåííîãî òîêà (ðèñ. 2.13). Óâåëè÷èâàþùååñÿ ñîïðîòèâëåíèå äóãè Rä(t), íàïðÿæåíèå äóãè Uä(t), âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü Uâ.ï(t) ïîñëå ïåðâîãî ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü ïðè çàìûêàíèè êîíòàêòîâ îáåñïå÷èâàþò óñëîâèå îòêëþ÷åíèÿ öåïè (Uâ.ï > Uâ). Ïðîöåññ âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ Uâ(t) èìååò êîëåáàòåëüíûé õàðàêòåð ñ ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé f0.  êîíöå ïðîöåññà îñòàòî÷íûé òîê iîñò èñ÷åçàåò, à âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü Uâ.ï(t) ñòàíîâèòñÿ ðàâíîé íàïðÿæåíèþ ïðîáîÿ õîëîäíîãî ïðîìåæóòêà ìåæäó êîíòàêòàìè. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ óñïåøíîãî îòêëþ÷åíèÿ ïåðåìåííîãî òîêà òàêæå íåðåäêî ïðèìåíÿþò íåñêîëüêî ðàçðûâîâ äóãè íà ïîëþñ àïïàðàòà.  óñëîâèÿõ êîììóòàöèè öåïåé íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ ñ èõ âûñîêîé ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé âðåìÿ âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ Uâ(t) î÷åíü ìàëî è âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü çà ýòî âðåìÿ èçìåíèòñÿ ìàëî.
sinϕ =
ωt
√ (ωt) + (R + Rä) 2
2
; Rä =
Uä iä
=
Eälä iä
,
ãäå Eä è lä – ãðàäèåíò íàïðÿæåíèÿ è äëèíà äóãè. Íà÷àëüíàÿ âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü äëÿ îãðàíè÷åííîãî äóãîé òîêà îïðåäåëÿåòñÿ êàê Iîãð =
Uíîì 2 √ (ωL) + (R + R ä) 2
.
Õàðàêòåðèñòèêè ýëåêòðè÷åñêîé äóãè îòêëþ÷åíèÿ è âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü. Ñâîéñòâà ïëàçìû ñòàäèè äóãîâîãî ðàçðÿäà îïðåäåëÿþòñÿ åå âûñîêîé òåìïåðàòóðîé (3000–50000 Ê). Ïðè ýòîì ïðåîáëàäàåò òåðìè÷åñêàÿ èîíèçàöèÿ ãàçà. Ñòåïåíü òåðìè÷åñêîé èîíèçàöèè, îòíîøåíèå ÷èñëà èîíèçèðîâàííûõ ÷àñòèö ê èõ îáùåìó ÷èñëó, îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé Ñàãà: α=
Nï NΣ
=
6
25⋅10 T P
1,25
0,5
e− 5800eUè ⁄ T ,
(2.26)
ãäå T – òåìïåðàòóðà, Ê; p – äàâëåíèå, Ïà; eUè – ïîòåíöèàë èîíèçàöèè, ýÂ. Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà îòêðûòîé äóãè â âîçäóõå ïðè òîêå iä = (1÷20), À: Uä = Uî.ý + 92lä ⁄ √ iä , (2.27) ãäå Uî.ý = (10÷29),  – îêîëîýëåêòðîäíîå íàïðÿæåíèå; lä – äëèíà äóãè, ñì. Ïðè òîêàõ âûøå 20 À ãðàäèåíò íàïðÿæåíèÿ îòêðûòîé äóãè ñòàíîâèòñÿ ïðèìåðíî ïîñòîÿííûì è ðàâíûì Eä = (10÷12) Â/ñì. Ñêîðîñòü äâèæåíèÿ äóãè υä â ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè ïîâûøàåò èíòåíñèâíîñòü åå îõëàæäåíèÿ è ïîâûøàåò ãðàäèåíò íàïðÿæåíèÿ: Eä =
92 + 0,09υä iä √
.
Íà ðèñ. 2.14,à èçîáðàæåíû ñòàòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè äóãè â äóãîãàñèòåëüíîé ðåøåòêå 1, â ùåëåâûõ êàìåðàõ è â ïðåäîõðàíèòåëÿõ 2 è îòêðûòîé
Ðèñ. 2.13. Õàðàêòåðèñòèêè ïðîöåññîâ îòêëþ÷åíèÿ öåïåé ïåðåìåííîãî òîêà êîíòàêòíûì àïïàðàòîì
66
§ 2.1. Êîììóòàöèÿ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè
ìîùíîñòè P0lä. Òîãäà íàïðÿæåíèå äóãè ðàâíî âîññòàíàâëèâàþùåéñÿ ïðî÷íîñòè Uâ.ï = √ P0läRä . Èçìåðåííàÿ äëÿ àïïàðàòîâ ïåðåìåííîãî òîêà íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü ïîñëå ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü âûðàæàåòñÿ ýìïèðè÷åñêîé ôîðìóëîé [11]: Uâ.ï(t) = U 0â.ï + kït , Ðèñ. 2.14. Õàðàêòåðèñòèêè äóãîãàñèòåëüíûõ óñòðîéñòâ (à) è äèíàìè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà äóãè ïåðåìåííîãî òîêà (á)
ãäå kï – ñêîðîñòü ðîñòà ïðî÷íîñòè ìåæêîíòàêòíîãî ïðîìåæóòêà. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå çàâèñèìîñòè íà÷àëüíîé âîññòàíàâëèâàþùåéñÿ ïðî÷íîñòè U 0â.ï îòêðûòîé äóãè äëÿ êîíòàêòîâ èç ðàçíûõ ìàòåðèàëîâ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2.15. Äëÿ àïïàðàòîâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ kï = (1÷4) Â/ìêñ. Ñïîñîáû âîçäåéñòâèÿ íà ýëåêòðè÷åñêóþ äóãó â êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòàõ. Öåëü âîçäåéñòâèÿ íà ñòîëá âîçíèêàþùåé â àïïàðàòå äóãè ñîñòîèò â óâåëè÷åíèè åå àêòèâíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ âïëîòü äî áåñêîíå÷íîñòè, êîãäà êîììóòàöèîííûé îðãàí ïåðåõîäèò â èçîëÿöèîííîå ñîñòîÿíèå. Ïðàêòè÷åñêè âñåãäà ýòî äîñòèãàåòñÿ ïóòåì èíòåíñèâíîãî îõëàæäåíèÿ ñòîëáà äóãè, óìåíüøåíèÿ åå òåìïåðàòóðû è òåïëîñîäåðæàíèÿ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ñíèæàåòñÿ ñòåïåíü èîíèçàöèè è êîëè÷åñòâî íîñèòåëåé ýëåêòðè÷åñòâà è èîíèçèðîâàííûõ ÷àñòèö è ïîâûøàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïëàçìû. Îñíîâíûå ñïîñîáû âîçäåéñòâèÿ íà ñòîëá äóãè â êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòàõ ñâîäÿòñÿ ê ñëåäóþùåìó:
äóãè 3. Ïîâûøåíèå õàðàêòåðèñòèê 2 è 3 ñ óâåëè÷åíèåì òîêà âûçâàíî óñèëåíèåì îõëàæäåíèÿ ñòîëáà äóãè èç-çà òåñíîãî ñîïðèêîñíîâåíèÿ åãî ñî ñòåíêàìè äóãîãàñÿùåãî óñòðîéñòâà. Äèíàìè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà äóãè ïåðåìåííîãî òîêà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2.14,á. Ñòàòè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà, â îòëè÷èå îò äèíàìè÷åñêîé, ñîîòâåòñòâóåò óñëîâèÿì íåèçìåíÿþùåãîñÿ âî âðåìåíè òîêà. Äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå äèíàìè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêè äóãè èìååò âèä 1 diä iä dt
−
1 dUä Uä dt
=
1 Uäiä − P0lä υ P0lä
(2.28)
,
ãäå t – âðåìÿ; υ – òåïëîâàÿ ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè äóãè; P0 – óäåëüíàÿ, íà åäèíèöó äëèíû îòâîäèìàÿ îò äóãè ìîùíîñòü; lä – äëèíà äóãè. Ïðèñóùàÿ ñòîëáó äóãè âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü îïðåäåëÿåòñÿ â êðèòè÷åñêèõ óñëîâèÿõ äèíàìè÷åñêîãî ðåæèìà, êîãäà ïîäâîäèìàÿ ê äóãå ìîùíîñòü U 2ä ⁄ Rä ñòàíîâèòñÿ ðàâíîé îòâîäèìîé
Ðèñ. 2.15. Íà÷àëüíàÿ âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü äëÿ ðàçíûõ êîíòàêòíûõ ìàòåðèàëîâ â ôóíêöèè òîêà îòêðûòîé äóãè: 1 – Ag; 2 – ëàòóíü; 3 – Ag-Ni; 4 – Cu; 5 – Ag-W; 6 – Ag-CdO; 7 – Ag; 8 – Al; 9 – Fe
67
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
óâåëè÷åíèþ äëèíû ñòîëáà äóãè ïóòåì åãî ðàñòÿæåíèÿ èëè óâåëè÷åíèÿ ÷èñëà ðàçðûâîâ íà ïîëþñ âûêëþ÷àòåëÿ; ïåðåìåùåíèþ äóãè íà ìåòàëëè÷åñêèå ïëàñòèíû äóãîãàñèòåëüíîé ðåøåòêè, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ ðàäèàòîðàìè, ïîãëîùàþùèìè òåïëîâóþ ýíåðãèþ ñòîëáà äóãè; ïåðåìåùåíèþ ñòîëáà äóãè ìàãíèòíûì ïîëåì â ùåëåâóþ êàìåðó èç äóãîñòîéêîãî èçîëÿöèîííîãî ìàòåðèàëà, ãäå äóãà èíòåíñèâíî îõëàæäàåòñÿ èçîëÿöèîííûìè ñòåíêàìè; îáðàçîâàíèþ äóãè â òðóáêå èç ãàçîãåíåðèðóþùåãî ìàòåðèàëà, íàïðèìåð, ôèáðû; âûäåëÿåìûå ïîä âîçäåéñòâèåì òåìïåðàòóðû ãàçû ñîçäàþò âûñîêîå äàâëåíèå â òðóáêå è âûñòðåëèâàþò” èç íåå ñòîëá ” äóãè, à çàòåì ãàñÿò åå; êîíòàêòû àïïàðàòà ðàñõîäÿòñÿ â ñðåäå ìèíåðàëüíîãî (òðàíñôîðìàòîðíîãî) ìàñëà, êîòîðîå ðàçëàãàåòñÿ ïîä âëèÿíèåì âûñîêîé òåìïåðàòóðû ïîÿâëÿþùåéñÿ äóãè; â äóãîãàñèòåëüíîé êàìåðå îáðàçóåòñÿ ãàçîïàðîâîå äóòüå íà ãàñèìóþ” ÷àñòü äóãè. Áîëåå ” ïîëîâèíû îáðàçîâàííûõ ãàçîâ ñîñòàâëÿåò âîäîðîä, îáëàäàþùèé âûñîêîé òåïëîîòâîäÿùåé ñïîñîáíîñòüþ; íà îáðàçóþùèéñÿ ñòîëá äóãè íàïðàâëÿåòñÿ ïîòîê ñæàòîãî âîçäóõà èç ðåçåðâóàðà ñ äàâëåíèåì
20⋅105 Ïà (âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ). Ïîòîê âîçäóõà ðâåò äóãó; ãàøåíèþ äóãè â ñðåäå ýëåãàçà (SF6) ïðè äàâëåíèè íèæå 6⋅105 Ïà; â êàìåðå îáðàçóåòñÿ äóòüå ýëåãàçîâîé ñòðóè, îáëàäàþùåé âûñîêèìè ýëåêòðîèçîëÿöèîííûìè ñâîéñòâàìè; ãàøåíèþ äóãè â âàêóóìå; ïðè î÷åíü íèçêîì äàâëåíèè ãàçà íåäîñòàåò” àòîìîâ ãàçà, ÷òîáû èî” íèçèðîâàòü èõ è ïîääåðæàòü ïðîâåäåíèå òîêà â äóãå; ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå êàíàëà ñòîëáà äóãè ñòàíîâèòñÿ î÷åíü âûñîêèì è ïðè äîñòàòî÷íîé äëèíå åãî äóãà ãàñíåò; ñèíõðîííîìó ðàçìûêàíèþ êîíòàêòîâ ïåðåä ïåðåõîäîì ïåðåìåííîãî òîêà ÷åðåç íóëü, ÷òî ñóùåñòâåííî ñíèæàåò âûäåëåíèå òåïëîâîé ýíåðãèè â îáðàçîâàâøåìñÿ ñòîëáå äóãè è îáëåã÷àåò óñëîâèÿ âîññòàíîâëåíèÿ åãî ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè çà ïåðåõîäîì òîêà ÷åðåç íóëü, ò. å. óñëîâèÿ ãàøåíèÿ äóãè; ïðèìåíåíèþ øóíòèðóþùåãî äóãó àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, îáëåã÷àþùåãî óñëîâèÿ åå ãàøåíèÿ; ïðèìåíåíèþ øóíòèðóþùèõ ìåæêîíòàêòíûé ïðîìåæóòîê ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ýëåìåíòîâ, ïåðåâîäÿùèõ íà ñåáÿ òîê äóãè, ÷òî ïðàêòè÷åñêè èñêëþ÷àåò îáðàçîâàíèå äóãè íà êîíòàêòàõ.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû Φ= π⁄2 è ϕ= π⁄2.
1.  ÷åì ñîñòîèò ðàçíèöà è ñõîäñòâî ìåæäó ýëåêòðè÷åñêèìè êëþ÷àìè – êîíòàêòíûì è ýëåêòðîííûì? 2. Êàê ðàññåèâàåòñÿ ýíåðãèÿ, âûäåëÿåìàÿ ïðè êîììóòàöèè â êîíòàêòíîì è ýëåêòðîííîì êëþ÷àõ? 3. Èçîáðàçèòå è äîêàæèòå, êàêîé âèä áóäóò èìåòü êðèâûå òîêà âêëþ÷åíèÿ RL-öåïè ïåðåìåííîãî òîêà ïðè óñëîâèÿõ:
4. Êàêóþ êàòóøêó òðóäíåå îòêëþ÷àòü íà ïîñòîÿííîì è ïåðåìåííîì òîêå: ñ æåëåçíûì ñåðäå÷íèêîì âíóòðè êàòóøêè èëè áåç íåãî? 5.  ÷åì ñîñòîèò ðîëü ýëåêòðè÷åñêîé äóãè ïðè îòêëþ÷åíèè öåïåé ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî òîêà? 6.  ÷åì ñîñòîèò ðîëü ïàðàìåòðîâ öåïè â ïðîöåññå âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ öåïè ïåðåìåííîãî òîêà? 7. Ïîÿñíèòå õàðàêòåðèñòèêè ïëàçìû è ñòàäèè ïëàçìû ïðè âîññòàíîâëåíèè äèýëåêòðè÷åñêèõ ñâîéñòâ ìåæêîíòàêòíîãî ïðîìåæóòêà àïïàðàòà.
R→0è L→0 ; R→∞è L→∞ ; Φ= 0 è ϕ= π⁄2 ;
2.2. ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÅ ÀÍÀËÎÃÈ ÝËÅÊÒÐÎÌÅÕÀÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÈÑÒÅÌ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ñèñòåìû ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ îòëè÷àþòñÿ ðàçíîîáðàçíîñòüþ êîíñòðóêöèé è ïðîèñõîäÿùèõ â íèõ ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ. Åñòåñòâåííî, ÷òî íèêàêàÿ ñàìàÿ ïîäðîáíàÿ ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü íå ìîæåò ïðåòåíäîâàòü íà âñåîáúåìëåìîñòü è ïîëíóþ àäåêâàòíîñòü ïðåäñòàâëåíèé òåõíè÷åñêîãî îáúåêòà. Êàê ïðàâèëî, â ýòîì è íåò íåîáõîäèìîñòè. Áîëåå òîãî, âïîëíå îïðàâäàíî
ñòðåìëåíèå èíæåíåðà ïîëó÷èòü áîëåå ïðîñòóþ ôîðìàëèçîâàííóþ ìîäåëü, êîòîðàÿ ïîçâîëèò åìó ïðèáëèæåííî, íî ñ ãàðàíòèðîâàííîé òî÷íîñòüþ, ðåøèòü çàäà÷ó àíàëèçà îòäåëüíûõ ïðîöåññîâ â óñòðîéñòâå èëè çàäà÷ó ïðîåêòèðîâàíèÿ îñíîâíûõ ôóíêöèîíàëüíûõ óçëîâ. Ïîýòîìó óìåíèå îáîñíîâàòü óïðîùàþùèå äîïóùåíèÿ íå ìåíåå âàæíî, ÷åì îâëàäåíèå ïðèíöèïàìè ìîäåëèðîâàíèÿ îòäåëüíûõ óçëîâ. 68
§ 2.2. Ýëåêòðè÷åñêèå àíàëîãè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì àïïàðàòîâ
Ïðîöåññû ïðåäñòàâëÿþòñÿ â âèäå âðåìåííûõ çàâèñèìîñòåé íåêîòîðûõ ïàðàìåòðîâ, êîòîðûå ñîñòàâëÿþò ñîâîêóïíîñòü èñêîìûõ íåèçâåñòíûõ ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè è íîñÿò íàçâàíèå ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ. Ïî ñâîåìó õàðàêòåðó òàêèå ïåðåìåííûå â ðàññìàòðèâàåìûõ òåõíè÷åñêèõ ïîäñèñòåìàõ ìîãóò áûòü îòíåñåíû ê îäíîìó èç äâóõ òèïîâ: ïåðåìåííûå òèïà ïîòîêà è ïåðåìåííûå òèïà ïîòåíöèàëà. Àêòèâíûìè ýëåìåíòàìè ìîäåëè áóäóò íåçàâèñèìûå èëè çàâèñèìûå èñòî÷íèêè ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ: èñòî÷íèêè òèïà ïîòîêà (èñòî÷íèê òîêà â ýëåêòðè÷åñêèõ öåïÿõ) è èñòî÷íèêè òèïà ïîòåíöèàëà ( èñòî÷íèê ÝÄÑ â ýëåêòðè÷åñêèõ öåïÿõ).  ãðàôè÷åñêîì ïðåäñòàâëåíèè ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü èçîáðàæàåòñÿ ýêâèâàëåíòíûìè ñõåìàìè ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé, ñîäåðæàùèìè íåîáõîäèìûé íàáîð àêòèâíûõ è ïàññèâíûõ ýëåìåíòîâ. Ñîñòàâëÿþùèå ìàòåìàòè÷åñêóþ ìîäåëü óðàâíåíèÿ âûðàæàþò ñâÿçè ìåæäó ôàçîâûìè ïåðåìåííûìè. Ïî ñìûñëîâîìó ñîäåðæàíèþ ôîðìèðóåìûå óðàâíåíèÿ îáúåäèíÿþòñÿ íàçâàíèÿìè ëèáî êîìïîíåíòíûõ, ëèáî òîïîëîãè÷åñêèõ óðàâíåíèé. Êîìïîíåíòíûå óðàâíåíèÿ îòðàæàþò ôèçè÷åñêèé çàêîí ôóíêöèîíèðîâàíèÿ êàæäîãî ýëåìåíòà ñèñòåìû è ñâÿçûâàþò ðàçíîðîäíûå ôàçîâûå ïåðåìåííûå (ïîòîê – ïîòåíöèàë). Îíè âûâîäÿòñÿ êàê íà îñíîâå èçâåñòíûõ ðàíåå ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ è èõ ñëåäñòâèé (íàïðèìåð, âòîðîé çàêîí Íüþòîíà â ìåõàíèêå), òàê è íà îñíîâå äàííûõ ñïåöèàëüíûõ òåîðåòè÷åñêèõ èëè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé (â ÷àñòíîñòè ìèêðîìîäåëèðîâàíèåì ïîëåé, ôèçè÷åñêèì ìàêåòèðîâàíèåì è äð.). Òîïîëîãè÷åñêèå óðàâíåíèÿ îòðàæàþò ñòðóêòóðó ñâÿçåé ìåæäó ðàçëè÷íûìè ýëåìåíòàìè â ïîäñèñòåìå è â öåëîì â ñèñòåìå è çàïèñûâàþòñÿ äëÿ îäíîðîäíûõ ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ: îòäåëüíî äëÿ ïîòîêîâ è äëÿ ïîòåíöèàëîâ. Âûâîä òîïîëîãè÷åñêèõ óðàâíåíèé ëåãêî ïîääàåòñÿ ôîðìàëèçàöèè, òàê êàê îïèðàåòñÿ íà îáùèå ïðàâèëà ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ëþáûõ òåõíè÷åñêèõ ïîäñèñòåì, ïðåäñòàâëÿþùèõ óñëîâèÿ íåïðåðûâíîñòè è ðàâíîâåñèÿ. Ìàòåìàòè÷åñêèå çàïèñè ôèçè÷åñêèõ çàêîíîâ â êàæäîé ïîäñèñòåìå âêëþ÷àþò ðàçëè÷íûå ïàðàìåòðû è ðàçëè÷íû ïî ôîðìå. Èñïîëüçîâàíèå ïîíÿòèÿ êîìïîíåíòíûõ óðàâíåíèé ïîçâîëÿåò ïðåäñòàâèòü ôèçè÷åñêèå çàêîíû âñåõ ïîäñèñòåì â îäèíàêîâîé ôîðìå çàïèñè äëÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ äàííîé ïîäñèñòåìå ïðîñòåéøèõ ýëåìåíòîâ R, L, C è ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ. Òàêèå ïðåîáðàçîâàíèÿ âîçìîæíû áëàãîäàðÿ ñóùåñòâóþùåìó ïîäîáèþ ïðîöåññîâ ðàçëè÷íîé ôèçè÷åñêîé ïðèðîäû ïî îòíîøåíèþ ê íàêîïëåíèþ è ðàññåÿíèþ ýíåðãèè êîíêðåòíîãî âèäà. Ðàññìîòðèì êîìïîíåíòíûå óðàâíåíèÿ ïðîñòåéøèõ ýëåìåíòîâ âûäåëåííûõ íàìè ïîäñèñòåì
 äàëüíåéøåì áóäåì ïðåäïîëàãàòü, ÷òî ýëåêòðîìåõàíè÷åñêàÿ ñèñòåìà ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà âêëþ÷àåò ñëåäóþùèå îñíîâíûå ïîäñèñòåìû: ýëåêòðè÷åñêóþ (óñòðîéñòâà ãåíåðàöèè, ïîòðåáëåíèÿ è ïåðåäà÷è ýíåðãèè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà); ìàãíèòíóþ (óñòðîéñòâà ãåíåðàöèè, ïîòðåáëåíèÿ è ïåðåäà÷è ýíåðãèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ); ìåõàíè÷åñêóþ (óñòðîéñòâà èç òâåðäûõ òåë ãåíåðàöèè, ïîòðåáëåíèÿ è ïåðåäà÷è ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè); òåïëîâóþ (óñòðîéñòâà ãåíåðàöèè, ïîòðåáëåíèÿ è ïåðåäà÷è òåïëîâîé ýíåðãèè). Ìîäåëü îòäåëüíîé ïîäñèñòåìû ïðåäñòàâëÿåò ïðîöåññû òîëüêî ñâîåé ôèçè÷åñêîé ïðèðîäû, ò. å. âíóòðè ïîäñèñòåìû íå ïðîèñõîäèò ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè â äðóãîé âèä. Ïðàâèëà ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè èç îäíîãî âèäà â äðóãîé óñòàíàâëèâàþòñÿ ÷åðåç çàâèñèìûå èñòî÷íèêè ýíåðãèè ðàçëè÷íûõ ïîäñèñòåì. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû íà ìàêðîóðîâíå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèñòåìó àëãåáðàè÷åñêèõ è îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé, â êîòîðîé åäèíñòâåííîé íåçàâèñèìîé íåïðåðûâíî èçìåíÿþùåéñÿ ïåðåìåííîé ñëóæèò âðåìÿ. Ìàêðîìîäåëü – ýòî ìîäåëü ñ ñîñðåäîòî÷åííûìè ïàðàìåòðàìè.  íåé èñïîëüçóþòñÿ äîñòàòî÷íî êðóïíûå ýëåìåíòû, ïðåäñòàâëÿþùèå ñâîéñòâà îòäåëüíûõ ýëåìåíòîâ ìîäåëèðóåìîãî îáúåêòà â âèäå ïðîñòûõ àëãåáðàè÷åñêèõ ôóíêöèé. Àíàëèç ñâîéñòâ îòäåëüíûõ ýëåìåíòîâ âûäåëÿåòñÿ â ñàìîñòîÿòåëüíóþ çàäà÷ó, ðåøåíèå êîòîðîé òðåáóåò ïðèìåíåíèÿ ìåòîäîâ ìèêðîìîäåëèðîâàíèÿ, íàïðèìåð ÷èñëåííîãî àíàëèçà ïðîñòðàíñòâåííûõ ðàñïðåäåëåíèé ýëåêòðîìàãíèòíûõ èëè òåïëîâûõ ïîëåé [15, 26]. Ñîñòàâëåíèå ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè ñèñòåìû, âêëþ÷àþùåé íåñêîëüêî òåõíè÷åñêèõ ïîäñèñòåì ðàçëè÷íîé ôèçè÷åñêîé ïðèðîäû, îñíîâàíî íà îáùèõ äëÿ âñåõ ïîäñèñòåì ïîíÿòèÿõ, ïîçâîëÿþùèõ äîáèòüñÿ åäèíîîáðàçèÿ ôîðìû çàïèñè óðàâíåíèé. Ê íèì îòíîñÿòñÿ [25] ïîíÿòèÿ ýëåìåíò, ïåðåìåí” íûå è òèï óðàâíåíèé”. Íàçâàíèÿ ïðîñòåéøèõ ïàññèâíûõ ýëåìåíòîâ äëÿ ëþáîé èç ïîäñèñòåì ñîîòíîñÿòñÿ íå ñ èõ êîíñòðóêòèâíûìè îñîáåííîñòÿìè, à ñ õàðàêòåðîì ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè. Òàêèõ îáîáùåííûõ ýëåìåíòîâ òðè, êîòîðûå ïî àíàëîãèè ñ ýëåêòðè÷åñêèìè öåïÿìè îáîçíà÷àþòñÿ: R – ðåçèñòîð (ïðîèñõîäèò áåçâîçâðàòíîå ðàññåÿíèå ýíåðãèè); L – èíäóêòèâíîñòü (íàêàïëèâàåòñÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ); C – êîíäåíñàòîð (íàêàïëèâàåòñÿ ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ). 69
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
äëÿ ó÷åòà ïîòåðü ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè â ìàãíèòíîé ñèñòåìå èç-çà ÿâëåíèé ìàãíèòíîãî ãèñòåðåçèñà è âîçíèêíîâåíèÿ âèõðåâûõ òîêîâ â ïðîâîäÿùèõ ýëåìåíòàõ êîíñòðóêöèè.  îòíîøåíèè ìàãíèòíîé ýíåðãèè ýòè ÿâëåíèÿ ïîäîáíû íàêîïëåíèþ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè â ìåõàíèêå. Çíà÷åíèå ìàãíèòíîé èíäóêòèâíîñòè Lì âû÷èñëÿåòñÿ èëè íà îñíîâå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ, èëè àíàëèçîì ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ â ýëåìåíòàõ êîíñòðóêöèè ìàãíèòíîé ñèñòåìû. Ïîìèìî ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ, íàïðèìåð, ñåðäå÷íèêà ýëåêòðîìàãíèòà èíäóêòèâíîñòü Lì çàâèñèò îò ôîðìû ïåòëè ãèñòåðåçèñà è ýëåêòðè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè ìàòåðèàëà [24]. Íàïðÿæåíèå íà ìàãíèòíîé èíäóêòèâíîñòè ñâÿçàíî ñ ìàãíèòíûì ïîòîêîì ñîîòíîøåíèåì: Uì = Lì dΦ ⁄ dt. Ïðè ïîñòðîåíèè ìàãíèòíûõ öåïåé ïðîöåññû íàêîïëåíèÿ ìàãíèòíîé ýíåðãèè, ïîäîáíûå ïî õàðàêòåðó íàêîïëåíèþ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè â ìåõàíèêå, íå ðàññìàòðèâàþòñÿ è ïîíÿòèå ìàãíèòíîãî êîíäåíñàòîðà íå ââîäèòñÿ. Ïåðâè÷íûå èñòî÷íèêè ýíåðãèè ïðåäñòàâëÿþòñÿ â âèäå èñòî÷íèêîâ ÌÄÑ è èñòî÷íèêîâ ìàãíèòíîãî ïîòîêà.
ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû. Ìàêðîìîäåëü ýëåêòðè÷åñêîé ïîäñèñòåìû ïðåäñòàâëÿþò â âèäå öåïè ïîñòîÿííîãî èëè ïåðåìåííîãî ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà [24] è â êà÷åñòâå ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ èñïîëüçóþò òîêè I â âåòâÿõ è íàïðÿæåíèÿ U íà åå ó÷àñòêàõ. Êîìïîíåíòíûå óðàâíåíèÿ îïðåäåëÿþò ñâÿçè íàïðÿæåíèé è òîêîâ íà ýëåìåíòàõ öåïè. Äëÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ðåçèñòîðà R ñïðàâåäëèâ çàêîí Îìà: I = U/R. Äëÿ ýëåêòðè÷åñêîé êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè L â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè èìååì: U = LdI ⁄ dt; L = dΨ ⁄ dI, ãäå Ψ – ïîòîêîñöåïëåíèå êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè. Äëÿ ýëåêòðè÷åñêîãî êîíäåíñàòîðà C â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì ýëåêòðè÷åñêîé èíäóêöèè ñïðàâåäëèâî ñîîòíîøåíèå: I = CdU ⁄ dt; C = dq ⁄ dU, ãäå q – çàðÿä êîíäåíñàòîðà. Ïåðâè÷íûìè èñòî÷íèêàìè ýíåðãèè â ýëåêòðè÷åñêèõ öåïÿõ áóäóò èñòî÷íèêè òîêà è ÝÄÑ (íàïðÿæåíèÿ). Ïðè ìîäåëèðîâàíèè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì âûäåëÿþòñÿ êàê ýëåêòðè÷åñêàÿ, òàê è ìàãíèòíàÿ ïîäñèñòåìû. Ïîýòîìó ïðè ïîñòðîåíèè ýëåêòðè÷åñêîé öåïè ïåðåìåííîãî òîêà òðåáóåòñÿ ÷åòêîå ðàçãðàíè÷åíèå ñîñòàâëÿþùèõ èíäóöèðîâàííîé ÝÄÑ, ïðåäñòàâëÿåìûõ ñîáñòâåííî ÝÄÑ è îòäåëüíî íàïðÿæåíèåì íà èíäóêòèâíîñòè. Îáû÷íî ñòàðàþòñÿ ïðèäåðæèâàòüñÿ ïðàâèëà, êîãäà âêëþ÷åííàÿ â ýëåêòðè÷åñêóþ öåïü èíäóêòèâíîñòü íå çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû, ò. å. ïîñòîÿííà, à èñòî÷íèêè èíäóöèðîâàííîé ÝÄÑ ìîãóò çàâèñåòü îò ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîé è äðóãèõ ïîäñèñòåì. Ìàêðîìîäåëü ìàãíèòíîé ïîäñèñòåìû ñòðîèòñÿ íà îñíîâå ïîíÿòèé ìàãíèòíîé öåïè [24], ò. å. èñïîëüçóåòñÿ ïðåäñòàâëåíèå ïðîñòðàíñòâåííîé êàðòèíû ìàãíèòíîãî ïîëÿ â âèäå îòäåëüíûõ òðóáîê ìàãíèòíîãî ïîòîêà [27]. Êàæäàÿ òðóáêà ïîòîêà çàìåíÿåòñÿ ýêâèâàëåíòíîé öåïüþ ñ ñîñðåäîòî÷åííûìè ïàðàìåòðàìè, ñîäåðæàùèìè èñòî÷íèêè ìàãíèòîäâèæóùåé ñèëû (ÌÄÑ) èëè ïîòîêà è ìàãíèòíûå àêòèâíûå èëè ðåàêòèâíûå ñîïðîòèâëåíèÿ. Óðàâíåíèÿ è ìåòîäû àíàëèçà ìàãíèòíûõ öåïåé ïîëíîñòüþ àíàëîãè÷íû ýëåêòðè÷åñêèì öåïÿì.  êà÷åñòâå ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ â ìàãíèòíîé ïîäñèñòåìå èñïîëüçóþòñÿ ìàãíèòíûé ïîòîê Φ è ìàãíèòíîå íàïðÿæåíèå Uì . Ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå Rì îïðåäåëÿåòñÿ êîíôèãóðàöèåé òðóáêè ìàãíèòíîãî ïîòîêà è ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ ñðåäû (ñì. § 1.3). Ìàãíèòíîå íàïðÿæåíèå íà ó÷àñòêå ñ ñîïðîòèâëåíèåì Rì âûðàæàåòñÿ çàêîíîì Îìà äëÿ ìàãíèòíîé öåïè: Uì = ΦRì . Ìàãíèòíàÿ èíäóêòèâíîñòü Lì èñïîëüçóåòñÿ äëÿ àíàëèçà ìàãíèòíûõ öåïåé ïðè ïåðåìåííîì ïîòîêå
Äëÿ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû õàðàêòåðíà ñõåìà ïðåîáðàçîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè ñíà÷àëà â ìàãíèòíóþ, à çàòåì â ìåõàíè÷åñêóþ. È íàîáîðîò, ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ïðåîáðàçóåòñÿ â ýëåêòðè÷åñêóþ ÷åðåç ìàãíèòíóþ. Ïðè ìàêðîìîäåëèðîâàíèè ìåõàíè÷åñêèõ ïîäñèñòåì óäîáíî ðàññìàòðèâàòü ðàçäåëüíî ïîñòóïàòåëüíîå è âðàùàòåëüíîå äâèæåíèå ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè. Ïðè ïîñòóïàòåëüíîì äâèæåíèè òåë â êà÷åñòâå ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ èñïîëüçóþò ñèëó P è ñêîðîñòü v. Ïðè÷åì â çàâèñèìîñòè îò òîãî, êàêàÿ èç íèõ ïðèíèìàåòñÿ çà ïåðåìåííóþ òèïà ïîòîêà, à êàêàÿ çà ïåðåìåííóþ òèïà ïîòåíöèàëà, ïîëó÷àåì ïðÿìóþ èëè îáðàùåííóþ ìîäåëè, îäèíàêîâî ïðèãîäíûå äëÿ àíàëèçà. Ïóñòü â êà÷åñòâå ïåðåìåííîé òèïà ïîòîêà âûáðàíà ñèëà P, ïåðåìåííîé òèïà ïîòåíöèàëà – ñêîðîñòü v (ïðÿìàÿ ìîäåëü). Ýëåìåíòû ìåõàíè÷åñêîé ïîäñèñòåìû: ìàññû, ïðóæèíû, ýëåìåíòû òðåíèÿ, îáúåäèíÿþòñÿ îáùèì óðàâíåíèåì äâèæåíèÿ, êîòîðîå è ÿâëÿåòñÿ ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëüþ. Äëÿ êàæäîãî îòäåëüíîãî ýëåìåíòà õîðîøî èçâåñòíû çàêîíû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ, ëåãêî èíòåðïðåòèðóåìûå ÷åðåç ïðîñòåéøèå ýëåìåíòû R, L, C. Èç óðàâíåíèÿ âÿçêîãî òðåíèÿ: P = kòv = v ⁄ Rìåõ, ãäå kò – êîýôôèöèåíò âÿçêîãî òðåíèÿ, ñëåäóåò, ÷òî àêòèâíîå ìåõàíè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå – ýëåìåíò äèññèïàöèè ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè, îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì Rìåõ = 1 ⁄ kò. Ñâîéñòâà óïðóãîãî ýëåìåíòà, íàïðèìåð, ïðóæèíû ñ ëèíåéíûìè ñâîéñòâàìè, îïðåäåëÿåò çàêîí Ãóêà: P = kóx, ãäå ky – æåñò70
§ 2.2. Ýëåêòðè÷åñêèå àíàëîãè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì àïïàðàòîâ
Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìàêðîìîäåëü ñ ñîñðåäîòî÷åííûìè ïàðàìåòðàìè äëÿ àíàëèçà ðàñïðåäåëåíèé òåïëîòû [29, 30] îáîñíîâûâàåòñÿ, êàê ïðàâèëî, ïðè èñïîëüçîâàíèè ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ òèïà ïîòîêà – òåïëîâîé ïîòîê Φò, è òèïà ïîòåíöèàëà – òåìïåðàòóðà υ . Ïåðåäà÷à òåïëîòû òåïëîïðîâîäíîñòüþ, êîíâåêöèåé è èçëó÷åíèåì â ìàêðîìîäåëÿõ ïðåäñòàâëÿåòñÿ îäíîìåðíûìè ïðèáëèæåíèÿìè â óðàâíåíèÿõ çàêîíîâ Ôóðüå è Íüþòîíà: pò = − λdυ ⁄ dx ≈ ≈ −λ(υ2 − υ1) ⁄ ∆l, pò = − kò(υ2 − υ1), ãäå pò – ïëîòíîñòü òåïëîâîãî ïîòîêà; λ – êîýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè; kò– êîýôôèöèåíò òåïëîïåðåäà÷è; υ1 è υ2 – òåìïåðàòóðû òåëà íà ãðàíèöàõ ðàññìàòðèâàåìîãî ó÷àñòêà äëèíîé ∆l äëÿ òåïëîïðîâîäíîñòè èëè υ1 – òåìïåðàòóðà òåëà è υ2 – òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû äëÿ êîíâåêöèè â òî÷êå íà ãðàíèöå ðàçäåëà. Åñëè ðàññìàòðèâàòü óðàâíåíèÿ ïåðåäà÷è òåïëîòû ïî òðóáêå òåïëîâîãî ïîòîêà, òî ïîëó÷èì ñîîòíîøåíèÿ äëÿ òåïëîâûõ àêòèâíûõ ñîïðîòèâëåíèé: Φò = ∆υ ⁄ Rò.êä è Φò = ∆υ ⁄ Rò.êâ , ãäå ∆υ = = υ1 − υ2 ; Rò.êä – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå (äëÿ ëèíåéíîé òðóáêè Rò.êä = ∆l ⁄ (λS), îïðåäåëÿþùåå ðàñïðîñòðàíåíèå òåïëîòû òåïëîïðîâîäíîñòüþ; Rò.êâ = 1 ⁄ (kòS) – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå, îïðåäåëÿþùåå ðàñïðîñòðàíåíèå òåïëîòû êîíâåêöèåé è èçëó÷åíèåì; S – ïëîùàäü ñå÷åíèÿ ó÷àñòêà. Òåïëîâûì êîíäåíñàòîðîì ìîæåò áûòü ëþáîå òåëî, îáëàäàþùåå òåïëîåìêîñòüþ Cò = cm, ãäå c – óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü; m – ìàññà òåëà. Óðàâíåíèå òåïëîåìêîñòè ñâÿçûâàåò èçìåíåíèå êîëè÷åñòâà òåïëîòû dQ ñ èçìåíåíèåì òåìïåðàòóðû dυ òåëà dQ = Còdυ. Òåïëîâîé ïîòîê åñòü èçìåíåíèå êîëè÷åñòâà òåïëîòû â åäèíèöó âðåìåíè, ïîýòîìó Φò = dQ ⁄ dt = Cò(dυ ⁄ dt). Òàêèì îáðàçîì åìêîñòüþ òåïëîâîãî êîíäåíñàòîðà â ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè áóäåò òåïëîåìêîñòü òåëà. Êîìïîíåíòíîå óðàâíåíèå äëÿ òåïëîâîé èíäóêòèâíîñòè íå èìååò ôèçè÷åñêîãî ñìûñëà ïðè îïåðèðîâàíèè âûáðàííûìè âûøå ôàçîâûìè ïåðåìåííûìè. Îòäåëüíûå ýëåìåíòû â êàæäîé ïîäñèñòåìå îáúåäèíÿþòñÿ â çàìêíóòûå ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû, êîòîðûå êîìïîíóþòñÿ íà îñíîâå òîïîëîãè÷åñêèõ óðàâëåíèé, ò. å. èçâåñòíûõ óñëîâèé íåïðåðûâíîñòè è ðàâíîâåñèÿ. Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû – ýòî ñîâîêóïíîñòü ñõåì ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé, ïðåäñòàâëÿþùèõ ýëåìåíòû è èõ ñâÿçè âî âñåõ âõîäÿùèõ â ñèñòåìó è âûäåëåííûõ íàìè ïîäñèñòåìàõ â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðèíÿòûìè àíàëîãèÿìè. Âçàèìîñâÿçü ìåæäó ðàçëè÷íûìè ïîäñèñòåìàìè ïðè ïîñòðîåíèè ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì çàäàåòñÿ ÷åðåç çàâèñèìûå èñòî÷íèêè ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ è çàâèñèìûå
êîñòü (óïðóãîñòü) ïðóæèíû; x – ïåðåìåùåíèå. Èëè ïîñëå äèôôåðåíöèðîâàíèÿ ïî âðåìåíè: dP ⁄ dt = kóv. Ìåõàíè÷åñêàÿ èíäóêòèâíîñòü – ýòî êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó ñêîðîñòüþ è ïðîèçâîäíîé ñèëû, ò. å. v = LìåõdP ⁄ dt ; Lìåõ = 1 ⁄ kó (ïî àíàëîãèè ñ ýëåêòðè÷åñêîé öåïüþ U = LdI ⁄ dt). Âòîðîé çàêîí Íüþòîíà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé óðàâíåíèå äëÿ óñêîðåíèÿ P = mdv ⁄ dt , ãäå m – ìàññà òåëà êàê êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó ñèëîé è ïðîèçâîäíîé ñêîðîñòè (óñêîðåíèåì) ìîæåò áûòü îáîçíà÷åíà ìåõàíè÷åñêîé åìêîñòüþ Cìåõ = m è P = Cìåõdv ⁄ dt (ïî àíàëîãèè ñ ýëåêòðè÷åñêîé öåïüþ I = CdU ⁄ dt). Òàêèì îáðàçîì, äëÿ ïðèíÿòîé ìîäåëè, ãäå ñèëà – ïîòîê, à ñêîðîñòü – ïîòåíöèàë, ïðóæèíà ÿâëÿåòñÿ ýëåìåíòîì íàêîïëåíèÿ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè, à ìàññà – ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè. Îáðàùåííàÿ ìîäåëü ìåõàíè÷åñêîé ïîñòóïàòåëüíîé ïîäñèñòåìû îáîñíîâûâàåòñÿ äëÿ ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ òèïà ïîòîêà – ñêîðîñòü v, è òèïà ïîòåíöèàëà – ñèëà P. Òîãäà äëÿ âÿçêîãî òðåíèÿ v = P ⁄ Rìåõ, ãäå Rìåõ = kò, äëÿ óðàâíåíèÿ ïðóæèíû v = CìåõdP ⁄ dt, ãäå Cìåõ = 1 ⁄ ky, äëÿ óðàâíåíèÿ ìàññû P = Lìåõdv ⁄ dt, ãäå Lìåõ = m.  îáðàùåííîé ìîäåëè ýëåìåíòîì íàêîïëåíèÿ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ñëóæèò ìàññà, à ïîòåíöèàëüíîé – óïðóãàÿ ñðåäà. Ïðÿìàÿ ìîäåëü âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ñîîòíîñèòñÿ ñ ôàçîâûìè ïåðåìåííûìè: òèïà ïîòîêà – ìîìåíò ñèë M, òèïà ïîòåíöèàëà – óãëîâàÿ ñêîðîñòü – ω. Âÿçêîå òðåíèå âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì M = kò′ω = ω ⁄ Rìåõ , ãäå Rìåõ = 1 ⁄ kò′, kò′ – êîýôôèöèåíò òðåíèÿ âðàùåíèÿ. Çàêîí Íüþòîíà âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ M = Jdω ⁄ dt, ãäå J – ìîìåíò èíåðöèè, çàïèñûâàåòñÿ ïî àíàëîãèè ñ ýëåêòðè÷åñêîé öåïüþ ÷åðåç ìåõàíè÷åñêóþ åìêîñòü: M = Cìåõdω ⁄ dt, ãäå Cìåõ = J – ýëåìåíò íàêîïëåíèÿ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè. Óïðóãèå ýëåìåíòû âî âðàùàòåëüíîì äâèæåíèè ñâîäÿòñÿ ê ñïèðàëüíûì ïðóæèíàì, äëÿ êîòîðûõ ñïðàâåäëèâî óðàâíåíèå M = kó′ϕ, ãäå kó′ – óãëîâàÿ æåñòêîñòü ïðóæèíû, ϕ – óãîë çàêðó÷èâàíèÿ. Ïîñëå äèôôåðåíöèðîâàíèÿ, ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå, ÷òî ω = dϕ ⁄ dt, ïîëó÷àåì ω = LìåõdM ⁄ dt è Lìåõ = 1 ⁄ ky′. Óïðóãèé ýëåìåíò â ïðÿìîé ìîäåëè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ áóäåò ìåõàíè÷åñêîé èíäóêòèâíîñòüþ, â êîòîðîé ïðîèñõîäèò íàêîïëåíèå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè. Îáðàùåííàÿ ìîäåëü âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ñ ôàçîâûìè ïåðåìåííûìè òèïà ïîòîêà – óãëîâàÿ ñêîðîñòü ω è òèïà ïîòåíöèàëà – ìîìåíò M èìååò ñëåäóþùèå âûðàæåíèÿ äëÿ ïðîñòåéøèõ ýëåìåíòîâ: Rìåõ = kò′ ; Lìåõ = J ; Cìåõ = 1 ⁄ kó′. 71
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
ñòðóêòóðû ñâÿçåé â ïîäñèñòåìàõ â âèäå ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé. Ñîñòàâëåíèå ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì – íå ïîëíîñòüþ ôîðìàëèçîâàííàÿ ïðîöåäóðà, òàê êàê â íèõ îòðàæàþòñÿ òîëüêî òå ýëåìåíòû è ñâÿçè ðåàëüíîãî óñòðîéñòâà, êîòîðûå ïî ìíåíèþ èíæåíåðà îêàçûâàþò îïðåäåëÿþùåå âëèÿíèå íà åãî ôóíêöèîíèðîâàíèå. Åñòåñòâåííî ñòðåìëåíèå ïîëó÷èòü íàèáîëåå ïðîñòóþ ìîäåëü, íî ñ íåîáõîäèìîé ïîëíîòîé ïðåäñòàâëÿþùåé ñâîéñòâà óñòðîéñòâà. 3. Óñòàíàâëèâàþòñÿ ñâÿçè ìåæäó ïîäñèñòåìàìè, êîòîðûå âûðàæàþòñÿ ôóíêöèÿìè èñòî÷íèêîâ ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ è ïàðàìåòðîâ îòäåëüíûõ ýëåìåíòîâ îò ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ äðóãèõ âçàèìîñâÿçàííûõ ïîäñèñòåì. Íàïðèìåð, âûíóæäàþùàÿ ñèëà â ìåõàíè÷åñêîé ïîäñèñòåìå áóäåò ôóíêöèåé ìàãíèòíîãî ïîòîêà ìàãíèòíîé ïîäñèñòåìû, à ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå – ôóíêöèåé ïåðåìåùåíèÿ ÿêîðÿ ýëåêòðîìàãíèòà. Ïîðÿäîê ñîñòàâëåíèÿ ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì èëëþñòèðèðóåò ñëåäóþùèé ïðèìåð. Íà ðèñ. 2.16 ïðèâåäåíà êîíñòðóêöèÿ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî óñòðîéñòâà, ñîñòîÿùåãî èç ýëåêòðîìàãíèòà: íåïîäâèæíîãî Ï-îáðàçíîãî ñòàëüíîãî ìàãíèòîïðîâîäà ñ êàòóøêîé, ê êîòîðîé ïîäêëþ÷àåòñÿ ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå, è ïîäâèæíîãî ÿêîðÿ â âèäå ñòàëüíîé ïëàñòèíû, ñîåäèíåííîãî øòîêîì â îïîðå ñêîëüæåíèÿ ñ çàêðåïëåííîé íà íåïîäâèæíîì îñíîâàíèè ïðóæèíîé. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ óñòðîéñòâà çàêëþ÷àåòñÿ â ïðèòÿæåíèè ÿêîðÿ ê ìàãíèòîïðîâîäó. Ïðè ïîäêëþ÷åíèè êàòóøêè ê èñòî÷íèêó íàïðÿæåíèÿ â íåé ïîÿâëÿåòñÿ òîê, âîçíèêàåò ìàãíèòíûé ïîòîê â äåòàëÿõ ýëåêòðîìàãíèòà è óñèëèå íà ÿêîðå, êîòîðîìó ïðîòèâîäåéñòâóåò èíåðöèîííàÿ ñèëà, ñèëà òðåíèÿ øòîêà â îïîðå è óïðóãàÿ ñèëà ïðóæèíû. Ïîä äåéñòâèåì ýòèõ ñèë ÿêîðü ñîâåðøàåò ïîñòóïàòåëüíîå äâèæåíèå, ò. å. ýëåêòðè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ïðåîáðàçóåòñÿ â ìåõàíè÷åñêóþ. ×àñòü ýíåðãèè èñòî÷íèêà ïðåîáðàçóåòñÿ â òåïëîâóþ ïðè ïðîòåêàíèè òîêà â ïðîâîäå êàòóøêè è âîçáóæäåíèè âèõðåâûõ òîêîâ â ñòàëüíîì ìàãíèòîïðîâîäå.
ïàðàìåòðû ïàññèâíûõ ýëåìåíòîâ – çàâèñèìûå îò ïåðåìåííûõ äðóãîé ïîäñèñòåìû. Óñëîâèÿ ðàâíîâåñèÿ âûðàæàþòñÿ ÷åðåç ôàçîâûå ïåðåìåííûå òèïà ïîòîêà, à óñëîâèÿ íåïðåðûâíîñòè – ÷åðåç ïåðåìåííûå òèïà ïîòåíöèàëà. Ôîðìà óðàâíåíèé îäèíàêîâàÿ äëÿ ëþáîé ïîäñèñòåìû.  ýëåêòðè÷åñêîé ïîäñèñòåìå óðàâíåíèå ðàâíîâåñèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ïåðâûì çàêîíîì Êèðõãîôà (ñóììà òîêîâ, ïîäñîåäèíåííûõ ê óçëó âåòâåé ðàâíà íóëþ), à óðàâíåíèå íåïðåðûâíîñòè – âòîðûì çàêîíîì Êèðõãîôà (â çàìêíóòîì êîíòóðå ñóììà íàïðÿæåíèé íà ýëåìåíòàõ ðàâíà íóëþ): ΣIê = 0 , ΣUj = 0. Àíàëîãè÷íûå ñîîòíîøåíèÿ ñïðàâåäëèâû äëÿ äðóãèõ ïîäñèñòåì ïðè çàìåíå íà ñîîòâåòñòâóþùèå ôàçîâûå ïåðåìåííûå.  ìàãíèòíîé ïîäñèñòåìå èñïîëüçóþòñÿ çàêîíû Êèðõãîôà äëÿ ìàãíèòíîé öåïè: ñóììà ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ â òî÷êå ðàçâåòâëåíèÿ ðàâíà íóëþ, ñóììà ìàãíèòíûõ íàïðÿæåíèé íà ýëåìåíòàõ â çàìêíóòîì êîíòóðå ðàâíà íóëþ: ΣΦê = 0 , ΣUìj = 0.  ìåõàíè÷åñêîé ïîñòóïàòåëüíîé ïîäñèñòåìå ïðÿìàÿ ìîäåëü îñíîâàíà íà ïðèíöèïå ä’Àëàìáåðà: ñóììà äåéñòâóþùèõ íà òåëî ñèë, âêëþ÷àÿ èíåðöèîííûå, ðàâíà íóëþ (ïåðåìåííûå òèïà ïîòîêà): ΣPê = 0. Äëÿ âåêòîðîâ è êîîðäèíàòíûõ ñîñòàâëÿþùèõ àáñîëþòíûõ ñêîðîñòåé ñïðàâåäëèâî ñîîòíîøåíèå (ïåðåìåííûå òèïà ïîòåíöèàëà): Σvj = 0.  îáðàùåííîé ìîäåëè ôàçîâûå ïåðåìåííûå ìåíÿþòñÿ ìåñòàìè è åñòåñòâåííî òîïîëîãè÷åñêèå ñîîòíîøåíèÿ ñîõðàíÿþòñÿ.  ìåõàíè÷åñêîé âðàùàòåëüíîé ïîäñèñòåìå äëÿ òåëà: ñóììà âñåõ ìîìåíòîâ ðàâíà íóëþ ΣMê = 0, è ñóììà óãëîâûõ ñêîðîñòåé âäîëü îñè âðàùåíèÿ ðàâíà íóëþ Σωj = 0.  òåïëîâîé ïîäñèñòåìå: ñóììà òåïëîâûõ ïîòîêîâ â óçëå ðàçâåòâëåíèÿ ðàâíà íóëþ ΣΦò.ê = 0, ñóììà òåìïåðàòóð íà ýëåìåíòàõ ïðè îáõîäå ïî çàìêíóòîìó êîíòóðó ðàâíà íóëþ Συj = 0. Ñîñòàâëåíèå ýêâèâàëåíòíîé ñõåìû ïðîèçâîäèòñÿ â ñëåäóþùåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè [25]. 1. Íà îñíîâàíèè àíàëèçà êîíñòðóêöèè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî óñòðîéñòâà âûäåëÿþò ïîäñèñòåìû: ýëåêòðè÷åñêóþ, ìàãíèòíóþ, ìåõàíè÷åñêóþ è äð., êîòîðûå ïî ìíåíèþ èññëåäîâàòåëÿ íåîáõîäèìî âêëþ÷èòü â îáùóþ ìîäåëü. Åñëè â êàêîé-ëèáî ïîäñèñòåìå èìååòñÿ íåñêîëüêî ôóíêöèîíàëüíî íåçàâèñèìûõ ÷àñòåé èëè ïîäñèñòåìà õàðàêòåðèçóåòñÿ ñëîæíîé ðàçâåòâëåííîé ñòðóêòóðîé, òî åå óñëîâíî ðàçäåëÿþò íà ó÷àñòêè, ïîñòðîåíèå ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì äëÿ êîòîðûõ íå áóäåò âûçûâàòü çàòðóäíåíèé. 2.  êàæäîé ïîäñèñòåìå îïðåäåëÿþò çíà÷èìûå äëÿ ïîñëåäóþùåãî àíàëèçà ýëåìåíòû, îáîñíîâûâàþò èõ ýëåêòðè÷åñêèå àíàëîãè, ïðåäñòàâëÿþòñÿ
Ðèñ. 2.16. Ñõåìà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî óñòðîéñòâà: 1 – ñòàëüíîé ìàãíèòîïðîâîä; 2 – êàòóøêà; 3 – ñòàëüíîé ÿêîðü; 4 – îïîðà ñêîëüæåíèÿ; 5 – ïðóæèíà
72
§ 2.2. Ýëåêòðè÷åñêèå àíàëîãè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì àïïàðàòîâ
Ðèñ. 2.17. Ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû (ðèñ. 2.16): à – ýëåêòðè÷åñêàÿ ïîäñèñòåìà; á – ìàãíèòíàÿ ïîäñèñòåìà; â – ìåõàíè÷åñêàÿ ïîäñèñòåìà; ã – òåïëîâàÿ ïîäñèñòåìà
Äëÿ ïîñëåäóþùåãî àíàëèçà âûäåëÿåì ÷åòûðå ïîäñèñòåìû: ýëåêòðè÷åñêóþ, ìàãíèòíóþ, ìåõàíè÷åñêóþ è òåïëîâóþ. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî äàííîå óñòðîéñòâî íå îòíîñèòñÿ ê ïðåöèçèîííûì ýëåêòðîìàãíèòíûì ìåõàíèçìàì, ìîæíî îïèðàòüñÿ íà óïðîùåííûå ïðåäñòàâëåíèÿ ïðîöåññîâ, ÷òî îòðàæàåòñÿ â ýêâèâàëåíòíûõ ñõåìàõ óêàçàííûõ ïîäñèñòåì. Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ýëåêòðè÷åñêîé ïîäñèñòåìû èçîáðàæåíà íà ðèñ. 2.17,à.  íåé ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåíû: èñòî÷íèê ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ U, âûêëþ÷àòåëü B, ïðîâîä àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì R, êàòóøêà èíäóêòèâíîñòè LS, ñâÿçàííàÿ ñ ìàãíèòíûìè ïîòîêàìè ðàññåÿíèÿ (÷àñòü ïîëíîãî ìàãíèòíîãî ïîòîêà êàòóøêè, íå ñöåïëåííàÿ ñ ÿêîðåì) è íåêîòîðàÿ ÝÄÑ e (t) = − dψ ⁄ dt, îïðåäåëåííàÿ ðàáî÷èì ïîòîêîì ýëåêòðîìàãíèòà, ñöåïëåííûì ñ ÿêîðåì. Îáû÷íî äîïóñêàåòñÿ ïîñòîÿíñòâî èíäóêòèâíîñòè ðàññåÿíèÿ, è â ñõåìå ýëåêòðè÷åñêîé öåïè çàâèñèìûìè áóäóò ïàðàìåòðû äâóõ ýëåìåíòîâ. Àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû ïðîâîäà, ò. å. îò ïàðàìåòðîâ òåïëîâîé ïîäñèñòåìû, à ÝÄÑ îò âðåìåííîé ôóíêöèè ìàãíèòíîãî ïîòîêà, êîòîðûé â ñâîþ î÷åðåäü îïðåäåëÿåòñÿ ïàðàìåòðàìè ìàãíèòíîé è ìåõàíè÷åñêîé ïîäñèñòåì (ïîëîæåíèåì ÿêîðÿ). Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ìàãíèòíîé ïîäñèñòåìû ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2.17,á. Îíà ñîñòîèò èç èñòî÷íèêà ìàãíèòîäâèæóùåé ñèëû Fì = IN, ãäå N – ÷èñëî âèòêîâ êàòóøêè ýêâèâàëåíòíûõ àêòèâíûõ ìàãíèòíûõ ñîïðîòèâëåíèé ñòàëüíûõ ìàãíèòîïðîâîäà è ÿêîðÿ Rì è íåìàãíèòíîãî çàçîðà ìåæäó ñåðäå÷íèêîì è ÿêîðåì Rd, à òàêæå èíäóêòèâíîñòè, îïðåäåëåííîé âèõðåâûìè òîêàìè â ïðîâîäÿùèõ äåòàëÿõ ýëåêòðîìàãíèòà. Ìàãíèòîäâèæóùàÿ ñèëà Fì çàâèñèò îò ôàçîâîé ïåðåìåííîé ýëåêòðè÷åñêîé ïîäñèñòåìû – òîêà I, à ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå Rd îò ïàðàìåòðîâ ìåõàíè÷åñêîé ïîäñèñòåìû – çàçîðà á. Ðàáî÷èé ìàãíèòíûé ïîòîê è ìàãíèòíûå íàïðÿæåíèÿ íà ó÷àñòêàõ öåïè îïðåäåëÿþòñÿ àíàëîãè÷íî òîêàì è íàïðÿæåíèÿì â ýëåêòðè÷åñêîé öåïè ñ òàêîé æå ñõåìîé. Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ìåõàíè÷åñêîé ïîäñèñòåìû (ðèñ. 2.17,â) ïîñòðîåíà íà îñíîâå ïðèíöèïà îáðà-
ùåííîé ìîäåëè, â êîòîðîé äåéñòâóþùåå íà ÿêîðü ýëåêòðîìàãíèòíîå óñèëèå îïðåäåëåíî èñòî÷íèêîì ÝÄÑ Pý, à ýëåìåíòû: ìàññà ÿêîðÿ, æåñòêîñòü ïðóæèíû è òðåíèå â îïîðå, – ïðåäñòàâëÿþòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíûì ñîåäèíåíèåì èíäóêòèâíîñòè, êîíäåíñàòîðà è àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ. Òîê â òàêîé ñõåìå ýêâèâàëåíòåí ñêîðîñòè ÿêîðÿ, à íàïðÿæåíèÿ íà ýëåìåíòàõ – ñîñòàâëÿþùèì ðåçóëüòèðóþùåé ñèëû, âîçäåéñòâóþùåé íà ÿêîðü. Çàâèñèìûì ïàðàìåòðîì áóäåò ýëåêòðîìàãíèòíîå óñèëèå, êîòîðîå â ðàññìàòðèâàåìûõ ïðèáëèæåíèÿõ ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòó ìàãíèòíîãî ïîòîêà. Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà òåïëîâîé ïîäñèñòåìû (ðèñ. 2.17,ã) ñîäåðæèò äâà çàâèñèìûõ èñòî÷íèêà òåïëîâûõ ïîòîêîâ (àíàëîãè èñòî÷íèêîâ òîêà â ýëåêòðè÷åñêîé öåïè). Ýòî ðàññåèâàåìàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ìîùíîñòü íà àêòèâíîì ñîïðîòèâëåíèè êàòóøêè Φò1, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ êâàäðàòó òîêà, è ìîùíîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ ïîòåðü â ìàãíèòîïðîâîäå è ÿêîðå Φò2, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè êâàäðàòó ìàãíèòíîãî ïîòîêà. Âûäåëåíèåì òåïëà èç-çà òðåíèÿ â îïîðå ñêîëüæåíèÿ ïðåíåáðåãàåì. Òåïëîâûå ïîòîêè èñòî÷íèêà Φò1 – àíàëîãè òîêîâ â ýëåêòðè÷åñêèõ öåïÿõ, àêêóìóëèðóþò òåïëî â òåïëîâîé åìêîñòè ìàòåðèàëà êàòóøêè Cò1, ïðîíèêàþò îò êàòóøêè ÷åðåç ñîïðîòèâëåíèå òåïëîïðîâîäíîñòè Rò1 ê ìàãíèòîïðîâîäó (òåïëîåìêîñòü ìàãíèòîïðîâîäà Cò2) è ðàññåèâàþòñÿ â âîçäóõå òåïëîïðîâîäíîñòüþ è êîíâåêöèåé Rò2. ×àñòü òåïëîâîãî ïîòîêà êàòóøêè íåïîñðåäñòâåííî ðàññåèâàåòñÿ â âîçäóõå òåïëîïðîâîäíîñòüþ è êîíâåêöèåé Rò3. Âòîðîé èñòî÷íèê òåïëîâîãî ïîòîêà Φò2 ïîäêëþ÷àåòñÿ ïàðàëëåëüíî òåïëîâîé åìêîñòè ìàãíèòîïðîâîäà. Ñõåìà òåïëîâîé öåïè òîëüêî ïðèáëèæåííî îòðàæàåò õàðàêòåð ïðîöåññîâ â òåïëîâîì ïîëå. Îïðåäåëåíèå êîíêðåòíûõ ïàðàìåòðîâ ýëåìåíòîâ ñõåìû è óòî÷íåíèå åå êîíôèãóðàöèè ïðîèçâîäèòñÿ íà îñíîâå àíàëèçà ïðîñòðàíñòâåííîãî ðàñïðåäåëåíèÿ òåïëîâîãî è ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëåé (êàê ïðàâèëî ðàñ÷åòîì ïîëåé íà ÝÂÌ).  ñîñòàâëåííûõ ýêâèâàëåíòíûõ ñõåìàõ âñå ÷åòûðå ïîäñèñòåìû âçàèìîñâÿçàíû ÷åðåç çàâèñèìûå èñ73
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
ïðèåì ðàçäåëåíèÿ ñëîæíîãî óñòðîéñòâà íà äâà ïðîñòûõ â òî÷êå A. Òî÷êà A äâèæåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ v2 ìàññû m2, ïîýòîìó äëÿ ëåâîé è ïðàâîé îòíîñèòåëüíî òî÷êè A ÷àñòåé ìîæíî ñîñòàâèòü îòäåëüíûå ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû. Äëÿ ïðÿìîé ìîäåëè ïîëó÷àåì äâå ñõåìû, èçîáðàæåííûå íà ðèñ. 2.19,à, à äëÿ îáðàùåííîé ìîäåëè – äâå ñõåìû íà ðèñ. 2.19,á.  ýòèõ ñõåìàõ ïðèñóòñòâóþò ëèáî èñòî÷íèêè ôàçîâîé ïåðåìåííîé òèïà ïîòîêà, ëèáî òèïà ïîòåíöèàëà, çàäàííûå ñêîðîñòüþ v2. Ïîëó÷åííûå ñõåìû ëåãêî îáúåäèíÿþòñÿ, òàê êàê ñêîðîñòü v2 îäíà è òà æå ñêîðîñòü ìàññû m2 äëÿ îáåèõ ÷àñòåé óñòðîéñòâà. Îáúåäèíåííûå ñõåìû óñòðîéñòâà äëÿ ïðÿìîé è îáðàùåííîé ìîäåëè ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2.20,à,á. Èñòî÷íèêè ñêîðîñòè v2 â íèõ èñêëþ÷åíû. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü – ñèñòåìà äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé äëÿ ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ, âûâåäåííàÿ íà îñíîâå çàêîíîâ Êèðõãîôà äëÿ ïðåäñòàâëåííûõ íà ðèñ. 2.20 ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì, èìååò ñëåäóþùèé âèä: v1kòð1 + m1dv1 ⁄ dt + ky1x3 = P ; v2kòð2 + m2dv2 ⁄ dt + ky2x2 + ky1x3 = 0 ;
òî÷íèêè ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ è çàâèñèìûå ïàðàìåòðû ïàññèâíûõ ýëåìåíòîâ (àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäà êàòóøêè, ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå çàçîðà ìåæäó ìàãíèòîïðîâîäîì è ÿêîðåì). Ïðåäëîæåííûå ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû íå ÿâëÿþòñÿ åäèíñòâåííî âîçìîæíûìè è åñòåñòâåííî îòðàæàþò ïîíèìàíèå ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ èíæåíåðîì â ðàìêàõ ïîñòàâëåííîé ïåðåä íèì çàäà÷è. Íåïîñðåäñòâåííî ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàïèñü ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé ïî ñîñòàâëåííûì ýêâèâàëåíòíûì ñõåìàì ÷åòûðåõ ïîäñèñòåì è âûðàæåíèÿ äëÿ çàâèñèìûõ ïàðàìåòðîâ. Ñóùåñòâóþò õîðîøî ðàçðàáîòàííûå ôîðìàëüíûå ìåòîäû è ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå ïîëó÷åíèÿ ìàòåìàòè÷åñêèõ ìîäåëåé ïî èçâåñòíûì ýêâèâàëåíòíûì ñõåìàì. Äëÿ ðåøåíèÿ ñèñòåì äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ ÷èñëåííûå ìåòîäû [31], íàïðèìåð, ìåòîä Ðóíãå-Êóòòà. Èñêëþ÷åíèå ñîñòàâëÿþò ïðîñòåéøèå óðàâíåíèÿ, äëÿ êîòîðûõ íåñëîæíî ïîëó÷èòü ðåøåíèÿ â àíàëèòè÷åñêîé ôîðìå. Àíàëèç óñòàíîâèâøèõñÿ ðåæèìîâ ðàáîòû óñòðîéñòâ ñ ëèíåéíûìè ïàðàìåòðàìè è ñèíóñîèäàëüíûìè ôóíêöèÿìè ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ ïðîèçâîäèòñÿ ïî ìàòåìàòè÷åñêèì ìîäåëÿì â êîìïëåêñíîé ôîðìå çàïèñè óðàâíåíèé. Ïðè ýòîì çàäà÷à ñâîäèòñÿ ê ðåøåíèþ ñèñòåì ëèíåéíûõ àëãåáðàè÷åñêèõ óðàâíåíèé. Ðàññìîòðèì îñîáåííîñòè íàèáîëåå õàðàêòåðíûõ ìåõàíè÷åñêèõ óçëîâ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ [9] è èõ ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû. Äâå ìàññû, ñîåäèíåííûå ïðóæèíàìè ìåæäó ñîáîé è ñ íåïîäâèæíûì îñíîâàíèåì (ðèñ. 2.18). Ïðèíèìàåòñÿ, ÷òî ìàññû ïðóæèí ìàëû è íå ó÷èòûâàþòñÿ. Íåçàâèñèìûì èñòî÷íèêîì ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ áóäåò ñèëà P, äåéñòâóþùàÿ íà ìàññó m1. Ýëåìåíòû ìåõàíè÷åñêîé ïîäñèñòåìû: ìàññû m1 è m2, òðåíèå ñêîëüæåíèÿ ïåðâîãî è âòîðîãî òåëà î ïîâåðõíîñòü kòð1, kòð2, æåñòêîñòè äâóõ ïðóæèí kó1, kó2. Äëÿ óïðîùåíèÿ ïîñòðîåíèÿ ýêâèâàëåíòíîé ñõåìû â öåëÿõ ïðåäîòâðàùåíèÿ âîçìîæíûõ îøèáîê èñïîëüçóþò
Ðèñ. 2.18. Ñõåìà ìåõàíè÷åñêîãî óçëà èç äâóõ ìàññ, ñîåäèíåííûõ ïðóæèíàìè ìåæäó ñîáîé è ñ íåïîäâèæíûì îñíîâàíèåì
v2 = dx2 ⁄ dt ; v3 = dx3 ⁄ dt ; v3 = v1 + v2 . Øàðíèðíàÿ ñâÿçü òåëà ñ íåïîäâèæíûì îñíîâàíèåì (ðèñ. 2.21).  ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ ñ ýëåêòðîìàãíèòíûì ïðèâîäîì èñïîëüçóåòñÿ ìåõàíè÷åñêèé óçåë, êîòîðûé ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå òâåðäîãî òåëà (ÿêîðÿ ýëåêòðîìàãíèòà), ïîäâåøåííîãî îäíèì êîíöîì ÷åðåç øàðíèð íà íåïîäâèæíîì îñíîâàíèè è ñîåäèíåííûì ïðóæèíîé â öåíòðå ìàññ òàêæå ñ íåïîäâèæíûì îñíîâàíèåì.  îáùåì ñëó÷àå íà ýòî òåëî äåéñòâóþò ïðèâåäåííûå ê öåíòðó ìàññ âíåøíèå ñèëû Pâ ïðîèçâîëüíîãî íàïðàâëåíèÿ. Ïîä äåéñòâèåì ìîìåíòà M ðåçóëüòèðóþùåé ñèëû ðåàêöèè øàðíèðà PΣ òåëî ñîâåðøàåò âðàùàòåëüíîå äâèæåíèå âîêðóã îñè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç öåíòð ìàññ Ö: Mx = P Σx r cosϕ ; My = P Σy r sinϕ . Ðåçóëüòèðóþùàÿ ñèëà îïðåäåëÿåòñÿ óðàâíåíèåì ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ïî îñÿì X è Y.
Ðèñ. 2.19. Ïðîìåæóòî÷íîå ïîñòðîåíèå ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì ìåõàíè÷åñêîãî óçëà ðèñ. 2.18: à – ïðÿìàÿ ìîäåëü; á – îáðàùåííàÿ ìîäåëü
74
§ 2.2. Ýëåêòðè÷åñêèå àíàëîãè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì àïïàðàòîâ
Ðèñ. 2.20. Îêîí÷àòåëüíûé âèä ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì ìåõàíè÷åñêîãî óçëà ðèñ. 2.18: à – ïðÿìàÿ ìîäåëü; á – îáðàùåííàÿ ìîäåëü
Èñòî÷íèêè â ýêâèâàëåíòíûõ ñõåìàõ âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ìîìåíòû êîîðäèíàòíûõ ñîñòàâëÿþùèõ ðåçóëüòèðóþùèõ ñèë ðåàêöèè øàðíèðà è îïðåäåëÿþòñÿ ôàçîâûìè ïåðåìåííûìè â ýêâèâàëåíòíûõ ñõåìàõ ïîñòóïàòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ.  ðàññìàòðèâàåìîì ïðîñòåéøåì ñëó÷àå â ñõåìàõ ó÷èòûâàåòñÿ òîëüêî ìîìåíò èíåðöèè òåëà J îòíîñèòåëüíî öåíòðà ìàññ. Ïîëíóþ ìàòåìàòè÷åñêóþ ìîäåëü äëÿ ñîñòàâëåííûõ ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì îáðàçóþò óðàâíåíèÿ öåïåé è âûðàæåíèÿ äëÿ çàâèñèìûõ èñòî÷íèêîâ ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ Ðèñ. 2.21. Ìåõàíè÷åñêèé óçåë ñ øàðíèðíîé ñâÿçüþ òåëà ñ íåïîäâèæíûì îñíîâàíèåì
t
∫
P Σx = mdvx ⁄ dt + kyx − Px; x = vx dt;
 íåïîäâèæíîé ñèñòåìå êîîðäèíàò XOY, îñü Y êîòîðîé ïðîõîäèò ÷åðåç øàðíèð, ñîñòàâëÿþùèå ïîñòóïàòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ öåíòðà ìàññ (xö, yö) âûðàæàþòñÿ ÷åðåç ïàðàìåòðû âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ (ϕ, r) ôîðìóëàìè: xö = r sinϕ ; yö = y0 − rcosϕ. Äëÿ ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ – ñîñòàâëÿþùèõ ëèíåéíîé ñêîðîñòè öåíòðà ìàññ (vx, vy) è óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ – ñîîòíîøåíèÿ ïîëó÷àþòñÿ äèôôåðåíöèðîâàíèåì ôîðìóë äëÿ ïåðåìåùåíèé: vx = r ωcosϕ, vy = r ωsinϕ, ω = dϕ ⁄ dt. Ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ðàññìàòðèâàåìîãî ìåõàíè÷åñêîãî óçëà, èçîáðàæåííûå íà ðèñ. 2.22 (ïðÿìàÿ ìîäåëü) è ðèñ. 2.23 (îáðàùåííàÿ ìîäåëü) ñîäåðæàò ïî äâå ñõåìû äëÿ êîîðäèíàòíûõ ñîñòàâëÿþùèõ ëèíåéíûõ ñêîðîñòåé è ñèë ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ öåíòðà ìàññ, ïî îäíîé ñõåìå äëÿ óãëîâîé ñêîðîñòè è ìîìåíòà âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ òåëà îòíîñèòåëüíî öåíòðà ìàññ è ïî îäíîé ñõåìå èíòåãðàòîðîâ äëÿ îïðåäåëåíèÿ óãëà ÷åðåç óãëîâóþ ñêîðîñòü. Òåêóùèé óãîë ïîâîðîòà íåîáõîäèì äëÿ âû÷èñëåíèé ìîìåíòîâ è ëèíåéíûõ ñêîðîñòåé ïî ïðèâåäåííûì âûøå ôîðìóëàì. Èñòî÷íèêàìè â ýêâèâàëåíòíûõ ñõåìàõ ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ âûäåëåíû çàðàíåå íå èçâåñòíûå ñîñòàâëÿþùèå ëèíåéíîé ñêîðîñòè öåíòðà ìàññ, çàâèñèìûå îò óãëîâîé ñêîðîñòè âðàùàòåëüíîãî äâèæåíèÿ.  êà÷åñòâå ïàññèâíûõ ýëåìåíòîâ ó÷òåíà ìàññà òåëà m è æåñòêîñòü ïðóæèíû ky (ïîñëåäíÿÿ òîëüêî äëÿ äâèæåíèÿ ïî îñè x).
0
P Σy = mdvy ⁄ dt − Py; Jdω ⁄ dt = Mx + My; t
∫
vx = r ω cosϕ, vy = r ω sinϕ, ϕ = ω dt; 0
Mx = P Σx r cosϕ, My = P Σy r sinϕ Áëîê ùåë÷êîâûõ êîíòàêòîâ (ðèñ. 2.24). Ýòîò ÷àñòî èñïîëüçóåìûé â ðåëå ìåõàíè÷åñêèé óçåë ñîñòîèò èç øòîêà ìàññîé m1, êîòîðûé ÷åðåç ðàñïîëîæåííûå ïîä óãëîì ïðóæèíû ñâÿçàí ñ êîíòàêòíîé ðåéêîé ìàññîé m2 = 2m. Îñîáåííîñòü óçëà â òîì, ÷òî óñèëèå ïðóæèí Py â íàïðàâëåíèè äâèæåíèÿ øòîêà íåëèíåéíî çàâèñèò îò ïåðåìåùåíèÿ x â ñîîòâåòñòâèè ñ ôîðìóëîé Pó = 2kó 1 −
2 2 √ x0+r 2 2 (x0 − x) , (x0 − x) +r √
ãäå x0 – íà÷àëüíîå ïîëîæåíèå øòîêà, ïðè êîòîðîì óñèëèå ïðóæèíû ðàâíî íóëþ; ky – æåñòêîñòü îäíîé ïðóæèíû. Ïðè äâèæåíèè øòîêà ðåçóëüòèðóþùàÿ óïðóãàÿ ñèëà ïðèíèìàåò íóëåâûå çíà÷åíèÿ òðè ðàçà: ïðè x = 0, x0, 2x0. Ïðè÷åì ïðè óñëîâèè x = x0 ðåéêà íàõîäèòñÿ â ïîëîæåíèè íåóñòîé÷èâîãî ðàâíîâåñèÿ 75
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
Ðèñ. 2.22. Ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû óçëà ñ øàðíèðíîé ñâÿçüþ òåëà ñ íåïîäâèæíûì îñíîâàíèåì (ïðÿìàÿ ìîäåëü)
Ðèñ. 2.23. Ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû óçëà ñ øàðíèðíîé ñâÿçüþ òåëà ñ íåïîäâèæíûì îñíîâàíèåì (îáðàùåííàÿ ìîäåëü)
Ðèñ. 2.24. Ñõåìà áëîêà ùåë÷êîâûõ êîíòàêòîâ: 1 – øòîê; 2 – êîíòàêòíàÿ ðåéêà; 3 – ïðóæèíû; 4 – îïîðà ñêîëüæåíèÿ
Ðèñ. 2.25. Ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû áëîêà ùåë÷êîâûõ êîíòàêòîâ: à – ïðÿìàÿ ìîäåëü; á – îáðàùåííàÿ ìîäåëü
è ìàëîå ñìåùåíèå øòîêà ïðèâîäèò ê ïåðåáðàñûâàíèþ ðåéêè â ïðîòèâîïîëîæíîì äâèæåíèþ øòîêà íàïðàâëåíèè äî êàñàíèÿ ñ íåïîäâèæíûìè êîíòàêòàìè. Ýòî ñâîéñòâî èñïîëüçóåòñÿ â ðåëå – ïåðåêëþ÷àòåëÿõ. Ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ìåõàíè÷åñêîãî óçëà èçîáðàæåíû íà ðèñ. 2.25. Óïðóãàÿ ñèëà â íèõ ïðåäñòàâëåíà çàâèñèìûì íåëèíåéíûì èñòî÷íèêîì ôàçîâîé ïåðåìåííîé êàê ôóíêöèè îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ x øòîêà è ðåéêè. Ïîýòîìó â ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû âêëþ÷åí òàêæå èíòåãðàòîð äëÿ âû÷èñëåíèÿ ïåðåìåùåíèÿ x ïî ðàçíîñòè ñêîðîñòåé v1 − v2, ãäå v1 – ñêîðîñòü øòîêà; v2 – ñêîðîñòü êîíòàêòíîé ðåéêè. Ñèñòåìà äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé äâèæåíèÿ äåòàëåé óçëà çàïèñûâàåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì
ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû ðåëå èçîáðàæåíà íà ðèñ. 2.26. Ýëåêòðîìàãíèòíûé ïðèâîä ðåëå ñîñòîèò èç íåïîäâèæíîãî ñòàëüíîãî ìàãíèòîïðîâîäà ñ ýëåêòðè÷åñêîé êàòóøêîé è ïîäâèæíîãî ñòàëüíîãî ÿêîðÿ. Ïðè ïîäêëþ÷åíèè êàòóøêè ê èñòî÷íèêó ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ âîçíèêàåò ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà, êîòîðàÿ ïðèòÿãèâàåò ÿêîðü ê ìàãíèòîïðîâîäó. ßêîðü ñîåäèíåí øòîêîì â îïîðå ñêîëüæåíèÿ ñ ñèñòåìîé ùåë÷êîâûõ êîíòàêòîâ. Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ðåëå: çàâèñèìîñòè òîêà, ìàãíèòíîãî ïîòîêà è ïåðåìåùåíèé ÿêîðÿ è êîíòàêòîâ îò âðåìåíè, îïðåäåëÿþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèìè, ìàãíèòíûìè è ìåõàíè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè ýëåêòðîìàãíèòà è êîíòàêòíîé ñèñòåìû. Àíàëèç ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû ïðîèçâîäèòñÿ â ñëåäóþùåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè. Íà ïåðâîì ýòàïå ñîñòàâëÿþòñÿ ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ìàêðîìîäåëåé äëÿ êàæäîé ïîäñèñòåìû, â äàííîì ñëó÷àå ýëåêòðè÷åñêîé, ìàãíèòíîé è ìåõàíè÷åñêîé. Ïðè ñîñòàâëåíèè ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì îáÿçàòåëüíî îãîâàðèâàþò óïðîùàþùèå äîïóùåíèÿ. Âîçìîæíûé âàðèàíò ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 2.27.  ýëåêòðè÷åñêîé ïîäñèñòåìå âûäåëåíû òðè ýëåìåíòà: èñòî÷íèê ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ U, àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäîâ êàòóøêè R è ïåðåìåííàÿ ÝÄÑ e(t), âûçâàííàÿ èçìåíåíèåì ìàãíèòíî-
v1kòð + m1dv1 ⁄ dt = P − Py, m2dv2 ⁄ dt = Py; 2 2 √ x0+r (x0 − x); 2 2 √ (x0 − x) +r
Py = 2ky 1 −
t
∫
x = (v2 − v1) dt . 0
Ïðèìåð ðàñ÷åòà ïðîöåññà âêëþ÷åíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ðåëå ñ ùåë÷êîâûìè êîíòàêòàìè. Ñõåìà 76
§ 2.2. Ýëåêòðè÷åñêèå àíàëîãè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì àïïàðàòîâ
Ðèñ. 2.26. Ñõåìà ïåðåêëþ÷àòåëÿ ñ ýëåêòðîìàãíèòíûì ïðèâîäîì è ùåë÷êîâûìè êîíòàêòàìè: 1 – ìàãíèòîïðîâîä ýëåêòðîìàãíèòà, 2 – êàòóøêà, 3 – ÿêîðü, 4 – îïîðà ñêîëüæåíèÿ, 5 – ùåë÷êîâûå êîíòàêòû, 6 – ïðóæèíû êîíòàêòîâ, 7 – íåïîäâèæíûå êîíòàêòû
Ðèñ. 2.27. Ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû ïåðåêëþ÷àòåëÿ ðèñ. 2.27: à – ýëåêòðè÷åñêàÿ ïîäñèñòåìà, á – ìàãíèòíàÿ ïîäñèñòåìà, â – ìåõàíè÷åñêàÿ ïîäñèñòåìà
Ðèñ. 2.28. Ãðàôèêè çàâèñèìîñòåé ïàðàìåòðîâ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â ïåðåêëþ÷àòåëå ðèñ. 2.27
ãî ïîòîêà â êàòóøêå ïðè èçìåíåíèè òîêà è ïåðåìåùåíèÿõ ÿêîðÿ. Ñïåöèàëüíûå äîïóùåíèÿ ïðè ïîñòðîåíèè ñõåìû ýëåêòðè÷åñêîé öåïè íå ïðèíèìàëèñü. Íåîáõîäèìîñòü â èñïîëüçîâàíèè äîïóùåíèé âîçíèêàåò ïðè îïðåäåëåíèè ïàðàìåòðîâ R, e(t).  ìàãíèòíîé ñèñòåìå óïðîùàþùåå äîïóùåíèå î ìàëûõ ïîòîêàõ ðàññåÿíèÿ ïðèâîäèò ê ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå ìàãíèòíîé öåïè ñ îäíèì êîíòóðîì, â êîòîðûé âêëþ÷åíû èñòî÷íèê ÌÄÑ – IN, ìàãíèòíûå ñîïðîòèâëåíèÿ ñòàëüíûõ äåòàëåé ýëåêòðîìàãíèòà Rì è ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå âîçäóøíîãî çàçîðà Rd, çàâèñÿùåå îò ïîëîæåíèÿ ÿêîðÿ.  ýêâèâàëåíòíóþ ñõåìó ìåõàíè÷åñêîé ïîäñèñòåìû âõîäÿò òðè çàâèñèìûõ èñòî÷íèêà ñèë: ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû Pý êàê ôóíêöèè îò ìàãíèòíîãî ïîòîêà, ñèëû ñóõîãî òðåíèÿ â îïîðå ñêîëüæåíèÿ Pò, ôóíêöèè îò çíàêà ñêîðîñòè ÿêîðÿ è ñèëû óïðóãîñòè ïðóæèíû ùåë÷êîâûõ êîíòàêòîâ Pó, ôóíêöèè îò îòíîñèòåëüíîãî ïîëîæåíèÿ øòîêà è êîíòàêòíîé ðåéêè.  ñõåìó ìåõàíè÷åñêîé ïîäñèñòåìû âõîäÿò ìàññà ÿêîðÿ è øòîêà mÿ è ìàññà êîíòàêòíîé ðåéêè mê. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû ïåðåêëþ÷àòåëÿ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ýêâèâàëåíòíûì ñõåìàì, ñâîäèòñÿ ê ñèñòåìå èç ïÿòè äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé ïåðâîãî ïîðÿäêà dÔM/dt = (U–RI)/N, dv1/dt = (Pý–Ðó–Ðò)/mÿ dv2/dt = Pó/mê, dx1/dt = v1, dx2/dt = v2,
Pó = 2Kó (1 −
2 2 √ x0+r ), (x2−x1+l ), 2 2 √ (x0−(x2−x1+l)) +r
ãäå I – òîê â êàòóøêå, N – ÷èñëî âèòêîâ êàòóøêè, v1, v2, x1, x2 – ñîîòâåòñòâåííî ñêîðîñòè è ïåðåìåùåíèÿ ÿêîðÿ è êîíòàêòíîé ðåéêè, δî – íà÷àëüíûé çàçîð ìåæäó ÿêîðåì è ìàãíèòîïðîâîäîì ýëåêòðîìàãíèòà, Sï – ïëîùàäü îäíîãî ïîëþñà ýëåêòðîìàãíèòà, Kó – æåñòêîñòü îäíîé ïðóæèíû ùåë÷êîâîãî êîíòàêòà, r – ïîëîâèíà äëèíû êîíòàêòíîé ðåéêè, x0 – ïîëîæåíèå êîíòàêòíîé ðåéêè îòíîñèòåëüíî øòîêà, ïðè êîòîðîì óïðóãîå óñèëèå ïðóæèí ðàâíî íóëþ, l – íà÷àëüíîå ñìåùåíèå øòîêà è êîíòàêòíîé ðåéêè îò ïîëîæåíèÿ xo (íà÷àëüíîãî ïîäæàòèÿ ïðóæèí êîíòàêòíîé ðåéêè). Ê ïðåäñòàâëåííîé ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè íåîáõîäèìî äîáàâèòü óïîðû: äëÿ ÿêîðÿ ïðè åãî ñìåùåíèè íà ðàññòîÿíèå δ0 è äëÿ êîíòàêòíîé ðåéêè â íà÷àëüíîì ïîëîæåíèè è ïðè ñìåùåíèè êîíòàêòîâ âïðàâî íà ðàññòîÿíèå X2=h, ãäå h – çàçîð ìåæäó íåïîäâèæíûìè êîíòàêòàìè.  êà÷åñòâå ïðèìåðà ðàñ÷åòà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ïðîöåññà íà ðèñ. 2.29 ïðèâåäåíû ãðàôèêè çàâèñèìîñòè òîêà â êàòóøêå, ìàãíèòíîãî ïîòîêà è ïåðåìåùåíèé ÿêîðÿ è êîíòàêòîâ ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: U = 220 Â, xo=10 ìì, Rì=5.105 Ãí, m2=0,0003 êã,
e(t) = –N dÔM/dt, ÔM = IN(RM+Rd), Rd = 1/µ0 (δ0+x1)/Sï,
R = 1000 Îì, l =12 ìì, Sï=200 ìì2, r =5 ìì, N = 5600, δ0=5 ìì, m1=0,02 êã, Kó=10 Í/ì,
2
PÝ = Ô M/(µ0 Sï).
h = 4 ìì. 77
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
Ðèñ. 2.29. Ê ìîäåëèðîâàíèþ íåëèíåéíûõ ìåõàíè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ: à – óïîð; á – ëþôò; â – ñóõîå òðåíèå
äâèæåíèÿ íà ÝÂÌ ó÷åò óêàçàííûõ îãðàíè÷åíèé íå ïðåäñòàâëÿåò òðóäà. Áîëåå òî÷íîå âîñïðîèçâåäåíèå ïðîöåññîâ â ìåõàíè÷åñêîì óïîðå ìîæåò áûòü ïîëó÷åíî ïðåäñòàâëåíèåì óïîðà íåëèíåéíîé ïðóæèíîé. Ñâîéñòâà ïðóæèíû – óïîðà â âèäå çàâèñèìîñòè æåñòêîñòè îò ïåðåìåùåíèÿ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2.29,à.  ìîìåíò êàñàíèÿ óïîðà â òî÷êå x1 íàñòóïàåò ðåçêîå óâåëè÷åíèå æåñòêîñòè äî äîñòèæåíèÿ â òî÷êå x2 ïîëíîãî êîíòàêòà ñ ìàêñèìàëüíîé æåñòêîñòüþ ky2. Ëþôò â ìåõàíè÷åñêîì ñîåäèíåíèè ïîäâèæíûõ äåòàëåé óäîáíî ïðåäñòàâèòü êàê äâà ðàñïîëîæåííûõ ñ ìàëûì çàçîðîì óïîðà è ìîäåëèðîâàòü íåëèíåéíîé ïðóæèíîé ñ õàðàêòåðèñòèêîé æåñòêîñòè, ïðåäñòàâëåííîé íà ðèñ. 2.29,á. Ïðè ïîëîæèòåëüíîì ïåðåìåùåíèè â òî÷êå x1 ïðîèñõîäèò êàñàíèå è â òî÷êå x2 ïîëíûé êîíòàêò äåòàëåé. Ïðè îòðèöàòåëüíîì ïåðåìåùåíèè àíàëîãè÷íûå òî÷êè îáîçíà÷åíû x3 è x4. Ðàññòîÿíèå x1, x3 ðàâíî ðàçìåðó ëþôòà. Òåðìèí ñóõîå òðåíèå ââåäåí äëÿ òàêèõ ïðîöåññîâ, ãäå ñèëà òðåíèÿ íå çàâèñèò îò ñêîðîñòè è íàïðàâëåíà ïðîòèâîïîëîæíî äâèæåíèþ, â îòëè÷èå îò âÿçêîãî òðåíèÿ, êîãäà ñèëà òðåíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà ñêîðîñòè. Ìåõàíè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà ýëåìåíòà ñóõîãî òðåíèÿ èçîáðàæåíà íà ðèñ. 2.29,â â âèäå çàâèñèìîñòè ñèëû îò ñêîðîñòè. Ðåàëüíî âñåãäà ñóùåñòâóåò èíòåðâàë (–x1, x1) – ïåðåõîäíàÿ çîíà îò îäíîãî íàïðàâëåíèÿ äâèæåíèÿ ê ïðîòèâîïîëîæíîìó, êîãäà ñóõîå òðåíèå ïîäîáíî âÿçêîìó ñ áîëüøèì êîýôôèöèåíòîì òðåíèÿ.
Ñèëà ñóõîãî òðåíèÿ 10 Í. Ïðè âêëþ÷åíèè ýëåêòðîìàãíèòà íàáëþäàåòñÿ áðîñîê òîêà, êîòîðûé èñ÷åçàåò ïðè ïðåêðàùåíèè äâèæåíèÿ ÿêîðÿ (õ1=-δ0=–5 ìì) è çàòåì íà÷èíàåòñÿ ïëàâíîå íàðàñòàíèå òîêà äî óñòàíîâèâøåãîñÿ çíà÷åíèÿ ñ ïîñòîÿííîé âðåìåíè ýëåêòðîìàãíèòà. Äâèæåíèå ÿêîðÿ íà÷èíàåòñÿ ïðè t = 1,5 ìñ, êîãäà ýëåêòðîìàãíèòíîå óñèëèå ïðåâûøàåò ïðîòèâîäåéñòâóþùåå óïðóãîå óñèëèå ïðóæèí. Äâèæåíèå êîíòàêòíîé ðåéêè â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè íà÷èíàåòñÿ ïðè ñìåùåíèè ÿêîðÿ íà ðàññòîÿíèå õ1 = –2 ìì (ïîëîæåíèå óñòîé÷èâîãî ðàâíîâåñèÿ ðåéêè) â ìîìåíò âðåìåíè t = 4 ìñ. Âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå ñîñòàâëÿåò 11.3 ìñ, âðåìÿ äâèæåíèÿ ÿêîðÿ 5.4 ìñ. Ìåõàíè÷åñêèå óçëû ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ îòëè÷àþòñÿ íåðàâíîìåðíûì õàðàêòåðîì äâèæåíèé. Ýòî îãðàíè÷åííûå ïîñòóïàòåëüíûå èëè âîçâðàòíî ïîñòóïàòåëüíûå ïåðåìåùåíèÿ, îãðàíè÷åííûå âðàùàòåëüíûå èëè êîëåáàòåëüíûå (ìàÿòíèêîâûå) ïåðåìåùåíèÿ ïðèâîäíûõ ìåõàíèçìîâ.  êîíñòðóêöèÿõ òàêèõ óçëîâ, êàê ïðàâèëî, ïðèñóòñòâóþò íåëèíåéíûå ýëåìåíòû, ê êîòîðûì îòíîñÿòñÿ ìåõàíè÷åñêèå óïîðû, ëþôòû, ñóõîå òðåíèå è ò. ï. [25]. Óïîð îãðàíè÷èâàåò ïåðåìåùåíèå, è â èäåàëüíîì ïðèáëèæåíèè ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåí êîîðäèíàòíîé òî÷êîé, â êîòîðîé ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ñòàíîâèòñÿ ðàâíîé íóëþ, à ïåðåìåùåíèå îñòàåòñÿ íåèçìåííûì äî íà÷àëà äâèæåíèÿ â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè. Ïðè ÷èñëåííîì àíàëèçå âðåìåííûõ ôóíêöèé
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. Íàçîâèòå îñíîâíûå ïîäñèñòåìû, ñîñòàâëÿþùèå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêóþ ñèñòåìó ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà.
4.  ÷åì îòëè÷èå ïðÿìîé è îáðàùåííîé ìîäåëè ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ òåëà? 5. Ïî÷åìó íå ââîäÿòñÿ ïîíÿòèÿ ìàãíèòíîé åìêîñòè è òåïëîâîé èíäóêòèâíîñòè? 6. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå ýòàïû ñîñòàâëåíèÿ ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. 7.  ÷åì îòëè÷èÿ êîìïîíåíòíûõ è òîïîëîãè÷åñêèõ óðàâíåíèé?
2. Äàéòå îïðåäåëåíèå ïîíÿòèþ ìàêðîñêîïè÷åñêîé ” ìîäåëè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû”. 3. Äàéòå îïðåäåëåíèÿ ýëåìåíòîâ, ôàçîâûõ ïåðåìåííûõ, êîìïîíåíòíûõ è òîïîëîãè÷åñêèõ óðàâíåíèé. 78
§ 2.3. Ýëåêòðîäèíàìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ 2.3. ÝËÅÊÒÐÎÄÈÍÀÌÈ×ÅÑÊÀß ÑÒÎÉÊÎÑÒÜ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
ïàðàò òîêîì, ïðèëîæåíî ê òîêîâåäóùèì ÷àñòÿì, òî, ãîâîðÿ îá ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà, ìîæíî ãîâîðèòü îá ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè åãî òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé. Ïîä íàðóøåíèåì ôóíêöèîíàëüíîãî ñîñòîÿíèÿ ïîíèìàåòñÿ èçìåíåíèå ïîëîæåíèÿ òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé, êîòîðîå ïðèâîäèò ê íåïðåäóñìîòðåííîìó èçìåíåíèþ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè, íàïðèìåð, ñàìîïðîèçâîëüíîå ðàçìûêàíèå êîíòàêòîâ êîíòàêòíîãî àïïàðàòà. Äëÿ îöåíêè ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé â íàñòîÿùåå âðåìÿ èñïîëüçóþòñÿ äâà ìåòîäà îïðåäåëåíèÿ çíà÷åíèé ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé, à èìåííî: ìåòîä, îñíîâàííûé íà çàêîíå Àìïåðà, è ìåòîä, áàçèðóþùèéñÿ íà àíàëèçå ýíåðãåòè÷åñêèõ çàâèñèìîñòåé.
Ïîä ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòüþ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ (â îáùåì ñëó÷àå ëþáîãî ýëåêòðîòåõíè÷åñêîãî óñòðîéñòâà) ïîíèìàåòñÿ ñïîñîáíîñòü âûäåðæèâàòü áåç ïîâðåæäåíèé è íàðóøåíèé ôóíêöèîíàëüíîãî ñîñòîÿíèÿ ìåõàíè÷åñêèå âîçäåéñòâèÿ, ñîçäàâàåìûå ïðîòåêàþùèìè ÷åðåç íåãî òîêàìè. Êîëè÷åñòâåííîé õàðàêòåðèñòèêîé ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ÿâëÿåòñÿ òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè. Ïðè êîðîòêèõ çàìûêàíèÿõ íàèáîëüøåå ìãíîâåííîå çíà÷åíèå àìïëèòóäû òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ íàçûâàåòñÿ óäàðíûì òîêîì êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà äîëæåí áûòü áîëüøå óäàðíîãî òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ äëÿ äàííûõ óñëîâèé ðàáîòû. Ïîñêîëüêó ìåõàíè÷åñêîå âîçäåéñòâèå, ñîçäàâàåìîå ïðîòåêàþùèì ÷åðåç ýëåêòðè÷åñêèé àï-
2.3.1. ÐÀÑ×ÅÒ ÝËÅÊÒÐÎÄÈÍÀÌÈ×ÅÑÊÈÕ ÓÑÈËÈÉ
Åñëè ïðÿìîëèíåéíûé áåñêîíå÷íî òîíêèé ïðîâîäíèê äëèíîé l è òîêîì i íàõîäèòñÿ â îäíîðîäíîì ìàãíèòíîì ïîëå ñ èíäóêöèåé B, òî íà íåãî â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì Àìïåðà äåéñòâóåò ìåõàíè÷åñêîå óñèëèå P = i [lB], (2.29)
íà ðàññòîÿíèè r îò ñåðåäèíû ýëåìåíòàðíîé äëèíû dl ñ òîêîì i; r0 – åäèíè÷íûé âåêòîð, íàïðàâëåíèå êîòîðîãî ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì ëó÷à, ïðîâåäåííîãî èç ñåðåäèíû ïðîâîäíèêà dl â çàäàííóþ òî÷êó ïðîñòðàíñòâà. Íàïðàâëåíèå âåêòîðà d H îïðåäåëÿþò ïî ïðàâèëàì îïðåäåëåíèÿ íàïðàâëåíèÿ âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ. ×àñòî ïðè ýòîì èñïîëüçóþò ïðàâèëî âèíòà ïðàâîñòîðîííåãî âðàùåíèÿ: åñëè âèíò âðàùàòü ïî íàïðàâëåíèþ òîêà, òî íàïðàâëåíèå ëèíèè íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ áóäåò ñîâïàäàòü ñ íàïðàâëåíèåì âðàùåíèÿ ãîëîâêè âèíòà. Ýëåìåíòàðíàÿ èíäóêöèÿ
ãäå l – âåêòîð äëèíîþ l, íàïðàâëåíèå êîòîðîãî ñîâïàäàåò ñ íàïðàâëåíèåì òîêà i.  îáùåì ñëó÷àå â íåîäíîðîäíîì ìàãíèòíîì ïîëå íà ïðîâîäíèê ýëåìåíòàðíîé äëèíû dl äåéñòâóåò ýëåìåíòàðíîå óñèëèå d P = i [d lB]. (2.30)  (2.29) è (2.30) ïðÿìîóãîëüíûìè ñêîáêàìè îáîçíà÷åíî âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå. Íàïðàâëåíèå óñèëèÿ, äåéñòâóþùåãî íà ïðîâîäíèê ñ òîêîì, îïðåäåëÿåòñÿ ïî ïðàâèëó âåêòîðíîãî ïðîèçâåäåíèÿ. Äîâîëüíî ÷àñòî ïðè ýòîì èñïîëüçóþò èçâåñòíîå ïðàâèëî ëåâîé ðóêè: åñëè ëåâóþ ðóêó ðàñïîëîæèòü òàê, ÷òîáû âûòÿíóòûå ÷åòûðå ïàëüöà áûëè íàïðàâëåíû âäîëü ïðîâîäíèêà ïî íàïðàâëåíèþ òîêà, à ëèíèè ìàãíèòíîé èíäóêöèè âõîäèëè â ëàäîíü, òî âûòÿíóòûé áîëüøîé ïàëåö ïîêàæåò íàïðàâëåíèå óñèëèÿ, äåéñòâóþùåãî íà ïðîâîäíèê. Åñëè âëèÿíèåì ôåððîìàãíèòíûõ ìàññ ìîæíî ïðåíåáðå÷ü, òî äëÿ îïðåäåëåíèÿ íàïðÿæåííîñòè H ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ìàãíèòíîé èíäóêöèè B, îáóñëîâëåííûõ íàëè÷èåì ïðîâîäíèêîâ ñ òîêàìè, èñïîëüçóþò çàêîí Áèî-Ñàâàðà-Ëàïëàñà dH =
i 2
4πr
[dl r0 ],
d B = µ0 d H ,
(2.31)
ãäå µ0 = 4π⋅10− 7 Ãí/ì – ìàãíèòíàÿ ïîñòîÿííàÿ. Òàêèì îáðàçîì, åñëè â äâóõ ïðîâîäíèêàõ ñ òîêàìè âûäåëèòü ýëåìåíòàðíûå ïðîâîäíèêè ýëåìåíòàðíîé äëèíû dl1 è dl2 , òî ýëåìåíòàðíîå ìåõàíè÷åñêîå óñèëèå, äåéñòâóþùåå íà ïðîâîäíèê ýëåìåíòàðíîé äëèíû dl1 ñ òîêîì i1, íàõîäÿùèéñÿ â ïîëå òîêà i2, ïðîòåêàþùåãî ïî ïðîâîäíèêó dl2, ìîæíî îïðåäåëèòü êàê äâîéíîå âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå d 2P12 =
µ0i1i2 2
4πr
d l1[d l2r21],
(2.33)
ãäå r – ðàññòîÿíèå ìåæäó ñåðåäèíàìè äëèí ýëåìåíòàðíûõ ïðîâîäíèêîâ dl1 è dl2; r21 – åäèíè÷íûé âåêòîð, ñîâïàäàþùèé ïî íàïðàâëåíèþ ñ ëó÷îì, ïðîâåäåííûì èç ñåðåäèíû ïðîâîäíèêà dl2 â ñåðåäèíó ïðîâîäíèêà dl1; ìîäóëü âåêòîðà
(2.31)
ãäå d H – âåêòîð íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïðîèçâîëüíîé òî÷êå M ïðîñòðàíñòâà, íàõîäÿùåéñÿ 79
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
d 2P12 =
µ0i1i2 2
4πr
dl1 dl2 sinα sinγ ,
ìåòðè÷åñêîì ñìûñëå ñèñòåì îí èìååò îäíî è òî æå çíà÷åíèå
(2.34)
ãäå α – óãîë ìåæäó âåêòîðàìè d l2 è r21 ; γ – óãîë ìåæäó âåêòîðàìè d l1 è [d l2 r21 ]. Åñëè èìååòñÿ äâà ïðîâîäíèêà ñ òîêàìè i1 è i2 è êîíå÷íûìè äëèíàìè l1 è l2, òî óñèëèå, äåéñòâóþùåå íà ïåðâûé ïðîâîäíèê, áóäåò P12 =
∫∫d
l1 l2
2
P12 =
µ0i1i2 4π
k12 =
µ0i1i2 4π
2
k12 ,
1
2
.
(2.36)
Äëÿ òèïè÷íîãî ðàñïîëîæåíèÿ ïðîâîäíèêîâ çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ êîíòóðà ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé ïðèâåäåíû â [1, 2, 6]. Ñëåäóåò îáðàòèòü âíèìàíèå íà òî, ÷òî íå âñåãäà k12 ðàâåí k21.  ðàññìîòðåííîì ñëó÷àå âû÷èñëåíèÿ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé ñ èñïîëüçîâàíèåì çàêîíîâ Àìïåðà è Áèî-Ñàâàðà-Ëàïëàñà ïðåäïîëàãàëîñü, ÷òî ïðîâîäíèêè áåñêîíå÷íî òîíêèå. Åñëè íåîáõîäèìî ó÷åñòü êîíêðåòíûå ðàçìåðû ïðîâîäíèêîâ, òî èñïîëüçóþò ôîðìóëó
Ýòî âûðàæåíèå ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå P12 =
2
l1 l2
∫ ∫ sinαr sinγ dl1dl2 .
l1 l2
∫ ∫ sin αr sin γ dl dl
(2.35)
ãäå k12 – áåçðàçìåðíûé êîýôôèöèåíò, çàâèñÿùèé òîëüêî îò ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ òîêîâåäóùåãî êîíòóðà. Ýòîò êîýôôèöèåíò íàçûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì êîíòóðà ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé è ìîæåò áûòü ïðèíÿò â êà÷åñòâå êðèòåðèÿ ãåîìåòðè÷åñêîãî ïîäîáèÿ ñèñòåìû, ïîñêîëüêó äëÿ ïîäîáíûõ â ãåî-
P12 =
µ0i1i2 4π
k12kô ,
(2.37)
kô – êîýôôèöèåíò ôîðìû ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ, çíà÷åíèÿ êîòîðîãî äëÿ íåêîòîðûõ ñëó÷àåâ ïðèâåäåíû â [2, 4].
2.3.2. ÐÀÑ×ÅÒ ÝËÅÊÒÐÎÄÈÍÀÌÈ×ÅÑÊÈÕ ÓÑÈËÈÉ ÏÎ ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÈÌ ÇÀÂÈÑÈÌÎÑÒßÌ
â íàïðàâëåíèè ñèëû, à îñòàëüíûå êîîðäèíàòû îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè. Åñëè ïðè èçìåíåíèè êîîðäèíàòû g ïîòîêîñöåïëåíèÿ Ψk îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè, òî
Ðàññìîòðèì ñèñòåìó, ñîñòîÿùóþ èç n-êîíòóðîâ ñ òîêàìè. Ïîëîæåíèå ýòîé ñèñòåìû â ïðîñòðàíñòâå îïðåäåëÿåòñÿ îáîáùåííûìè êîîðäèíàòàìè, íàèìåíüøåå ÷èñëî êîòîðûõ, íåîáõîäèìîå äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîëîæåíèÿ ñèñòåìû, ðàâíî, êàê èçâåñòíî èç ìåõàíèêè, ÷èñëó ñòåïåíåé ñâîáîäû ñèñòåìû. Åñëè òåëî ïåðåìåùàåòñÿ ïî íåêîòîðîé íàïðàâëÿþùåé, äîñòàòî÷íî çíàòü ïóòü, ïðîéäåííûé òåëîì âäîëü ýòîé íàïðàâëÿþùåé îò íà÷àëüíîãî ïîëîæåíèÿ. Åñëè òåëî çàêðåïëåíî íà îñè, äîñòàòî÷íî çíàòü óãîë ïîâîðîòà òåëà âîêðóã ýòîé îñè, åñëè òåëî çàêðåïëåíî â îäíîé òî÷êå, ïîëîæåíèå åãî ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî òðåìÿ óãëàìè ïîâîðîòà è ò. ï.
P=−
dWì . dg Ψk = const
(2.38)
Åñëè ïðè èçìåíåíèè êîîðäèíàòû g òîêè ik îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè, òî P=−
dWì . dg ik = const
(2.39)
Ïîñëåäíåå âûðàæåíèå íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ ïðè âû÷èñëåíèè ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé, äåéñòâóþùèõ íà òîêîâåäóùèå ÷àñòè ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Åñëè ik = const, ýòî íå îçíà÷àåò, ÷òî (2.39) ñïðàâåäëèâà òîëüêî äëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà. Ïîëó÷åííîå âûðàæåíèå ñïðàâåäëèâî è äëÿ ïåðåìåííûõ òîêîâ, ïðè÷åì óñèëèå âû÷èñëÿåòñÿ äëÿ êàæäîãî ìãíîâåííîãî çíà÷åíèÿ òîêà. Ïîíÿòèå íåèçìåííîñòè òîêîâ îçíà÷àåò, ÷òî îíè îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè ïðè èçìåíåíèè îáîáùåííîé êîîðäèíàòû, à íå âî âðåìåíè. Äðóãèìè ñëîâàìè, â (2.38) è (2.39) èìåþò ìåñòî ÷àñòíûå ïðîèçâîäíûå ýëåêòðîìàãíèòíîé ýíåðãèè Wì ïî êîîðäèíàòå g. Èç (2.39) ñëåäóåò, ÷òî ìåõàíè÷åñêàÿ ñèëà P íàïðàâëåíà òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû óâåëè÷èâàëàñü.
Ïðè òàêîì îáîáùåííîì ïîíÿòèè êîîðäèíàòû ñèëû òàêæå äîëæíû ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê îáîáùåííûå, ïðè÷åì ïðîèçâåäåíèå îáîáùåííîé ñèëû íà ïðîèçâîäèìîå åþ èçìåíåíèå îáîáùåííîé êîîðäèíàòû äîëæíî áûòü ðàâíî ýëåìåíòàðíîé ðàáîòå, ñîâåðøàåìîé ïðè èçìåíåíèè êîîðäèíàòû.  çàâèñèìîñòè îò âûáîðà îáîáùåííîé êîîðäèíàòû îáîáùåííàÿ ñèëà ïðèîáðåòàåò òîò èëè èíîé ôèçè÷åñêèé ñìûñë, íàïðèìåð, åñëè îáîáùåííàÿ êîîðäèíàòà – ëèíåéíîå ïåðåìåùåíèå, òî îáîáùåííàÿ ñèëà – ìåõàíè÷åñêàÿ ñèëà, åñëè îáîáùåííàÿ êîîðäèíàòà – óãîë ïîâîðîòà, òî îáîáùåííàÿ ñèëà – ìîìåíò ïàðû ñèë, åñëè îáîáùåííàÿ êîîðäèíàòà – îáúåì, òî îáîáùåííàÿ ñèëà – äàâëåíèå è ò. ï. Ïóñòü â ñèñòåìå êîíòóðîâ ñ òîêàìè ïîä äåéñòâèåì ñèëû P êîîðäèíàòà g ïîëó÷àåò ïðèðàùåíèå dg 80
§ 2.3. Ýëåêòðîäèíàìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ
Òàêèì îáðàçîì, ìåõàíè÷åñêèå óñèëèÿ, äåéñòâóþùèå íà êðóãîâîé âèòîê ñ òîêîì ðàäèóñà R, âûïîëíåííûé èç êðóãëîãî ïðîâîäíèêà ðàäèóñîì r ìîæíî îïðåäåëèòü ïðè ñëåäóþùèõ äîïóùåíèÿõ. Ïðè R >> r èíäóêòèâíîñòü êðóãëîãî ñîñòàâèò [2] L = µ0R (ln
8R r
qR =
PR =
2
=
µ0i 2
2
− 1,75) .
(ln
8R r
=
2
µ0i 4πR
ln
8R r
− 0,75.
Èç ôîðìóëû äëÿ îïðåäåëåíèÿ èíäóêòèâíîñòè ñëåäóåò, ÷òî ñóùåñòâóåò åùå óñèëèå Pr =
Òîãäà i dL 2 dR
PR 2πR
2 i ∂L 2 ∂r
=−
i
µ0R
2
r
.
Ýòî óñèëèå íàïðàâëåíî íà óìåíüøåíèå ðàäèóñà r è ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåíî ïî îêðóæíîñòè äëèíîé 2πr. Óäåëüíîå çíà÷åíèå íàãðóçêè íà åäèíèöó äëèíû îêðóæíîñòè ðàäèóñà r îïðåäåëÿåòñÿ êàê
− 0,75) .
Ýòî óñèëèå íàïðàâëåíî íà óâåëè÷åíèå ðàäèóñà R è ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëåíî ïî îêðóæíîñòè äëèíîé 2πR. Óäåëüíàÿ íàãðóçêà (íà åäèíèöó äëèíû îêðóæíîñòè)
qr =
Pr 2πr
=−
2
i µ0R 2πr
2
.
2.3.3. ÝËÅÊÒÐÎÄÈÍÀÌÈ×ÅÑÊÈÅ ÓÑÈËÈß ÏÐÈ ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÌ ÒÎÊÅ
Ðàñ÷åò ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé, äåéñòâóþùèõ íà òîêîâåäóùèå ÷àñòè ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ïðè ïåðåìåííîì òîêå, ïðîèçâîäèòñÿ òåìè æå ìåòîäàìè è ïî òåì æå çàâèñèìîñòÿì, ÷òî è ïðè ïîñòîÿííîì òîêå. Îäíàêî èç-çà òîãî, ÷òî òîê èçìåíÿåòñÿ ñ îïðåäåëåííîé ÷àñòîòîé, õàðàêòåð âîçíèêàþùèõ ïðè ïåðåìåííîì òîêå óñèëèé èìååò íåêîòîðûå îñîáåííîñòè. Åñëè ïî ïðîâîäíèêàì ïðîòåêàåò îäíîôàçíûé ïåðåìåííûé òîê i = Imsin ωt , òî ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîå óñèëèå, äåéñòâóþùåå íà ïðîâîäíèê ñ òîêîì, íàõîäÿùèéñÿ â ìàãíèòíîì ïîëå äðóãîãî ïðîâîäíèêà ñ òåì æå òîêîì, îïðåäåëÿåòñÿ êàê P12 =
µ0i 4π
2
k12 =
Ïðè êîðîòêèõ çàìûêàíèÿõ êðîìå ïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé òîê â îáùåì ñëó÷àå ñîäåðæèò è àïåðèîäè÷åñêóþ ñîñòàâëÿþùóþ, ò.å. i= √2 I (e− at − cos ωt) ,
ãäå I – äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå ïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ; a – ïîñòîÿííàÿ çàòóõàíèÿ àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà êîðîòêîã î çàìûêàíèÿ, êîòîðàÿ çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ èñòî÷íèêà è öåïè. Ìàêñèìàëüíîå ìãíîâåííîå çíà÷åíèå òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ äîñòèãàåòñÿ ïðè ωt = π. Åñëè ñðåäíåå çíà÷åíèå a = 22 ñ-1, òî ïðè ÷àñòîòå òîêà f = 50 Ãö áóäåì èìåòü imax = ióä = √ 2 ⋅ 1,805I = 2,55I .
µ0k12 2
I msin2ωt .
4π
1 − cos 2ωt 2
.
P12m ax = 6,5c12I 2.
(2.40)
2
c12I m . 2
(2.41)
è ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé P12′′ = −
2
c12I m 2
cos 2ωt .
(2.45)
Óñèëèå P12 â ýòîì ñëó÷àå èçìåíÿåòñÿ ïî ñëîæíîìó çàêîíó, êîòîðûé êðîìå çàòóõàþùåé àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé èìååò ñèíóñîèäàëüíûé (ñ ÷àñòîòîé 2ω) õàðàêòåð. Ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå óñèëèÿ ðàâíî íóëþ.  òðåõôàçíûõ öåïÿõ òîêè â îòäåëüíûõ ôàçàõ áóäóò îïðåäåëÿòüñÿ êàê i1 = √ 2 sin ωt ;
Èç (2.40) âèäíî, ÷òî â äàííîì ñëó÷àå ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîå óñèëèå èçìåíÿåòñÿ ñ äâîéíîé ÷àñòîòîé (ïî îòíîøåíèþ ê ÷àñòîòå òîêà) è ñîñòîèò èç ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé P12′ =
(2.44)
Òîãäà ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîãî óñèëèÿ
Äëÿ óïðîùåíèÿ ðàñ÷åòà ïîñëåäíåå âûðàæåíèå ïðåäñòàâèì â âèäå P12 = c12I 2m
(2.43)
i2 = √ 2 I sin (ωt − 120); (2.42)
i3 = √ 2 I sin (ωt − 240) . Óñèëèå, äåéñòâóþùåå íà ïðîâîäíèê ïåðâîé ôàçû P1 = P12 + P13 . (2.46)
Ðåçóëüòèðóþùåå óñèëèå P12 èçìåíÿåòñÿ îò 0 äî c12I 2m è íå ìåíÿåò çíàêà. 81
Ãë. 2. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû
â îäíîé ïëîñêîñòè, äåéñòâóþò çíàêîïåðåìåííûå ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå óñèëèÿ ñ ÷àñòîòîé óäâîåííîé ïî îòíîøåíèþ ê ÷àñòîòå òîêà. Åñëè â òðåõôàçíîé ñèñòåìå ïðîâîäíèêè ðàñïîëîæåíû â óãëàõ ðàâíîñòîðîííåãî òðåóãîëüíèêà, òî óñèëèå, äåéñòâóþùåå íà ïðîâîäíèê ïåðâîé ôàçû, ìîæíî îïðåäåëèòü ïî (2.40). Îäíàêî â îòëè÷èå îò ïðåäûäóùåãî ñëó÷àÿ âåêòîðû P12 è P13 íàïðàâëåíû íå ïî îäíîé ëèíèè, à ïîä óãëîì 60° äðóã ê äðóãó.  ðåçóëüòàòå ñëîæåíèÿ ýòèõ âåêòîðîâ ïîëó÷èì çíà÷åíèå ìîäóëÿ âåêòîðà ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîãî óñèëèÿ, äåéñòâóþùåãî íà ïðîâîä ïåðâîé ôàçû â ñëåäóþùåì âèäå:
Åñëè ïðîâîäà ôàç ðàñïîëîæåíû ïàðàëëåëüíî äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà â îäíîé ïëîñêîñòè, òî âåêòîðû P12 è P13 íàïðàâëåíû ïî îäíîé ëèíèè. Ðåçóëüòèðóþùåå óñèëèå, äåéñòâóþùåå íà ïðîâîäíèê ïåðâîé ôàçû P1 = 2I 2 sin ωt [c12 sin (ωt − 120) + c13 sin (ωt − 240)]. Ïîñëå òðèãîíîìåòðè÷åñêèõ ïðåîáðàçîâàíèé P1 = 0,5I 2[√ 3 (c13 − c12) sin 2ωt − − (c13 + c12)](1 − cos 2ωt).
(2.47)
Àíàëèç ýòîãî âûðàæåíèÿ ïîêàçûâàåò, ÷òî óñèëèå P1 èçìåíÿåòñÿ ñ ÷àñòîòîé 2ω îò çíà÷åíèÿ
√
P1ïð = 0,5I 2 [2 c212 + c213 − c13c13 − − (c12 + c13)] äî
P1 = √ 3 c12I 2 |sin ωt |.
(2.48)
 äàííîì ñëó÷àå c12 = c13 = c23 , à |sin ωt |– ìîäóëü ñèíóñà. Ãîäîãðàô âåêòîðà P1 ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îêðóæíîñòü, ïðîõîäÿùóþ ÷åðåç ïåðâóþ ôàçó. Öåíòð ýòîé îêðóæíîñòè íàõîäèòñÿ íà ïðîäîëæåíèè âûñîòû òðåóãîëüíèêà, ïðîâåäåííîé èç âåðøèíû ðàñïîëîæåíèÿ ïåðâîé ôàçû, à äèàìåòð ðàâåí
P1îò = − 0,5I 2 [2√ c212 + c213 − c13c12 + + (c12 + c13)].
(2.49)
Ïðè ýòîì P1ïð íàïðàâëåíî íà ïðèòÿæåíèå ïåðâîé ôàçû ê äâóì äðóãèì è íàçûâàåòñÿ ïðèòÿãèâàþùèì, à P1îò – íà îòòàëêèâàíèå ïåðâîé ôàçû îò äâóõ äðóãèõ è íàçûâàåòñÿ îòòàëêèâàþùèì. Åñëè ïðîâîäà áåñêîíå÷íî äëèííûå è ðàñïîëîæåíû òàêèì îáðàçîì, ÷òî ðàññòîÿíèå ìåæäó ïåðâûì è òðåòüèì ïðîâîäàìè â äâà ðàçà áîëüøå, ÷åì ìåæäó ïåðâûì è âòîðûì, òî ïîñêîëüêó c12 = µ0k12 ⁄ (4π) è â äàííîì ñëó÷àå k12 = 2l ⁄ a [6], òî î÷åâèäíî, ÷òî c12 = 2c13. Òîãäà èç (2.48) è (2.49) ìîæíî ïîëó÷èòü
P1max = √ 3 c12I 2. Íà êàæäûé èç òðåõ äðóãèõ ïðîâîäîâ äåéñòâóþò óñèëèÿ, îäèíàêîâûå ñ ðàññìîòðåííûìè, íî ñ ñîîòâåòñòâóþùèì ñäâèãîì âî âðåìåíè è ïðîñòðàíñòâå. Åñëè â òðåõôàçíîé ñèñòåìå ïðîèñõîäèò êîðîòêîå çàìûêàíèå, òîêè èìåþò êðîìå ïåðèîäè÷åñêèõ åùå è àïåðèîäè÷åñêèå ñîñòàâëÿþùèå, çíà÷åíèÿ êîòîðûõ çàâèñÿò îò âèäà è ìîìåíòà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Âèä è ìîìåíò êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ âëèÿþò òàêæå íà çàâèñèìîñòè ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé îò âðåìåíè, ðàññìîòðåíèå êîòîðûõ â äàííîé ðàáîòå èç-çà îãðàíè÷åíèÿ îáúåìà íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì. Îòìåòèì òîëüêî, ÷òî â ýòîì ñëó÷àå, êàê è â ðàññìîòðåííûõ âûøå, èìåþò ìåñòî ïóëüñàöèè ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé, â ñâÿçè ñ ÷åì êðîìå ðàñ÷åòà òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé íà ïðî÷íîñòü íåîáõîäèìî ïðîèçâîäèòü èõ ðàñ÷åòû íà æåñòêîñòü. Äðóãèìè ñëîâàìè, â ïðîöåññå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ íå äîëæíî áûòü óñëîâèé äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ ìåõàíè÷åñêîãî ðåçîíàíñà, êîãäà çíà÷åíèÿ ñîáñòâåííûõ ÷àñòîò òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé ñîâïàäàþò ñî çíà÷åíèÿìè ÷àñòîò èçìåíåíèÿ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé. Âî èçáåæàíèå ìåõàíè÷åñêîãî ðåçîíàíñà íåîáõîäèìî, ÷òîáû ÷àñòîòà ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé áûëà ìåíüøå îñíîâíîé ÷àñòîòû ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîãî óñèëèÿ.  òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà ýòîãî íåâîçìîæíî äîñòè÷ü, íåîáõîäèìî óâåëè÷èâàòü ÷àñòîòó ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé äî òåõ ïîð, ïîêà îíà íå ñòàíåò áîëüøå âîçìîæíîé ÷àñòîòû ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé.
P1ïð = 0,116c12I 2; P1îò = − 1,616c12I 2. Î÷åâèäíî, ÷òî ìàêñèìàëüíîå è ìèíèìàëüíîå óñèëèÿ, äåéñòâóþùèå íà ïðîâîäíèê òðåòüåé ôàçû áóäóò òàêèìè æå, ïîñêîëüêó âûáîð íîìåðà ôàçû íîñèò óñëîâíûé õàðàêòåð, ò. å. P3ïð = P1ïð ; P3îò = P1îò . Ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå óñèëèÿ, äåéñòâóþùèå íà ñðåäíèé ïðîâîä (âòîðàÿ ôàçà), áóäóò èçìåíÿòüñÿ ñ ÷àñòîòîé 2ω îò çíà÷åíèÿ P3ïð = 0,5I 2 [2√ c221 + c223 + c21c23 − (c23 − c21)]
(2.52)
(2.50)
äî P3îò = − 0,5I 2[2√ c212 + c223 + c21c23 − (c23 − c21)]. (2.51) Ïîñêîëüêó c21 = c23 = c12, òî P3ïð = √ 3 c12I 2, P3îò = − √ 3 c12I 2. Òàêèì îáðàçîì, â òðåõôàçíîé ñèñòåìå ïðè ñèíóñîèäàëüíûõ òîêàõ íà ïðîâîäíèêè, ðàñïîëîæåííûå 82
§ 2.3. Ýëåêòðîäèíàìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. Äàéòå îïðåäåëåíèå ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà.
îá èçìåíåíèè ýëåêòðîìàãíèòíîé ýíåðãèè ñèñòåìû.
2. Êàêèå ìåòîäû îïðåäåëåíèÿ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé âû çíàåòå?
9. Ñ êàêîé ÷àñòîòîé èçìåíÿþòñÿ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå óñèëèÿ â îäíîôàçíîé öåïè ïðè ÷àñòîòå òîêà 50 Ãö?
3. Íàïèøèòå âûðàæåíèå äëÿ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîãî óñèëèÿ, äåéñòâóþùåãî íà ïðîâîäíèê ñ òîêîì â ìàãíèòíîì ïîëå (çàêîí Àìïåðà).
10. ×òî òàêîå óäàðíûé òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ? 11.  êàêèõ ïðåäåëàõ èçìåíÿåòñÿ çíà÷åíèå ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîãî óñèëèÿ â îäíîôàçíîé öåïè ïðè ñèíóñîèäàëüíîì òîêå?
4. Äàéòå îïðåäåëåíèå êîýôôèöèåíòà êîíòóðà ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé. 5.  êàêîì ñîîòíîøåíèè íàõîäÿòñÿ êîýôôèöèåíòû êîíòóðîâ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé â ãåîìåòðè÷åñêè ïîäîáíûõ ñèñòåìàõ ?
12. Èìåþò ëè ìåñòî çíàêîïåðåìåííûå óñèëèÿ â òðåõôàçíîé öåïè?
6. Êàêèå ãåîìåòðè÷åñêèå âåëè÷èíû ìîãóò áûòü âûáðàíû â êà÷åñòâå îáîáùåííûõ êîîðäèíàò?
14. Äàéòå îïðåäåëåíèå ìåõàíè÷åñêîãî ðåçîíàíñà.
13. ×òî òàêîå ñîáñòâåííàÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèé? 15.  êàêîì ñîîòíîøåíèè äîëæíû íàõîäèòüñÿ ñîáñòâåííàÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèé òîêîâåäóùåé ÷àñòè è âûíóæäåííàÿ ÷àñòîòà ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîãî óñèëèÿ ïðè óñëîâèè îòñóòñòâèÿ ìåõàíè÷åñêîãî ðåçîíàíñà?
7. Êàêîìó îñíîâíîìó òðåáîâàíèþ äîëæíà óäîâëåòâîðÿòü îáîáùåííàÿ ñèëà? 8. Íàïèøèòå âûðàæåíèå äëÿ îïðåäåëåíèÿ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîãî óñèëèÿ, èñõîäÿ èç çàêîíà
83
Ãëàâà òðåòüÿ ÝËÅÊÒÐÎÌÅÕÀÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÀÂÒÎÌÀÒÈÊÈ Ê ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèì àïïàðàòàì àâòîìàòèêè îòíîñÿòñÿ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ðåëå, äàò÷èêè è ðàçëè÷íûå èñïîëíèòåëüíûå óñòðîéñòâà (ýëåêòðîìàãíèòíûå
êëàïàíû, ïðåîáðàçîâàòåëè, ìóôòû, ïîäâåñû, îïîðû), êîìàíäíàÿ àïïàðàòóðà (êîíå÷íûå è ïóòåâûå âûêëþ÷àòåëè, ïîâîðîòíûå ïåðåêëþ÷àòåëè è äð.).
3.1. ÝËÅÊÒÐÎÌÅÕÀÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÐÅËÅ
Äëÿ ñóæäåíèÿ î ðàáîòå ðåëå èñïîëüçóåòñÿ ïîíÿòèå õàðàêòåðèñòèêà-óïðàâëåíèÿ” (ðèñ. 3.1). ” Îíà èìååò ðåëåéíûé õàðàêòåð: ñêà÷êîîáðàçíîå óâåëè÷åíèå âûõîäíîé âåëè÷èíû Y ïðè íåêîòîðîì çíà÷åíèè âõîäíîé ýëåêòðè÷åñêîé âîçäåéñòâóþùåé âåëè÷èíû X (òîê, íàïðÿæåíèå, ÷àñòîòà è ò.ï.) è òàêîå æå ñêà÷êîîáðàçíîå óìåíüøåíèå âûõîäíîé âåëè÷èíû, íî óæå ïðè äðóãîì çíà÷åíèè âõîäíîé âåëè÷èíû [23, 32]. Ïðè âñåõ îñòàëüíûõ çíà÷åíèÿõ âîçäåéñòâóþùåé âõîäíîé âåëè÷èíû âûõîäíàÿ âåëè÷èíà íå ìåíÿåòñÿ èëè èçìåíÿåòñÿ íåçíà÷èòåëüíî.
Ýëåêòðè÷åñêîå ðåëå – ýòî êîììóòàöèîííîå óñòðîéñòâî, ïðåäíàçíà÷åííîå ïðîèçâîäèòü ñêà÷êîîáðàçíûå èçìåíåíèÿ â óïðàâëÿåìûõ öåïÿõ ïðè çàäàííûõ çíà÷åíèÿõ âîçäåéñòâóþùèõ íà íåãî ýëåêòðè÷åñêèõ âåëè÷èí. Ýëåêòðè÷åñêèå ðåëå ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà äâà êëàññà: ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ðåëå è ñòàòè÷åñêèå ýëåêòðè÷åñêèå ðåëå. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå ðåëå – ýëåêòðè÷åñêîå ðåëå, ðàáîòà êîòîðîãî îñíîâàíà íà èñïîëüçîâàíèè îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ åãî ýëåìåíòîâ. Ñòàòè÷åñêîå ýëåêòðè÷åñêîå ðåëå – ýëåêòðè÷åñêîå ðåëå, ïðèíöèï ðàáîòû êîòîðîãî íå ñâÿçàí ñ èñïîëüçîâàíèåì îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ åãî ýëåìåíòîâ. Ýëåêòðè÷åñêèå ðåëå â îñíîâíîì ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ êîììóòàöèè öåïåé óïðàâëåíèÿ ñèëîâûõ àïïàðàòîâ (íàïðèìåð, öåïåé îáìîòîê ýëåêòðîìàãíèòíîãî êîíòàêòîðà), ñóììèðîâàíèÿ è ðàçìíîæåíèÿ ñèãíàëîâ, ñèãíàëèçàöèè, ñâÿçè è ïð.
Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ðåëå ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå ÷àñòî âñòðå÷àþùèìèñÿ íà ïðàêòèêå ýëåêòðè÷åñêèìè ðåëå. K íèì îòíîñÿòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûå, ìàãíèòîýëåêòðè÷åñêèå, èíäóêöèîííûå, ýëåêòðîòåïëîâûå, ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå, ýëåêòðî- è ôåððîäèíàìè÷åñêèå, ìàãíèòîñòðèêöèîííûå, âèáðàöèîííûå, ýëåêòðåòíûå è äð. ðåëå. Îñîáîå ìåñòî ñðåäè íèõ çàíèìàþò ãåðêîíîâûå ðåëå (ðåëå ñ ìàãíèòîóïðàâëÿåìûìè ãåðìåòèçèðîâàííûìè êîíòàêòàìè).
Ðèñ. 3.1. Ïðèìåðû õàðàêòåðèñòèê óïðàâëåíèÿ àïïàðàòîâ ðåëåéíîãî äåéñòâèÿ: à,á,â,ä – ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ; ã – ñòàòè÷åñêèõ ýëåêòðè÷åñêèõ; à,á,ã,ä – îäíîñòàáèëüíûõ; â – äâóñòàáèëüíûõ; à,á,ã – ìàêñèìàëüíûõ; ä – ìèíèìàëüíûõ; à,ã,ä – ðàáîòàþùèõ íà çàìûêàíèå; á – ðàáîòàþùèõ íà ðàçìûêàíèå; Xñð – ïàðàìåòð ñðàáàòûâàíèÿ; Xâ – ïàðàìåòð âîçâðàòà (îòïóñêàíèÿ); Xð – ðàáî÷èé ïàðàìåòð; Ymax, Ymin – ìàêñèìàëüíîå è ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèÿ âûõîäíîãî ïàðàìåòðà
84
§ 3.1. Ýëåêòðîìàõàíè÷åñêèå ðåëå
Ïðîñòåéøåå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå ðåëå èçîáðàæåíî íà ðèñ. 3.2 ïðè íóëåâîì çíà÷åíèè âõîäíîé âåëè÷èíû X – òîêà Iâõ â îáìîòêå 1. Ñ óâåëè÷åíèåì òîêà Iâõ, ïðè îïðåäåëåííîì åãî çíà÷åíèè, ÿêîðü 10 îòîéäåò îò óïîðà 11 è ïðèòÿíåòñÿ ê ñåðäå÷íèêó 12. B ïðîöåññå äâèæåíèÿ ÿêîðÿ åãî âåðõíèé êîíåö, äåéñòâóÿ ÷åðåç òîëêàòåëü 9, äîïîëíèòåëüíî èçîãíåò ïëîñêóþ êîíòàêòíóþ ïðóæèíó 6 ââåðõ äî ñîïðèêîñíîâåíèÿ åå êîíòàêò-äåòàëè 8 ñ êîíòàêò-äåòàëüþ 7 êîíòàêòíîé ïðóæèíû 5, êîòîðàÿ çàòåì îòîéäåò ââåðõ îò óïîðà 4.  ðåçóëüòàòå ïî âûõîäíîé öåïè ïîñëå îêîí÷àíèÿ ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà áóäåò ïðîòåêàòü òîê Iâûõ – âûõîäíàÿ âåëè÷èíà Y. Ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè âõîäíîãî òîêà âûõîäíîé òîê ïðàêòè÷åñêè íå èçìåíèòñÿ. Åñëè òåïåðü óìåíüøàòü âõîäíîé òîê, òî ïðè íåêîòîðîì åãî çíà÷åíèè ìåõàíè÷åñêàÿ ñèëà èçîãíóòûõ ïðóæèí ïðåîäîëåâàåò ýëåêòðîìàãíèòíóþ ñèëó ïðèòÿæåíèÿ ÿêîðÿ ê ñåðäå÷íèêó – êîíòàêò-äåòàëè ðàçîìêíóòñÿ è âûõîäíàÿ öåïü îáåñòî÷èòñÿ. Ïîä âõîäíîé X è âûõîä-
Ðèñ. 3.2. Ïðîñòåéøåå ýëåêòðîìàãíèòíîå ðåëå ñ îäíèì çàìûêàþùèì êîíòàêòíûì óçëîì: 1 – îáìîòêà; 2 – ÿðìî; 3 – èçîëÿöèîííàÿ ïëàíêà; 4, 11 – óïîðû; 5, 6 – êîíòàêòíûå ïðóæèíû; 7, 8 – êîíòàêò-äåòàëè; 9 – òîëêàòåëü; 10 – ÿêîðü; 12 – ñåðäå÷íèê
íîé Y âåëè÷èíàìè òàêîãî àïïàðàòà ìîæíî ïîäðàçóìåâàòü è äðóãèå âåëè÷èíû, íàïðèìåð íàïðÿæåíèå íà îáìîòêå è íàïðÿæåíèå íà ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè Rí.
3.1.1. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÒÅÐÌÈÍÛ È ÎÏÐÅÄÅËÅÍÈß
âóþùèõ âåëè÷èí. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ëîãè÷åñêèå ðåëå ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ïðîìåæóòî÷íûå, óêàçàòåëüíûå è ðåëå âðåìåíè. Ïðîìåæóòî÷íîå ðåëå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ðàçìíîæåíèÿ è óñèëåíèÿ ïîñòóïàþùåãî ê íåìó ñèãíàëà; óêàçàòåëüíîå ðåëå – äëÿ óêàçàíèÿ ñðàáàòûâàíèÿ è âîçâðàòà äðóãèõ êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòîâ ; ðåëå âðåìåíè – äëÿ ñîçäàíèÿ âûäåðæêè âðåìåíè. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå èçìåðèòåëüíîå ðåëå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñðàáàòûâàíèÿ ñ îïðåäåëåííîé òî÷íîñòüþ ïðè çàäàííîì çíà÷åíèè èëè çíà÷åíèÿõ õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû. Õàðàêòåðèñòè÷åñêàÿ âåëè÷èíà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî èçìåðèòåëüíîãî ðåëå – ýòî ýëåêòðè÷åñêàÿ âåëè÷èíà, íîðìèðóåìàÿ ïî òî÷íîñòè è îïðåäåëÿþùàÿ ôóíêöèîíàëüíûé ïðèçíàê ðåëå. Äëÿ åå îáðàçîâàíèÿ íåîáõîäèìû îäíà èëè íåñêîëüêî âõîäíûõ âîçäåéñòâóþùèõ âåëè÷èí ýëåêòðè÷åñêîãî èçìåðèòåëüíîãî ðåëå. Äëÿ ïîÿñíåíèÿ ðàçíèöû ìåæäó ëîãè÷åñêèì è èçìåðèòåëüíûì ðåëå ñðàâíèì äâà ðåëå, èìåþùèõ îäíó âõîäíóþ âîçäåéñòâóþùóþ âåëè÷èíó – ýëåêòðè÷åñêîå íàïðÿæåíèå. Ëîãè÷åñêîå ðåëå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñðàáàòûâàíèÿ è âîçâðàòà ïðè äèñêðåòíîì èçìåíåíèè âõîäíîé âîçäåéñòâóþùåé âåëè÷èíû îò ëîãè÷åñêîãî íóëÿ äî ëîãè÷åñêîé åäèíèöû ( íåò” – äà”).  äàííîì ïðèìåðå ýòî ” ” îçíà÷àåò ñëåäóþùåå: íàïðÿæåíèå íå ïîäàíî èëè ïîäàíî íà âõîä ðåëå.  îòëè÷èå îò ëîãè÷åñêîãî ðåëå íà èçìåðèòåëüíîå ðåëå íàïðÿæåíèå ïîäàåòñÿ ïîñòîÿííî, ò. å. âõîäíàÿ âåëè÷èíà èçìåðÿåòñÿ íåïðåðûâíî. Íàïðÿæåíèå äëÿ íåãî íå òîëüêî âõîäíàÿ âîçäåé-
 çàâèñèìîñòè îò îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ðåëå ïðåäíàçíà÷àþòñÿ äëÿ ïðîìûøëåííîé àâòîìàòèêè, çàùèòû ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêèõ ñèñòåì, ðàäèîýëåêòðîíèêè è äð. Íàèáîëåå ìàññîâûì âèäîì ïðîäóêöèè ïåðâîé îáëàñòè ÿâëÿþòñÿ ðåëå óïðàâëåíèÿ, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû ýëåêòðîïðèâîäîâ. Äëÿ ðåëå âòîðîé îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ, îõâàòûâàþùåé ýëåêòðîcòàíöèè, ýëåêòðè÷åñêèå ñåòè è ñèñòåìû, ÷àñòî èñïîëüçóþò áîëåå êîðîòêèé òåðìèí – ðåëå çàùèòû. Ñïåöèôèêà îáëàñòåé ïðèìåíåíèÿ îïðåäåëÿåò îãðîìíîå ðàçíîîáðàçèå ðåëå ïî ïðèíöèïó äåéñòâèÿ è êîíñòðóêòèâíûì èñïîëíåíèÿì. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ðåëå ðåàãèðóþò íà òàêèå ýëåêòðè÷åñêèå ïàðàìåòðû, êàê òîê, íàïðÿæåíèå, ìîùíîñòü, ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå öåïè (àêòèâíîå, ðåàêòèâíîå, ïîëíîå) è ò. ï. B çàâèñèìîñòè îò âûïîëíÿåìûõ ôóíêöèé ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ðåëå ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ëîãè÷åñêèå è èçìåðèòåëüíûå. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå ëîãè÷åñêîå ðåëå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñðàáàòûâàíèÿ è îòïóñêàíèÿ (âîçâðàòà â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå) ïðè èçìåíåíèè âõîäíîé âîçäåéñòâóþùåé âåëè÷èíû, íåíîðìèðóåìîé ïî òî÷íîñòè. Âõîäíàÿ âîçäåéñòâóþùàÿ âåëè÷èíà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ëîãè÷åñêîãî ðåëå – ýòî ýëåêòðè÷åñêàÿ âåëè÷èíà, íà êîòîðóþ ðåëå ðåàãèðóåò, åñëè îíà âîçäåéñòâóåò íà ðåëå ïðè çàäàííûõ óñëîâèÿõ. Ñóùåñòâóþò ðåêîìåíäóåìûå ñòàíäàðòàìè íîìèíàëüíûå çíà÷åíèÿ è ïðåäåëû ðàáî÷åãî äèàïàçîíà âîçäåéñò85
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè
 çàâèñèìîñòè îò òîãî, âîçâðàùàåòñÿ ëè ðåëå, èçìåíèâøåå ñâîå ñîñòîÿíèå ïîä âîçäåéñòâèåì âõîäíîé âîçäåéñòâóþùåé èëè õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû â ïðåæíåå ñîñòîÿíèå ïîñëå óñòðàíåíèÿ ýòîãî âîçäåéñòâèÿ, ðåëå ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà îäíîñòàáèëüíûå (ñì.ðèñ. 3.1,à,á,ã,ä) è äâóñòàáèëüíûå (ðèñ. 3.1, â). Îäíîñòàáèëüíûå ðåëå âîçâðàùàþòñÿ, à äëÿ âîçâðàòà äâóñòàáèëüíûõ ðåëå íåîáõîäèìî ïðèëîæèòü äðóãîå âîçäåéñòâèå. Ñóùåñòâóþò ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ðåëå (êàê ëîãè÷åñêèå, òàê è èçìåðèòåëüíûå) ñ íîðìèðóåìûì âðåìåíåì (íîðìèðóåòñÿ ïî òî÷íîñòè îäíîãî âðåìåíè èëè íåñêîëüêèõ âðåìåí, õàðàêòåðèçóþùèõ ðåëå) è ñ íåíîðìèðóåìûì âðåìåíåì. Çàäàííîå çíà÷åíèå âûäåðæêè âðåìåíè, ïðè êîòîðîì ðåëå ñ íîðìèðóåìûì âðåìåíåì äîëæíî ñðàáîòàòü ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ, íàçûâàåòñÿ óñòàâêîé âûäåðæêè âðåìåíè. Ïðîìåæóòî÷íûå è óêàçàòåëüíûå ëîãè÷åñêèå ðåëå èìåþò íåíîðìèðóåìîå âðåìÿ, à ðåëå âðåìåíè – íîðìèðóåìîå. Ïîñëåäíèå ðåëå ìîãóò áûòü ñëåäóþùèìè: ñî øêàëîé óñòàâîê âûäåðæêè âðåìåíè; ñ ðåãóëèðóåìîé âûäåðæêîé âðåìåíè, íå èìåÿ øêàëû óñòàâîê; ñ ôèêñèðîâàííîé íàñòðîéêîé íà îïðåäåëåííóþ âûäåðæêó âðåìåíè. Èçìåðèòåëüíîå ðåëå ñ íîðìèðóåìûì âðåìåíåì ìîæåò áûòü ñ íåçàâèñèìîé âûäåðæêîé âðåìåíè (âûäåðæêà âðåìåíè ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò çíà÷åíèÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû â çàäàííûõ ïðåäåëàõ åå èçìåíåíèÿ), ñ çàâèñèìîé âûäåðæêîé âðåìåíè (âûäåðæêà âðåìåíè çàäàííûì îáðàçîì èçìåíÿåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò çíà÷åíèÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû) è ñ îãðàíè÷åííî çàâèñèìîé âûäåðæêîé âðåìåíè. Íà ðèñ. 3.3,à–â ïðèâåäåíû òðè âèäà õàðàêòåðèñòèê çàâèñèìîñòè âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ tñð îò òîêà I â ìàêñèìàëüíîì ðåëå òîêà. Èíîãäà çàâèñèìîñòü âûäåðæêè âðåìåíè îò òîêà èìååò ñòóïåíüêó (ðèñ. 3.3,ã), êîòîðàÿ ñâèäåòåëüñòâóåò î ðåçêîì ñíèæåíèè âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå ïðè òîêàõ, ðàâíûõ èëè áîëüøèõ òàê íàçûâàåìîãî òîêà îòñå÷êè” Iîòñ. ”  äâóñòàáèëüíûõ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ðåëå ôèêñàöèÿ ñîñòîÿíèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷àùå âñåãî ïðè ïîìîùè ìàãíèòíûõ èëè ìåõàíè÷åñêèõ áëîêèðîâîê. Ïî ðîäó óïðàâëÿþùåãî òîêà ðåëå ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ðåëå ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî òîêà. Ó íåêîòîðûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ðåëå èçìåíåíèå ðîäà òîêà óïðàâëåíèÿ òðåáóåò òîëüêî çàìåíû êàòóøêè è èçðåäêà – äðóãèõ äåòàëåé. Òàêèå ðåëå íàçûâàþòñÿ óíèâåðñàëüíûìè. Ýëåêòðè÷åñêèå ðåëå ïîñòîÿííîãî òîêà, ôóíêöèîíèðîâàíèå êîòîðûõ çàâèñèò îò ïîëÿðíîñòè èõ âõîäíîé âîçäåéñòâóþùåé âåëè÷èíû, íàçûâàþòñÿ ïîëÿðèçîâàííûìè.
ñòâóþùàÿ âåëè÷èíà, íî è õàðàêòåðèñòè÷åñêàÿ âåëè÷èíà. Ìàêñèìàëüíîå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå ðåëå – ýòî èçìåðèòåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ðåëå, ñðàáàòûâàþùåå ïðè çíà÷åíèÿõ õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû, áîëüøèõ çàäàííîãî çíà÷åíèÿ. Ìèíèìàëüíîå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå ðåëå – èçìåðèòåëüíîå ðåëå, ñðàáàòûâàþùåå ïðè çíà÷åíèÿõ õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû, ìåíüøèõ çàäàííîãî çíà÷åíèÿ. Óñòàâêà ïî õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíå – çàäàííîå çíà÷åíèå õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû, ïðè êîòîðîì ðåëå äîëæíî ñðàáîòàòü. Èçìåðèòåëüíûå ðåëå áûâàþò ñëåäóþùèõ âèäîâ: ñî øêàëîé óñòàâîê, ïî êîòîðîé â ðåëå ââîäèòñÿ óñòàâêà ïî õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíå; áåç øêàëû, íî ñ âîçìîæíîñòüþ èçìåíåíèÿ óñòàâêè; ñ ôèêñèðîâàííîé íàñòðîéêîé íà îïðåäåëåííîå çíà÷åíèå õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû. Íà âõîä èçìåðèòåëüíîãî ðåëå (â îòëè÷èå îò ëîãè÷åñêîãî) îäíîâðåìåííî ìîãóò ïîäàâàòüñÿ íåñêîëüêî âõîäíûõ âîçäåéñòâóþùèõ âåëè÷èí. Íàïðèìåð, íà âõîäû ðåëå ìîùíîñòè ïîäàþòñÿ òîê è íàïðÿæåíèå. Îáå ýòè âåëè÷èíû ôîðìèðóþò îäíó õàðàêòåðèñòè÷åñêóþ âåëè÷èíó – ìîùíîñòü, êîòîðàÿ ââîäèòñÿ â ðåëå ïî øêàëå óñòàâîê. Ó èçìåðèòåëüíûõ ðåëå ñ îäíîé âõîäíîé âîçäåéñòâóþùåé âåëè÷èíîé õàðàêòåðèñòè÷åñêàÿ âåëè÷èíà ñîâïàäàåò ñ ïîñëåäíåé. Èñêëþ÷åíèå ñîñòàâëÿåò ðåëå ÷àñòîòû, â êîòîðîì õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíîé ÿâëÿåòñÿ ÷àñòîòà, à âõîäíîé âîçäåéñòâóþùåé – íàïðÿæåíèå. Ñðàáàòûâàíèå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ðåëå – âûïîëíåíèå ðåëå ôóíêöèè, äëÿ êîòîðîé îíî ïðåäíàçíà÷åíî. Âîçâðàò ýëåêòðè÷åñêîãî ðåëå – ïåðåõîä ðåëå â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå èç ñîñòîÿíèÿ, â êîòîðîì îíî íàõîäèòñÿ ïîñëå ñðàáàòûâàíèÿ. Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà ñðàáàòûâàíèÿ (âîçâðàòà) ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî ðåëå – Xñð (Xâ ) îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèåì âõîäíîé âîçäåéñòâóþùåé èëè õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû, ïðè êîòîðîì ðåëå ñîîòâåòñòâåííî ñðàáàòûâàåò èëè âîçâðàùàåòñÿ ïðè çàäàííûõ óñëîâèÿõ (ñì.ðèñ. 3.1). Îòíîøåíèå çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðà âîçâðàòà ê çíà÷åíèþ ïàðàìåòðà ñðàáàòûâàíèÿ íàçûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì âîçâðàòà (kâ = Xâ ⁄ Xñð). Äëÿ ìàêñèìàëüíûõ ðåëå kâ < 1 (ñì.ðèñ. 3.1,à,á,ã); äëÿ ìèíèìàëüíûõ kâ > 1 (ñì.ðèñ. 3.1,ä). ×åì áëèæå ê åäèíèöå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà âîçâðàòà, òåì â áîëåå óçêèõ ïðåäåëàõ ðåëå áóäåò îñóùåñòâëÿòü êîíòðîëü âõîäíîãî ïàðàìåòðà. Äëÿ íàäåæíîãî ñðàáàòûâàíèÿ ëîãè÷åñêîãî ðåëå ðàáî÷åå çíà÷åíèå Xð âõîäíîé âîçäåéñòâóþùåé âåëè÷èíû âûáèðàåòñÿ ñ íåêîòîðûì çàïàñîì (ñì.ðèñ. 3.1,à). Êîýôôèöèåíò çàïàñà ïî âõîäíîé âîçäåéñòâóþùåé âåëè÷èíå îïðåäåëÿåòñÿ îòíîøåíèåì kç = Xð ⁄ Xñð. 86
§ 3.1. Ýëåêòðîìàõàíè÷åñêèå ðåëå
Ðèñ. 3.3. Âèäû çàâèñèìîñòè âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå ìàêñèìàëüíîãî òîêà îò õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû: à – íåçàâèñèìàÿ âûäåðæêà âðåìåíè; á – çàâèñèìàÿ âûäåðæêà âðåìåíè; â – îãðàíè÷åííî çàâèñèìàÿ âûäåðæêà âðåìåíè; ã – çàâèñèìàÿ âûäåðæêà âðåìåíè ñ îòñå÷êîé
Ïðîâîäÿùàÿ ÷àñòü öåïè êîíòàêòà âíóòðè ðåëå, ýëåêòðè÷åñêè èçîëèðîâàííàÿ îò äðóãèõ ÷àñòåé, åñëè öåïü êîíòàêòà ðàçîìêíóòà, íàçûâàåòñÿ êîíòàêòíûì ýëåìåíòîì. Íà ðèñ. 3.2. îäèí èç êîíòàêòíûõ ýëåìåíòîâ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñîâîêóïíîñòü äåòàëåé 5 è 7, à âòîðîé – äåòàëåé 6 è 8. ×àñòü êîíòàêòíîãî ýëåìåíòà, ïðè ïîìîùè êîòîðîãî íåïîñðåäñòâåííî ïðîèñõîäèò çàìûêàíèå èëè ðàçìûêàíèå êîíòàêòà ýëåêòðè÷åñêîãî ðåëå, íàçûâàåòñÿ êîíòàêò-äåòàëüþ (äåòàëè 7 è 8 ). Ñîâîêóïíîñòü êîíòàêòíûõ ýëåìåíòîâ ñ èçîëÿöèåé, êîòîðûå â ðåçóëüòàòå èõ îòíîñèòåëüíîãî äâèæåíèÿ îáåñïå÷èâàþò çàìûêàíèå èëè ðàçìûêàíèå öåïè êîíòàêòà, ïðåäîñòàâëÿþò ñîáîé êîíòàêò ýëåêòðè÷åñêîãî ðåëå* [ïî ñòàíäàðòó ìåæäóíàðîäíîé ýëåêòðîòåõíè÷åñêîé êîìèññèè (ÌÝÊ) – êîíòàêòíûé óçåë] (íàïðèìåð, íà ðèñ. 3.2. êîíòàêòíûé óçåë ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñîâîêóïíîñòü äåòàëåé 3, 5, 6, 7 è 8). Ôóíêöèîíèðîâàíèå ðåëå çàâèñèò íå òîëüêî îò âõîäíûõ âîçäåéñòâóþùèõ âåëè÷èí, íî è îò óñëîâèé ðàáîòû. Óñëîâèÿ ðàáîòû îïðåäåëÿþòñÿ âëèÿþùèìè âåëè÷èíàìè è âëèÿþùèìè ôàêòîðàìè, ñïîñîáíûìè èçìåíèòü õîòÿ áû îäíó èç çàäàííûõ õàðàêòåðèñòèê ðåëå (ñðàáàòûâàíèå, âîçâðàò, òî÷íîñòü è ò. ä.). Ïðè ðàçðàáîòêå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ðåëå ïðîâîäèòñÿ ñîãëàñîâàíèå èõ òÿãîâûõ è ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê. Òÿãîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà ýëåêòðîìàãíèòíîãî ðåëå, – ýòî íàïðèìåð, çàâèñèìîñòü ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû Pýì èëè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ìîìåíòà Mýì, äåéñòâóþùåé (äåéñòâóþùåãî) íà ÿêîðü è ïðèâåäåííîé (ïðèâåäåííîãî) ê ðàáî÷åìó çàçîðó δ (ñì.ðèñ. 3.2.), îò çíà÷åíèÿ ýòîãî çàçîðà (îò óãëà α ïîâîðîòà ÿêîðÿ).
Ðèñ. 3.4. Ñîãëàñîâàíèå ñòàòè÷åñêèõ òÿãîâûõ (1, 2) è ìåõàíè÷åñêîé (3) õàðàêòåðèñòèê ðåëå, èçîáðàæåííîãî íà ðèñ. 3.2
Ïðè ñðàáàòûâàíèè ðåëå ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà (èëè ýëåêòðîìàãíèòíûé ìîìåíò) ÿâëÿþòñÿ äâèæóùåé, ïðè âîçâðàòå – ïðîòèâîäåéñòâóþùåé äâèæåíèþ ÿêîðÿ. Ñèëà òðåíèÿ îêàçûâàåò ïðîòèâîäåéñòâèå êàê ïðè ñðàáàòûâàíèè, òàê è ïðè âîçâðàòå. Ñèëîé òðåíèÿ ïðåíåáðåæåì. Òÿãîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà [Pýì = f (δ) èëè Mýì = f (α)] ïðè ìåäëåííîì ïåðåìåùåíèè ÿêîðÿ, åñëè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü èçìåíåíèåì òîêà â îáìîòêå, íàçûâàåòñÿ ñòàòè÷åñêîé, à ïðè áûñòðîì – äèíàìè÷åñêîé. Ïîä ìåõàíè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêîé [Pìõ = f (δ) èëè Mìõ = f (α)] ýëåêòðîìàãíèòíîãî ðåëå îáû÷íî ïîíèìàþò çàâèñèìîñòü ñóììàðíîé ñèëû (ìîìåíòà) çà âû÷åòîì ýëåêòðîìàãíèòíîé ñèëû (ýëåêòðîìàãíèòíîãî ìîìåíòà), äåéñòâóþùåé (äåéñòâóþùåãî) íà ÿêîðü è ïðèâåäåííîé (ïðèâåäåííîãî) ê ðàáî÷åìó çàçîðó îò çíà÷åíèÿ ýòîãî çàçîðà (îò óãëà ïîâîðîòà ÿêîðÿ). Ìåõàíè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïðè ìåäëåííîì ïåðåìåùåíèè, êîãäà ìîæíî ïðåíåáðå÷ü ñèëàìè èíåðöèè äâèæóùèõñÿ ìàññ, íàçûâàåòñÿ ñòàòè÷åñêîé ìåõàíè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêîé (äàëåå ïðîñòî ìåõàíè÷åñêîé). Ïðè ñðàáàòûâàíèè ìåõàíè÷åñêèå ñèëû, êàê ïðàâèëî, ïðîòèâîäåéñòâóþò äâèæåíèþ. Ïîýòîìó ìåõàíè÷åñêóþ õàðàêòåðèñòèêó èíîãäà íàçûâàþò ïðîòèâîäåéñòâóþùåé. Îäíàêî ïðè âîçâðàòå ìåõàíè÷åñêèå ñèëû ÿâëÿþòñÿ äâèæóùèìè, ïîýòîìó òåðìèí ïðîòè” âîäåéñòâóþùàÿ” ìåíåå óäà÷åí ÷åì ìåõàíè÷åñêàÿ”. ” Äëÿ íîðìàëüíîé ðàáîòû ðåëå åãî äèíàìè÷åñêèå òÿãîâûå è ìåõàíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ïðè ñðàáàòûâàíèè è âîçâðàòå äîëæíû áûòü ñîãëàñîâàíû. ×àñòî èç-çà ñëîæíîñòè îïðåäåëåíèÿ äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê îãðàíè÷èâàþòñÿ ñîãëàñîâàíèåì òîëüêî ñòàòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê. Ïðèìåð òàêîãî ñîãëàñîâàíèÿ äàí íà ðèñ. 3.4 äëÿ ðåëå, ñõåìàòè÷íî
* ×àñòî äëÿ êðàòêîñòè èçëîæåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ òåðìèí êîíòàêò”. ”
87
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè
âñåõ çàçîðàõ δ (îò δmax äî δmin ). Çàçîð δ1 ñîîòâåòñòâóåò çàìûêàíèþ êîíòàêò-äåòàëåé 7 è 8 (ñì. ðèñ.3.2), à çàçîð δ2 – îòõîäó ïðóæèíû 5 ââåðõ îò óïîðà 4. Ïîäðîáíåå ñîãëàñîâàíèå òÿãîâûõ è ìåõàíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ðàññìîòðåíî â ñïåöèàëüíîé ëèòåðàòóðå [íàïðèìåð, 23, 32].
èçîáðàæåííîãî íà ðèñ. 3.2. Íà ðèñ. 3.4 ñòàòè÷åñêàÿ òÿãîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà 1 ïðè ÌÄÑ îáìîòêè Fñð, ñîîòâåòñòâóþùåé ñðàáàòûâàíèþ ðåëå, ïðîõîäèò âûøå, à ñòàòè÷åñêàÿ òÿãîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà 2 ïðè ÌÄÑ îáìîòêè Fâ, ñîîòâåòñòâóþùåé âîçâðàòó ðåëå, – íèæå ÷åì ñòàòè÷åñêàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ õàðàêòåðèñòèêà 3 ïðè
3.1.2. ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÛÅ ÐÅËÅ
ïåðåìåííîãî òîêà ÷àñòîòîé 50 è 60 Ãö ñ íàïðÿæåíèåì äî 660 Â. Äîïóñòèìûé òîê â ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå – 10 À. Âûïóñêàþòñÿ ðåëå äâóõ ìîäèôèêàöèé: ÐÏË-1 ñ ïèòàíèåì âõîäíîé öåïè íà ïåðåìåííîì òîêå è ÐÏË-2 ñ ïèòàíèåì íà ïîñòîÿííîì òîêå. Êîíñòðóêòèâíî îíè îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà òîëüêî ìàãíèòíîé ñèñòåìîé. Ðàññìîòðèì ðàáîòó ðåëå ÐÏË-1, ñõåìàòè÷íî èçîáðàæåííîãî íà ðèñ. 3.5. Ïðè ïîäà÷å íàïðÿæåíèÿ íà îáìîòêó 5 â ìàãíèòîïðîâîäå âîçíèêàåò ìàãíèòíûé ïîòîê, ñîçäàþùèé ýëåêòðîìàãíèòíóþ ñèëó, êîòîðàÿ, ïðåîäîëåâàÿ ïðîòèâîäåéñòâèå âîçâðàòíîé ïðóæèíû 3, ïåðåìåùàåò ÿêîðü 4 îò óïîðîâ 9 òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû óìåíüøèòü ðàáî÷èå çàçîðû δ è δ1 ìàãíèòíîé ñèñòåìû. Ñ ÿêîðåì ÷åðåç òÿãó 6 è êîíòàêòíóþ ïðóæèíó 1, ðàñïîëîæåííóþ íà íàïðàâëÿþùåé 10, ñâÿçàí êîíòàêòíûé ìîñòèê 8 ñ äâóìÿ êîíòàêò-äåòàëÿìè 2. Ïðè íåêîòîðîì ïîëîæåíèè ÿêîðÿ ïîñëåäíèå ñîïðèêàñàþòñÿ ñ íåïîäâèæíûìè êîíòàêò-äåòàëÿìè 2 ′ è 2 ′′. Ïðè äàëüíåéøåì äâèæåíèè ÿêîðÿ, âïëîòü äî åãî êîíå÷íîãî ïîëîæåíèÿ, ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå êîíòàêòíîãî íàæàòèÿ èç-çà ñæàòèÿ êîíòàêòíîé ïðóæèíû 1. Îäíîâðåìåííî êîíòàêòíûé ìîñòèê 8 ïåðåìåùàåòñÿ ââåðõ íà ðàññòîÿíèå ∆k, òàê êàê íàïðàâëÿþùàÿ 10 íå ïåðïåíäèêóëÿðíà ìîñòèêó.  ðåçóëüòàòå ïðîñêàëüçûâàíèÿ êîíòàêò-äåòàëåé ìîñòèêà îòíîñèòåëüíî íåïîäâèæíûõ êîíòàêò-äåòàëåé ïðîèñõîäèò ñàìîçà÷èñòêà èõ ïîâåðõíîñòåé âî âðåìÿ ðàáîòû
Ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå – ýòî ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ðåëå, ôóíêöèîíèðîâàíèå êîòîðûõ îñíîâàíî íà âîçäåéñòâèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ íåïîäâèæíîé îáìîòêè ñ òîêîì íà ïîäâèæíûé ôåððîìàãíèòíûé ýëåìåíò, íàçûâàåìûé ÿêîðåì. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ñîáñòâåííî ýëåêòðîìàãíèòíûå (èíîãäà èñïîëüçóåòñÿ òåðìèí íåéòðàëüíûå ” ýëåêòðîìàãíèòíûå”), ðåàãèðóþùèå òîëüêî íà çíà÷åíèå òîêà â îáìîòêå, è ïîëÿðèçîâàííûå ýëåêòðîìàãíèòíûå, ôóíêöèîíèðîâàíèå êîòîðûõ îïðåäåëÿåòñÿ êàê çíà÷åíèåì òîêà, òàê è åãî ïîëÿðíîñòüþ. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå äëÿ ïðîìûøëåííûõ àâòîìàòè÷åñêèõ óñòðîéñòâ. Ýòè ðåëå çàíèìàþò ïðîìåæóòî÷íîå ïîëîæåíèå ìåæäó ñèëüíîòî÷íûìè êîììóòàöèîííûìè àïïàðàòàìè (êîíòàêòîðàìè, ìîùíîé ýëåêòðîííîé êîììóòàöèîííîé òåõíèêîé) è ñëàáîòî÷íîé àïïàðàòóðîé. Íàèáîëåå ìàññîâûì âèäîì ýòèõ ðåëå ÿâëÿþòñÿ ðåëå óïðàâëåíèÿ ýëåêòðîïðèâîäàìè (ðåëå óïðàâëåíèÿ), à ñðåäè íèõ – ïðîìåæóòî÷íûå ðåëå. Äëÿ ðåëå óïðàâëåíèÿ õàðàêòåðåí ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííûé è ïðåðûâèñòî-ïðîäîëæèòåëüíûé ðåæèìû ðàáîòû ñ ÷èñëîì êîììóòàöèé äî 3600 â ÷àñ ïðè âûñîêîé ìåõàíè÷åñêîé è êîììóòàöèîííîé èçíîñîñòîéêîñòè (ïîñëåäíÿÿ – äî 105÷6.106 öèêëîâ êîììóòàöèé). Ïðèìåðîì ïðîìåæóòî÷íûõ ðåëå ÿâëÿåòñÿ ðåëå ñåðèè ÐÏË. Ýòè ðåëå ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ êîììóòàöèè öåïåé ïîñòîÿííîãî òîêà ñ íàïðÿæåíèåì äî 440  è
Ðèñ. 3.5. Ýëåêòðîìàãíèòíîå ðåëå ÐÏË
88
§ 3.1. Ýëåêòðîìàõàíè÷åñêèå ðåëå
ðåëå. Ïðè êîíå÷íîì ïîëîæåíèè ÿêîðÿ åãî âèáðàöèÿ óñòðàíÿåòñÿ äåéñòâèåì êîðîòêîçàìêíóòûõ âèòêîâ 7. Ïîñëå ñíÿòèÿ âõîäíîãî ñèãíàëà ìàãíèòíûé ïîòîê â ìàãíèòîïðîâîäå óìåíüøàåòñÿ äî îñòàòî÷íîãî çíà÷åíèÿ. Ïðè íåêîòîðîì çíà÷åíèè ïîòîêà, áîëüøåì îñòàòî÷íîãî, ñèëà, ðàçâèâàåìàÿ äåôîðìèðîâàííûìè ïðè ñðàáàòûâàíèè ïðóæèíàìè 1 è 3, ñòàíîâèòñÿ áîëüøå ýëåêòðîìàãèòíîé ñèëû. ßêîðü âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ïîëîæåíèå, êîíòàêòû ðàçìûêàþòñÿ. Äëÿ óìåíüøåíèÿ îñòàòî÷íîãî ïîòîêà äî çíà÷åíèÿ, ïðè êîòîðîì èñêëþ÷àåòñÿ çàëèïàíèå” ” ÿêîðÿ, â ðàññìàòðèâàåìîé êîíñòðóêöèè çàçîð δ ïðèíèìàåòñÿ íåñêîëüêî áîëüøèì çàçîðîâ δ1. Ïîýòîìó ïðè δ1 = 0 çàçîð δ > 0. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå çàùèòû. Ýòè ðåëå ïðåèìóùåñòâåííî ïðèìåíÿþò â ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå ðàáîòû, ïîýòîìó ïðåäúÿâëÿåìûå ê íèì òðåáîâàíèÿ ïî ìåõàíè÷åñêîé è êîììóòàöèîííîé èçíîñîñòîéêîñòè ìåíåå æåñòêèå, ÷åì ê ðåëå óïðàâëåíèÿ. Èõ êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü ñîñòàâëÿåò 103÷2⋅104 öèêëîâ êîììóòàöèé. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå çàùèòû âûïóñêàþòñÿ ðàçëè÷íûõ ñåðèé. Ðàññìîòðèì ñõåìó îäíîãî èç íèõ – ðåëå òîêà ÐÒ-40 (ðèñ. 3.6,à,á). Íà øèõòîâàííîì ìàãíèòîïðîâîäå 6 Ï-îáðàçíîé ôîðìû ðàçìåùåíû äâå îáìîòêè 7, ñîçäàþùèå ïîòîê Φ. Ïîòîê çàìûêàåòñÿ ïî ëåãêîìó (äëÿ óâåëè÷åíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ) Ã-îáðàçíîìó ÿêîðþ 3. Ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðîìàãíèòíîãî ìîìåíòà ÿêîðü ñòðåìèòñÿ ïîâåðíóòüñÿ ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå (ðèñ. 3.6,á) îò óïîðà 2 ê óïîðó 1. Ìåõàíè÷åñêèé ìîìåíò ñîçäàåòñÿ ñïåöèàëüíîé ïðóæèíîé 14. Ïðè òîêå ñðàáàòûâàíèÿ äåéñòâóþùèé ýëåêòðîìàãíèòíûé ìîìåíò ïðè âñåõ óãëàõ ïîâîðîòà ÿêîðÿ (îò íà÷àëüíîãî äî êîíå÷íîãî, îïðåäåëÿåìûõ óïîðàìè 2 è 1) áîëüøå ïðîòèâîäåéñòâóþùåãî ìåõàíè÷åñêîãî. Ñ ÿêîðåì ïîñðåäñòâîì èçîëÿöèîííîãî ðû÷àãà 8 æåñòêî ñâÿçàíû äâà ïîäâèæíûõ êîíòàêòíûõ ìîñòèêà 10.  íà÷àëå ïîâîðîòà ÿêîðÿ ïðè ñðàáàòûâàíèè ïðàâûé ìîñòèê ðàçîìêíåò êîíòàêò-äåòàëè 9, à ëåâûé â êîíöå ïîâîðîòà ÿêîðÿ çàìêíåò êîíòàêò-äåòàëè 13. Ïðè òîêå âîçâðàòà ïîä äåéñòâèåì ìåõàíè÷åñêîãî ìîìåíòà ÿêîðü ïîâåðíåòñÿ ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè. Ðåëå ÐÒ-40, êàê ðåëå çàùèòû, äîëæíî èìåòü âûñîêèé êîýôôèöèåíò âîçâðàòà. Ýòîãî ìîæíî äîñòè÷ü ïðèáëèæåíèåì òÿãîâîé õàðàêòåðèñòèêè ðåëå ê ìåõàíè÷åñêîé. Îäíàêî, èõ ÷ðåçìåðíîå ñáëèæåíèå ïðè êîíå÷íîì ïîëîæåíèè ÿêîðÿ ïðèâîäèò ê íåäîïóñòèìîìó ñíèæåíèþ êîíòàêòíîãî íàæàòèÿ íà çàìûêàþùèõ êîíòàêòàõ. Ðàöèîíàëüíîå ñîãëàñîâàíèå õàðàêòåðèñòèê îñóùåñòâëÿåòñÿ èçìåíåíèåì ïîëîæåíèÿ óïîðîâ 1 è 2. Ãðóáàÿ ðåãóëèðîâêà òîêà ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå (â 2 ðàçà) îñóùåñòâëÿåòñÿ ïóòåì ðàçëè÷íîãî (ïîñëåäîâàòåëüíîãî èëè ïàðàëëåëüíîãî) ñîåäèíåíèÿ îá-
Ðèñ. 3.6. Ýëåêòðîìàãíèòíîå ðåëå òîêà ÐÒ-40: à – îáùàÿ ñõåìà; á – ÿêîðü è ñåðäå÷íèê ðåëå ÐÒ-40 â ñå÷åíèè ïëîñêîñòüþ mnpadcb
ìîòîê 7 (íà ðèñ. 3.6,à îíè ñîåäèíåíû ïàðàëëåëüíî). Ïëàâíîå ðåãóëèðîâàíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïåðåìåùåíèåì óêàçàòåëÿ óñòàâêè 11 (ðèñ. 3.6,à) ïî øêàëå óñòàâîê 12. Óêàçàòåëü óñòàâêè 11, ñîåäèíåííûé ñ ïðóæèíîé 14, ïðè ñâîåì äâèæåíèè çàêðó÷èâàåò èëè ðàñêðó÷èâàåò ïðóæèíó, ÷òî ñîîòâåòñòâåííî ïðèâîäèò ê ïîäúåìó èëè îòïóñêàíèþ ìåõàíè÷åñêîé õàðàêòåðèñòèêè ðåëå. Îïèñàííîå ðåëå ìîæåò ðàáîòàòü êàê íà ïîñòîÿííîì, òàê è íà ïåðåìåííîì òîêå. Äëÿ óñòðàíåíèÿ âèáðàöèé ÿêîðÿ, âîçíèêàþùèõ ïðè ðàáîòå íà ïåðåìåííîì òîêå, ïðèìåíÿåòñÿ ãàñèòåëü êîëåáàíèé 5, â êîòîðîì ýíåðãèÿ êîëåáàíèÿ ïåðåõîäèò â ðàáîòó òðåíèÿ ïåñ÷èíîê. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå ðàäèîýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ. Ïî íîìåíêëàòóðå ýòè ðåëå – ñàìûå ìíîãî÷èñëåííûå. Ê íèì ÷àñòî ïðåäúÿâëÿþòñÿ òðåáîâàíèÿ êîììóòèðîâàòü êàê ïîâûøåííûå, òàê è ïîíèæåííûå òîêè è íàïðÿæåíèÿ. Ìíîãèå òèïû ýòèõ ðåëå ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ æåñòêèõ óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè, ò. å. ïðè âîçäåéñòâèè ïîñòîÿííûõ óñêîðåíèé, âèáðàöèè â øèðîêîì äèàïàçîíå ÷àñòîò, óäàðîâ, çíà÷èòåëüíûõ ïåðåïàäîâ òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû, àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ, âëàæíîñòè è äðóãèõ ôàêòîðîâ. 89
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè
íà ìåòàëëè÷åñêèõ âûâîäàõ, èçîëèðîâàííûõ îò öîêîëÿ ñòåêëÿííûìè ñëåçêàìè”, èñïîëüçîâàíèå òåì” ïåðàòóðîñòîéêèõ ïðîâîäîâ è èçîëÿöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. Ýòî îáåñïå÷èâàåò íàäåæíóþ ðàáîòó ðåëå ïðè çíà÷èòåëüíûõ ìåõàíè÷åñêèõ è êëèìàòè÷åñêèõ âîçäåéñòâèÿõ [33]. Îäíèì èç õàðàêòåðíûõ ïðèìåðîâ ðåëå äëÿ ðàäèîýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ ÿâëÿåòñÿ ðåëå ÐÝÑ-80 (ðèñ. 3.7). Ýòî ðåëå èìååò äâà êîíòàêòíûõ óçëà. Êîíòàêòíûé óçåë ñîäåðæèò äâà ïåðåêëþ÷àþùèõ êîíòàêòà. Êàæäûé èç íèõ èìååò ïîäâèæíûå ðàçìûêàþùóþñÿ (2) è çàìûêàþùóþñÿ (11) êîíòàêòíûå ïðóæèíû è ïîäâèæíóþ ïåðåêëþ÷àþùóþ êîíòàêòíóþ ïðóæèíó 12. Êîíòàêòíûå ïðóæèíû íå èìåþò ïðèêðåïëåííûõ ê íèì ñîñðåäîòî÷åííûõ êîíòàêòîâ. Äëÿ âîçìîæíîñòè êîììóòàöèè íèçêèõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé êîíòàêòíûå ïðóæèíû ïîêðûòû òîíêèì ñëîåì çîëîòà. Óêàçàííûå äåòàëè êîíòàêòíîãî óçëà ïðèêðåïëåíû ê âûâîäàì, èçîëèðîâàííûì îò öîêîëÿ 1 ñòåêëÿííûìè ñëåçêàìè” 13. ” Ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà ðåëå ñîäåðæèò äâà ïîëþñíûõ íàêîíå÷íèêà 7 L-îáðàçíîé ôîðìû, ñåðäå÷íèê 5 è ÿêîðü 4 ñ äâóìÿ ïîëóîñÿìè – öàïôàìè. Ïîëþñíûå íàêîíå÷íèêè ñâàðèâàþòñÿ ñî ñòîéêîé 10 è ïëàíêîé 8, èçãîòîâëåííûìè èç íåéçèëüáåðà. Öàïôû ÿêîðÿ âõîäÿò â îòâåðñòèÿ â ñòîéêå è ïëàíêå.  èñõîäíîì ïîëîæåíèè ÿêîðü ïðèæàò ê îãðàíè÷èòåëüíîìó óïîðó íà ïëàíêå âîçâðàòíîé ïðóæèíîé 9. Ïîñëå ñáîðêè ÿêîðÿ ñ ïîëþñíûìè íàêîíå÷íèêàìè ê èõ ñâîáîäíûì êîíöàì ïðèâàðèâàåòñÿ ñåðäå÷íèê ñ ïðåäâàðèòåëüíî íàäåòîé íà íåãî îáìîòêîé 6. Ïîñëå ðåãóëèðîâêè êîíòàêòíûõ óçëîâ íà öîêîëü óñòàíàâëèâàåòñÿ ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà. Ïðè ýòîì èìåþùèåñÿ íà ñòîéêå 10 êîíöû (íå ïîêàçàíû íà ðèñóíêå) âñòàâëÿþòñÿ â ïàçû íà öîêîëå (òàêæå íå ïîêàçàíû) è ïðèâàðèâàþòñÿ ê íåìó. Ïåðåêëþ÷åíèå êîíòàêòîâ ïðè ïîâîðîòå ÿêîðÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ñòåêëÿííûìè øàðèêàìè íà òîëêàòåëÿõ 3, ïðèâàðåííûõ ê ÿêîðþ. Ðåãóëèðîâêà ðåëå ïðîèçâîäèòñÿ èçìåíåíèåì õîäà ÿêîðÿ è èçãèáîì òîëêàòåëåé. Ïîñëå ðåãóëèðîâêè âñÿ ñáîðêà ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà – êîíòàêòíûé ” óçåë è öîêîëü” çàêðûâàåòñÿ êîæóõîì è ãåðìåòè÷åñêè çàïàèâàåòñÿ èëè çàâàðèâàåòñÿ.
Ðèñ. 3.7. Ýëåêòðîìàãíèòíîå ðåëå ÐÝÑ-80
Ñîâåðøåíñòâîâàíèþ êîíñòðóêöèé òàêèõ ðåëå, óëó÷øåíèþ èõ òåõíè÷åñêèõ è ýêñïëóàòàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê ñïîñîáñòâîâàëà îáùàÿ òåíäåíöèÿ ìèíèàòþðèçàöèè àïïàðàòóðû, øèðîêîå âíåäðåíèå ïå÷àòíîãî ìîíòàæà è óñïåõè â îáëàñòè áåñêîíòàêòíîé êîììóòàöèè è â ìèêðîýëåêòðîíèêå. Èçâåñòíû êîíñòðóêöèè, ñîäåðæàùèå â îäíîì êîðïóñå èñòèííî ýëåêòðîìàãíèòíîå ðåëå è ýëåìåíòû ýëåêòðîíèêè (èíòåãðàëüíàÿ ñõåìà, ìèêðîïðîöåññîð), ÷òî ïîçâîëÿåò ðàñøèðèòü ôóíêöèîíàëüíûå è êîììóòàöèîííûå âîçìîæíîñòè àïïàðàòà, îñóùåñòâëÿòü êîíòðîëü ñîñòîÿíèÿ êîíòàêòîâ, ðåàëèçîâûâàòü îïòèìàëüíûé ðåæèì óïðàâëåíèÿ è ò. ä. Íàèáîëåå õàðàêòåðíûìè êîíñòðóêòèâíûìè îñîáåííîñòÿìè áîëüøèíñòâà ñîâðåìåííûõ ðåëå äëÿ ðàäèîýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ ÿâëÿåòñÿ èõ ãåðìåòè÷íîñòü, ïðèìåíåíèå óðàâíîâåøåííîãî ÿêîðÿ, êðåïëåíèå ýëåìåíòîâ êîíòàêòíîãî óçëà íåïîñðåäñòâåííî
3.1.3. ÏÎËßÐÈÇÎÂÀÍÍÛÅ ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÛÅ ÐÅËÅ
Ïîëÿðèçîâàííûå ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûå, èìåþùèå, êàê ïðàâèëî, îäèí ïåðåêëþ÷àþùèé êîíòàêòíûé óçåë, è ìåíåå ÷óâñòâèòåëüíûå, êîòîðûå èìåþò äî äâåíàäöàòè ïåðåêëþ÷àþùèõ êîíòàêòíûõ óçëîâ. Ìàãíèòîäâèæóùàÿ ñèëà è ìîùíîñòü ñðàáàòûâàíèÿ âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûõ ïîëÿðèçîâàííûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ðåëå çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, à áûñòðîäåéñòâèå âûøå
÷åì ó íàèáîëåå ÷óâñòâèòåëüíûõ íåéòðàëüíûõ ðåëå. Íàïðèìåð, ìîùíîñòü ñðàáàòûâàíèÿ ó ïåðâûõ ñîñòàâëÿåò 10–150 ìêÂò, ó âòîðûõ – 30–100 ìÂò. Ìíîãîêîíòàêòíûå ïîëÿðèçîâàííûå ðåëå, íàçûâàåìûå òàêæå äèñòàíöèîííûìè ïåðåêëþ÷àòåëÿìè, ïî ÌÄÑ ñðàáàòûâàíèÿ àíàëîãè÷íû íåéòðàëüíûì ýëåêòðîìàãíèòíûì ðåëå. Ñîâðåìåííûå ïîëÿðèçîâàííûå ðåëå ÷àùå âñåãî èìåþò äâå è áîëåå îáìîòîê, 90
§ 3.1. Ýëåêòðîìàõàíè÷åñêèå ðåëå
òîêà ÿêîðü îòêëîíÿåòñÿ â äðóãóþ ñòîðîíó îò íåéòðàëè è âûçûâàåò êîììóòàöèþ âòîðîãî êîíòàêòíîãî óçëà. Òîêè ñðàáàòûâàíèÿ â îáîèõ íàïðàâëåíèÿõ, òàê æå êàê è ó äâóõïîçèöèîííûõ ðåëå ñ íåéòðàëüíîé ðåãóëèðîâêîé, áóäóò ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâûìè. Òàêèå ðåëå íàçûâàþòñÿ îäíîñòàáèëüíûìè òðåõïîçèöèîííûìè. Êîíñòðóêöèè ïîëÿðèçîâàííûõ ðåëå ìíîãîîáðàçíû. Ðàññìîòðèì â êà÷åñòâå ïðèìåðà êîíñòðóêöèîííóþ ñõåìó ðåëå ÐÏÑ-47. Ðåëå ðàçðàáîòàíî íà îñíîâå ìîñòîâîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 1.39,ä; ñõåìà êîíñòðóêöèè èçîáðàæåíà íà ðèñ. 3.8. Ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà ðåëå ñîäåðæèò äâà ñåðäå÷íèêà 3 (íà ðèñóíêå ïîêàçàíû òîëüêî ïîëîâèíû ñèììåòðè÷íûõ ìàãíèòíîé è êîíòàêòíîé ñèñòåì), íà êàæäîì èç êîòîðûõ ðàñïîëîæåíû äâå îáìîòêè 2, 2 ′. Êîíöû ñåðäå÷íèêîâ ðàçìåùåíû â îòâåðñòèÿõ ÷åòûðåõ ïîëþñîâ 1, ê áîëåå òîíêèì êîíöàì êîòîðûõ ïðèêðåïëåíû äâà ïîñòîÿííûõ ìàãíèòà 8. ßêîðü 9 ðàçìåùåí ìåæäó òîíêèìè êîíöàìè ïîëþñîâ è ïîñòîÿííûìè ìàãíèòàìè. Ìåæäó êîíöàìè ÿêîðÿ è òîíêèìè êîíöàìè ïîëþñîâ èìååòñÿ ÷åòûðå ðàáî÷èõ âîçäóøíûõ çàçîðà δ1 − δ4 (ðèñ. 1.39,ä). Îäíà ïàðà îáìîòîê ñîåäèíåíà ïîñëåäîâàòåëüíî òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ñîçäàâàåìûé èìè ñóììàðíûé óïðàâëÿþùèé ìàãíèòíûé ïîòîê ïðîõîäèë â ìàãíèòíîé ñèñòåìå âêðóãîâóþ” – ïîñëåäîâàòåëüíî ÷åðåç ñåðäå÷” íèêè è ÷åòûðå ðàáî÷èõ âîçäóøíûõ çàçîðà ïåðïåíäèêóëÿðíî ïëîñêîñòè ÿêîðÿ. Âòîðàÿ ïàðà îáìîòîê ñîåäèíåíà òàê æå, íî ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ñîçäàíèÿ óïðàâëÿþùåãî ïîòîêà ïðîòèâîïîëîæíîãî íàïðàâëåíèÿ.
áëàãîäàðÿ ÷åìó âîçìîæíî áîëåå ãèáêîå ïîñòðîåíèå ýëåêòðè÷åñêèõ ñõåì, óïðàâëåíèå òîêàìè ðàçëè÷íîé ïîëÿðíîñòè è èñïîëüçîâàíèå ýòèõ àïïàðàòîâ íå òîëüêî â êà÷åñòâå êîììóòàöèîííûõ, íî è ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Êîíñòðóêöèè ìàãíèòíîé ñèñòåìû ñîâðåìåííûõ ïîëÿðèçîâàííûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ðåëå ïîñòðîåíû ïî ïðèíöèïó äèôôåðåíöèàëüíûõ èëè ìîñòîâûõ ñõåì. Íåêîòîðûå èç íèõ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 1.34. Îäíàêî, âûáîð òîé èëè èíîé ìàãíèòíîé ñèñòåìû äëÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ ïîëÿðèçîâàííûõ ðåëå íåîäíîçíà÷åí è çàâèñèò îò ìíîãèõ êîíñòðóêöèîííî-òåõíîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ. Ïîëÿðèçîâàííûå ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå áûâàþò êàê îäíîñòàáèëüíûìè, òàê è äâóñòàáèëüíûìè. Îíè ðàçëè÷àþòñÿ òàêæå è ïî òèïó ðåãóëèðîâêè. Ïðè äâóõïîçèöèîííîé íåéòðàëüíîé ðåãóëèðîâêå êîíòàêòíûå óçëû óñòàíàâëèâàþòñÿ ñèììåòðè÷íî îòíîñèòåëüíî íåéòðàëüíîé ëèíèè, ÿâëÿþùåéñÿ îäíîé èç îñåé ñèììåòðèè ìàãíèòíîé ñèñòåìû ðåëå. ßêîðü â ýòîì ñëó÷àå ïåðåáðàñûâàåòñÿ îò îäíîãî ñâîåãî êðàéíåãî óñòîé÷èâîãî ïîëîæåíèÿ ê äðóãîìó (ñ ðåàëèçàöèåé êîììóòàöèè âûõîäíûõ öåïåé ðåëå êîíòàêòíûìè óçëàìè) ïðàêòè÷åñêè ïðè îäèíàêîâûõ ïî ìîäóëþ ÌÄÑ â îáìîòêå (èëè îáìîòêàõ). Ïðè âêëþ÷åíèè òîêà â îáìîòêå (îáìîòêàõ) ÿêîðü è, ñîîòâåòñòâåííî, êîíòàêòíûå óçëû, îñòàþòñÿ â òîì ïîëîæåíèè, â êîòîðîì îíè íàõîäèëèñü íàêàíóíå. Òàêèå ðåëå íàçûâàþòñÿ äâóñòàáèëüíûìè äâóõïîçèöèîííûìè. Ïðè äâóõïîçèöèîííîé ðåãóëèðîâêå ñ ïðåîáëàäàíèåì îáà êîíòàêòíûõ óçëà ðàñïîëàãàþòñÿ ïî îäíó ñòîðîíó îò íåéòðàëè, íî íà ðàçíûõ îò íåå ðàññòîÿíèÿõ. Ñðàáàòûâàíèå òàêèõ ðåëå ïðîèñõîäèò òîëüêî ïðè îäíîì îïðåäåëåííîì íàïðàâëåíèè òîêà â îáìîòêå (îáìîòêàõ). Ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ òîêà ÿêîðü âñåãäà âîçâðàùàåòñÿ â îäíî è òî æå ïåðâîíà÷àëüíîå óñòîé÷èâîå ïîëîæåíèå, êîììóòèðóÿ âûõîäíûå öåïè ðåëå êîíòàêòíûìè óçëàìè â îáðàòíîì ïîðÿäêå. Òàêèå ðåëå ôóíêöèîíèðóþò êàê ÷óâñòâèòåëüíûå íåéòðàëüíûå ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå, ïîýòîìó è ÿâëÿþòñÿ îäíîñòàáèëüíûìè. Ïðè òðåõïîçèöèîííîé ðåãóëèðîâêå êîíòàêòíûå óçëû ðàñïîëîæåíû òàê æå êàê è ïðè äâóõïîçèöèîííîé íåéòðàëüíîé ðåãóëèðîâêå – ò.å. ñèììåòðè÷íî îòíîñèòåëüíî íåéòðàëè ìàãíèòíîé ñèñòåìû. Îäíàêî ïðè îòñóòñòâèè òîêà â îáìîòêå (îáìîòêàõ) ÿêîðü â ðåëå ñ òðåõïîçèöèîííîé ðåãóëèðîâêîé çàíèìàåò íåéòðàëüíîå (ñðåäíåå) óñòîé÷èâîå ïîëîæåíèå áëàãîäàðÿ óñèëèþ äîñòàòî÷íî æåñòêîé âîçâðàòíîé ïðóæèíû, ÷àñòî ÿâëÿþùåéñÿ è ïîäâåñêîé. Ïðîõîæäåíèå òîêà ÷åðåç îáìîòêè â îäíîì íàïðàâëåíèè çàñòàâëÿåò ÿêîðü èíèöèèðîâàòü êîììóòàöèþ îäíîãî èç êîíòàêòíûõ óçëîâ. Ïðè èçìåíåíèè íàïðàâëåíèÿ
Ðèñ. 3.8. Ïîëÿðèçîâàííîå ýëåêòðîìàãíèòíîå ðåëå ÐÏÑ-47
91
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè
ìîòêè 2 è 2 ′ ) ñîçäàåòñÿ óïðàâëÿþùèé ïîòîê Φy (øòðèõîâàÿ ëèíèÿ íà ðèñ. 1.39,ä), êîòîðûé â çàçîðàõ δ1 è δ3 ñêëàäûâàåòñÿ” ñ ïîëÿðèçóþùèì ïîòîêîì ” (ñïëîøíûå ëèíèè), à â çàçîðàõ δ2 è δ4 âû÷èòàåòñÿ” ” èç íåãî.  ðåçóëüòàòå íà ÿêîðå ñîçäàåòñÿ âðàùàþùèé ìîìåíò. ßêîðü ïåðåáðàñûâàåòñÿ èç îäíîãî êðàéíåãî ïîëîæåíèÿ â äðóãîå è òîëêàòåëè 7 (ñì. ðèñ. 3.8) ïåðåìåùàþò ïåðåêëþ÷àþùèå ïðóæèíû 5 îò îäíèõ ìàëîïîäâèæíûõ ïðóæèí 6 ê äðóãèì. Ïîñëå ñíÿòèÿ óïðàâëÿþùåãî ñèãíàëà ñ îáìîòîê, ÿêîðü áëîêèðóåòñÿ ìàãíèòíûì ïîëåì ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ.  ïåðâîíà÷àëüíîå ïîëîæåíèå ÿêîðü è ïåðåêëþ÷àþùèå ïðóæèíû âîçâðàùàþòñÿ ïîäà÷åé ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ íà âòîðóþ ïàðó îáìîòîê, ìàãíèòíûé ïîòîê îò êîòîðûõ áóäåò ñóììèðîâàòüñÿ” ñ ” δ è δ , à â çàçîðàõ ïîëÿðèçóþùèì ïîòîêîì â çàçîðàõ 2 4 δ1 è δ3 – âû÷èòàòüñÿ” èç íåãî. ”
Ïîëÿðèçóþùèé ïîòîê, âûõîäÿ èç ñåâåðíîãî öåíòðàëüíîãî ïîëþñà ìàãíèòà, ïðîõîäèò â ñðåäíþþ ÷àñòü ÿêîðÿ, ãäå ðàñïîëîæåíà îñü âðàùåíèÿ 10, è ðàçäåëÿåòñÿ íà äâà ïîòîêà, êîòîðûå ïðîõîäÿò âäîëü ÿêîðÿ â ïðîòèâîïîëîæíûõ íàïðàâëåíèÿõ ê þæíûì ïîëþñàì ìàãíèòà, ïåðåñåêàÿ ðàáî÷èå âîçäóøíûå çàçîðû. Ê ÿêîðþ ïðèêðåïëåíû ÷åòûðå òîëêàòåëÿ 4 (ñèñòåìà ñèììåòðè÷íà) ñî ñòåêëÿííûìè øàðèêàìè 7. Êîíòàêòíàÿ ñèñòåìà ñîñòîèò èç ÷åòûðåõ ïîäâèæíûõ ïåðåêëþ÷àþùèõ ïðóæèí 5 è âîñüìè êîíòàêòíûõ ïðóæèí 6 ìåíüøåé ïîäâèæíîñòè. Äëÿ ïîâûøåíèÿ íàäåæíîñòè êîíòàêòîâ êîíòàêòíûå ïðóæèíû 6 èìåþò ïðîðåçü, ÷òî îáåñïå÷èâàåò äâîéíîå ïàðàëëåëüíîå êîíòàêòèðîâàíèå. Ðåëå ðàáîòàåò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ïðè ïîäà÷å óïðàâëÿþùåãî ñèãíàëà íà îäíó ïàðó îáìîòîê (îá-
3.1.4. ÌÀÃÍÈÒÎÓÏÐÀÂËßÅÌÛÅ ÃÅÐÌÅÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÛÅ ÊÎÍÒÀÊÒÛ (ÃÅÐÊÎÍÛ) È ÃÅÐÊÎÍÎÂÛÅ ÐÅËÅ
âûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ðåëå. Ê áåçúÿêîðíûì îòíîñÿòñÿ ÿçû÷êîâûå è ìåìáðàííûå ÌÊ. Ïåðâûå ïîëó÷èëè íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå. ßêîðíûå ÌÊ â ó÷åáíèêå íå ðàññìàòðèâàþòñÿ. Ñóùåñòâóþò ÌÊ ñóõèå (ñ òâåðäûìè êîíòàêòàìè) è ñìî÷åííûå æèäêèì ìåòàëëîì. Ñóõèå ÿçû÷êîâûå ìàãíèòîóïðàâëÿåìûå êîíòàêòû. ßçû÷êîâûìè íàçûâàþòñÿ ÌÊ, ñîäåðæàùèå ÊÑ â âèäå êîíñîëüíî çàêðåïëåííûõ ïëàñòèí èëè ñòåðæíåé, èçãèáàþùèõñÿ ïîä âîçäåéñòâèåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå âèäû (ðèñ. 3.9): ñèììåòðè÷íûé è àñèììåòðè÷íûé çàìûêàþùèå ÌÊ; ïåðåêëþ÷àþùèé ÌÊ âèäà ÐÏ-3 [ðàçìûêàåìûé (Ð) è ïåðåêëþ÷àþùèé (Ï) êîíòàêòíûå ñåðäå÷íèêè çàêðåïëåíû ñ îäíîé ñòîðîíû ãåðìåòèçèðîâàííîãî áàëëîíà, à çàìûêàåìûé (Ç) ñ äðóãîé]; ïåðåêëþ÷àþùèé ÌÊ âèäà ÐÇ-Ï (ðàçìûêàåìûé è çàìûêàåìûé ÊÑ ðàñïîëîæåíû ñ îäíîé ñòîðîíû áàëëîíà, à ïåðåêëþ÷àþùèé – ñ ïðîòèâîïîëîæíîé). Ñèììåòðè÷íûé ÿçû÷êîâûé çàìûêàþùèé ÌÊ (ðèñ. 3.9,à) – ïðîñòåéøàÿ êîíñòðóêöèÿ, ñîñòîÿùàÿ èç îäèíàêîâûõ ïîäâèæíûõ ÊÑ, çàâàðåííûõ â ñòåêëÿííóþ òðóáêó äèàìåòðîì îò 2 äî 5,5 ìì, êîòîðàÿ ïîñëå èçãîòîâëåíèÿ ÌÊ îáðàçóåò ãåðìåòèçèðîâàííûé áàëëîí. Äëèíà áàëëîíîâ ñîñòàâëÿåò îò 7,5 äî 50 ìì. Îáùàÿ äëèíà (ñ âûâîäàìè) ÿçû÷êîâûõ ÌÊ– îò 20 äî 80 ìì. Ïðè èçãîòîâëåíèè áàëëîí çàïîëíÿåòñÿ ñóõèì ãàçîì (íàïðèìåð, àçîòîì, âîäîðîäîì èëè èõ ñìåñüþ) ïðè ðàçëè÷íûõ äàâëåíèÿõ èëè âàêóóìèðóåòñÿ. Äëÿ òîãî, ÷òîáû ÊÑ âûïîëíÿëè ñâîè ôóíêöèè, ìàòåðèàë, èç êîòîðîãî èõ èçãîòîâëÿþò, äîëæåí îáëàäàòü îïðåäåëåííûìè ñâîéñòâàìè: áîëüøîé ìàãíèòíîé èíäóêöèåé â ïîëÿõ ñ íàïðÿæåííîñòüþ
Ìàãíèòîóïðàâëÿåìûì êîíòàêòîì (ÌÊ) íàçûâàåòñÿ êîíòàêò ýëåêòðè÷åñêîé öåïè, èçìåíÿþùèé ñîñòîÿíèå ýëåêòðè÷åñêîé öåïè ïîñðåäñòâîì ìåõàíè÷åñêîãî çàìûêàíèÿ èëè ðàçìûêàíèÿ åå ïðè âîçäåéñòâèè óïðàâëÿþùåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà åãî ýëåìåíòû, ñîâìåùàþùèå ôóíêöèè êîíòàêòîâ è ó÷àñòêîâ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ öåïåé. Ìàãíèòîóïðàâëÿåìûé êîíòàêò, ïîìåùåííûé â ãåðìåòèçèðîâàííûé áàëëîí, íàçûâàåòñÿ ãåðìåòèçèðîâàííûì ìàãíèòîóïðàâëÿåìûì êîíòàêòîì èëè ãåðêîíîì. Ïîÿâëåíèå ÌÊ ïîçâîëèëî ðåøèòü íåñêîëüêî çàäà÷: óñòðàíèòü âîçäåéñòâèå íà îáëàñòü êîíòàêòà êàê îêðóæàþùåé ñðåäû, òàê è ìíîãèõ ïðîäóêòîâ, îáðàçóþùèõñÿ â ïðîöåññå ðàáîòû êîììóòàöèîííûõ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, ÷òî ðàñøèðèëî âîçìîæíîñòè êîììóòàöèè ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ñ î÷åíü ìàëûìè òîêàìè (10-10÷10-12 À) è íàïðÿæåíèÿìè (10-6 Â); ïîâûñèòü ìåõàíè÷åñêóþ èçíîñîñòîéêîñòü (äî 109 öèêëîâ è âûøå); ìàêñèìàëüíî óíèôèöèðîâàòü ýëåìåíòíóþ áàçó è óïðîñòèòü êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû, ïîâûñèòü èõ áûñòðîäåéñòâèå. Òàê êàê äåòàëè ÌÊ ðåàëèçóþò ôóíêöèè êîíòàêòîâ è ó÷àñòêîâ ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ öåïåé, èõ íàçûâàþò êîíòàêòíûìè ñåðäå÷íèêàìè (ÊÑ). Êîíòàêòíûå ñåðäå÷íèêè ìîãóò áûòü íåïîäâèæíûìè è ïîäâèæíûìè. ×àñòî ïîäâèæíûå ÊÑ âûïîëíÿþòñÿ ãèáêèìè è èãðàþò ðîëü âîçâðàòíîé ïðóæèíû. Ìàãíèòîóïðàâëÿåìûå êîíòàêòû ñ ãèáêèìè ïîäâèæíûìè ÊÑ íàçûâàþò áåçúÿêîðíûìè, òàê êàê â íèõ îòñóòñòâóåò æåñòêèé ïîäâèæíûé ýëåìåíò ìàãíèòíîé ñèñòåìû – ÿêîðü, õàðàêòåðíûé äëÿ íåãåðêîíî92
§ 3.1. Ýëåêòðîìàõàíè÷åñêèå ðåëå
Ðèñ. 3.9. Îñíîâíûå âèäû ñóõèõ ÿçû÷êîâûõ ìàãíèòîóïðàâëÿåìûõ êîíòàêòîâ: à – ñèììåòðè÷íûé çàìûêàþùèé ÌÊ; á, â – ðàçîìêíóòîå è çàìêíóòîå ïîëîæåíèå ÊÑ çàìûêàþùåãî ÌÊ; ã – àñèììåòðè÷íûé çàìûêàþùèé ÌÊ; ä – ïåðåêëþ÷àþùèé ÌÊ âèäà ÐÏ-3; å – ïåðåêëþ÷àþùèé ÌÊ âèäà ÐÇ-Ï; 1,2 – çàìûêàåìûå ÊÑ; 3 – áàëëîí; 4 – ïåðåêëþ÷àþùèé ÊÑ; 5 – ðàçìûêàåìûé ÊÑ; 6 – íåìàãíèòíàÿ êîíòàêò-äåòàëü; 7 – øèíà; 8 – îáìîòêà; 9 – ïîñòîÿííûé ìàãíèò
Ïðè îòñóòñòâèè óïðàâëÿþùåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïåðåêðûâàþùèåñÿ ïîâåðõíîñòè âíóòðåííèõ êîíöîâ ÊÑ óäàëåíû äðóã îò äðóãà íà ðàçìåð íåìàãíèòíîãî ðàáî÷åãî çàçîðà δí. Ïðè ýòîì ìåæäó ïîâåðõíîñòÿìè êîíòàêòíûõ ïîêðûòèé èìååòñÿ ðàñòâîð δð, êîòîðûé ó ÿçû÷êîâûõ ÌÊ ñîñòàâëÿåò îáû÷íî îò 40 äî 300 ìêì. Âíåøíèå êîíöû ÊÑ ñëóæàò äëÿ ïðèñîåäèíåíèÿ ÌÊ ê êîììóòèðóåìîé ýëåêòðè÷åñêîé öåïè. Ïðè âîçäåéñòâèè óïðàâëÿþùåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ îò øèíû ñ òîêîì, îáìîòêè ñ òîêîì èëè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà (ðèñ. 3.9,à) ìåæäó ÊÑ âîçíèêàåò ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà. Ýòà ñèëà, ïðåîäîëåâàÿ ìåõàíè÷åñêóþ ñèëó óïðóãîñòè ÊÑ, ïðèáëèæàåò èõ âíóòðåííèå êîíöû äðóã ê äðóãó. Ïðè îïðåäåëåííîé íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ (çíà÷åíèå ñðàáàòûâàíèÿ) ÊÑ ñêà÷êîîáðàçíî ïåðåõîäÿò â çàìêíóòîå ñîñòîÿíèå, êîòîðîìó ñîîòâåòñòâóåò êîíå÷íûé íåìàãíèòíûé çàçîð δê (ðèñ. 3.9,â), îïðåäåëÿåìûé ñóììàðíîé òîëùèíîé êîíòàêòíûõ ïîêðûòèé è íåïëîòíîñòüþ ïðèëåãàíèÿ êîíòàêòíûõ ïîâåðõíîñòåé äðóã ê äðóãó. Óìåíüøåíèå íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ äî çíà÷åíèÿ âîçâðàòà âûçûâàåò ðàçìûêàíèå ÊÑ ïîä äåéñòâèåì èõ ñèë óïðóãîñòè. Àñèììåòðè÷íûé ÿçû÷êîâûé çàìûêàþùèé ÌÊ (ðèñ. 3.9,ã ) èìååò ðàçíûå ÊÑ, îäèí èç êîòîðûõ
ïðèáëèçèòåëüíî 200–700 À/ì; íèçêîé êîýðöèòèâíîé ñèëîé; äîñòàòî÷íîé ýëåêòðîïðîâîäíîñòüþ; õîðîøåé óïðóãîñòüþ; ìàëîé çàâèñèìîñòüþ ìàãíèòíûõ è ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâ îò òåìïåðàòóðû â ïðåäåëàõ åå ðàáî÷åãî äèàïàçîíà; íåçíà÷èòåëüíûìè èçìåíåíèÿìè ýòèõ ñâîéñòâ ïîñëå 108–109 óïðóãèõ äåôîðìàöèé è óäàðîâ ÊÑ äðóã î äðóãà; êîýôôèöèåíòîì òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ (ÊÒÐ), áëèçêèì ê ÊÒÐ ñòåêëà, èñïîëüçóåìîãî äëÿ áàëëîíà. Óêàçàííûå ñâîéñòâà èìåþò, íàïðèìåð, íèçêîíèêåëåâûå ïåðìàëëîè. Êîíòàêòíûå ñåðäå÷íèêè ÿçû÷êîâûõ ÌÊ øòàìïóþòñÿ èç ïðîâîëîêè äèàìåòðîì 0,5–1,5 ìì, èçãîòîâëåííîé èç ýòèõ ìàòåðèàëîâ. Âíóòðåííèå êîíöû ÊÑ â ÿçû÷êîâûõ ÌÊ ïåðåêðûâàþòñÿ íà âåëè÷èíó a è èìåþò êîíòàêòíîå ïîêðûòèå ∆ (ðèñ. 3.9,á) òîëùèíîé îò åäèíèö äî äåñÿòêîâ ìèêðîí. Äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ÊÑ èñïîëüçóþòñÿ ìàòåðèàëû: ðóòåíèé, ðîäèé, ñïëàâû íà îñíîâå çîëîòà è äð. Ñóùåñòâóþò òàêæå è áîëåå ñëîæíûå (ìíîãîñëîéíûå è ìíîãîñòðóêòóðíûå) ïîêðûòèÿ.  ìàãíèòîóïðàâëÿåìûõ êîíòàêòàõ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ è â ÌÊ, êîììóòèðóþùèõ ïîâûøåííûå òîêè, ïðèìåíÿþòñÿ òóãîïëàâêèå ìåòàëëû (íàïðèìåð, âîëüôðàì, ìîëèáäåí). Çàùèòíàÿ ñðåäà â áàëëîíå ïðåäîõðàíÿåò êîíòàêòíûå ïîêðûòèÿ ÌÊ îò îêèñëåíèÿ. 93
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè
ùèå äåòàëè ÷àñòè÷íî èëè ïîëíîñòüþ ñìî÷åíû æèäêèì ìåòàëëîì. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûé ñìà÷èâàþùèé ìàòåðèàë â íàñòîÿùåå âðåìÿ – ðòóòü. Ðàññìîòðèì îäèí èç ÿçû÷êîâûõ ÆÌÊ (ðèñ. 3.10). Ïîäâèæíûé ïåðåêëþ÷àþùèé ÊÑ ðàñïîëîæåí ìåæäó êîíòàêò-äåòàëÿìè, çàêðåïëåííûìè íà íåïîäâèæíûõ ÊÑ, çàâàðåííûõ â áàëëîí. Íèæíÿÿ ÷àñòü áàëëîíà – ðåçåðâóàð ñ ðòóòüþ. Íàõîäÿùàÿñÿ â ðòóòè íèæíÿÿ ÷àñòü ïåðåêëþ÷àþùåãî ÊÑ ïðèâàðåíà ê øòåíãåëþ. Ïî êàïèëëÿðàì, èìåþùèìñÿ íà ïîâåðõíîñòè ïåðåêëþ÷àþùåãî ÊÑ, ðòóòü ïîäíèìàåòñÿ ê êîíòàêòíûì ïîâåðõíîñòÿì è ñìà÷èâàåò èõ. Áàëëîí çàïîëíåí âîäîðîäîì ïðè äàâëåíèè âûøå 1 ÌÏà. Âîäîðîä óñòðàíÿåò ïëåíêè îêñèäîâ ñ âíóòðåííèõ êîíòàêòèðóþùèõ è êàïèëëÿðíûõ ÷àñòåé ÆÌÊ è, òåì ñàìûì, ñïîñîáñòâóåò ëó÷øåìó ñìà÷èâàíèþ èõ ðòóòüþ. Âûñîêîå äàâëåíèå ãàçà óëó÷øàåò îòâîä òåïëà, óâåëè÷èâàåò ýëåêòðè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü, à òàêæå ïîâûøàåò òåìïåðàòóðó êèïåíèÿ ðòóòè. Ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ óìåíüøàåò êîëè÷åñòâî ðòóòè, èñïàðÿåìîé ïðè êîììóòàöèè. Ðàáîòà òàêîãî ÆÌÊ âîçìîæíà òîëüêî ïðè ïîëÿðèçàöèè. Ïîëÿðèçóþùåå ìàãíèòíîå ïîëå ñîçäàåòñÿ ëèáî îäíèì ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì, ðàñïîëîæåííûì ìåæäó âûâîäàìè íåïîäâèæíûõ ÊÑ èëè íà îäíîì èç íèõ, ëèáî äâóìÿ ïîñòîÿííûìè ìàãíèòàìè, ðàçìåùåííûìè íà ýòèõ âûâîäàõ. Ñóùåñòâóþò ÿçû÷êîâûå ïåðåêëþ÷àþùèå ÆÌÊ, ðàáîòàþùèå áåç ïîëÿðèçàöèè (âûïîëíÿþòñÿ àíàëîãè÷íî ñóõîìó ÌÊ – ñì.ðèñ. 3.9,å), à òàêæå ÿçû÷êîâûå çàìûêàþùèå ÆÌÊ. Áëàãîäàðÿ ñìî÷åííîñòè êîíòàêòíûõ ïîâåðõíîñòåé â ÆÌÊ ìîæíî óñòðàíèòü ÿâëåíèå äðåáåçãà (ðàçðûâû öåïè ïðè âèáðàöèè ÊÑ ïîñëå èõ ïåðâîãî ñîóäàðåíèÿ), ñíèçèòü ñîïðîòèâëåíèå ÌÊ â çàìêíóòîì ñîñòîÿíèè è ïîâûñèòü åãî ñòàáèëüíîñòü äî 1-2 ìÎì â òå÷åíèå ñðîêà ñëóæáû. Áûñòðîå óñòàíîâëåíèå êîíòàêòà ïîçâîëÿåò ïðè ïîìîùè ÆÌÊ ôîðìèðîâàòü ñèãíàëû ñ íàíîñåêóíäíûì ôðîíòîì.
áîëåå ãèáêèé. Òàêîé ÌÊ ñëîæíåå â èçãîòîâëåíèè, îäíàêî àñèììåòðèÿ ïîìîãàåò ðàçðåøèòü ïðîáëåìó ìèíèàòþðèçàöèè, òàê êàê äëÿ îäíîãî è òîãî æå ðàñòâîðà è âîçâðàùàþùåé ìåõàíè÷åñêîé ñèëû ÊÑ äëèíó áàëëîíà óäàåòñÿ ïîëó÷èòü ìåíüøå, ÷åì ïðè ñèììåòðè÷íîì èñïîëíåíèè. Ïðèìåíåíèå àñèììåòðè÷íûõ ÿçû÷êîâûõ ÌÊ äàåò òàêæå âîçìîæíîñòü â ðÿäå ñëó÷àåâ ïîëó÷èòü áîëåå êîìïàêòíûå ïåðåêëþ÷àòåëè, óïðàâëÿþùåå ìàãíèòíîå ïîëå â êîòîðûõ ñîçäàåòñÿ ïîäâèæíûì ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ àñèììåòðè÷íûõ ÿçû÷êîâûõ çàìûêàþùèõ ÌÊ òàêîé æå, êàê è ó ñèììåòðè÷íûõ êîíñòðóêöèé.  ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ íà áàçå çàìûêàþùèõ ÌÊ ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû è ðàçìûêàþùèå êîíòàêòû, åñëè èñïîëüçîâàòü ïîëÿðèçóþùåå ìàãíèòíîå ïîëå (íàïðèìåð, îò ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà), à óïðàâëÿþùåå ïîëå íàïðàâëÿòü â ÌÊ âñòðå÷íî ïîëÿðèçóþùåìó.  èñõîäíîì ñîñòîÿíèè áîëüøèíñòâà ÿçû÷êîâûõ ïåðåêëþ÷àþùèõ ÌÊ (ðèñ. 3.9,ä,å) ïåðåêëþ÷àþùèé ÊÑ ìåõàíè÷åñêè ïîäæàò ê ðàçìûêàåìîìó. Ïðè îïðåäåëåííîì çíà÷åíèè óïðàâëÿþùåãî ïîëÿ ïðîèñõîäèò ïåðåìåùåíèå ïåðåêëþ÷àþùåãî ÊÑ îò ðàçìûêàåìîãî ê çàìûêàåìîìó. Çàìûêàåìûé ÊÑ îáû÷íî âûïîëíÿåòñÿ íåïîäâèæíûì (ðèñ. 3.9,ä). Èç äâóõ äðóãèõ ÊÑ ïåðåêëþ÷àþùèé îáëàäàåò ñóùåñòâåííî áîëüøåé ãèáêîñòüþ. Êîíñòðóêöèîííàÿ ñõåìà, ïîêàçàííàÿ íà ðèñ. 3.9,å, èìååò îäèí ïîäâèæíûé (ïåðåêëþ÷àþùèé) è äâà íåïîäâèæíûõ ÊÑ. Âîçìîæíîñòü ïåðåêëþ÷åíèÿ â ýòîé êîíñòðóêöèè îáåñïå÷èâàåòñÿ ñîçäàíèåì àñèììåòðèè âñëåäñòâèå: áîëüøîãî íåìàãíèòíîãî ðàáî÷åãî çàçîðà ìåæäó ÊÑ 4 è 5 ïî ñðàâíåíèþ ñ çàçîðîì ìåæäó ÊÑ 1 è 4 (ñ ýòîé öåëüþ íà ÊÑ 5 óñòàíàâëèâàåòñÿ íåìàãíèòíàÿ êîíòàêò-äåòàëü 6, íàïðèìåð, êàê ïîêàçàíî íà ðèñóíêå); ðàçíûõ ïåðåêðûòèé ìåæäó ÊÑ; âûïîëíåíèå ÊÑ 5 ñ ìåíüøåé ïëîùàäüþ ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ÷åì ó ÊÑ 1, â öåëÿõ ìàãíèòíîãî íàñûùåíèÿ ïðè âîçäåéñòâèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Âûïîëíÿþòñÿ ÊÑ ñóõèõ ÿçû÷êîâûõ ÌÊ íå òîëüêî èç ìàãíèòîìÿãêèõ ìàòåðèàëîâ (ïåðìàëëîåâ), íî è èç ñðåäíåêîýðöèòèâíûõ ìàòåðèàëîâ ñ âûñîêîé îñòàòî÷íîé ìàãíèòíîé èíäóêöèåé.  ýòîì ñëó÷àå ïîñëå çàìûêàíèÿ ÌÊ åãî ÊÑ ïðè ñíÿòèè âîçäåéñòâèÿ óïðàâëÿþùåãî ïîëÿ îñòàþòñÿ â çàìêíóòîì ñîñòîÿíèè çà ñ÷åò èõ îñòàòî÷íîé ìàãíèòíîé ýíåðãèè. Òàêèå ÌÊ ñ ìàãíèòíîé ïàìÿòüþ íàçûâàþòñÿ ãåçàêîíàìè (ãåðìåòèçèðîâàííûìè çàìûêàþùèìè êîíòàêòàìè). Ñìî÷åííûå (æèäêîìåòàëëè÷åñêèå) ÿçû÷êîâûå ìàãíèòîóïðàâëåìûå êîíòàêòû. Ñìî÷åííûå (æèäêîìåòàëëè÷åñêèå ÌÊ-ÆÌÊ) – ýòî ÌÊ, âíóòðè ãåðìåòèçèðîâàííîãî áàëëîíà êîòîðûõ òîêîïðîâîäÿ-
Ðèñ. 3.10. Ðòóòíûé ÿçû÷êîâûé ïåðåêëþ÷àþùèé ÌÊ (ÆÌÊ): 1, 2 – íåïîäâèæíûå ÊÑ; 3, 8 – êîíòàêò-äåòàëè; 4 – ïåðåêëþ÷àþùèé ÊÑ; 5 – áàëëîí; 6 – ðåçåðâóàð ñ ðòóòüþ; 7 – øòåíãåëü
94
§ 3.1. Ýëåêòðîìàõàíè÷åñêèå ðåëå
Ðèñ. 3.11. Ãåðêîíîâîå ðåëå íàïðÿæåíèÿ ÐÝÑ-45: à – îáùèé âèä; á – ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà; 1 – ÌÊ; 2, 3 – âûâîäû öåïè ÌÊ; 4 – îáìîòêà; 5 – êîðïóñ; 6 – ìàãíèòíûé ýêðàí; 7 – àìîðòèçàöèîííûå âòóëêè; 8 – îñíîâàíèå; À, Á – âûâîäû öåïè îáìîòêè; Â, à – ñâîáîäíûå âûâîäû; Ý – âûâîä ýêðàíà
Ðèñ. 3.12. Ãåðêîíîâîå ðåëå òîêà ÐÒÃ-01010: 1 – øèíà; 2 – ïëàñòìàññîâàÿ ïëàíêà ñ ÌÊ
Íà îñíîâå ÌÊ ñîçäàþò è ìíîãîöåïíûå ðåëå, ðàñïîëàãàÿ, íàïðèìåð, â îáìîòêå íåñêîëüêî êîììóòàöèîííûõ ýëåìåíòîâ. Ñóùåñòâóþò êîíñòðóêöèè ãåðêîíîâûõ ðåëå è ñ âíåøíèì ïî îòíîøåíèþ ê îáìîòêå ðàñïîëîæåíèåì ÌÊ.  ðåëå òîêà íà íîìèíàëüíûå òîêè â ñîòíè è òûñÿ÷è àìïåð óïðàâëÿþùèì ýëåìåíòîì ÿâëÿåòñÿ íå îáìîòêà, à øèíà, ïî êîòîðîé ïðîòåêàåò òîê. Ðåãóëèðîâêà óñòàâêè â òàêèõ ðåëå îñóùåñòâëÿåòñÿ òðåìÿ ñïîñîáàìè: èçìåíåíèåì óãëà ìåæäó ïðîäîëüíûìè îñÿìè ÌÊ è øèíû; èçìåíåíèåì ðàññòîÿíèÿ ìåæäó øèíîé è ÌÊ; ââåäåíèåì ìåæäó ÌÊ è øèíîé ýêðàíèðóþùåé ôåððîìàãíèòíîé ïëàñòèíû. Ïðèìåðîì ðåàëèçàöèè ïåðâîãî ñïîñîáà ÿâëÿåòñÿ ðåëå ÐÒÃ-01010 (ðèñ. 3.12), â êîòîðîì ðåãóëèðîâêà îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîâîðîòîì ïëàíêè 2 (âíóòðè êîòîðîé ðàñïîëîæåí ÌÊ) îòíîñèòåëüíî øèíû 1. Ïðåäåëû ðåãóëèðîâàíèÿ óñòàâêè â ýòîì ðåëå – (0,7–3) Iíîì .
Ðåçåðâóàðíûå ÆÌÊ ìîãóò ðàáîòàòü ïðè íàêëîíàõ îò âåðòèêàëüíîãî ïîëîæåíèÿ íå áîëåå ÷åì íà 15–45°. Ñóùåñòâóþò ÿçû÷êîâûå áåçðåçåðâóàðíûå ÆÌÊ, æèäêèé ìåòàëë â êîòîðûõ íàõîäèòñÿ òîëüêî â êàïèëëÿðàõ ïåðåêëþ÷àþùåãî ÊÑ. Òàêèå ÆÌÊ ðàáîòàþò â ëþáîì ïðîñòðàíñòâåííîì ïîëîæåíèè, îäíàêî âñëåäñòâèå îãðàíè÷åííîãî çàïàñà ðòóòè ðåñóðñ èõ ìåíüøå ÷åì ó ðåçåðâóàðíûõ ÆÌÊ. Ãåðêîíîâûå ðåëå. Ãåðêîíîâûå ðåëå ìîãóò ñîäåðæàòü: îäèí èëè íåñêîëüêî ÌÊ; îäíó èëè íåñêîëüêî îáìîòîê (èëè øèí); ïîëÿðèçóþùèå ïîñòîÿííûå ìàãíèòû (ÏÌ); äîïîëíèòåëüíûå ôåððîìàãíèòíûå äåòàëè, èãðàþùèå ðîëü ìàãíèòîïðîâîäà, êîæóõà, ìàãíèòíîãî ýêðàíà (äëÿ ñíèæåíèÿ âëèÿíèÿ âíåøíèõ ìàãíèòíûõ ïîëåé); äðóãèå äåòàëè êîíñòðóêöèè. Êîíñòðóêöèÿ ãåðêîíîâîãî ðåëå ñ îäíèì ñóõèì çàìûêàþùèì ÿçû÷êîâûì ÌÊ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 3.11.
3.1.5. ÈÍÄÓÊÖÈÎÍÍÛÅ ÐÅËÅ
Ðàáîòà èíäóêöèîííûõ ðåëå îñíîâàíà íà èñïîëüçîâàíèè ñèë âçàèìîäåéñòâèÿ ïåðåìåííûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé íåïîäâèæíûõ îáìîòîê ñ òîêàìè, èíäóêòèðîâàííûìè ýòèìè ïîëÿìè â ïîäâèæíîì ýëåêòðîïðîâîäÿùåì ýëåìåíòå. Ïîýòîìó òàêèå ðåëå ìîãóò ðàáîòàòü òîëüêî íà ïåðåìåííîì òîêå. Ýëåêòðîïðîâîäÿùèé ýëåìåíò âûïîëíÿåòñÿ â âèäå äèñêà, öèëèíäðè÷åñêîãî ðîòîðà, ñåêòîðà èëè ðàìêè, èìåþùèõ âîçìîæíîñòü âðàùåíèÿ.
Óïðîùåííàÿ ñõåìà îäíîãî èç âèäîâ èíäóêöèîííîãî ðåëå ñ äèñêîì èçîáðàæåíà íà ðèñ. 3.13. Ðåëå ñîñòîèò èç øèõòîâàííîãî ìàãíèòîïðîâîäà 1 ñ îáìîòêîé 2. Ïîëþñû ìàãíèòîïðîâîäà îõâàòûâàþò àëþìèíèåâûé äèñê 5. Îñü 4, æåñòêî ñâÿçàííàÿ ñ äèñêîì, ìîæåò âðàùàòüñÿ â ïîäøèïíèêå 3, îïèðàÿñü íèæíèì êîíöîì íà ïîäïÿòíèê 11. Ïðè îòñóòñòâèè òîêà â îáìîòêå ïîäâèæíûé êîíòàêòíûé ýëåìåíò 6 ïîäæàò ê óïîðó 8 äåéñòâèåì ïðóæèíû 10 íà îñü 4. 95
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè
Ðèñ. 3.13. Èíäóêöèîííîå ðåëå ñ äèñêîì
Ðèñ. 3.14. Âåêòîðíàÿ äèàãðàììà èíäóêöèîííîãî ðåëå
Ïðè ïîäà÷å ïåðåìåííîãî òîêà â îáìîòêó äèñê ïîâîðà÷èâàåòñÿ è ïîäâèæíûé êîíòàêòíûé ýëåìåíò 6 çàìûêàåòñÿ ñ íåïîäâèæíûì êîíòàêòíûì ýëåìåíòîì 7 – ðåëå ñðàáàòûâàåò. Âîçâðàò ðåëå îñóùåñòâëÿåòñÿ óñèëèåì ïðóæèíû 10. Äëÿ ñîçäàíèÿ âðàùàþùåãî ìîìåíòà, äîñòàòî÷íîãî äëÿ ñðàáàòûâàíèÿ èíäóêöèîííîãî ðåëå, äèñê äîëæåí ïðîíèçûâàòüñÿ íå ìåíåå ÷åì äâóìÿ çíàêîïåðåìåííûìè ìàãíèòíûìè ïîòîêàìè, ñäâèíóòûìè îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà â ïðîñòðàíñòâå è âî âðåìåíè (ïî ôàçå), ÷òî è âûïîëíåíî â ðàññìàòðèâàåìîé êîíñòðóêöèè ïðè ïîìîùè ðàñùåïëåíèÿ ïîëþñîâ íà äâå ÷àñòè è óñòàíîâêè íà îäíîé èç íèõ êîðîòêîçàìêíóòûõ êîëåö 12.*  ðåçóëüòàòå â ðàáî÷åì çàçîðå ìàãíèòíîé ñèñòåìû îáðàçóþòñÿ ìàãíèòíûå ïîòîêè Φ1 è Φ2, ïðè÷åì ïîòîê Φ1 îòñòàåò ïî ôàçå îò ïîòîêà Φ2 íà óãîë ψ (ðèñ. 3.14). Ýòè ïîòîêè èíäóêòèðóþò â äèñêå ñîîòâåòñòâóþùèå ÝÄÑ òðàíñôîðìàöèè Eò1 è Eò2, îòñòàþùèå îò íèõ ïî ôàçå íà 90°. Íàïîìíèì, â äâèæóùåìñÿ äèñêå ñîãëàñíî çàêîíó Ôàðàäåÿ-Ëåíöà áóäåò èíäóêòèðîâàòüñÿ ñóììàðíàÿ ÝÄÑ
Ýëåêòðîäâèæóùèå ñèëû òðàíñôîðìàöèè âûçûâàþò â äèñêå òîêè òðàíñôîðìàöèè Iò1 è Iò2 , êîòîðûå èç-çà ñóùåñòâîâàíèÿ èíäóêòèâíûõ ñîñòàâëÿþùèõ â ýëåêòðè÷åñêîì ñîïðîòèâëåíèè äèñêà îòñòàþò îò ÝÄÑ ñîîòâåòñòâåííî íà óãëû γò1 è γò2. Âûðàæåíèå äëÿ ñðåäíåãî ñóììàðíîãî çíà÷åíèÿ âðàùàþùåãî ìîìåíòà [23, 35].
eè = −
dΦ dt
= eò + eã .
MâpΣ =
∂Φ ∂t
(3.1)
– ÝÄÑ òðàíñôîðìàöèè;
(3.2)
∫ [V B] dl
(3.3)
eã =
χΦ1mΦ2m sinψ ,
(3.4)
ãäå ∆ä – òîëùèíà äèñêà; ρý – óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà äèñêà; χ – ãåîìåòðè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ èíäóêöèîííîé ñèñòåìû; Φ1m è Φ2m – àìïëèòóäíûå çíà÷åíèÿ ïîòîêîâ Φ1 è Φ2. Ãåîìåòðè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ χ èíäóêöèîííîé ñèñòåìû ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé ðàçìåðîâ ïîëþñîâ, èõ âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ è ðàçìåùåíèÿ îòíîñèòåëüíî äèñêà. Ïðè âðàùåíèè äèñêà ïîä âîçäåéñòâèåì ÌâðΣ â íåì ïîÿâëÿþòñÿ ãåíåðàòîðíûå ÝÄÑ (ÝÄÑ äâèæåíèÿ), êîòîðûå â ëèòåðàòóðå ïî èíäóêöèîííûì ðåëå ïðèíÿòî íàçûâàòü ÝÄÑ ðåçàíèÿ Åðåç 1 è Åðåç 2, îáóñëîâëåííûå ïåðåñå÷åíèåì ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ Φ1 è Φ2 äèñêà. Íàïðàâëåíèå ýòèõ ÝÄÑ îïðåäåëÿåòñÿ ïðàâèëîì ïðàâîé ðóêè.  ñâîþ î÷åðåäü ÝÄÑ ðåçàíèÿ âûçûâàþò â äèñêå òîêè ðåçàíèÿ Iðåç 1 è Iðåç 2 [23, 37]. Âçàèìîäåéñòâèå ýòèõ òîêîâ ñ ïîòîêàìè Φ1 è Φ2 ñîçäàåò òîðìîçíîé ìîìåíò (íàïðàâëåí ïðîòèâ âðàùàþùåãî ìîìåíòà).  ðÿäå ñëó÷àåâ äëÿ ñîçäàíèÿ äîïîëíèòåëüíîãî òîðìîçíîãî ìîìåíòà (ñ öåëüþ îãðàíè÷åíèÿ ñêîðîñòè äèñêà) åãî êðàé îõâàòûâàþò ïîëþñàìè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà (ñì. ïîç.9 íà ðèñ. 3.13). Òàê êàê âðàùàþùèé ìîìåíò â èíäóêöèîííûõ ñèñòåìàõ ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé ÷àñòîòû, àìïëèòóäíûõ çíà÷åíèé ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ Φ1m è Φ2m, à òàêæå óãëà ñäâèãà ôàç ìåæäó êîìïëåêñíûìè çíà÷åíèÿìè ïîñëåäíèõ (ñì.3.4), òî ýòè ñèñòåìû ìîãóò áûòü
Çäåñü eò = −
∆äω 2πρý
– ÝÄÑ ãåíåðàöèè (èëè ÝÄÑ äâèæåíèÿ).  (3.3) V – ëèíåéíàÿ ñêîðîñòü ó÷àñòêà dl äèñêà; B – ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ, ñîçäàâàåìàÿ ïîëþñîì íà ó÷àñòêå dl. Ïðè ñèíóñîèäàëüíîì èçìåíåíèè ïîòîêà eò = − ωÔ m cos ωt. * Íåáîëüøîé âðàùàþùèé ìîìåíò ìîæåò âîçíèêíóòü è ïðè îäíîì ìàãíèòíîì ïîòîêå [23, 35].
96
§ 3.1. Ýëåêòðîìàõàíè÷åñêèå ðåëå
Äëÿ ñîçäàíèÿ áîëåå ÷óâñòâèòåëüíûõ è áûñòðîäåéñòâóþùèõ èíäóêöèîííûõ ðåëå èñïîëüçóþòñÿ ñèñòåìû ñ ïîäâèæíûì àëþìèíèåâûì öèëèíäðè÷åñêèì ðîòîðîì èëè ñåêòîðîì. Ñèñòåìà ñ ïîäâèæíûì öèëèíäðè÷åñêèì ðîòîðîì èñïîëüçóåòñÿ â îäíîôàçíûõ ðåëå íàïðàâëåíèÿ ìîùíîñòè ÐÁÌ-170 è ÐÁÌ-270. Ýòè ðåëå èìåþò äâå îáìîòêè. Îäíà èç íèõ ïîäêëþ÷àåòñÿ ê òðàíñôîðìàòîðó è îáòåêàåòñÿ âòîðè÷íûì òîêîì IA, à âòîðàÿ – ê òðàíñôîðìàòîðó íàïðÿæåíèÿ è îáòåêàåòñÿ òîêîì IV, ïðîïîðöèîíàëüíûì íàïðÿæåíèþ U íà çàæèìàõ îáìîòêè. Êàæäûé èç òîêîâ ñîçäàåò ìàãíèòíûé ïîòîê, ïðîíèçûâàþùèé ðîòîð. Ïîòîêè ñäâèíóòû â ïðîñòðàíñòâå íà óãîë π/2 çà ñ÷åò ïðèìåíåíèÿ ÷åòûðåõïîëþñíîé êîíñòðóêöèè ìàãíèòíîé ñèñòåìû [23, 37]. Ïîñêîëüêó îäèí èç ïîòîêîâ ïðîïîðöèîíàëåí òîêó IA, à äðóãîé íàïðÿæåíèþ U, òî âðàùàþùèé ìîìåíò, âîçíèêàþùèé íà ðîòîðå, ïðîïîðöèîíàëåí ìîùíîñòè íà çàæèìàõ ðåëå [ñì.(3.4)], è åãî íàïðàâëåíèå çàâèñèò îò íàïðàâëåíèÿ ýòîé ìîùíîñòè. Ðåëå ÐÁÌ-170 è ÐÁÌ-270 èñïîëüçóþòñÿ â ñõåìàõ ðåëåéíîé çàùèòû äëÿ âûÿâëåíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ ëèíèé, íà êîòîðûõ ïðîèçîøëî êîðîòêîå çàìûêàíèå. Íà îñíîâå èíäóêöèîííîé ñèñòåìû ñ ïîäâèæíûì ñåêòîðîì ñêîíñòðóèðîâàíû ðåëå ñåðèè ÄÑØ, ïîëó÷èâøèå øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå â àâòîìàòè÷åñêèõ óñòðîéñòâàõ íà æåëåçíîäîðîæíîì òðàíñïîðòå [35, 38].
èñïîëüçîâàíû äëÿ ñîçäàíèÿ ðàçëè÷íûõ ïî íàçíà÷åíèþ ðåëå: ðåëå ÷àñòîòû, åñëè ω = var, a Φ1mΦ2m sinψ = const ; ðåëå íàïðÿæåíèÿ, åñëè Φ1mΦ2m ≡ U 2m = var, à ω = = const è ψ = const; ðåëå òîêà, åñëè Φ1mΦ2m ≡ I 2m = var, à ω = const; è ψ = const; ðåëå àêòèâíîé ìîùíîñòè, åñëè Φ1mΦ2msinψ ≡ ≡ UI cosϕ = var (ϕ – óãîë ìåæäó U è I ), à ω = const; ðåëå ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè, åñëè Φ1mΦ2msinψ ≡ UI sinϕ = var, à ω = const; ðåëå ñîïðîòèâëåíèÿ – ïðè ðåàëèçàöèè ñëîæíîé ñõåìû ïðèñîåäèíåíèÿ îáìîòîê èíäóêöèîííîé ñèñòåìû ê ñåòè [36] ñ ïðèìåíåíèåì ñïåöèàëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà (òðàíñðåàêòîðîâ).  íàñòîÿùåå âðåìÿ â ñâÿçè ñ áóðíûì ðàçâèòèåì ýëåêòðîíèêè â ñèñòåìàõ çàùèòû èíäóêöèîííûå ðåëå èñïîëüçóþòñÿ ïðàêòè÷åñêè òîëüêî êàê ðåëå òîêà è ìîùíîñòè. Èíäóêöèîííûå ñèñòåìû ñ äèñêîì îòëè÷àþòñÿ íåâûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ è áîëüøèì âðåìåíåì ñðàáàòûâàíèÿ èç-çà çíà÷èòåëüíîãî ìîìåíòà èíåðöèè ïîäâèæíîãî ýëåìåíòà – äèñêà. Ïîýòîìó òàêèå ñèñòåìû â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðèìåíÿþòñÿ òîëüêî â ðåëå òîêà ÐÒ-80 è ÐÒ-90 äëÿ ðåàëèçàöèè çàâèñèìîé îò òîêà õàðàêòåðèñòèêè âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ. Ñ êîíñòðóêöèåé è ðàáîòîé ýòèõ ðåëå ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â [35, 37].
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 11. Íàçîâèòå âèäû ðåãóëèðîâêè óñòàâêè ãåðêîíîâîãî ðåëå ñ óïðàâëÿþùèì îðãàíîì â âèäå øèíû ñ òîêîì. 12. Ïîÿñíèòå ïðèíöèï äåéñòâèÿ èíäóêöèîííîãî ðåëå ñ äèñêîì. 13. Äàéòå îïðåäåëåíèå ÝÄÑ òðàíñôîðìàöèè è ÝÄÑ ãåíåðàöèè? 14. Ìîæåò ëè ñîçäàòü âðàùàþùèé ìîìåíò íà äèñêå èíäóêöèîííîé ñèñòåìû îäèí ìàãíèòíûé ïîòîê? 15. Êàê ïîâëèÿåò íà âðàùàþùèé ìîìåíò èíäóêöèîííîãî ðåëå ñ äèñêîì èçìåíåíèå óãëà ñäâèãà ôàç îò π ⁄ 6 äî π ⁄ 4 ìåæäó äâóìÿ ìàãíèòíûìè ïîòîêàìè, ïðîíèçûâàþùèìè äèñê (ïðè ïðî÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ)? 16. Êàê èçìåíèòñÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ äèñêà â èíäóêöèîííîì ðåëå, åñëè ïðè ïðî÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ äèñê îõâàòèòü ïîëþñàìè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà?
1. Êàêîé âèä èìåþò õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëåíèÿ àïïàðàòà ðåëåéíîãî äåéñòâèÿ? 2. ×åì îòëè÷àåòñÿ ýëåêòðè÷åñêîå èçìåðèòåëüíîå ðåëå îò ýëåêòðè÷åñêîãî ëîãè÷åñêîãî ðåëå? 3. ×òî òàêîå êîýôôèöèåíò âîçâðàòà ðåëå? 4. Êàêèå ñóùåñòâóþò âèäû çàâèñèìîñòåé âûäåðæêè âðåìåíè îò õàðàêòåðèñòè÷åñêîé âåëè÷èíû èçìåðèòåëüíîãî ðåëå? 5. Äàéòå îïðåäåëåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî ðåëå. 6. Êàêîå ýëåêòðè÷åñêîå ðåëå íàçûâàåòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûì? 7. ×òî òàêîå îäíîñòàáèëüíîå è äâóñòàáèëüíîå ðåëå? 8. ×òî ïîíèìàåòñÿ ïîä òðåõïîçèöèîííîé ðåãóëèðîâêîé ïîëÿðèçîâàííîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî ðåëå? 9. Îáúÿñíèòå ïðèíöèï äåéñòâèÿ ïðîñòåéøåãî ãåðêîíîâîãî ðåëå. 10. ×òî òàêîå æèäêîìåòàëëè÷åñêèé ãåðêîí? Ïîÿñíèòå åãî ôóíêöèîíèðîâàíèå.
97
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè 3.2. ÝËÅÊÒÐÎÌÅÕÀÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÄÀÒ×ÈÊÈ È ÒÐÅÁÎÂÀÍÈß, ÏÐÅÄÚßÂËßÅÌÛÅ Ê ÍÈÌ
èõ ðàñïîëîæåíèè âî âðåìåíè èëè â ïðîñòðàíñòâe (pèc. 3.15,â). Äaò÷èêè äîïîëíÿþò è ðacøèðÿþò âîçìîæíîñòè ÷óâñòâ è oùóùåíèé ÷åëîâåêà. Áåç äàò÷èêîâ íåâîçìîæíû êîíòðîëü êà÷åñòâà ïðîäóêöèè, ïðîèçâîäñòâo è ïîòðåáëåíèe ýëåêòðîýíåðãèè, ðàñïîçíàâàíèå îáðàçîâ (ôîðìû, ãàáàðèòíûõ ðàçìåðîâ, õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà, ðàñïîëîæåíèÿ, ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ è ò. ä.), coçäàíèå ìàíèïóëÿòîðîâ è ðîáîòîâ è ò. ï. Äëÿ ñîâðåìåííîãî ïðîèçâîäñòâà xapàêòåðíî ïðèìåíåíèå äàò÷èêîâ â èíòåðàêòèâíîì ðåæèìå, ò. e. êîãäà ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ñðàçó æå èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ðåãóëèðîâàíèÿ ïðîöåññà. Ýòî ïîçâîëÿåò áûñòðî êîððåêòèðîâàòü òåõíîëîãè÷åñêèé ïðîöåññ, ïîâûøàòü êà÷åñòâî âûïóñêàåìîé ïðîäóêöèè è óâåëè÷èâàòü åe êîëè÷åñòâî.  ñîñòàâ äàò÷èêà ìîãóò âõîäèòü ôóíêöèîíàëüíûå óçëû [42]: • ÷óâñòâèòåëüíûé ýëåìåíò, ïî ñóùåñòâó ñàì äàò÷èê, íåïîñðåäñòâåííî âîñïðèíèìàþùèé âîçäåéñòâèå êîíòðîëèðóåìîé âåëè÷èíû; • ïðåîáðàçîâàòåëü (íàïðèìåð, ïðåîáðàçîâàòåëü ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ â ïîñòîÿííîå ïðîïîðöèîíàëüíîå ñðåäíåìó èëè äåéñòâóþùåìó çíà÷åíèþ âõîäíîãî èëè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ), • óñèëèòåëü, ïðåäíàçíà÷åííûé äëÿ ñîãëàñîâàíèÿ âûõîäíûõ ñèãíàëîâ äàò÷èêà ñ âõîäîì ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ; ôèëüòðû, ñîãëàñóþùèå êàñêàäû (âûïðÿìèòåëè, ðåçèñòîðû, äðîññåëè, òðàíñôîðìàòîðû), ýëåìåíòû ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè è ò, ï. Äàò÷èêè êàê ñîñòàâíàÿ ÷àñòü ñèñòåì àâòîìàòè÷åñêîãî ðåãóëèðîâàíèÿ õàðàêòåðèçóþòñÿ êàê ñòàòè÷åñêèìè, òàê è äèíàìè÷åñêèìè ïîêàçàòåëÿìè.
Äaò÷èê – ýòî ïåðâûé ýëåìåíò èçìåðèòåëüíîãî êàíàëà, êàê ïðàâèëî, àíàëîãîâîå óñòðîéñòâî, âûäàþùåå èíôîðìàöèþ î ïàðàìåòðàõ ñèñòåìû è ïðîòåêàþùèõ â íåé ïðîöåññàõ. Oí ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì èñòî÷íèêîì ýëåêòðè÷åñêîãî ñèãíàëà (èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè çà ñ÷eò åe çàìûêàíèÿ è ðàçìûêàíèÿ, èçìåíåíèÿ îäíîãî èç ýëåêòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ – R, L, C – èëè ãåíåðàöèè ÝÄÑ), êîòîðûé â ïîñëåäóþùåé ÷àñòè öåïè ïîäâåðãàåòñÿ îáðàáîòêå, ïðåîáðàçîâàíèþ ê âèäó, óäîáíîìó äëÿ ïåðåäà÷è ïî ëèíèÿì ñâÿçè è äàëüíåéøåãî ïðåîáðàçîâàíèÿ è èñïîëüçîâàíèÿ. Ýëåêòðè÷åñêèé äàò÷èê – óñòðîéñòâî, êîòîðoe, ïîäâåðãàÿñü âîçäåéñòâèþ íåêîòîðîé, êàê ïðàâèëî, íåýëåêòðè÷åñêîé, ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû (ñêîðîñòü, óñêîðåíèå, äàâëåíèå, òåìïåðàòóðà, âëàæíîñòü, ocâåùeííîñòü, ñîñòàâ è ïðîöåíòíîå ñîäåðæàíèå ïðèìåñåé, ÷àñòîòà êîëåáàíèé, öâåò è ò. ï.), âûäàeò ýêâèâàëåíòíûé ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë (çàðÿä, òîê, íàïðÿæåíèå è ò. ä.), ÿâëÿþùèéñÿ ôóíêöèåé ýòîé êîíòðîëèðóåìîé âåëè÷èíû [27, 39–44, 101]: y = f (x), ãäå x – âxoäíàÿ, êîíòðîëèðóåìàÿ (peãóëèðóåìàÿ) âåëè÷èíà (ðèñ. 3.15,a); y – âûõîäíîé ñèãíàë äàò÷èêà (ðèñ. 3.15,á,â). B oáùåì ñëó÷àe ïîä ñèãíàëîì ïîíèìàþò ìàòåðèàëüíûé íîñèòåëü èíôîðìàöèè: èçìåíÿþùèeñÿ çàðÿä, òîê èëè íàïðÿæåíèe, íåñóùèå èíôîðìàöèþ îá èçìåðÿåìîé âåëè÷èíå. Paçëè÷àþò äâå îñíîâíûå ôopìû ñèãíàëîâ: • íåïðåðûâíóþ â âèäå ôèçè÷åñêîãî ïðîöåññà; èíôîðìàöèÿ â íeì îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèåì êàêîãî-ëèáî èíôîðìàòèâíîãî ïàðàìåòðà: òîêà, ÷àñòîòû, àìïëèòóäû, ôàçû è äð. (ðèñ. 3.15,á); • äèñêðåòíóþ (êîäèðîâàííóþ), ïðè êîòîðîé èíôîðìàöèÿ çàêëþ÷åíà â ÷èñëå ýëåìåíòîâ êîäà,
Ðèñ. 3.15. Ïðèìåð èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè: a – êîíòðîëèðóåìîé âåëè÷èíû x è ñîîòâåòñòâóþùåãî âûõîäíîãî ñèãíàëà y äàò÷èêà; á – ïðè íåïðåðûâíîì âûõîäíîì ñèãíàëå; â – ïðè äèñêðåòíîì âûõîäå
98
§ 3.2. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå äàò÷èêè è òðåáîâàíèÿ, ïðåäúÿâëÿåìûå ê íèì
ðÿåìîé âåëè÷èíû äîëæíà îáåñïå÷èâàòü íàäeæíîå ñëåæåíèå çà åe èçìåíåíèÿìè; âûñîêóþ ýôôåêòèâíîñòü: ìàêñèìàëüíûé âûõîäíîé ñèãíàë ïðè ìèíèìàëüíîé âõîäíîé ïîòðåáëÿåìîé ýíåðãèè; ìèíèìàëüíûå ñòàòè÷åñêèå è äèíàìè÷åñêèå ïîãðåøíîñòè; ìèíèìàëüíóþ ðåàêöèþ, ñàì äàò÷èê íå äîëæåí èñêàæàòü ïðîöåññû, çà êîòîðûìè îí ïðèçâàí ñëåäèòü è êîíòðîëèðîâàòü; íå îêàçûâàòü âëèÿíèÿ íà îáñëóæèâàþùèé ïåðñîíàë è ðàáîòó áëèçëåæàùèõ àïïàðàòîâ è óñòðîéñòâ; ìèíèìàëüíóþ ïóëüñàöèþ âûõîäíîãî ñèãíàëà (äàò÷èê ïîñòîÿííîãî òîêà) è ìèíèìàëüíûå êîëåáàíèÿ ôàçû âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (äàò÷èê ïåðåìåííîãî òîêà); ìèíèìàëüíûå ãàáàðèòíûå ðàçìåðû, ìàññó è ñòîèìîñòü; ïðîñòóþ êîíñòðóêöèþ, ïðåäóñìàòðèâàþùóþ ñâîáîäíóþ êîìïîíîâêó ñ äðóãèìè àïïàðàòàìè è ýëåìåíòàìè [27, 39–44].
Äàò÷èêè äîëæíû èìåòü: âûñîêóþ íàäeæíîñòü, áîëüøîé ñðîê áåçîòêàçíîé ðàáîòû; âûñîêóþ òî÷íîñòü δ% = Y/Y.100% (âûðàæåííîå â ïðîöåíòàõ îòíîñèòåëüíîå îòêëîíåíèå âûõîäíîãî ñèãíàëà ê íîìèíàëüíîìó åãî çíà÷åíèþ); ñòàáèëüíîñòü è îäíîçíà÷íîñòü õàðàêòåðèñòèê (îòñóòñòâèå îñòàòî÷íîãî ñèãíàëà, çîíû íå÷óâñòâèòåëüíîñòè è ãèñòåðåçèñà) è èõ íåçàâèñèìîñòü îò âíåøíèõ âîçäåéñòâèé (ñòàðåíèå ýëåìåíòîâ ñõåìû, íåñòàáèëüíîñòü ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ è ñîïðîòèâëåíèÿ íà âûõîäå èçìåðèòåëüíîãî îðãàíà, âëèÿíèå îêðóæàþùåé ñðåäû è ò. ï.); âûñîêóþ âîñïðèèì÷èâîñòü – ñïîñîáíîñòü ðåàãèðîâàòü íà íåçíà÷èòåëüíûå îòêëîíåíèÿ èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû; âûñîêóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü s = dy/dx , êoòîðàÿ íå äîëæíà çàâèñåòü îò çíà÷åíèÿ è çàêîíà èçìåíåíèÿ êîíòðîëèðóåìîé âåëè÷èíû; âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå, cêîðîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ èçìå-
3.2.1. ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß ÄÀÒ×ÈÊÎÂ
• ïðèíöèïó äåéñòâèÿ; • óñòðîéñòâó; • íàçíà÷åíèþ; • êîíòðîëèðóåìîé âåëè÷èíe: äàâëåíèå, âëàæíîñòü, óñêîðåíèå, óãîë ïîâîðîòà è ò. ï.; • îáúåêòó ðåãóëèðîâàíèÿ: òåìïåðàòóðà ïå÷è, ÷àñòîòà âðàùåíèÿ äâèãàòåëÿ, ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ äóãè; • âèäó ïåðåäàòî÷íîé ôóíêöèè: áåçûíåðöèîííûå, èíåðöèîííûå, c çàïàçäûâàíèåì è ò. ï.
B ocíîâó êëàññèôèêàöèè äàò÷èêîâ ìîãóò áûòü ïîëîæåíû ðàçëè÷íûå êðèòåðèè è ïðèçíàêè. Haïðèìåð, äàò÷èêè ìîæíî êëàññèôèöèðîâàòü ïî: • ôèçè÷åñêèì ÿâëåíèÿì, ëåæàùèì â îñíîâå èõ ðàáîòû (çàêîí ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè, ýôôåêò Xoëëà, çàêîí Hepícòa, ìàãíèòîñòðèêöèÿ, èçìåíåíèå ýëåêòðè÷åñêîé eìêîñòè îò âëàæíîñòè è ò. ï.); • íàëè÷èþ ïîäâèæíûõ ýëåìåíòîâ (ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå) èëè èõ îòñóòñòâèþ (ñòàòè÷åñêèå);
Ðèñ. 3.16. Ðåçèñòèâíûå äàò÷èêè è èõ õàðàêòåðèñòèêè: à – ïîòåíöèîìåòðè÷åñêèé; á – ðåîñòàòíûé; â, ã – õàðàêòåðèñòèêè ïàòåíöèîìåòðè÷åñêîãî è ðåîñòàòíîãî äàò÷èêîâ ïðè: 1 – Ríä1 → ∞ ; 2 – Ríä2 < Ríä1; 3 – Ríä3 > Ríä2; 4 – Ríä4 < Ríä3; 5 – Ríä5 = 0
99
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè
ìåð äàò÷èê, èçîá ðàæåííûé íà ðèñ. 3.16, ìîæíî îõàðàêòåðèçîâàòü êàê ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèé ïàññèâíûé ðåçèñòèâíûé äàò÷èê ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åãî ìåõàíèçìà (ÐÌ). Aêòèâíûå äàò÷èêè íå íóæäàþòñÿ â ïîñòîðîííåì èñòî÷íèêå ïèòàíèÿ, îíè ñàìè ãåíåðèðóþò ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë, êàê ïðàâèëî â âèäå ÝÄÑ, ïîä âîçäåéñòâèåì èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû. Íàïðèìåð, èíäóêöèîííûå; òepìîýëåêòðè÷åñêèå; ïèðîýëåêòðè÷åñêèå; ôîòîýëåêòðè÷åñêèå (íà âíåøíåì èëè âíóòðåííåì ôîòîýôôåêòå); ôîòîýëåêòðîìàãíèòíûå; ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå; Bèãàíäà; Xoëëà; ìàãíèòîcòðèêöèîííûå; ía òâeðäûõ ýëåêòðîëèòàõ.
Heçàâèñèìî îò ïåðå÷èñëåííîãî âûøå âñå äàò÷èêè ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà: • ïàññèâíûå èëè ïàðàìåòðè÷åñêèå; • àêòèâíûå èëè ãåíåðàòîðíûå. Èç íàçâàíèé ñëåäóåò, ÷òî ê ïåðâîé ãðóïïå îòíîñÿòñÿ äàò÷èêè, êîòîðûå íå â ñîñòîÿíèè ñàìîñòîÿòåëüíî ñîçäàâàòü íà âûõîäå ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë, äëÿ èõ ðàáîòû íåîáõîäèì èñòî÷íèê ïèòàíèÿ, a äàò÷èê ïîä âîçäåéñòâèåì êîíòðîëèðóåìîé âåëè÷èíû ëèøü ìåíÿåò ñâîè âíóòðåííèå ïàðàìåòðû, ÷òî â êîíå÷íîì èòîãå è âûçûâàåò èçìåíåíèå âûõîäíîãî ñ èãíàëà (íàïðèìåð, ðåçèñòèâíûå, èíäóêòèâíûå è åìêîñòíûå äàò÷èêè). Íàïðè-
3.2.2. ÏÀÑÑÈÂÍÛÅ ÄÀÒ×ÈÊÈ
Ðàccìàòðèâàåìûå äàò÷èêè âåñüìà ÷óâñòâèòåëüíû, cïîñîáíû âûäàâàòü çíà÷èòåëüíûå âûõîäíûå ñèãíàëû, çíà÷åíèå êîòîðûõ, oäíàêî, ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò ñîïðîòèâëåíèÿ Ríä íàãðóçêè äàò÷èêà (ðèñ.3.16,a), òî eñòü oò âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ýëåìåíòà ñõåìû, ïîäêëþ÷àåìîãî ê âûõîäíûì çàæèìàì äàò÷èêà. Ðàññìîòðèì áîëåå ïîäðîáíî òàêîé äàò÷èê. Åñëè íà ïåðâîì ýòàïå ïîëîæèòü, ÷òî äàò÷èê ðàáîòàåò íà õîëîñòîì õîäó, ò.å. åãî ñîïðîòèâëåíèå Ríä → ∞ , òî âûõîäíîå íàïðÿæåíèå U xx ä äàò÷èêà íà õîëîñòîì õîäó ñîñòàâèò
Ïàññèâíûå äàò÷èêè ÿâëÿþòñÿ íaèáîëåå ïðîñòûìè, äîñòóïíûìè, ëåãêî ðåàëèçóåìûìè è øèðîêî ðàñïðîñòðàíeííûìè äàò÷èêàìè. Peçèñòèâíûå äàò÷èêè – èñïîëüçóþòñÿ äëÿ êîíòðîëÿ ëèíåéíûõ è óãëîâûõ ïåðåìåùåíèé, äàâëåíèÿ, òåìïåðàòóðû è ò. ä. Èõ ïðèíöèï äåéñòâèÿ îñíîâàí íà âàðèàöèè àêòèâíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïîä âëèÿíèåì èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû. Äëÿ èõ ïèòàíèÿ ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ èñòî÷íèêè ïîñòîÿííîãî èëè ïåðåìåííîãî òîêà.  çàâèñèìîñòè îò âêëþ÷åíèÿ (êàê ïîòåíöèîìåòð èëè ðåîñòàò) âûõîäíûìè ïàðàìåòðàìè áóäóò íàïðÿæåíèå èëè òîê (pèñ. 3.16). Ìíîãèå ðeçèñòèâíûå äàò÷èêè îòíîñÿòñÿ ê áåçûíåðöèîííûì çâåíüÿì; èõ ÷óâñòâèòåëüíîñòü îáû÷íî ëåæèò â ïðåäåëàõ îò 3 äî 5 Â/ìì. Peçèñòèâíûå äàò÷èêè ñîïðîòèâëåíèÿ ìîãóò áûòü êàðêàñíûìè è áåñêàðêàñíûìè (æèäêîñòíûìè, ýëåêòðîëèòè÷åñêèìè).  êàðêàñíûõ (íå ýëåêòðîëèòè÷åñêèõ) äàò÷èêàõ â êà÷åñòâå ñîïðîòèâëåíèÿ èñïîëüçóþòñÿ âûñîêîîìíàÿ ïðîâîëîêà, ñëîé ïîëóïðîâîäíèêà èëè ïëåíêà ìåòàëëà.  çàâèñèìîñòè îò âèäà õàðàêòåðèñòèêè ðåçèñòèâíûå äàò÷èêè ìîãóò áûòü ëèíåéíûìè è íåëèíåéíûìè. Èíîãäà ïðåäíàìåðåííî õàðàêòåðèñòèêå äàò÷èêà ïðèäàþò ñïåöèàëüíûé íåëèíåéíûé âèä. C ýòîé öåëüþ èñïîëüçóþò ôèãóðíûå êàðêàñû, øóíòèðóþò îòäåëüíûå ó÷àñòêè èëè âûïîëíÿþò èõ èç ìàòåðèàëîâ ñ ðàçëè÷íûì óäåëüíûì ýëåêòðè÷åñêèì ñîïðîòèâëåíèåì. Ýëåêòðîëèòè÷åñêèå äàò÷èêè ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ òîëüêî â öåïÿõ ïåðåìåííîãî òîêà èç-çà ðàçëîæåíèÿ ýëåêòðîëèòà è ïîëÿðèçàöèè ýëåêòðîäîâ ïðè ïîñòîÿííîì òîêå; èõ ñîïðîòèâëåíèå ñèëüíî çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû.  ðeçèñòèâíûõ äàò÷èêàõ ïîëîæåíèÿ ïîäâèæíûé ýëåìåíò äàò÷èêà ìåõàíè÷åñêè ñâÿçàí ñ ðàáî÷èì ìåõàíèçìîì (ÐÌ). Èçìåíåíèå ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åãî ìåõàíèçìà ïðèâîäèò ê îòâåòíîé âàðèàöèè ñîïðîòèâëåíèÿ äàò÷èêà. Ýòî ñêàçûâàåòñÿ íà âûõîäíîì ñèãíàëå â âèäå íàïðÿæåíèÿ Uä (ðèñ.3.16,a) èëè òîêà iä (ðèñ.3.16,á).
U xx ä =
R1 U R1 + R2
= Käàò U ,
(3.5)
ãäå R1 è R2 – ñîïðîòèâëåíèÿ ïëå÷ ðåçèñòîðà (ñì. ðèñ. 3.16,a); U – íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ (âõîäíîå íàïðÿæåíèå) äàò÷èêà: Êäàò = R1/R – êîýôôèöèåíò äåëåíèÿ äàò÷èêà; R = R1+ R2 – ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå ðåçèñòîðà. Åñëè ïðåäïîëîæèòü, ÷òî íà âñåé ñâîåé äëèíå l ðåçèñòîð âñþäó îäíîðîäåí, òî ìîæíî çàïèñàòü: R = γ l ; R1 = γ x ;R2 = γ (l − x) , ãäå γ – êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè ìåæäó ëèíåéíûìè ðàçìåðàìè ðàçëè÷íûõ ó÷àñòêîâ ðåçèñòîðà è ýëåêòðè÷åñêèìè ñîïðîòèâëåíèÿìè ýòèõ ó÷àñòêîâ; x – êîîðäèíàòà ñìåùåíèÿ äâèæêà ðåçèñòîðà îòíîñèòåëüíî íóëåâîãî ïîëîæåíèÿ ïîä äåéñòâèåì ðàáî÷åãî ìåõàíèçìà. Ïðè ïîñòóëèðîâàííûõ óñëîâèÿõ âûðàæåíèå (3.5) ìîæíî ïåðåïèñàòü â âèäå: U xx ä = (x ⁄ l ) U .
(3.6)
Îòñþäà âèäíî, ÷òî, ÷åì áîëüøå ñìåùåíèå x, òåì âûøå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ U xx ä . Î÷åâèäíî, ÷òî ïðè x = l âûõîäíîé ñèãíàë áóäåò ìàêñèìàëüíûì è ðàâíûì íàïðÿæåíèþ ïèòàíèÿ (ñì. ðèñ. 3.16,â) . Ïîëó÷åííîå ñîîòíîøåíèå (3.6) ñïðàâåäëèâî òîëüêî äëÿ õîëîñòîãî õîäà, ò.å. äëÿ î÷åíü áîëüøèõ ñîïðîòèâëåíèé Ríä.  îáùåì ñëó÷àå, ïðè ïðîèçâîëüíîì çíà÷åíèè R íä (0 ≤ R íä < ∞) , âûõîäíîå íà100
§ 3.2. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå äàò÷èêè è òðåáîâàíèÿ, ïðåäúÿâëÿåìûå ê íèì
ïðÿæåíèå Uä äàò÷èêà ìîæåò áûòü âûðàæåíî ÷åðåç íàïðÿæåíèå U xx ä õîëîñòîãî õîäà. Äëÿ ýòîãî ìîæíî èñïîëüçîâàòü òåîðåìó îá ýêâèâàëåíòíîì ãåíåðàòîðå [ 14 ] : Uä=
Òàêèì îáðàçîì, íà áàçå ðàññìîòðåííîé ïðèíöèïèàëüíîé ñõåìû ðåçèñòèâíîãî äàò÷èêà ïåðåìåùåíèÿ (ðèñ. 3.16) ìîãóò áûòü ðåàëèçîâàíû äàò÷èêè ýëåêòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ: òîêà è íàïðÿæåíèÿ. Ðåæå ïðèìåíÿþò äàò÷èêè ÷àñòîòû, ìîùíîñòè è äàò÷èêè íóëÿ òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ. Ñðåäè íèõ ìîæíî âûäåëèòü äâå ãðóïïû äàò÷èêîâ: äàò÷èêè ïîñòîÿííîãî òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ è äàò÷èêè ïåðåìåííîãî òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ. Äàò÷èêè ïåðåìåííûõ ñèãíàëîâ ìîæíî ïîäðàçäåëèòü íà äàò÷èêè ìãíîâåííîãî, äåéñòâóþùåãî è ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ. Ïðîñòåéøèé äàò÷èê íàïðÿæåíèÿ, íàèáîëåå øèðîêî ïðèìåíÿåìûé â ðåãóëÿòîðàõ ïîñòîÿííîãî òîêà, ñîñòîèò èç äâóõ ðåçèñòîðîâ R1 è R2, ñîåäèíåííûõ ïî ñõåìå äåëèòåëÿ (àíàëîãè÷íî ðèñ.3.16,a). Êàê áûëî ïîêàçàíî âûøå, íà âõîä ïîñòóïàåò êîíòðîëèðóåìîå íàïðÿæåíèå U, à ñ âûõîäà ñíèìàåòñÿ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uä, ïðîïîðöèîíàëüíîå âõîäíîìó è ñâÿçàííîå ñ íèì ïîñðåäñòâîì êîýôôèöèåíòà Êäàò äàò÷èêà . Îñíîâíûå äîñòîèíñòâà äàò÷èêà íà îñíîâå äåëèòåëÿ íàïðÿæåíèÿ: íàäåæíîñòü, ïðîñòîòà êîíñòðóêöèè, ëèíåéíîñòü õàðàêòåðèñòèêè è áåçûíåðöèîííîñòü; ê íåäîñòàòêàì ìîæíî îòíåñòè ãàëüâàíè÷åñêóþ ñâÿçü ìåæäó âõîäîì è âûõîäîì. Îäíàêî ÷àñòî âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü îáåñïå÷åíèÿ ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè ìåæäó êîíòðîëèðóåìîé öåïüþ è ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ.  ÷àñòíîñòè ãàëüâàíè÷åñêàÿ ðàçâÿçêà ìîæåò îáåñïå÷èâàòüñÿ îïòîýëåêòðîííîé ïàðîé, ñîñòîÿùåé èç ñâåòîèçëó÷àþùåãî è ôîòîïðèåìíîãî ýëåìåíòîâ.  ñõåìå äàò÷èêà ñ îïòîðàçâÿçêîé èíòåíñèâíîñòü ñâå÷åíèÿ ñâåòîäèîäà ïðîïîðöèîíàëüíà âõîäíîìó íàïðÿæåíèþ, à çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ôîòîòðàíçèñòîðîì, êîòîðûé óïðàâëÿåòñÿ ñâåòîâûì ïîòîêîì ñâåòîäèîäà. Îñíîâíîé íåäîñòàòîê ýòîãî äàò÷èêà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî õàðàêòåðèñòèêà îïòîïàðû ÿâëÿåòñÿ íåëèíåéíîé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ â äàò÷èêàõ øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ èíòåãðàëüíûå îïòîïàðû, ñîäåðæàùèå â îäíîì êîðïóñå ñâåòîèçëó÷àòåëü è ôîòîïðèåìíèê, ðàçäåëåííûå ñâåòîïðîçðà÷íûì ìàòåðèàëîì ñ âûñîêîé äèýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòüþ. Äðóãèì ñïîñîáîì îáåñïå÷åíèÿ ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè â äàò÷èêàõ ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå âûñîêî÷àñòîòíîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ñ òðàíñôîðìàòîðíîé ðàçâÿçêîé. Âõîäíîå íàïðÿæåíèå äàò÷èêà èíâåðòèðóåòñÿ ïðåîáðàçîâàòåëåì Ïð â ïðÿìîóãîëüíîå èìïóëüñíîå íàïðÿæåíèå íà âûñîêîé ÷àñòîòå (÷òî ñíèæàåò ãàáàðèòíûå ðàçìåðû òðàíñôîðìàòîðà) ñ àìïëèòóäîé, ðàâíîé âõîäíîìó íàïðÿæåíèþ. Ãàëüâàíè÷åñêàÿ ðàçâÿçêà îáåñïå÷èâàåòñÿ òðàíñôîðìàòîðîì, íàïðÿæåíèå âòîðè÷íîé îáìîòêè êîòîðîãî âûïðÿìëÿåòñÿ âûïðÿìèòåëåì â âûõîäíîå íàïðÿæåíèå äàò÷èêà, ïðîïîðöèîíàëüíîå âõîäíîìó. Âûñî-
xx
Uä R ê + R íä
R íä ,
(3.7)
ãäå Rê – ñîïðîòèâëåíèå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ ñõåìû îòíîñèòåëüíî âûõîäíûõ çàæèìîâ. Äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñëó÷àÿ R1 ⋅ R2 = Käàò R2 . R1 + R2
Rê=
Òîãäà (3.7) ìîæíî çàïèñàòü U
Uä= 1+
xx ä
Käàò ⋅ R2
.
Ríä
Ñ ó÷åòîì ïðèíÿòûõ îáîçíà÷åíèé è ñîîòíîøåíèÿ (3.6) ïîñëåäíåå ðàâåíñòâî ïðèìåò âèä: Uä=
x⁄l 1+
x⁄l γ (l − x) Ríä
U.
Èëè îêîí÷àòåëüíî Uä=
1+
γ⋅ l Rí.ä
x⁄l [x ⁄ l
U.
(3.8)
− (x ⁄ l )2]
Èíîãäà âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uä âûðàæàþò íå â ôóíêöèè îòíîøåíèÿ (x / l), à â ôóíêöèè êîýôôèöèåíòà Êäàò äåëåíèÿ äàò÷èêà: Uä =
Käàò 2
1 + (R ⁄ Ríä ) ⋅ [Käàò − K äàò]
U.
(3.9)
 äðóãèõ ñëó÷àÿõ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå äàò÷èêà âûðàæàþò ÷åðåç îòíîøåíèå æ = R1 / R2 ñîïðîòèâëåíèé åãî ïëå÷: æ Uä = U. (3.10) 2 1 + (2 + R ⁄ Ríä) ⋅ æ + æ Èç (3.8) ñëåäóåò: • ïðè íåèçìåííîì íàïðÿæåíèè U ïèòàíèÿ âûõîäíîé ñèãíàë Uä äàò÷èêà áóäåò çàâèñåòü ëèøü îò îòíîøåíèÿ (x / l ) è çíà÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ Ríä íàãðóçêè äàò÷èêà (ñì. ðèñ. 3.16,â, õàðàêòåðèñòèêè 1–5), ïðè ýòîì ðàáî÷àÿ çîíà äàò÷èêà ðàñïîëàãàåòñÿ â òðåóãîëüíèêå À0Á, ïðè÷åì, ÷åì ìåíüøå ñîïðîòèâëåíèå Ríä, òåì íèæå ïðîõîäèò õàðàêòåðèñòèêà âõîä – âûõîä è òåì áîëüøå îíà îòëè÷àåòñÿ îò ëèíåéíîé, ïðè Ríä = 0 õàðàêòåðèñòèêà ñëèâàåòñÿ ñ îñüþ àáñöèññ; • ïðè íåèçìåííûõ îòíîøåíèè (x / l ) è ñîïðîòèâëåíèÿ Ríä íàãðóçêè äàò÷èêà âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uä íà çàæèìàõ äàò÷èêà áóäåò ñòðîãî ïðîïîðöèîíàëüíî âõîäíîìó íàïðÿæåíèþ U. 101
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè
êî÷àñòîòíûå ïóëüñàöèè ôèëüòðóþòñÿ êîíäåíñàòîðîì C. Äàò÷èêè ïåðåìåííîãî òîêà, êàê ïðàâèëî, âêëþ÷àþò â ñåáÿ ìàëîìîùíûé ïîíèæàþùèé òðàíñôîðìàòîð, îáåñïå÷èâàþùèé ãàëüâàíè÷åñêóþ ðàçâÿçêó ñèëîâûõ öåïåé è ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ. Äëÿ äàò÷èêîâ ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ õàðàêòåðíî íàëè÷èå âûïðÿìèòåëÿ ñ åìêîñòíûì ôèëüòðîì. Åñëè âõîäíîå íàïðÿæåíèå ñèíóñîèäàëüíî, òî íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå ïðîïîðöèîíàëüíî àìïëèòóäíîìó, ñðåäíåìó è äåéñòâóþùåìó çíà÷åíèþ êîíòðîëèðóåìîãî íàïðÿæåíèÿ. Åñëè âõîäíîå íàïðÿæåíèå èñêàæàåòñÿ, òî ýòè çàâèñèìîñòè íàðóøàþòñÿ. Ïîýòîìó äëÿ íåñèíóñîèäàëüíûõ ñèãíàëîâ äàò÷èêè äåéñòâóþùèõ è ñðåäíèõ çíà÷åíèé íàïðÿæåíèé ñîäåðæàò ôóíêöèîíàëüíûå áëîêè (èíòåãðàòîðû, ïåðåìíîæèòåëè è äð.), íåîáõîäèìûå äëÿ âû÷èñëåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ çíà÷åíèé. Äðóãèì ïðèìåðîì ðåçèñòèâíîãî äàò÷èêà ïåðåìåùåíèé, òîêà è íàïðÿæåíèÿ ìîæåò ñëóæèòü äàò÷èê, ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà êîòðîãî èçîáðàæåíà íà ðèñ. 3.16,á. Íà åãî âõîä ïîñòóïàåò êîíòðîëèðóåìîå íàïðÿæåíèå U, à ñ âûõîäà ñíèìàåòñÿ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uä, ïðîïîðöèîíàëüíîå ïåðåìåùåíèþ x è âõîäíîìó íàïðÿæåíèþ U. Äëÿ äàò÷èêà òàêîãî òèïà ìîæíî çàïèñàòü r ⋅ Ríä
Uä = lä
r + Ríä
,
Ñðàâíåíèå õàðàêòåðèñòèê âõîä – âûõîä (ðèñ. 3.16,â è ðèñ. 3.16,ã) ðåçèñòèâíûõ äàò÷èêîâ ïðè ïîòåíöèîìåòðè÷åñêîì (ðèñ. 3.16,à) è ðåîñòàòíîì (ðèñ. 3.16,á) èõ âêëþ÷åíèè ïîêàçûâàåò, ÷òî ýòè õàðàêòåðèñòèêè ïî ñâîåìó âèäó î÷åíü ïîõîæè. Îíè îòðàæàþò ðîñò âûõîäíîãî ñèãíàëà ïðè óâåëè÷åíèè ïåðåìåùåíèÿ x ðàáî÷åãî ìåõàíèçìà èëè ïðè óâåëè÷åíèè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Äàò÷èê íà ãåðêîíàõ, ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà êîòîðîãî ïðèâåäeíà íà ðèñ. 3.17,a, ñëóæèò äëÿ èçìåðåíèÿ ÷àñòîòû âðàùåíèÿ è ðàáîòàåò ñëåäóþùèì îáðàçîì. Meæäó ãåðêîíîì 1 è ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì 2 âðàùàåòñÿ ïðîôèëèðîâàííûé ôåððîìàãíèòíûé äèñê 4, óêðåïëeííûé íà âàëó 3, ÷àñòîòó êîòîðîãî íåîáõîäèìî êîíòðîëèðîâàòü. Ïðè âðàùåíèè âàëà äèñê ñâîèìè ëåïåñòêàìè ïåðèîäè÷åñêè ýêðàíèðóåò ãåðêîí îò âîçäåéñòâèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà 2. Ýòî ïðèâîäèò ê öèêëè÷åñêîìó çàìûêàíèþ è ðàçìûêàíèþ êîíòàêòíûõ ñåðäå÷íèêîâ ãåðêîíà 1. Âûâîäíûå êîíöû ãåðêîíà ïîäêëþ÷åíû ê ñ÷eò÷èêó èìïóëüñîâ. Àíàëèçèðóÿ êîëè÷åñòâî èìïóëüñîâ, ïðîøåäøèõ â åäèíèöó âðåìåíè, ìîæíî ñóäèòü î ÷àñòîòå âðàùåíèÿ âàëà 3 [27, 44]. Cóùåñòâóþò äðóãèå êîíñòðóêöèè è ïðèíöèïû ïîñòðîåíèÿ äàò÷èêîâ íà ãåðêîíàõ [27, 44], íî âñå îíè îñíîâàíû íà èçìåíåíèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ â çîíå ïåðåêðûòèÿ êîíòàêòíûõ ñåðäå÷íèêîâ ãåðêîíà ïðè âàðèàöèè êîíòðîëèðóåìîé âåëè÷èíû. Èíäóêòèâíûå äàò÷èêè îñíîâàíû íà èñïîëüçîâàíèè èçìåíåíèÿ èíäóêòèâíîñòè ïîä âëèÿíèåì êîíòðîëèðóåìîé âåëè÷èíû; âûõîäíîé ñèãíàë è åãî ôàçà çàâèñÿò îò ïîëîæåíèÿ ïîäâèæíîãî ýëåìåíòà. Èíäóêòèâíûå äàò÷èêè èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èçìåðåíèÿ ïåðåìåùåíèé è óñèëèé. Ýòè äàò÷èêè ìîãóò ðàáîòàòü ëèøü ñ èñòî÷íèêàìè ïåðåìåííîãî òîêà. Ïî ýòîé ïðè÷èíå èõ ôåððîìàãíèòíûå ïîòîêîïðîâîäÿùèå ÷àñòè èçãîòîâëÿþòñÿ èç êðåìíèñòûõ ñòàëåé è, êàê ïðàâèëî, øèõòîâàííûìè. Ïî ñðàâíåíèþ ñ ðåçèñòèâíûìè äàò÷èêàìè îíè ìåíåå ÷óâñòâèòåëüíû ê êîëåáàíèÿì òåìïåðàòóðû, íî âåñüìà ÷óâñòâèòåëüíû ê ïåðåïàäàì íàïðÿæåíèÿ è ÷àñòîòû ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ, oáëàäàþò ïîâûøåííîé ðåàêöèåé.
(3.11)
ãäå r – äîïîëíèòåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå â öåïè äàò÷èêà. Åñëè ó÷åñòü, ÷òî òîê iä â öåïè äàò÷èêà ìîæíî âûðàçèòü ÷åðåç âõîäíîå íàïðÿæåíèå U è ñîïðîòèâëåíèÿ ýòîé öåïè iä =
U Rl +
r Ríä
,
r + Ríä
òî ñ ó÷åòîì ïðèíÿòûõ âûøå îáîçíà÷åíèé ðàâåíñòâî (3.11) ïðèìåò âèä: 1
Uä = 1+
1 + r ⁄ Ríä r
U.
(3.12)
γ l (1 − x ⁄ l )
Îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Uä â çàâèñèìîñòè îò îòíîøåíèÿ x / l ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ Ríä ïîêàçàíî íà ðèñ. 3.16,ã. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî ïðè ðåîñòàòíîì âêëþ÷åíèè ðåçèñòîðà, òàê æå êàê è ïðè ïîòåíöèîìåòðè÷åñêîì åãî âêëþ÷åíèè (ðèñ. 3.16,à), âûõîäíîå íàïðÿæåíèå çàâèñèò îò ñîïðîòèâëåíèÿ Ríä íàãðóçêè äàò÷èêà. Ïîñêîëüêó ýòî ñîïðîòèâëåíèå â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ çíà÷èòåëüíî áîëüøå äîïîëíèòåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ r, òî ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî äàò÷èê ðàáîòàåò íà õîëîñòîì õîäó.
Pèc. 3.17. Peçèñòèâíûé äàò÷èê îáîðîòîâ íà ãåðêîíàõ
102
§ 3.2. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå äàò÷èêè è òðåáîâàíèÿ, ïðåäúÿâëÿåìûå ê íèì
Äëÿ áîðüáû ñ óêàçàííûìè íåäîñòàòêàìè îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ ñèììåòðè÷íàÿ êîíñòðóêòèâíàÿ ñõåìà äàò÷èêà. Ìàãíèòîñòðèêöèîííûå äàò÷èêè îñíîâàíû íà èñïîëüçîâàíèè ýôôåêòà ìàãíèòîñòðèêöèè. Maãíèòíîå ïîëå, âîçäåéñòâóÿ íà ôåððîìàãíèòíûå ìàòåðèàëû, âûçûâàåò â íèõ îïðåäåëeííûå èçìåíåíèÿ (ïðÿìîé ìàãíèòîñòðèêöèîííûé ýôôåêò) [40]: • ãåîìåòðè÷åñêèå (èçìåíåíèå ëèíåéíûõ ðàçìåðîâ ñ èçìåíåíèåì îáúeìà: cæàòèå, ðàñòÿæåíèå; èçìåíåíèå ðàçìåðîâ áåç èçìåíåíèÿ îáúeìà: êðó÷åíèå, èçãèá); • ìåõàíè÷åñêèå (èçìåíåíèå ìîäóëÿ Þíãà). Haoáîðîò, ëþáûå ìåõàíè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ è èçìåíåíèÿ ðàçìåðîâ ïîä âîçäåéñòâèåì âíåøíèõ ñèë ïðèâîäÿò ê èçìåíåíèÿì êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ: çíà÷åíèé êîýðöèòèâíîé ñèëû Hc, îñòàòî÷íîé èíäóêöèè Br, èíäóêöèè íàñûùåíèÿ Bs è ôîðìû ïåòëè ãèñòåðåçèñà (îáðàòíûé ìàãíèòîñòðèêöèîííûé ýôôåêò). Ïðîÿâëåíèå îáðàòíîãî ìàãíèòîñòðèêöèîííîãî ýôôåêòà ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò çíà÷åíèÿ è çíàêà ìåõàíè÷åñêîãî íàïðÿæåíèÿ σ. Íà ïîäîáíîì ïðèíöèïå ïîñòðîåí äàò÷èê óñèëèÿ (ìåõàíè÷åñêîãî íàïðÿæåíèÿ), èñïîëüçóþùèé ïðÿìîé ìàãíèòîñòðèêöèîííûé ýôôåêò, ïðîÿâëÿþùèéñÿ â èçìåíåíèè èíäóêòèâíîñòè ñèñòåìû â ðåçóëüòàòå ìåõàíè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ. Tpaíñôîðìàòîðíûå äàò÷èêè ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ÷àñòíûé ñëó÷àé èíäóêòèâíûõ äàò÷èêîâ, oáëàäàþùèõ ðÿäîì ñïåöèôè÷åñêèõ îñîáåííîñòåé. Èìåííî ýòî ïîçâîëÿåò âûäåëèòü èõ â îñîáóþ ãðóïïó. Tpaíñôîðìàòîðíûå äàò÷èêè ñîäåðæàò äâå èëè áîëåå ïîäâèæíûõ èëè íåïîäâèæíûõ îáìîòîê, ÷àñòü èç êîòîðûõ ìîæåò áûòü êîðîòêîçàìêíóòîé. Ðàáîòà ýòèõ äàò÷èêîâ îñíîâàíà íà èçìåíåíèè ìàãíèòíîé ñâÿçè ìåæäó ïåðâè÷íîé (âõîäíîé) è âòîðè÷íûìè (âûõîäíûìè, ñèãíàëüíûìè) îáìîòêàìè, âûçâàííîì âîçäåéñòâèåì êîíòðîëèðóåìîé âåëè÷èíû. Òðàíñôîðìàòîðíûå äàò÷èêè èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èçìåðåíèÿ ìåõàíè÷åñêèõ ñèë è ïåðåìåùåíèÿ, îíè íàäeæíû â ýêñïëóàòàöèè, èìåþò çíà÷èòåëüíûé âûõîäíîé ñèãíàë, êîòîðûé áåç óñèëåíèÿ ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ â ïîñëåäóþùèõ ýëåìåíòàõ ñõåìû. Ê íåäîñòàòêàì ìîæíî îòíåñòè óâåëè÷åííûå ãàáàðèòíûå ðàçìåðû, ìàññó, èíåðöèîííîñòü è ðåàêöèþ, ÷óâñòâèòåëüíîñòü ê êîëåáàíèÿì íàïðÿæåíèÿ è ÷àñòîòû ïèòàþùåé ñåòè. Ha pèc. 3.19,à,á ïðåäñòàâëåíû cxeìû òðàíñôîðìàòîðíûõ äàò÷èêîâ ëèíåéíûõ ïåðåìåùåíèé.  ïåðâîì ñëó÷àå ïðè èçìåíåíèè ïîëîæåíèÿ ÿêîðÿ ïðîèñõîäèò ïåðåðàñïðåäåëåíèå ìàãíèòíûõ ïîòîêîâ â ñèñòåìå, ÷òî âûçûâàåò ðàçëè÷èå â íàâåäeííûõ ÝÄÑ ñèãíàëüíûõ îáìîòîê, ïîÿâëÿåòñÿ âûõîäíîé ñèãíàë, ýêâèâàëåíòíûé õîäó x ÿêîðÿ. Âî âòîðîì äàò÷èêå,
 êà÷åñòâå ïðèìåðà ðàññìîòðèì äàò÷èê ëèíåéíûõ ïåðåìåùåíèé (ðèñ. 3.18). Êîíñòðóêòèâíî îí ïîäîáåí Ï-îáðàçíîìó ýëåêòðîìàãíèòíîìó ðåëå ñ ïðÿìîõîäîâûì äâèæåíèåì ÿêîðÿ. Îáìîòêà äàò÷èêà âêëþ÷àåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíî ñ èçìåðèòåëüíûì ïðèáîðîì. B oòëè÷èå îò ðåëå îíà íå äîëæíà ñîçäàâàòü âïîëíå îïðåäåëeííóþ ÌÄÑ, îáåñïå÷èâàþùóþ ñðàáàòûâàíèå, à ñëóæèò ëèøü äëÿ ïåðåâîäà äàò÷èêà â ðàçðÿä ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ. Äëÿ ïîâûøåíèÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòè äàò÷èêà îáìîòêà âûïîëíÿåòñÿ ñ áîëüøèì ÷èñëîì âèòêîâ. Ïðè ïåðåìåùåíèè êîíòðîëèðóåìîãî óçëà ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå çàçîðà ìåæäó ìåõàíè÷åñêè ñâÿçàííûì ñ ýòèì óçëîì ÿêîðåì è ìàãíèòîïðîâîäîì (ðèñ. 3.18). Ýòî ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ òîêà â öåïè. Ecëè íå ó÷èòûâàòü âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå îáìîòêè è ïîòåðè â ñòàëè, òî ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ñâÿçü ìåæäó òîêîì i â îáìîòêå è çàçîðîì δ íîñèò ëèíåéíûé õàðàêòåð, i = i (δ). Âûõîäíîé ñèãíàë â âèäå íàïðÿæåíèÿ ìîæåò ñíèìàòüñÿ ñ ëèíåéíîãî áàëëàñòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ Z (ýòî ìîæåò áûòü ðåçèñòîð, êàòóøêà èíäóêòèâíîñòè èëè êîíäåíñàòîð; íàïðÿæåíèå íà íeì èçìåíÿåòñÿ ïðÿìîïðîïîðöèîíàëüíî òîêó â îáìîòêå) èëè ñ çàæèìîâ ñàìîé îáìîòêè. Èíîãäà íà îäíîì ìàãíèòîïðîâîäå ðàñïîëîãàþòñÿ äâå îáìîòêè ñ îäèíàêîâûìè èëè ðàçíûìè ÷èñëàìè âèòêîâ N1 è N2. Ýòî ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü íà âûõîäå äàò÷èêà íàïðÿæåíèå, íåîáõîäèìîå äëÿ ðàáîòû ïîäêëþ÷àåìîãî ê äàò÷èêó ïîñëåäóþùåãî ýëåìåíòà ñõåìû. Êðîìå òîãî, íàëè÷èå äâóõ îáìîòîê ïîçâîëÿåò ýëåêòðè÷åñêè ðàçâÿçàòü öåïü ïèòàíèÿ äàò÷èêà ñ öåïüþ åãî íàãðóçêè. Oáìîòêè N1 è N2 ïðîíèçûâàþòñÿ îäíèì è òåì æå ìàãíèòíûì ïîòîêîì Φ, èõ ìàãíèòíàÿ ñâÿçü íå ìåíÿåòñÿ ïðè ëþáûõ âàðèàöèÿõ ðàáî÷åãî çàçîðà δ, ò. e. ocòàþòñÿ íåèçìåííûìè âçàèìíàÿ èíäóêòèâíîñòü è êîýôôèöèåíò ïðèâåäåíèÿ. Ïîñêîëüêó ðàññìîòðåííûé äàò÷èê íå ÿâëÿåòñÿ èäåàëüíûì, òî åãî õàðàêòåðèñòèêà íå âñþäó ëèíåéíà (ñïëîøíàÿ ëèíèÿ íà ãðàôèêå, ðèñ. 3.18). Èç õàðàêòåðèñòèêè âèäíî, ÷òî äàò÷èê îáëàäàåò îñòàòî÷íûì ñèãíàëîì ïðè δ = 0, xapaêòåðèñòèêà íåëèíåéíà ïðè áîëüøèõ è ìàëûõ çàçîðàõ.
Pèc. 3.18. Èíäóêòèâíûé äàò÷èê ëèíåéíûõ ïåðåìåùåíèé: 1 – ìàãíèòîïðîâîä; 2 – ÿêîðü
103
Ãë. 3. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè
Pèc. 3.19. Tpaíñôopìàòîðíûå äàò÷èêè ïåðåìåùåíèÿ
êîðîòêîçàìêíóòûå âèòêè èëè ýêðàíû (ðèñ. 3.19,â), ïðè ïîìîùè êîòîðûõ óäàeòñÿ ëåãêî èçìåíÿòü ïîòîêîðàñïðåäåëåíèå â ñèñòåìå. Ecëè ýêðàí çàíèìàåò íåéòðàëüíîå ïîëîæåíèå, pacïîëàãàÿñü íà íåéòðàëüíîé ëèíèè Î-Î, òî ìàãíèòíûå ïîòîêè, ïðîíèçûâàþùèå ëåâóþ è ïðàâóþ ñèãíàëüíûå îáìîòêè, áóäóò îäèíàêîâûìè, ðàâíû ìåæäó ñîáîé è íàâåäeííûå èìè ÝÄÑ, ðåçóëüòèðóþùèé ñèãíàë ïðèìåò íóëåâîå çíà÷åíèå. Ñìåùåíèå êîðîòêîçàìêíóòîãî âèòêà â ëþáóþ ñòîðîíó ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ïîòîêîâ â ëåâîé è ïðàâîé ÷àñòÿõ äàò÷èêà (pèñ. 3.19,â), ê ïîÿâëåíèþ âûõîäíîãî ñèãíàëà. Íà ðèñóíêå ïîêàçàí äàò÷èê óãëîâûõ ïåðåìåùåíèé, íî ïî èçëîæåííîìó ïðèíöèïó ëåãêî ðåàëèçóþòñÿ è äàò÷èêè ëèíåéíûõ ïåðåìåùåíèé. Eìêîñòíûå äàò÷èêè êîíñòðóêòèâíî ïðîñòû, íàäeæíû, îáëàäàþò ìàëîé ìàññîé è ãàáàðèòíûìè ðàçìåðàìè, ìàëîé èíåðöèîííîñòüþ è âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ. Ýòè äàò÷èêè ðaáîòàþò ñ èñòî÷íèêàìè ïåðåìåííîãî òîêà; èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èçìåðåíèÿ íåáîëüøèõ ïåðåìåùåíèé, âëàæíîñòè, äàâëåíèÿ. Åìêîñòü äàò÷èêà ïðè âíåøíåì âîçäåéñòâèè ìîæåò ìåíÿòüñÿ èç-çà èçìåíåíèÿ çàçîðà ìåæäó ýëåêòðîäàìè, èõ ïëîùàäè, ìåõàíè÷åñêîé äåôîðìàöèè äèýëåêòðèêà è åãî ñâîéñòâ. Eìêîñòü äàò÷èêîâ îáû÷íî ìàëà (10...100 ïÔ), ïîýòîìó æåëàòåëüíî ðàáîòàòü íà ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ. ×óâñòâèòåëüíîñòü äàò÷èêà çàâèñèò îò êîíñòðóêöèè, cxeìû âêëþ÷åíèÿ è ïàðàìåòðîâ, oïðåäåëÿþùèõ çíà÷åíèå eìêîñòè.
ïðèìåíÿåìîì äëÿ êîíòðîëÿ áîëüøèõ ëèíåéíûõ ïåðåìåùåíèé, ñìåùåíèå ÿêîðÿ âûçûâàåò èçìåíåíèå ïóòè, ïî êîòîðîìó çàìûêàåòñÿ îñíîâíîé ìàãíèòíûé ïîòîê, coçäàííûé oáìîòêîé âîçáóæäåíèÿ Nâ (ñì. ðèñ. 3.19,á). Ýòî ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ýôôåêòèâíîãî ÷èñëà âèòêîâ ñèãíàëüíîé îáìîòêè Nc, ìàãíèòíî-ñâÿçàííûõ ñ îáìîòêîé âîçáóæäåíèÿ, à ñëåäîâàòåëüíî, è ê ýêâèâàëåíòíîìó èçìåíåíèþ âûõîäíîé ÝÄÑ. Äàò÷èê îáëàäàåò âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ è õîðîøåé ëèíåéíîñòüþ âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè. Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ ðàññìàòðèâàåìîãî òðàíñôîðìàòîðíîãî äàò÷èêà îò èíäóêòèâíîãî äàò÷èêà (ñì. ðèñ. 3.18) ÿâëÿåòñàÿ òî, ÷òî ïðè ðàáîòå òðàíñôîðìàòîðíîãî äàò÷èêà ïîñòîÿííî èçìåíÿåòñÿ ìàãíèòíàÿ ñâÿçü ìåæäó îáìîòêàìè, èçìåíÿåòñÿ êîýôôèöèåíò òðàíñôîðìàöèè ìåæäó íèìè. Ðàáîòà äàò÷èêà íå èçìåíèòñÿ, åñëè ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ ïîäâåñòè íå ê îáìîòêå âîçáóæäåíèÿ, à ê çàæèìàì äèôôåðåíöèàëüíî âêëþ÷åííûõ ñèãíàëüíûõ îáìîòîê, è íàïðÿæåíèå âûõîäíîãî ñèãíàëà ñíèìàòü ñî ñòîðîíû îáìîòêè âîçáóæäåíèÿ. Ýòî îòíîñèòñÿ êî âñåì ñõåìàì òðàíôîðìàòîðíûõ äàò÷èêîâ. Heäîñòàòêîì ðàññìîòðåííûõ äàò÷èêîâ ìîæíî ñ÷èòàòü èõ áîëüøóþ ðåàêöèþ: äëÿ ïåðåìåùåíèÿ ÿêîðÿ íåîáõîäèìî ïðèêëàäûâàòü çíà÷èòåëüíûå óñèëèÿ. Äëÿ óìåíüøåíèÿ ðåàêöèè äàò÷èêà íåîáõîäèìî ñíèæàòü ìàññó åãî ïîäâèæíûõ ÷àñòåé.  ýòèõ öåëÿõ íåðåäêî èñïîëüçóþòñÿ ìåäíûå (èëè àëþìèíèåâûå)
3.2.3. ÀÊÒÈÂÍÛÅ ÄÀÒ×ÈÊÈ
Îáùèé ïðèíöèï èõ äåéñòâèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â ñîçäàíèè âûõîäíîãî ñèãíàëà â âèäå òîêà, çàðÿäà èëè ÝÄÑ, ýêâèâàëåíòíîãî ìåõàíè÷åñêîìó, òåïëîâîìó, ìàãíèòíîìó, ñâåòîâîìó è äðóãèì âîçäåéñòâèÿì. Èíäóêöèîííûå äàò÷èêè – ýòî íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíeííûé êëàññ àêòèâíûõ äàò÷èêîâ. Îíè ìîãóò
áûòü ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî òîêà (îäíîôàçíûå è ìíîãîôàçíûå), îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ äëÿ êîíòðîëÿ ÷àñòîòû âðàùåíèÿ, óãëîâîãî óñêîðåíèÿ, óãëà ïîâîðîòà, cêîðîñòè è óñêîðåíèÿ ëèíåéíîãî ïåðåìåùåíèÿ. Ýòè äàò÷èêè ìîãóò âûäàâàòü çíà÷èòåëüíûå âûõîäíûå ñèãíàëû íàïðÿæåíèÿ è ìîùíîñòè, â øèðîêîì äèàïàçîíå èçìåíåíèÿ êîíòðîëèðóåìîé âåëè104
§ 3.2. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå äàò÷èêè è òðåáîâàíèÿ, ïðåäúÿâëÿåìûå ê íèì
Pèc. 3.20. Taxoãåíåðàòîðû: a – ïîñòîÿííîãî òîêà; á – ïåðåìåííîãî òîêà; 1 – ïîñòîÿííûé ìàãíèò; 2 – ìàãíèòîïðîâîä; 3 – poòîð
èíäóöèðóåòñÿ ïåðåìåííàÿ ÝÄÑ, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ óãëîâîé ÷àñòîòå ω. Äëÿ âûïðÿìëåíèÿ ãåíåðèðóåìîãî íàïðÿæåíèÿ â ñõåìå ðèñ. 3.20,a èñïîëüçóåòñÿ êîëëåêòîð è ùeòêè.  öåëÿõ óìåíüøåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ìåæäó ñîñåäíèìè ëàìåëÿìè èç ñåðåäèíû êàæäîé ñèãíàëüíîé îáìîòêè ñäåëàíà îòïàéêà, coeäèíeííàÿ ñ ñooòâåòñòâóþùåé êîëëåêòîðíîé ïëàñòèíîé. Cèãíàëüíûå îáìîòêè ìîãóò áûòü íå òîëüêî ñîñðåäîòî÷åííûìè, êàê íà ðèñ. 3.20, íî è ðàñïðåäåëeííûìè. Taxoãåíåðàòîðû ìîãóò êîíòðîëèðîâàòü íå òîëüêî ÷àñòîòó âðàùåíèÿ, íî è óãîë ïîâîðîòà ϕ ðàáî÷åãî ìåõàíèçìà. Äëÿ ýòîãî äàò÷èê íóæíî âðàùàòü ñ ïîñòîÿííîé ÷àñòîòîé, a íà âûõîä íåîáõîäèìî ïîäêëþ÷èòü èíòåãðèðóþùåå óñòðîéñòâî. B äàò÷èêå ïîñòîÿííîãî òîêà ìîæíî îáîéòèñü áåç íåãî: oäíó èç ùeòîê íåîáõîäèìî ìåõàíè÷åñêè ñîåäèíèòü ñ ðàáî÷èì ìåõàíèçìîì, a poòîð âðàùàòü ñ ïîñòîÿííîé ÷àñòîòîé. Òîãäà ïî ìåðå âðàùåíèÿ ðàáî÷åãî ìåõàíèçìà áóäåò èçìåíÿòüñÿ âçàèìíîå ïîëîæåíèå ùeòîê è íàïðÿæåíèå ìåæäó íèìè, ïðè÷eì íàïðÿæåíèå áóäåò èçìåíÿòüñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî óãëó ïîâîðîòà ðàáî÷åãî ìåõàíèçìà.
÷èíû èìåþò ïðàêòè÷åñêè ëèíåéíóþ õàðàêòåðèñòèêó, õîðîøî ïðîòèâîñòîÿò êðàòêîâðåìåííûì ìåõàíè÷åñêèì è ýëåêòðè÷åñêèì ïåðåãðóçêàì, ïðîñòû â îáðàùåíèè. Èíäóêöèîííûå äàò÷èêè ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû íà áàçå òðàíñôîðìàòîðíûõ äàò÷èêîâ: ecëè îäíó èç îáìîòîê, íàïðèìåð îáìîòêó âîçáóæäåíèÿ, è ìàãíèòîïðîâîä, íà êîòîðîì îíà ðàçìåùàåòñÿ, çàìåíèòü ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì. Âìåñòî ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà ìîæíî èñïîëüçîâàòü îáìîòêó (íàïðèìåð, òó æå îáìîòêó âîçáóæäåíèÿ), ïîäêëþ÷eííóþ ê èñòî÷íèêó íåèçìåííîãî ïîñòîÿííîãî òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ. Äàò÷èê ÷àñòîòû âðàùåíèÿ (òàõîãåíåðàòîð) âûäàåò íà âûõîäå íàïðÿæåíèå, ïðîïîðöèîíàëüíîå ÷àñòîòå âðàùåíèÿ ðîòîðà. Íà ðèñ. 3.20 ïîêàçàíû ïðèíöèïèàëüíûå êîíñòðóêòèâíûå ñõåìû òàõîãåíåðàòîðîâ ïîñòîÿííîãî (ðèñ. 3.20,à) è ïåðåìåííîãî (ðèñ. 3.20,á) òîêîâ. B íèõ ìàãíèòíûé ïîòîê âîçáóæäåíèÿ ñîçäàeòñÿ ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì 1. Ïðè âðàùåíèè poòîðà 3 (â äàò÷èêå íà ðèñ. 3.20,á ðîëü ðîòîðà âûïîëíÿåò âðàùàþùèéñÿ ïîñòîÿííûé ìàãíèò 1) c óãëîâîé ñêîðîñòüþ ω â ñèãíàëüíûõ îáìîòêàõ Nc
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 1. ×òî òàêîå äàò÷èê? Êàêîâî íàçíà÷åíèå äàò÷èêîâ, ãäå îíè ïðèìåíÿþòñÿ, êàê êëàññèôèöèðóþòñÿ, êàêèå ïðåäúÿâëÿþòñÿ ê íèì òðåáîâàíèÿ? 2. ×òî òàêîå êîýôôèöèåíò äåëåíèÿ ðåçèñòèâíîãî äàò÷èêà, îò ÷åãî îí çàâèñèò? 3. Êàêèå îáùèå äîñòîèíñòâà è íåäîñòàòêè ïàññèâíûõ è àêòèâíûõ äàò÷èêîâ?
4. Êàêîé êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è èìååò äàò÷èê ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ íà îñíîâå ðåçèñòèâíîãî äåëèòåëÿ (ñì. ðèñ. 3.16), åñëè R1 = 200 êÎì, R2 = 1 ÌÎì, à èçìåðÿåìîå íàïðÿæåíèå 100  è êàêóþ ìîùíîñòü îí ïîòðåáëÿåò èç ñåòè? 5. Êàê ìîæíî ïîâûñèòü àìïëèòóäó âûõîäíîãî ñèãíàëà ðåçèñòèâíûõ äàò÷èêîâ?
105
Ãëàâà ÷åòâåðòàÿ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÐÀÑÏÐÅÄÅËÈÒÅËÜÍÛÕ ÓÑÒÐÎÉÑÒ ÍÈÇÊÎÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß 4.1. ÏÐÅÄÎÕÐÀÍÈÒÅËÈ
è ïðåäîõðàíèòåëè èíåðöèîííîãî òèïà.  æèäêîìåòàëëè÷åñêîì ïðåäîõðàíèòåëå â êà÷åñòâå ïëàâêîãî ýëåìåíòà ïðèìåíÿåòñÿ æèäêèé ìåòàëë (ãàëëèé, ñïëàâ ãàëëèé/èíäèé/îëîâî è äð.), êîòîðûì çàïîëíÿåòñÿ êàíàë ðàñ÷åòíîãî ïî ðàáî÷åìó òîêó ñå÷åíèÿ â ãåðìåòèçèðîâàííîì è âàêóóìèðîâàííîì ïàòðîíå. Ïðåäîõðàíèòåëü ýëåêòðè÷åñêè (ïîñëåäîâàòåëüíî) è ìåõàíè÷åñêè ñâÿçàí ñ çàùèòíûì àïïàðàòîì, íàïðèìåð, àâòîìàòè÷åñêèì âûêëþ÷àòåëåì. Ïðè ñðàáàòûâàíèè òàêîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ ìåòàëë èç æèäêîãî ñîñòîÿíèÿ ïåðåõîäèò â ïàðîîáðàçíîå. Âîçíèêàþùåå ïðè ýòîì â ïàòðîíå äàâëåíèå ÷åðåç ñïåöèàëüíûé øòîê âîçäåéñòâóåò íà ðàñöåïèòåëü àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ, êîòîðûé è îñóùåñòâëÿåò îòêëþ÷åíèå ýëåêòðè÷åñêîé öåïè. Ñðàçó æå ïîñëå ýòîãî ïàðû ìåòàëëà âíîâü ïåðåõîäÿò â æèäêîå ñîñòîÿíèå (÷åðåç 0,5–2 ìñ) è ïðåäîõðàíèòåëü ãîòîâ ê ïîâòîðíîìó ñðàáàòûâàíèþ. Èíåðöèîííûå ïðåäîõðàíèòåëè îò îáû÷íûõ îòëè÷àþòñÿ íàëè÷èåì äâóõ âñòàâîê ðàçíîãî ñå÷åíèÿ è èñïîëíåíèÿ, êîòîðûå îáåñïå÷èâàþò çàùèòó ïîòðåáèòåëÿ (íàèáîëåå ÷àñòî – àñèíõðîííûå äâèãàòåëè) êàê ïðè çíà÷èòåëüíûõ òîêàõ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ, òàê è ïðè ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøèõ òîêàõ ïåðåãðóçêè. Ñëåäóåò ïîä÷åðêíóòü, ÷òî â íàñòîÿùåå âðåìÿ (è ñêîðåå âñåãî â îáîçðèìîì áóäóùåì ýòà òåíäåíöèÿ ñîõðàíèòñÿ ) ïðåäîõðàíèòåëü ÷àùå âñåãî ïðèìåíÿåòñÿ ëèáî êàê àïïàðàò çàùèòû îò òîêîâ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ, ëèáî êàê àïïàðàò çàùèòû îò ïðåäåëüíî áîëüøèõ òîêîâ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ ïðè ñîâìåñòíîì äåéñòâèè ñ àâòîìàòè÷åñêèì âûêëþ÷àòåëåì (ïî ñõåìå: ïðåäâêëþ÷åííûé ïðåäîõðàíèòåëü ñ àâòîìàòè÷åñêèì âûêëþ÷àòåëåì). Ðàáî÷àÿ (çàùèòíàÿ) âðåìÿòîêîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïðåäîõðàíèòåëÿ äàíà íà ðèñ. 4.1, ãäå Iíîì – íîìèíàëüíûé òîê, óêàçûâàåòñÿ íà ïëàâêîé âñòàâêå, à Iï – ïîãðàíè÷íûé òîê (òîê, ïðè êîòîðîì ïëàâêàÿ âñòàâêà ïåðåãîðàåò çà âðåìÿ íå ìåíåå îäíîãî ÷àñà), â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ïðèíèìàåòñÿ çà èñõîäíûé ïðè ðàñ÷åòàõ.  çàâèñèìîñòè îò ìàòåðèàëà âñòàâêè ïîãðàíè÷íûé òîê ìîæåò ïðåâûøàòü íîìèíàëüíûé íà 10–70 %. Ìåíüøèå çíà÷åíèÿ îòíîñÿòñÿ ê ìàòåðèàëàì ñ áîëåå ñòàáèëüíîé çàùèòíîé õàðàêòåðèñòèêîé (ìåíåå ïîäâåðæåííûì âíåøíèì àòìîñôåðíûì óñëîâèÿì è ðåæèìàì ýêñïëóàòàöèè ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ), íàïðèìåð, ñåðåáðî, áîëüøèå – ê íåñòàáèëüíûì â óêàçàííîì îòíîøåíèè ìàòåðèàëàì (íàïðèìåð, àëþìèíèé).
Ïðåäîõðàíèòåëè – ýòî ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ çàùèòû ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé îò òîêîâ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ è òîêîâ ïåðåãðóçêè. Ïðåèìóùåñòâåííî ïðåäîõðàíèòåëè èñïîëüçóþòñÿ äëÿ çàùèòû îò òîêîâ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ, à äëÿ çàùèòû îò òîêîâ ïåðåãðóçêè â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ ïðåäïî÷òåíèå îòäàåòñÿ òåïëîâûì ðåëå è àâòîìàòè÷åñêèì âûêëþ÷àòåëÿì. Îñíîâíîé ýëåìåíò ïðåäîõðàíèòåëÿ – ïëàâêàÿ âñòàâêà ïîñòîÿííîãî èëè ïåðåìåííîãî ñå÷åíèÿ, êîòîðàÿ ïðè òîêàõ ñðàáàòûâàíèÿ ñãîðàåò (ïëàâèòñÿ ñ ïîñëåäóþùèì âîçíèêíîâåíèåì è ãàøåíèåì ýëåêòðè÷åñêîé äóãè), îòêëþ÷àÿ ýëåêòðè÷åñêóþ öåïü. Ïî êîíñòðóêòèâíîìó èñïîëíåíèþ ïðåäîõðàíèòåëè óñëîâíî ìîæíî ðàçäåëèòü íà îòêðûòûå (âñòàâêà íå çàùèùåíà ïàòðîíîì èëè ðàçìåùåíà â òðóáêå, îòêðûòîé ñ òîðöîâ), çàêðûòûå (âñòàâêà ðàñïîëîæåíà â çàêðûòîì ïàòðîíå) è çàñûïíûå (âñòàâêà íàõîäèòñÿ â ïàòðîíå, ïîëíîñòüþ çàïîëíåííîì ìåëêîçåðíèñòûì íàïîëíèòåëåì, íàïðèìåð, êâàðöåâûì ïåñêîì). Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå ìàòåðèàëû ïëàâêèõ âñòàâîê – ìåäü, öèíê, àëþìèíèé, ñâèíåö è ñåðåáðî. Ìåäü ïîäâåðæåíà ñðàâíèòåëüíî èíòåíñèâíîìó îêèñëåíèþ, ÷òî ìîæåò ïðèâåñòè ê óâåëè÷åíèþ ñîïðîòèâëåíèÿ ìåäíîé âñòàâêè è, ñëåäîâàòåëüíî, ê èçìåíåíèþ çàùèòíîé õàðàêòåðèñòèêè ïðåäîõðàíèòåëÿ. Ïîýòîìó ìåäíûå âñòàâêè ïîäâåðãàþòñÿ ëóæåíèþ (ïîêðûâàþòñÿ ñëîåì îëîâà).  çàñûïíûõ ïðåäîõðàíèòåëÿõ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì íàïîëíèòåëåì ÿâëÿåòñÿ êâàðöåâûé ïåñîê ñ ñîäåðæàíèåì îêñèäà êðåìíèÿ SiO2 íå ìåíåå 99%. Íàèëó÷øèì íàïîëíèòåëåì ïî ñâîèì äóãîãàñÿùèì ñâîéñòâàì ÿâëÿåòñÿ ìåë (CaCO3), êîòîðûé ïîñëå ïåðåãîðàíèÿ âñòàâêè â îòëè÷èå îò ïåñêà íå îáðàçóåò îñòàòî÷íûõ òîêîïðîâîäÿùèõ ïóòåé è ïðèãîäåí äëÿ ìíîãîêðàòíîãî èñïîëüçîâàíèÿ. Íî ìåë çíà÷èòåëüíî äîðîæå ïåñêà è ýòî îãðàíè÷èâàåò åãî øèðîêîå ïðèìåíåíèå. Äëÿ ëó÷øåãî èñïîëüçîâàíèÿ íàïîëíèòåëÿ êàê òåïëîîòâîäÿùåé è äóãîãàñÿùåé ñðåäû â çàñûïíîì ïðåäîõðàíèòåëå îáû÷íî ðàçìåùåíû íåñêîëüêî ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ âñòàâîê, ñóììàðíîå ñå÷åíèå êîòîðûõ ýêâèâàëåíòíî ñå÷åíèþ îäíîé âñòàâêè ïðåäîõðàíèòåëÿ íà òîò æå ðàáî÷èé òîê. Ïîìèìî ïåðå÷èñëåííûõ ïðåäîõðàíèòåëåé òðàäèöèîííîãî èñïîëíåíèÿ â îñîáóþ ãðóïïó ìîæíî âûäåëèòü æèäêîìåòàëëè÷åñêèå ïðåäîõðàíèòåëè 106
§ 4.1. Ïðåäîõðàíèòåëè
øåíèÿ è, â èòîãå, óâåëè÷èâàåò îòêëþ÷àþùóþ ñïîñîáíîñòü ïðåäîõðàíèòåëÿ. Ïîãðàíè÷íûé òîê ïðåäîõðàíèòåëÿ îòêðûòîãî òèïà èëè åãî ìèíèìàëüíûé òîê ñðàáàòûâàíèÿ ðàññ÷èòûâàåòñÿ íà îñíîâå áàëàíñà ïîäâîäèìîé è îòâîäèìîé ìîùíîñòè è îöåíèâàåòñÿ ïî ñîîòíîøåíèþ: Iï =
K S (υ − υ ) √ ρ (1 + αυ ) ò îõë
0
0
ïë
ïë
,
(4.1)
ãäå Kò – êîýôôèöèåíò òåïëîïåðåäà÷è; Sîõë – ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè îõëàæäåíèÿ; υïë – òåìïåðàòóðà ïëàâëåíèÿ ìàòåðèàëà âñòàâêè; υ0 – òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû; ρ0 – óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà âñòàâêè; α – òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ñîïðîòèâëåíèÿ. Ïîãðàíè÷íûé òîê çàñûïíîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ ðàññ÷èòûâàåòñÿ:
Ðèñ. 4.1. Çàùèòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïðåäîõðàíèòåëÿ
Iï = πd
√ υ0 − υïë
2ρ0(1 +
αυïë ) 8 KòDí
Dí 1 Dâí 1 + λ ln + λ ln í ò d Dâí
, (4.2)
ãäå Dâí è Dí – âíóòðåííèé è íàðóæíûé äèàìåòðû òðóáêè; λí è λò – òåïëîïðîâîäíîñòü íàïîëíèòåëÿ è ìàòåðèàëà òðóáêè; d – äèàìåòð ïëàâêîé âñòàâêè. Ïîëíîå âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ ïðåäîõðàíèòåëÿ: tñð = t1 + t2 + t3 , Ðèñ. 4.2. Ðàçëè÷íûå âàðèàíòû èñïîëíåíèÿ ïëàâêèõ âñòàâîê: à – ïîñòîÿííîãî ñå÷åíèÿ; á – ïåðåìåííîãî ñå÷åíèÿ (ôèãóðíûå âñòàâêè) íà íàïðÿæåíèå ïðåèìóùåñòâåííî íå âûøå 220 Â; â – ïåðåìåííîãî ñå÷åíèÿ íà íàïðÿæåíèå âûøå 380 Â; ã – äëÿ ïðåäîõðàíèòåëÿ ñ íàïîëíèòåëåì
Íà ðèñ. 4.2 ïîêàçàíû ðàçëè÷íûå âàðèàíòû èñïîëíåíèÿ ïëàâêèõ âñòàâîê. Ïðèìåðû êîíñòðóêòèâíîãî èñïîëíåíèÿ ïðåäîõðàíèòåëåé çàêðûòîãî òèïà è ñ íàïîëíèòåëåì äàíû íà ðèñ. 4.3,à,á. Ôèãóðíûå ïëàâêèå âñòàâêè ïî ñðàâíåíèþ ñî âñòàâêàìè ïîñòîÿííîãî ñå÷åíèÿ èìåþò ðÿä ïðåèìóùåñòâ: ñíèæàåòñÿ óðîâåíü ïåðåíàïðÿæåíèé ïðè ñðàáàòûâàíèè ïðåäîõðàíèòåëÿ, â ìåíüøåé ñòåïåíè çàñîðÿåòñÿ âíóòðåííÿÿ ïîëîñòü ïàòðîíà ïàðàìè ìåòàëëà, óìåíüøàþòñÿ òåïëîâûå ïîòåðè è äð.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ, êîãäà òðåáóåòñÿ âûñîêàÿ îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü ïðåäîõðàíèòåëÿ, åãî ïàòðîí èçãîòîâëÿåòñÿ èç ñïåöèàëüíîãî ãàçîãåíåðèðóþùåãî ìàòåðèàëà – â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ èç ôèáðû. Ïðè ïåðåãîðàíèè âñòàâêè è ñîïðèêîñíîâåíèè ýëåêòðè÷åñêîé äóãè ñî ñòåíêàìè òàêîãî ïàòðîíà ïðîèñõîäèò èíòåíñèâíîå è îáèëüíîå ãàçîâûäåëåíèå. Ýòî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ äàâëåíèÿ âíóòðè ïàòðîíà, ÷òî, â ñâîþ î÷åðåäü, óëó÷øàåò óñëîâèÿ òåïëîïåðåäà÷è îò äóãè è óñêîðÿåò ïðîöåññ äóãîãà-
(4.3)
ãäå t1 – âðåìÿ íàãðåâà âñòàâêè îò òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû äî òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ; t2 – âðåìÿ ïëàâëåíèÿ âñòàâêè (âðåìÿ ïåðåõîäà ìàòåðèàëà âñòàâêè èç òâåðäîãî â æèäêîå ñîñòîÿíèå ïîñëå äîñòèæåíèÿ òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ); t3 – âðåìÿ ãàøåíèÿ äóãè. Ðàñ÷åò âðåìÿòîêîâîé õàðàêòåðèñòèêè îáû÷íî ïðîèçâîäèòñÿ â ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî ïðîöåññ íàãðåâà èìååò àäèàáàòíûé õàðàêòåð. Ïðàêòèêà ïîêàçûâàåò, ÷òî ýòî äîïóñòèìî ïðè òîêàõ, êîòîðûå ïðåâûøàþò íîìèíàëüíûé òîê â òðè è áîëåå ðàç. Çíà÷åíèÿ ñîñòàâëÿþùèõ ïîëíîãî âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ ïðåäîõðàíèòåëÿ îïðåäåëÿþòñÿ: t1 = A1
S
2
I
2
; t2 = A 2
S I
2
2
,
(4.4)
ãäå S – ñå÷åíèå âñòàâêè; I – òîê ñðàáàòûâàíèÿ ïðåäîõðàíèòåëÿ; A1 è A2 – ïîñòîÿííûå èíòåãðèðîâàíèÿ, êîòîðûå îïðåäåëÿþòñÿ ýëåêòðîôèçè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè ìàòåðèàëà âñòàâêè. Èõ çíà÷åíèÿ, A2⋅c ⁄ ìì4, äëÿ íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ ñëåäóþùèå: Ag – A1 = 62000; A2 = 8000; Cu – A1 = 80000; A2 = 11000; Zn – A1 = 9000; A2 = 3000; Pb – A1 = 1200; A2 = 400. 107
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 4.4. Âðåìÿòîêîâûå õàðàêòåðèñòèêè ïðåäîõðàíèòåëÿ ÏÏ-57 íà íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå 660  Ðèñ. 4.3. Ïðèìåðû êîíñòðóêòèâíîãî èñïîëíåíèÿ ïðåäîõðàíèòåëåé çàêðûòîãî òèïà (à) è ñ íàïîëíèòåëåì (á): 1 – ïëàâêèå âñòàâêè; 2 – èçîëèðóþùèé ïàòðîí (êîðïóñ); 3 – òîêîïðîâîäÿùèå äåòàëè; 4 – çàùèòíûå êîëïà÷êè; 5 – íàïîëíèòåëü
Ðèñ. 4.5. Õàðàêòåðèñòèêè äæîóëåâûõ èíòåãðàëîâ ïðåäîõðàíèòåëåé ÏÍÁ-5
Âðåìÿ ãàøåíèÿ äóãè ðàñ÷åòó íå ïîääàåòñÿ è ó÷èòûâàåòñÿ ýìïèðè÷åñêèìè êîýôôèöèåíòàìè. Ñ ó÷åòîì ýòîãî âûðàæåíèÿ ïîëíîãî âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ èìåþò âèä à) äëÿ ïðåäîõðàíèòåëÿ îòêðûòîãî òèïà: tñð = (1,2 − 1,3) (A1 +
2
A2 S ) 10− 4 3 I2
;
(4.5)
108
á) äëÿ çàñûïíîãî ïðåäîõðàíèòåëÿ: tñð = (1,7 − 2) (A1 + A2)
S
I
2 2
10− 4 .
(4.6)
Âàæíûì ïîêàçàòåëåì ïðåäîõðàíèòåëÿ ÿâëÿåòñÿ òåïëîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà – èíòåãðàë êâàäðàòà òîêà â çàäàííîì èíòåðâàëå âðåìåíè (äæîóëåâ èíòåãðàë). Ýòà õàðàêòåðèñòèêà ïîçâîëÿåò äîñòàòî÷íî òî÷íî îöåíèòü òåïëîâîå âîçäåéñòâèå ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç íåãî òîêà è â íàãëÿäíîé ôîðìå îïðåäåëèòü çàùèòíóþ ñïîñîáíîñòü ïðåäîõðàíèòåëÿ, îñîáåííî ïðè ìàëûõ âðåìåíàõ ñðàáàòûâàíèÿ. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå ñåðèè ïðåäîõðàíèòåëåé: ÏÐ-2 – íà íîìèíàëüíûå òîêè îò 15 äî 1000 À è íàïðÿæåíèå 380, 500 Â; ÏÏ (áûñòðîäåéñòâóþùèå) – íà íîìèíàëüíûå òîêè îò 30 äî 6300 À è íàïðÿæåíèå îò 150 äî 1300 Â; ÏÐÑ (ðåçüáîâûå, äëÿ ìàëîãàáàðèòíûõ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ) – íà òîêè äî 100 À è íàïðÿæåíèå äî 500 Â. Âûïóñêàþòñÿ òàêæå ïðåäîõðàíèòåëè â êîìïëåêòå ñ ðàçðÿäíèêàìè, ðóáèëüíèêàìè è âûêëþ÷àòåëÿìè – äëÿ óìåíüøåíèÿ ãàáàðèòíûõ ðàçìåðîâ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ [51].  êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñ. 4.4 ïðèâåäåíû âðåìÿòîêîâûå õàðàêòåðèñòèêè ïðåäîõðàíèòåëÿ ÏÏ-57 íà ðàçíûå íîìèíàëüíûå òîêè, à íà ðèñ. 4.5 – õàðàêòåðèñòèêè äæîóëåâûõ èíòåãðàëîâ ïðåäîõðàíèòåëåé ÏÍÁ-5.
§ 4.2. Àïïàðàòû òåïëîâîé, òåìïåðàòóðíîé è òîêîâîé çàùèòû
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. Äëÿ ÷åãî ââîäèòñÿ ïîíÿòèå ïîãðàíè÷íûé òîê”? ” 2. Ïî÷åìó ðàñ÷åò ñå÷åíèÿ ïëàâêîé âñòàâêè ïðîâîäèòñÿ ïî ïîãðàíè÷íîìó òîêó? 3. Ïî÷åìó â çàñûïíûõ ïðåäîõðàíèòåëÿõ ïðèìåíÿþòñÿ íåñêîëüêî ïàðàëëåëüíûõ ïëàâêèõ âñòàâîê? 4. Êàêîâû ïðåèìóùåñòâà ôèãóðíîé ïëàâêîé âñòàâêè ïî ñðàâíåíèþ ñ âñòàâêîé ïîñòîÿííîãî ñå÷åíèÿ?
5. Êàêèå ìàòåðèàëû ïëàâêîé âñòàâêè ïðåäïî÷òèòåëüíåå äëÿ áûñòðîäåéñòâóþùèõ ïðåäîõðàíèòåëåé? 6. Êàê âëèÿåò (ïðè âñåõ ïðî÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ) íàëè÷èå â ïðåäîõðàíèòåëå íàïîëíèòåëÿ íà âðåìÿ åãî ñðàáàòûâàíèÿ ? 7. Êàê ñîîòíîñÿòñÿ çàùèòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïðåäîõðàíèòåëÿ è íàãðóçî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà îáúåêòà.
4.2. ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÒÅÏËÎÂÎÉ, ÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÍÎÉ È ÒÎÊÎÂÎÉ ÇÀÙÈÒÛ 4.2.1. ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÒÅÏËÎÂÎÉ ÇÀÙÈÒÛ
Äëÿ çàùèòû ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé îò äëèòåëüíîãî ïðîòåêàíèÿ òîêîâ ïåðåãðóçêè, â 5–7 ðàç ïðåâûøàþùèõ íîìèíàëüíûå òîêè, øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ àïïàðàòû òåïëîâîé çàùèòû ñ òåðìîáèìåòàëëè÷åñêèìè èñïîëíèòåëüíûìè ìåõàíèçìàìè. Òåðìîáèìåòàëëè÷åñêèé ýëåìåíò ñîäåðæèò áèìåòàëëè÷åñêóþ ïëàñòèíó, ñîñòîÿùóþ èç äâóõ ìàòåðèàëîâ ñ ðàçëè÷íûìè òåìïåðàòóðíûìè êîýôôèöèåíòàìè ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ α, æåñòêî ñîåäèíåííûõ äðóã ñ äðóãîì. Åñëè îäèí êîíåö ïëàñòèíû çàêðåïëåí (ñì. ðèñ. 4.6,à), òî åå ñâîáîäíûé êîíåö èçãèáàåòñÿ â ñòîðîíó èçäåëèÿ èç ìàòåðèàëà ñ ìåíüøèì çíà÷åíèåì α, à ìàêñèìàëüíûé ïðîãèá ñîñòàâèò [51]: xmax =
3 4
(α1 − α2)
2
l Θ
δ ,
(4.7)
Ðèñ. 4.6. Áèìåòàëëè÷åñêàÿ ïëàñòèíà ñ íàãðåâàòåëüíûì ýëåìåíòîì (à) è ñïîñîáû åå ïîäîãðåâà (á)
ãäå α1– òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ òåðìîàêòèâíîãî ìàòåðèàëà (íàïðèìåð, õðîìîíèêåëåâàÿ ñòàëü), (1 íà ðèñ. 4.6,à); α2 – òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ òåðìîàêòèâíîãî ìàòåðèàëà (íàïðèìåð, èíâàð, 2 íà ðèñ. 4.6,à); l – äëèíà áèìåòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíû; Θ – ïðåâûøåíèå òåìïåðàòóðû áèìåòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíû íàä òåìïåðàòóðîé îêðóæàþùåé ñðåäû; δ – ñóììàðíàÿ òîëùèíà áèìåòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíû. Èçâåñòíû òðè ñïîñîáà ïîäîãðåâà ïëàñòèíû íàãðåâàòåëüíûì ýëåìåíòîì (3 íà ðèñ. 4.6,á): íåïîñðåäñòâåííûé, êîñâåííûé è êîìáèíèðîâàííûé. Âûáîð ñïîñîáà ïîäîãðåâà îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèåì ïðîòåêàþùåãî ïî öåïè òîêà.  íåêîòîðûõ òåïëîâûõ ðåëå (íàïðèìåð, â ðåëå ÒÐÍ-10, ÒÐÍ-25 è äð.) íàãðåâàòåëüíûå ýëåìåíòû âûïîëíÿþòñÿ ñìåííûìè, ÷òî çíà÷èòåëüíî ðàñøèðÿåò äèàïàçîí ðàáî÷èõ òîêîâ. Íà ðèñ. 4.7 ïðåäñòàâëåíû óïðîùåííûå ñõåìû áèìåòàëëè÷åñêèõ óñòðîéñòâ òåïëîâûõ ðåëå [52].
Ïðè íàãðåâå ïëàñòèíû 1 (ðèñ. 4.7,à) îíà èçãèáàåòñÿ â íàïðàâëåíèè óñèëèÿ P1 è âîçäåéñòâóÿ íà øòèôò 3 ïåðåìåùàåò ïîäâèæíîé ïðóæèííûé êîíòàêò 2 äî ðàçìûêàíèÿ ñ íåïîäâèæíûì êîíòàêòîì 4. Èçìåíÿÿ ïîëîæåíèå êîíòàêòîâ 2 è 4 ìåíÿåòñÿ óñòàâêà ðåëå ïî òîêó ñðàáàòûâàíèÿ. Ïîñëå îõëàæäåíèÿ áèìåòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíû ðåëå âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ïîëîæåíèå. Ñïîñîá ïîäîãðåâà ïëàñòèíû ðåëå ìîæåò áûòü íåïîñðåäñòâåííûé, ëèáî êîñâåííûé. Äàííîå óñòðîéñòâî èìååò ìàëîå áûñòðîäåéñòâèå, ÷òî óñòðàíÿåòñÿ â êîíñòðóêöèè, ïðåäñòàâëåííîé íà ðèñ. 4.7,á. Áèìåòàëëè÷åñêàÿ ïëàñòèíà 1 ñëóæèò çàùåëêîé, óäåðæèâàþùåé êîíòàêòû â çàìêíóòîì ñîñòîÿíèè. Ïðè íàãðåâå è èçãèáå ïëàñòèíû îíà îñâîáîæäàåò êîíòàêòû, êîòîðûå ðàçìûêàþòñÿ ïîä äåéñòâèåì ïðóæèíû 5. Âîçâðàò ïëàñòèíû â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ âðó÷íóþ. Åùå áîëüøåå áûñòðîäåéñòâèå äîñòèãàåòñÿ â êîíñòðóêöèè ðèñ. 4.7,â. Ïëàñòèí÷àòàÿ ïðóæèíà 6 óäåð109
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ
æèâàåò êîíòàêòû ðåëå â çàìêíóòîì ñîñòîÿíèè äî òåõ ïîð, ïîêà óñèëèå P1, ðàçâèâàåìîå ïëàñòèíîé, íå ñòàíåò áîëüøå óñèëèÿ P2, ðàçâèâàåìîå ïðóæèíîé. Ïðè íàãðåâå ïëàñòèíû îíà ñêà÷êîì âûãíåòñÿ ñ ñòîðîíó P1 è ðàçîìêíåò êîíòàêòû ðåëå. Âîçâðàò ñèñòåìû – àâòîìàòè÷åñêèé, ïîñëå îñòûâàíèÿ ïëàñòèíû. Ðàçíîâèäíîñòüþ ïîäîáíîé êîíñòðóêöèè ÿâëÿåòñÿ óñòðîéñòâî, ïðåäñòàâëåííîå íà ðèñ. 4.7,ã. Çäåñü îäíîâðåìåííî ïðîèñõîäÿò ñêà÷êîîáðàçíûå ïåðåìåùåíèÿ ïëàñòèíû è êîíòàêòîâ. Ñèñòåìà èìååò ñàìîâîçâðàò. Äëÿ èñêëþ÷åíèÿ âëèÿíèÿ òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû íà õàðàêòåðèñòèêè òåïëîâûõ ðåëå â íèõ ïðåäóñìîòðåíà òåðìîêîìïåíñàöèÿ â âèäå äîïîëíèòåëüíîé áèìåòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíû.  êîíñòðóêöèè ðåëå ðèñ. 4.7,ä îñóùåñòâëÿåòñÿ êîìïåíñàöèÿ ïðîãèáà ïëàñòèíû, à íà ðèñ. 4.7,å äàí âàðèàíò èñïîëíåíèÿ ïëàñòèíû ñ êîìïåíñàöèåé óñèëèÿ. Òåïëîâûå ðåëå ñ òåðìîáèìåòàëëè÷åñêèìè ïëàñòèíàìè íàøëè øèðîêîå ïðèìåíåíèå äëÿ çàùèòû ñòàòîðíîé îáìîòêè äâèãàòåëÿ îò äëèòåëüíîãî ïðîòåêàíèÿ òîêîâ ïåðåãðóçêè, êàê â ðåæèìå ïóñêà äâèãàòåëÿ, òàê è â ðåæèìå òåõíîëîãè÷åñêèõ ïåðåãðóçîê. Îíè îòíîñÿòñÿ ê àïïàðàòàì çàùèòû êîñâåííîãî äåéñòâèÿ, òàê êàê ðåàãèðóþò íå íà ïðåâûøåíèå òåìïåðàòóðû íàãðåâà çàùèùàåìîãî îáúåêòà, à íà òîê âûçûâàþùèé ýòî ïðåâûøåíèå. Îòñþäà íåäîñòàòêàìè òåïëîâûõ ðåëå ÿâëÿþòñÿ: ìàëàÿ òåðìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü ê ïðîòåêàþùèì ïî ðåëå ñâåðõòîêàì; íåðåãóëèðóåìîñòü çàùèòíîé õàðàêòåðèñòèêè; áîëüøîå âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ è ïîòåðè ýíåðãèè; áîëüøîé ðàçáðîñ â ñðàáàòûâàíèè ðåëå; íåîáõîäèìîñòü â îñòûâàíèè. Äîñòîèíñòâàìè òåïëîâûõ ðåëå ÿâëÿþòñÿ: îòíîñèòåëüíî ìàëûå ðàçìåðû, ìàññà è ñòîèìîñòü; ïðîñòîòà êîíñòðóêöèè è íàäåæíîñòü â ýêñïëóàòàöèè. Îñíîâíîé çàùèòíîé õàðàêòåðèñòèêîé ðåëå ÿâëÿåòñÿ âðåìÿòîêîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà – çàâèñèìîñòü âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå îò êðàòíîñòè òîêà â öåïè ïî îòíîøåíèþ ê íîìèíàëüíîìó òîêó (ðèñ. 4.8 äëÿ òåïëîâîãî ðåëå ÒÐÍ-10À). Õàðàêòåðèñòèêè ïðèâîäÿòñÿ äëÿ ðåëå, ðàáîòàþùåãî èç õîëîäíîãî ñîñòîÿíèÿ (îáëàñòü 1), íàïðèìåð ïðè ïóñêå äâèãàòåëÿ, è ðåëå, ðàáîòàþùåãî èç ãîðÿ÷åãî ñîñòîÿíèÿ (îáëàñòü 2), íàïðèìåð ïîñëå ïðîãðåâà ðåëå íîìèíàëüíûì òîêîì. Ñîâðåìåííûå ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè êîìïëåêòóþòñÿ òåïëîâûìè ðåëå íîâîãî ïîêîëåíèÿ. Ðåëå ñåðèè ÐÒË èìååò òðåõïîëþñíîå èñïîëíåíèå, ìåõàíèçì äëÿ óñêîðåíèÿ ñðàáàòûâàíèÿ ïðè îáðûâå ôàçû ñòàòîðíîé îáìîòêè äâèãàòåëÿ, ðåãóëÿòîð òîêà íåñðàáàòûâàíèÿ è íåñìåííûå íàãðåâàòåëüíûå ýëåìåíòû. Ðåëå ñíàáæåíî òåðìîêîìïåíñàöèåé è èìååò âûñî-
Ðèñ. 4.7. Ñõåìû áèìåòàëëè÷åñêèõ óñòðîéñòâ òåïëîâûõ ðåëå
Ðèñ. 4.8. Âðåìÿòîêîâûå õàðàêòåðèñòèêè ðåëå ÒÐÍ-1ÎÀ: 1 – çîíà âðåìÿòîêîâûõ õàðàêòåðèñòèê ïðè ñðàáàòûâàíèè ðåëå èç õîëîäíîãî ñîñòîÿíèÿ; 2 – çîíà âðåìÿòîêîâûõ õàðàêòåðèñòèê ïðè ñðàáàòûâàíèè ðåëå èç ãîðÿ÷åãî ñîñòîÿíèÿ (ïîñëå ïðîãðåâà íîìèíàëüíûì òîêîì)
110
§ 4.2. Àïïàðàòû òåïëîâîé, òåìïåðàòóðíîé è òîêîâîé çàùèòû
êîå áûñòðîäåéñòâèå, pàññ÷èòàíî íà íîìèíàëüíûå òîêè äî 200 À è ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ êîìïëåêòàöèè ïóñêàòåëåé ñåðèè ÏÌË. Ðåëå ñåðèè ÐÒÒ (äëÿ ìàã-
íèòíûõ ïóñêàòåëåé ñåðèè ÏÌÀ) èìååò àíàëîãè÷íûå õàðàêòåðèñòèêè è ðàññ÷èòàíî íà íîìèíàëüíûå òîêè äî 630 À.
4.2.2. ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÒÅÌÏÅÐÀÒÓÐÍÎÉ ÇÀÙÈÒÛ
ïóñêàõ è ðåâåðñàõ, ðåãóëèðîâêå ÷àñòîòû âðàùåíèÿ. Îäíàêî ïðè çàòîðìîæåíèè ðîòîðà èëè îáðûâå ôàçû åãî ñòàòîðíîé îáìîòêè, êîãäà ñêîðîñòü íàðàñòàíèÿ òåìïåðàòóðû äîñòèãàåò 10 °C â ñåêóíäó, âîçìîæåí ïåðåãðåâ äâèãàòåëÿ èç-çà òåïëîâîé èíåðöèè äàò÷èêîâ. Äðóãèìè íåäîñòàòêàìè àïïàðàòîâ òåìïåðàòóðíîé çàùèòû ÿâëÿþòñÿ: íå÷óâñòâèòåëüíîñòü ê òîêàì êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ è ñëîæíîñòü ìîíòàæà äàò÷èêîâ òåìïåðàòóðû. Äàò÷èêè óñòàíàâëèâàþòñÿ â ïàçàõ ñòàòîðíîé îáìîòêè èëè íà ëîáîâîé ÷àñòè äâèãàòåëÿ [51].  íàñòîÿùåå âðåìÿ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ïðèáîðû òèïîâ ÀÏÇ è ÓÂÒÇ äëÿ òåìïåðàòóðíîé çàùèòû. Ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà àïïàðàòà ïîçèñòîðíîé çàùèòû ÓÂÒÇ-1 è ñïîñîá åå ïîäñîåäèíåíèÿ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 4.10 ([51]). Óñòðîéñòâî çàùèòû ïîäêëþ÷åíî ê ñåòè ïîñðåäñòâîì ïóñêîâîé êíîïêè SB1. Åñëè òåìïåðàòóðà ñòàòîðíîé îáìîòêè äâèãàòåëÿ M íîðìàëüíàÿ (íèæå ïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ òåìïåðàòóðû äàò÷èêîâ), ýëåêòðîìàãíèòíîå ðåëå K2 ñðàáàòûâàåò è ñâîèì çàìûêàþùèì êîíòàêòîì K2.1 âêëþ÷àåò ìàãíèòíûé ïóñêàòåëü K1, êîòîðûé, â ñâîþ î÷åðåäü, âêëþ÷àåò ñèëîâóþ öåïü ñòàòîðíîé îáìîòêè äâèãàòåëÿ (êîíòàêòû K1.1) è øóíòèðóåò ïóñêîâóþ êíîïêó (êîíòàêòû K1.2). Äëÿ ïèòàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ñõåìû ÓÂÒÇ-1 èñïîëüçóåòñÿ ñòàáèëèçèðîâàííûé âûïðÿìèòåëü, ñîñòîÿùèé èç êîíäåíñàòîðà C1, ðåçèñòîðîâ R6, R7, äèîäîâ V6–V9 è ñòàáèëèòðîíà V3.
Îñíîâíûå íåäîñòàòêè, ïðèñóùèå òåïëîâûì ðåëå, îáóñëîâëåíû êîñâåííûì õàðàêòåðîì çàùèòû. Îíà ðåàãèðóåò íå íà òåìïåðàòóðó íàãðåâà îáìîòêè äâèãàòåëÿ, à íà òîê, âûçûâàþùèé ýòîò íàãðåâ. Ïîñêîëüêó ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè çàùèòíîãî ðåëå è çàùèùàåìîãî îáúåêòà ÷àñòî ñèëüíî îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà òðóäíî ñîãëàñîâàòü èõ çàùèòíûå õàðàêòåðèñòèêè. Òåìïåðàòóðíûå çàùèòíûå õàðàêòåðèñòèêè çàâèñÿò íåïîñðåäñòâåííî îò òåìïåðàòóðû íàãðåâà çàùèùàåìîãî îáúåêòà è îòíîñÿòñÿ ê çàùèòàì ïðÿìîãî äåéñòâèÿ. Äëÿ êîíòðîëÿ òåìïåðàòóðû òåëà èñïîëüçóþòñÿ òåìïåðàòóðíûå äàò÷èêè, íàïðèìåð òåðìîðåçèñòîðû è ïîçèñòîðû. Òàê êàê äàò÷èêè òåìïåðàòóðû âñòðàèâàþòñÿ â ñòàòîðíûå îáìîòêè äâèãàòåëåé, òî òàêóþ çàùèòó íàçûâàþò âñòðîåííîé òåìïåðàòóðíîé çàùèòîé [51]. Ñóùåñòâóþò áèìåòàëëè÷åñêèå êîíòàêòíûå è ïîëóïðîâîäíèêîâûå òåðìîðåçèñòîðû, ñîïðîòèâëåíèå êîòîðûõ çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå òåðìîðåçèñòîðû áûâàþò ñ îòðèöàòåëüíûì òåìïåðàòóðíûì êîýôôèöèåíòîì ñîïðîòèâëåíèÿ – òåðìèñòîðû (ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû ñîïðîòèâëåíèå óìåíüøàåòñÿ) è ñ ïîëîæèòåëüíûì òåìïåðàòóðíûì êîýôôèöèåíòîì ñîïðîòèâëåíèÿ (ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû ñîïðîòèâëåíèå ïîâûøàåòñÿ) – ïîçèñòîðû. Íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè ïîçèñòîðû, ñîïðîòèâëåíèå êîòîðûõ ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû óâåëè÷èâàåòñÿ ñêà÷êîîáðàçíî. Ïîðîãîâîå çíà÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ ñðàáàòûâàíèÿ àïïàðàòà äëÿ ðàçíûõ òèïîâ ïîçèñòîðîâ ðàçëè÷íî. Íà ðèñ. 4.9 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü ñîïðîòèâëåíèÿ ïîçèñòîðîâ îò òåìïåðàòóðû ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñîåäèíåíèè òðåõ ïîçèñòîðîâ. Ïðè ýòîì êðóòèçíà õàðàêòåðèñòèêè (÷óâñòâèòåëüíîñòü çàùèòû) âîçðàñòàåò. Ïîçèñòîðû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé äèñê äèàìåòðîì 3,5 ìì è òîëùèíîé 1 ìì, ïîêðûòûé êðåìíåîðãàíè÷åñêîé ýìàëüþ, ñîçäàþùåé íóæíóþ âëàãîñòîéêîñòü è ýëåêòðè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü èçîëÿöèè.  çàâèñèìîñòè îò êëàññà èçîëÿöèè îáìîòîê äâèãàòåëÿ ïîçèñòîðû âûáèðàþòñÿ äëÿ υñðàá = 105, 115, 130, 145 è 160 °C. Ïðè èçìåíåíèè òåìïåðàòóðû ïîçèñòîðà íà +20 °C îò íîðìàëüíîé åãî ñîïðîòèâëåíèå çà 12 ñ óâåëè÷èâàåòñÿ ïî÷òè â 3 ðàçà. Îñîáåííî ýôôåêòèâíî àïïàðàòû ïîçèñòîðíîé çàùèòû ðàáîòàþò â óñëîâèÿõ íàðóøåíèÿ îõëàæäåíèÿ ýëåêòðîäâèãàòåëÿ, à òàêæå ïðè åãî ÷àñòûõ
Ðèñ. 4.9. Çàâèñèìîñòü ñîïðîòèâëåíèÿ ïîçèñòîðîâ îò òåìïåðàòóðû ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñîåäèíåíèè òðåõ ïîçèñòîðîâ
111
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 4.10. Ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà ïîçèñòîðíîé çàùèòû ÓÂÒÇ-1 è ñïîñîá åå ïîäñîåäèíåíèÿ ê ýëåêòðîäâèãàòåëþ
÷åíèå òðàíçèñòîðà V2. Ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü, ïðèâîäèò ê âûêëþ÷åíèþ òèðèñòîðà V5 è îáåñòî÷èâàíèþ ðåëå K2. Êîíòàêòû K2.1 ðåëå îòêëþ÷àþò ïèòàíèå êàòóøêè K1 ìàãíèòíîãî ïóñêàòåëÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê ðàçìûêàíèþ åãî ñèëîâûõ êîíòàêòîâ K1.1 è îòêëþ÷åíèþ äâèãàòåëÿ. Äèîä V4 ïðåäîõðàíÿåò òèðèñòîð îò ïåðåíàïðÿæåíèé â öåïè ïðè îòêëþ÷åíèè êàòóøêè ðåëå K2. Ïîñëå îõëàæäåíèÿ äâèãàòåëÿ âîçìîæåí åãî ïîâòîðíûé çàïóñê.
Ðåëå K2 óïðàâëÿåò òèðèñòîðîì V5, â öåïü óïðàâëÿþùåãî ýëåêòðîäà êîòîðîãî âêëþ÷åí òðèããåð íà òðàíçèñòîðàõ V1 è V2. Ïîòåíöèàë áàçû òðàíçèñòîðà V2 îïðåäåëÿåò äåëèòåëü íàïðÿæåíèÿ R3–Rυ , ãäå Rυ – ñóììàðíîå ñîïðîòèâëåíèå òðåõ ïîçèñòîðîâ, ïîäêëþ÷åííûõ ê çàæèìàì 5 è 6. Òàêèì îáðàçîì, óâåëè÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ïîçèñòîðîâ, âñëåäñòâèè ðîñòà òåìïåðàòóðû íàãðåâà äâèãàòåëÿ, âûçûâàåò óâåëè÷åíèå ïîòåíöèàëà áàçû è âêëþ-
4.2.3. ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÒÎÊÎÂÎÉ ÇÀÙÈÒÛ
Ê àïïàðàòàì òîêîâîé çàùèòû îòíîñÿòñÿ âñå óñòðîéñòâà çàùèòû, êîíòðîëèðóþùèå òîê â öåïè. Ýòî ïðåäîõðàíèòåëè, àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè, ìàêñèìàëüíûå è ìèíèìàëüíûå òîêîâûå ðåëå. Ê àïïàðàòàì òîêîâîé çàùèòû ìîæíî îòíåñòè è òåïëîâûå ðåëå, êîòîðûå èç-çà ñïåöèôèêè èõ ðàáîòû è øèðîêîãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ ìîãóò áûòü âûäåëåíû â îòäåëüíûé êëàññ òåïëîâîé çàùèòû (ñì.ï. 4.2.1). Àïïàðàòû òîêîâîé çàùèòû îáû÷íî çàùèùàþò ïîòðåáèòåëåé îò ïåðåãðóçîê, íåïîëíîôàçíûõ ðåæèìîâ, à ýëåêòðè÷åñêèå öåïè îò êîðîòêèõ çàìûêàíèé. Ñðåäè àïïàðàòîâ òîêîâîé çàùèòû îñîáîå ìåñòî çàíèìàþò ìèíèìàëüíûå ðåëå òîêà è ìàêñèìàëüíûå ðåëå òîêà. Ìèíèìàëüíûå ðåëå òîêà ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ çàùèòû äâèãàòåëåé îò íåïîëíîôàçíûõ ðåæèìîâ (îá-
ðûâà ôàçû ñòàòîðíîé îáìîòêè äâèãàòåëÿ).  ïðîñòåéøåé ñõåìå èñïîëüçóþòñÿ òðè ðåëå ìèíèìàëüíîãî òîêà, âêëþ÷åííûå âî âñå ôàçû ïèòàíèÿ ýëåêòðîäâèãàòåëÿ, à çàìûêàþùèå êîíòàêòû ýòèõ ðåëå ñîåäèíåíû ïîñëåäîâàòåëüíî ñ öåïüþ óïðàâëåíèÿ ìàãíèòíîãî ïóñêàòåëÿ. Ïðè íîðìàëüíîé ðàáîòå ýëåêòðîäâèãàòåëÿ âñå òðè ðåëå ìèíèìàëüíîãî òîêà âêëþ÷åíû. Ïðè îáðûâå ëþáîé ôàçû ñîîòâåòñòâóþùèé òîê ïðåêðàùàåòñÿ è ðåëå îòêëþ÷àåòñÿ, ðàçðûâàÿ öåïü óïðàâëåíèÿ ìàãíèòíîãî ïóñêàòåëÿ. Ïðè ýòîì ýëåêòðîäâèãàòåëü îòêëþ÷àåòñÿ. Äëÿ çàùèòû ýëåêòðîäâèãàòåëåé ìîæíî ïðèìåíÿòü ðåëå ìèíèìàëüíîãî òîêà ÝÒ-521. Áîëüøèå ôóíêöèîíàëüíûå âîçìîæíîñòè çàëîæåíû â ìàêñèìàëüíîì ðåëå òîêà. Îíè ìîãóò âûïîëíÿòü ôóíêöèè çàùèòû ïîòðåáèòåëåé îò áîëüøèõ 112
§ 4.3. Êîíòàêòîðû è ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè
è îêîëî 300  .À ïåðåìåííîãî òîêà ïðè íàïðÿæåíèè äî 250 Â.  ðåëå òîêà ÐÒ-40, ñíàáæåííûõ ïðîìåæóòî÷íûì òðàíñôîðìàòîðîì è âûïðÿìèòåëüíûì ìîñòîì, ïîâûøàåòñÿ òåðìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü ê äëèòåëüíîìó ïðîòåêàíèþ áîëüøèõ òîêîâ (ðåëå ÐÒ-40/1Ä). Ðåëå ÐÒ-40/Ô ðåàãèðóåò íà îòêëîíåíèå ôîðìû êðèâîé ïåðåìåííîãî òîêà îò ñèíóñîèäàëüíîé. Ðåëå ñîäåðæèò ñïåöèàëüíûé ôèëüòð, íå ïðîïóñêàþùèé â îáìîòêó ðåëå òîê òðåòüåé è êðàòíûõ åé ãàðìîíèê. Äëÿ öåïåé óïðàâëåíèÿ è çàùèòû ýëåêòðîäâèãàòåëåé ÷àñòî ïðèìåíÿþò òîêîâûå ðåëå ïîñòîÿííîãî òîêà ÐÝÂ-300 è ðåëå ïåðåìåííîãî òîêà ÐÝÂ, ÐÝ571Ò è äð. Ìàêñèìàëüíûå ðåëå òîêà â öåïè óïðàâëåíèÿ àñèíõðîííûìè äâèãàòåëÿìè âûáèðàþòñÿ ïî íîìèíàëüíîìó òîêó êàòóøêè ðåëå, êîòîðûé äîëæåí áûòü íå ìåíüøå íîìèíàëüíîãî òîêà äâèãàòåëÿ, è ïî óñòàâêå íà òîê ñðàáàòûâàíèÿ Ióñò ðåëå. Äëÿ ðàáîòû â öåïè àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì óñòàâêà íà òîê ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå îòñòðàèâàåòñÿ îò ïóñêîâîãî òîêà äâèãàòåëÿ êàê: Ióñò ≥ (1,3 ÷ 1,5) Iï , (4.8)
ïåðåãðóçîê ïî òîêó (íàïðèìåð, äëÿ çàùèòû ýëåêòðîäâèãàòåëåé ïðèìåíÿþò ðåëå ÐÝ-570Ò, ÝÒ-522 è äð.) è çàùèòó ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé îò êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ íà çàæèìàõ ïîòðåáèòåëåé è â ñàìîé öåïè (íàïðèìåð, ðåëå ÐÒ-40, ÐÒ-80 è äð.). Ïðè íîðìàëüíîé ðàáîòå ïîòðåáèòåëÿ ìàêñèìàëüíîå ðåëå òîêà íå âêëþ÷àåòñÿ. Ïðè áîëüøîé íàãðóçêå èëè êîðîòêîì çàìûêàíèè îäíî èëè âñå ðåëå, âêëþ÷åííûå â ðàçëè÷íûå ôàçû ïèòàíèÿ, ñðàáîòàþò è ñâîèìè ðàçìûêàþùèìè êîíòàêòàìè ðàçîðâóò öåïü óïðàâëåíèÿ ìàãíèòíîãî ïóñêàòåëÿ. Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì ìàêñèìàëüíûõ ðåëå òîêà ðåëå ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îíè íå ðåàãèðóþò íà îáðûâû ôàç è èõ íåëüçÿ îòðåãóëèðîâàòü íà íåáîëüøèå ïåðåãðóçêè ïî òîêó â öåïè. Îäíèì èç ñàìûõ ðàñïðîñòðàíåííûõ ìàêñèìàëüíûõ ðåëå òîêà ÿâëÿåòñÿ ðåëå ÐÒ-40. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ è êîíñòðóêòèâíûå îñîáåííîñòè ðåëå äàíû â § 3.1.  íåì ïðåäóñìîòðåíî äâà ñïîñîáà ðåãóëèðîâêè òîêà ñðàáàòûâàíèÿ Iñðàá: èçìåíåíèåì ïðåäâàðèòåëüíîãî íàòÿæåíèÿ ïðîòèâîäåéñòâóþùåé ïðóæèíû (â 4 ðàçà) è ïåðåêëþ÷åíèåì îáìîòîê (â 2 ðàçà). Èçâåñòíî äåâÿòü òèïîèñïîëíåíèé ðåëå [53], âûïóñêàåìûõ íà íîìèíàëüíûå òîêè îò 0,2 äî 200 À. Âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå íå áîëåå 0,1 ñ ïðè òîêå, ðàâíîì 1,2 Iñðàá è íå áîëåå 0,03 ñ ïðè òîêå 3 Iñðàá. Êîýôôèöèåíò âîçâðàòà ðåëå íå íèæå 0,85 (â ðÿäå òèïîèñïîëíåíèé íå íèæå 0,7). Êîíòàêòû ðåëå âûäåðæèâàþò ìîùíîñòü êîììóòàöèîííîé öåïè îêîëî 60 Âò ïîñòîÿííîãî òîêà ïðè íàïðÿæåíèè 220 Â
à äëÿ àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñ ôàçíûì ðîòîðîì – îò íîìèíàëüíîãî òîêà Ióñò ≥ (2,25 ÷ 2,5) Iíîì.äâ .
(4.9)
Çäåñü Iíîì.äâ è Iï – ñîîòâåòñòâåííî íîìèíàëüíûé è ïóñêîâîé òîê äâèãàòåëÿ. Êîíòàêòû âûáðàííîãî òîêîâîãî ðåëå ïðîâåðÿþòñÿ íà êîììóòàöèîííóþ ñïîñîáíîñòü.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. Êàê óñòðîåíû òåïëîâûå ðåëå? 2. Êàê îáåñïå÷èâàåòñÿ ìãíîâåííîå âêëþ÷åíèå è ðàçìûêàíèå êîíòàêòîâ â òåïëîâûõ ðåëå? 3. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå íåäîñòàòêè òåïëîâûõ ðåëå.
4. ×åì îòëè÷àåòñÿ ïîçèñòîðíàÿ çàùèòà îò òåïëîâîé? 5. Êàê îñóùåñòâëÿåòñÿ çàùèòà ìàêñèìàëüíûìè ðåëå òîêà?
4.3. ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÛ È ÌÀÃÍÈÒÍÛÅ ÏÓÑÊÀÒÅËÈ 4.3.1. ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÎ ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÎÂ È ÏÓÑÊÀÒÅËÅÉ
Êîíòàêòîð – ýòî ýëåêòðè÷åñêèé àïïàðàò, ïðåäíàçíà÷åííûé äëÿ êîììóòàöèè ñèëîâûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé êàê ïðè íîìèíàëüíûõ òîêàõ, òàê è ïðè òîêàõ ïåðåãðóçêè. Íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè êîíòàêòîðû, â êîòîðûõ çàìûêàíèå è ðàçìûêàíèå êîíòàêòîâ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïðèâîäà. Êîíòàêòîðû áûâàþò ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî òîêà.
Ìàãíèòíûé ïóñêàòåëü – ýòî ýëåêòðè÷åñêèé àïïàðàò, ïðåäíàçíà÷åííûé äëÿ ïóñêà, îñòàíîâêè, ðåâåðñèðîâàíèÿ è çàùèòû ýëåêòðîäâèãàòåëåé. Åãî ïðàêòè÷åñêè åäèíñòâåííîå îòëè÷èå îò êîíòàêòîðà – íàëè÷èå óñòðîéñòâà çàùèòû (îáû÷íî – òåïëîâîå ðåëå) îò òîêîâûõ ïåðåãðóçîê. Îñíîâíûìè òåõíè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè êîíòàêòîðà ÿâëÿþòñÿ åãî ìåõàíè÷åñêàÿ è êîììóòàöèîííàÿ 113
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ
ðèÿ ïðèìåíåíèÿ”, êîòîðîå ðåãëàìåíòèðóåòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèì ñòàíäàðòîì (ñì. ãë. 6). Îñîáåííîñòè êîíñòðóêöèè êîíòàêòîðà è ïðèíöèï åãî äåéñòâèÿ ðàññìîòðèì íà ïðèìåðå êîíòàêòîðà ïîñòîÿííîãî òîêà ÊÏÂ-600 (ðèñ. 4.11) [51]. Íåïîäâèæíûé êîíòàêò 1 ìåõàíè÷åñêè è ýëåêòðè÷åñêè ñîåäèíåí ñî ñêîáîé 2 – äóãîãàñèòåëüíûì ðîãîì (íàïðàâëÿþùåé äëÿ äóãè). Ê ñêîáå 2 ïðèñîåäèíåí îäèí êîíåö äóãîãàñèòåëüíîé êàòóøêè 3, âòîðîé êîíåö êîòîðîé ñ âûâîäîì 4 çàêðåïëåí â ýëåêòðîèçîëÿöèîííîì îñíîâàíèè 5 è ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç äâóõ òîêîïîäâîäîâ êîíòàêòîðà. Îñíîâàíèå 5 æåñòêî óêðåïëåíî íà ñòàëüíîé ñêîáå 6, ÿâëÿþùåéñÿ îñíîâíîé íåñóùåé äåòàëüþ äëÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïðèâîäà è ïîäâèæíîé êîíòàêòíîé ñèñòåìû. Ïîäâèæíûé êîíòàêò 7 ìîæåò ïîâîðà÷èâàòüñÿ îòíîñèòåëüíî îïîðíîé òî÷êè 8. Âûâîä 9, ÿâëÿþùèéñÿ âòîðûì òîêîïîäâîäîì, ñîåäèíåí ñ ïîäâèæíûì êîíòàêòîì 7 ãèáêîé ñâÿçüþ 10. Ñ ïîäâèæíûì êîíòàêòîì 7 ýëåêòðè÷åñêè ñâÿçàí äðóãîé äóãîãàñèòåëüíûé ðîã 11. Êîíòàêòíîå íàæàòèå ñîçäàåòñÿ ïðóæèíîé 12, à âîçâðàòíàÿ ïðóæèíà 13 ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîâ è âîçâðàòà ïðèâîäà â èñõîäíîå ïîëîæåíèå. Ïðè ðàçìûêàíèè êîíòàêòîâ íà íèõ ïîÿâëÿåòñÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ äóãà 14, êîòîðàÿ ïîïàäàåò â ìàãíèòíîå ïîëå ìåæäó ïëàñòèíàìè 15 ìàãíèòîïðîâîäà ñèñòåìû ìàãíèòíîãî äóòüÿ, ñîçäàâàåìîãî êàòóøêîé 3 è îõâàòûâàþùåãî êàìåðó ñ îáåèõ ñòîðîí. Ïîä âîçäåéñòâèåì ýòîãî ïîëÿ äóãà ïåðåìåùàåòñÿ â êàìåðó, åå îïîðíûå òî÷êè ïåðåõîäÿò íà äóãîãàñèòåëüíûå ðîãà, äóãà ðàñòÿãèâàåòñÿ, îõëàæäàåòñÿ è ãàñíåò.  äàííîì êîíòàêòíî-äóãîãàñèòåëüíîì óñòðîéñòâå ïðèìåíåíà ñèñòåìà ïîñëåäîâàòåëüíîãî ìàãíèòíîãî äóòüÿ. Ýëåêòðîìàãíèòíûé ïðèâîä êîíòàêòîðà âêëþ÷àåò â ñåáÿ îáìîòêó 20 ñ ìàãíèòîïðîâîäîì è ÿêîðü 17. Ïîñëåäíèé ìîæåò ïîâîðà÷èâàòüñÿ íà ïðèçìå 19, ïðèæèìàåìûé ê ñêîáå 18 ïðóæèíîé 16. Ïðè ïîäà÷å íàïðÿæåíèÿ íà êàòóøêó 20 ÿêîðü 17, ïðåîäîëåâàÿ ïðîòèâîäåéñòâèå âîçâðàòíîé ïðóæèíû 13, íà÷èíàåò ïðèòÿãèâàòüñÿ ê ìàãíèòîïðîâîäó. Ïðè îïðåäåëåííîì çàçîðå ìåæäó ÿêîðåì è ìàãíèòîïðîâîäîì ïðîèñõîäèò ñîïðèêîñíîâåíèå êîíòàêòîâ 7 è 4. Äàëüíåéøåå ñáëèæåíèå ÿêîðÿ è ìàãíèòîïðîâîäà âëå÷åò çà ñîáîé ïîâîðîò êîíòàêòà 7 îòíîñèòåëüíî îïîðíîé òî÷êè 8 (â íàïðàâëåíèè ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå) è ñæàòèå êîíòàêòíîé ïðóæèíû 12. Ýòèì îáåñïå÷èâàåòñÿ ñîçäàíèå òàê íàçûâàåìîãî ïðîâàëà êîíòàêòîâ – ðàññòîÿíèÿ, íà êîòîðîå ïåðåìåñòèëñÿ áû ïîäâèæíûé êîíòàêò (ïðè óæå ïîëíîñòüþ çàìêíóòûõ êîíòàêòàõ è âêëþ÷åííîì ýëåêòðîìàãíèòå), åñëè óáðàòü íåïîäâèæíûé. Íàëè÷èå ïðîâàëà êîíòàêòîâ îáåñïå÷èâàåò êîíòàêòîðó çàäàííóþ êîììóòàöèîííóþ èçíîñîñòîéêîñòü.
èçíîñîñòîéêîñòü, íîìèíàëüíûé òîê ãëàâíûõ êîíòàêòîâ, ïðåäåëüíûé îòêëþ÷àåìûé òîê, íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå îòêëþ÷àåìîé öåïè, äîïóñòèìîå ÷èñëî âêëþ÷åíèé â ÷àñ è ñîáñòâåííîå âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ. Ïîä ìåõàíè÷åñêîé èçíîñîñòîéêîñòüþ ïîíèìàåòñÿ ÷èñëî öèêëîâ âêëþ÷åíèåîòêëþ÷åíèå (áåç òîêîâîé íàãðóçêè) áåç êàêîé-ëèáî çàìåíû åãî ýëåìåíòîâ è óçëîâ.  ñîâðåìåííûõ êîíòàêòîðàõ ìåõàíè÷åñêàÿ èçíîñîñòîéêîñòü äîñòèãàåò 10–20 ìëí. îïåðàöèé [51]. Êðîìå ïàðàìåòðîâ, êîòîðûå ïî ñâîåé î÷åâèäíîñòè íå òðåáóþò ñïåöèàëüíîãî ïîÿñíåíèÿ, îòìåòèì ñëåäóþùèå. Êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü îïðåäåëÿåòñÿ èçíîñîì êîíòàêòîâ ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîé äóãè ïðè êîììóòàöèè öåïè ñ òîêîì è õàðàêòåðèçóåòñÿ òàêèì ÷èñëîì îïåðàöèé âêëþ÷åíèå-îòêëþ÷åíèå, ïîñëå êîòîðîãî íåîáõîäèìà çàìåíà êîíòàêòîâ (îáû÷íî ïîñëå 3–5 ìëí. ñðàáàòûâàíèé). Íî â ëó÷øèõ êîíòàêòîðàõ êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü ìàëî îòëè÷àåòñÿ îò ìåõàíè÷åñêîé. Ñîáñòâåííîå âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ – âðåìÿ îò ìîìåíòà ïîäà÷è íàïðÿæåíèÿ íà ýëåêòðîìàãíèòíûé ïðèâîä äî ìîìåíòà íà÷àëà òðîãàíèÿ ÿêîðÿ ýëåêòðîìàãíèòà. Ñîáñòâåííîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ – âðåìÿ îò ìîìåíòà îáåñòî÷èâàíèÿ ýëåêòðîìàãíèòà äî ìîìåíòà ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîâ. Äëÿ ëó÷øåãî èñïîëüçîâàíèÿ àïïàðàòîâ â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ ðàáîòû ïðèìåíèòåëüíî ê çàäàííûì óñëîâèÿì ýêñïëóàòàöèè ââåäåíî ïîíÿòèå êàòåãî”
Ðèñ. 4.11. Êîíòàêòîð ïîñòîÿííîãî òîêà ñåðèè ÊÏÂ
114
§ 4.3. Êîíòàêòîðû è ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè
Íà ðèñ. 4.13 ïîêàçàí ðàçðåç ïî êîíòàêòíîé ñèñòåìå è îáùèé âèä îäíîãî ïîëþñà êîíòàêòîðà ïåðåìåííîãî òîêà ÊÒ-6000 [51]. Ïîäâèæíûé êîíòàêò 1 ñ ïðóæèíîé 2 óêðåïëåí íà ðû÷àãå 3. Ïîäâèæíûé êîíòàêò 1 (íà îáùåì âèäå – òðè ïîäâèæíûõ êîíòàêòà 1) è ÿêîðü 4 ïðèâîäà ýëåêòðîìàãíèòà ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé âàëîì 6. Îòêëþ÷åíèå êîíòàêòîðà ïðîèñõîäèò ïîä äåéñòâèåì êîíòàêòíûõ ïðóæèí è ìàññû ïîäâèæíûõ ÷àñòåé. Äëÿ óäîáñòâà ýêñïëóàòàöèè ïîäâèæíûå è íåïîäâèæíûå êîíòàêòû âûïîëíåíû ëåãêî ñìåíÿåìûìè. Êîíòàêòíàÿ ïðóæèíà 2, òàê æå êàê è â êîíòàêòîðàõ ïîñòîÿííîãî òîêà, èìååò ïðåäâàðèòåëüíîå íàæàòèå, íà 30–50% ìåíüøå êîíå÷íîãî êîíòàêòíîãî íàæàòèÿ. Âñå äåòàëè àïïàðàòà óêðåïëåíû íà èçîëÿöèîííîé ðåéêå 5. Ðû÷àã 3 ïîäâèæíîãî êîíòàêòà 1 óêðåïëåí íà âàëó 6, ïîêðûòîì èçîëÿöèîííûì ìàòåðèàëîì. Âàë âðàùàåòñÿ â ïîäøèïíèêàõ 7. Ñèñòåìà äóãîãàøåíèÿ ñîñòîèò èç ïîñëåäîâàòåëüíîé êàòóøêè 8, ìàãíèòîïðîâîäà 9, ïîëþñíûõ ïëàñòèí 10 è äóãîãàñèòåëüíîé êàìåðû 11. Îáìîòêà 8 âêëþ÷åíà â öåïü ïîñëåäîâàòåëüíî ñ íåïîäâèæíûì êîíòàêòîì 12 è ïîäâèæíûì êîíòàêòîì 1. Ãëàâíûå êîíòàêòû ïîäêëþ÷àþòñÿ ê âíåøíåé ýëåêòðè÷åñêîé öåïè âûâîäàìè 13 è 14. Ïîäâèæíûé êîíòàêò 1 ñîåäèíÿåòñÿ ñ âûâîäîì 13 ïðè ïîìîùè ãèáêîé ñâÿçè 15. Áëîê âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ 16 ïðèâîäèòñÿ â äåéñòâèå âàëîì 6. Êðåïëåíèå âñåõ äåòàëåé íà ðåéêå ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü êîíòàêòîð â êîìïëåêòíûõ ñòàíöèÿõ ðåå÷íîé êîíñòðóêöèè è ñîêðàòèòü îáúåì è ìàññó ñòàíöèè óïðàâëåíèÿ. Äîïóñòèìîå ÷èñëî âêëþ÷åíèé êîíòàêòîðà äîñòèãàåò 1200 â ÷., êîììóòèðóåìûé òîê – äî 1000 À, íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå – 380 è 660 Â.
Ðàáîòó êîíòàêòîðà ìîæíî îöåíèâàòü äâóìÿ çàâèñèìîñòÿìè: ñóììàðíîé õàðàêòåðèñòèêîé ïðîòèâîäåéñòâóþùèõ óñèëèé (îò âîçâðàòíîé è êîíòàêòíîé ïðóæèí) è òÿãîâîé õàðàêòåðèñòèêîé ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïðèâîäà (ðèñ. 4.12). Äëÿ ñîõðàíåíèÿ ðàáîòîñïîñîáíîñòè êîíòàêòîðà äîëæíî ñîáëþäàòüñÿ óñëîâèå: òÿãîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà 1 ýëåêòðîìàãíèòà äîëæíà âî âñåõ òî÷êàõ èäòè âûøå õàðàêòåðèñòèêè 2 ïðîòèâîäåéñòâóþùèõ óñèëèé ïðè ìèíèìàëüíî äîïóñòèìîì íàïðÿæåíèè íà êàòóøêå (15 %-å ïîíèæåíèå íàïðÿæåíèÿ ïî îòíîøåíèþ ê íîìèíàëüíîìó). Ïî ãîðèçîíòàëüíîé îñè ïðèíÿòî îòêëàäûâàòü çíà÷åíèå çàçîðà ìåæäó ÿêîðåì è ìàãíèòîïðîâîäîì, ïî âåðòèêàëüíîé – ïðèâåäåííûå ê ýòîìó çàçîðó òÿãîâûå è ïðîòèâîäåéñòâóþùèå óñèëèÿ. Íà ãðàôèêå îáîçíà÷åíû: òî÷êà à – ìîìåíò ñîïðèêîñíîâåíèÿ êîíòàêòîâ; ÷àñòü õàðàêòåðèñòèêè ìåæäó òî÷êàìè á–â – ïðîâàë êîíòàêòîâ; â–ã – ðàñòâîð ìåæäó êîíòàêòàìè (çàçîð ìåæäó ÿêîðåì è ñåðäå÷íèêîì); à–â – ïðåäâàðèòåëüíîå ñæàòèå êîíòàêòíîé ïðóæèíû (îíî íåîáõîäèìî äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ñâàðèâàíèÿ è âèáðàöèè êîíòàêòîâ ïðè âêëþ÷åíèè òîêîâîé íàãðóçêè).
Ðèñ. 4.12. Òÿãîâàÿ è ïðîòèâîäåéñòâóþùèå õàðàêòåðèñòèêè êîíòàêòîðà
Ðèñ. 4.13. Êîíòàêòîð ïåðåìåííîãî òîêà ÊÒ-6000
115
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ 4.3.2. ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÈ ÎÒÄÅËÜÍÛÕ ÓÇËÎÂ È ÏÎÐßÄÎÊ ÐÀÑ×ÅÒÀ ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÀ
Ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ìàãíèòíîì äóòüå (ðèñ. 4.14,â) îáìîòêà 7 âêëþ÷àåòñÿ â öåïü êîììóòèðóåìîãî òîêà, à ïðè ïàðàëëåëüíîì (ðèñ. 4.14,ã) äóòüå îáìîòêà 8 âêëþ÷àåòñÿ íà ïîëíîå íàïðÿæåíèå. Êàòóøêà ïîñëåäîâàòåëüíîãî ìàãíèòíîãî äóòüÿ îáû÷íî èìååò îò äâóõ äî äåñÿòè âèòêîâ è âûïîëíÿåòñÿ â âèäå íàìàòûâàåìîé íà ðåáðî øèíû ïðÿìîóãîëüíîãî ñå÷åíèÿ (áåç èçîëÿöèè) ñ âîçäóøíûìè ïðîìåæóòêàìè ìåæäó âèòêàìè. Îáìîòêà ïàðàëëåëüíîãî ìàãíèòíîãî äóòüÿ íàìàòûâàåòñÿ íà ìàãíèòîïðîâîä ñî çíà÷èòåëüíûì ÷èñëîì âèòêîâ ïðîâîäíèêîì ñ èçîëÿöèåé, ðàññ÷èòàííîé íà íàïðÿæåíèå ñåòè.  îáîèõ èñïîëíåíèÿõ âçàèìîäåéñòâèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ òîêîì äóãè äîëæíî ïðèâîäèòü ê ïîÿâëåíèþ óñèëèÿ, ïåðåìåùàþùåãî äóãó â êàìåðó. Âûïîëíåíèå ýòîãî óñëîâèÿ ìîæíî ïðîâåðèòü, íàïðèìåð, ïðàâèëîì ëåâîé ðóêè: åñëè ðàñïîëîæèòü â çîíå ãîðåíèÿ äóãè ëàäîíü ñ âûòÿíóòûìè ïàëüöàìè è îòîãíóòûì â ïëîñêîñòè ëàäîíè ïîä ïðÿìûì óãëîì áîëüøèì ïàëüöåì òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ïàëüöû ðàñïîëàãàëèñü ïî íàïðàâëåíèþ òîêà â äóãå, à ìàãíèòíûé ïîòîê îò ñèñòåìû ìàãíèòíîãî äóòüÿ âõîäèë” ” â ëàäîíü, òî áîëüøîé ïàëåö ïîêàæåò íàïðàâëåíèå ïåðåìåùåíèÿ ñòîëáà äóãè. Åñëè ïðåäñòàâèòü äóãó êàê ïðîâîäíèê ñ òîêîì i, ïîìåùåííûé â ìàãíèòíîå ïîëå ñ èíäóêöèåé B, òî ñèëà ïåðåìåùåíèÿ, âîçäåéñòâóþùàÿ íà äóãó, îïðåäåëÿåòñÿ êàê [50] P = Bil sinΨ , (4.10)
Ïîñêîëüêó âàæíåéøèì óçëîì êîíòàêòîðà ÿâëÿåòñÿ êîíòàêòíî-äóãîãàñèòåëüíîå óñòðîéñòâî, ðàññìîòðèì îñîáåííîñòè åãî êîíñòðóêöèè áîëåå ïîäðîáíî. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå âàðèàíòû èñïîëíåíèÿ äóãîãàñèòåëüíûõ óñòðîéñòâ êîíòàêòîðîâ â óïðîùåííîì âèäå ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 4.14. Äëÿ ãàøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè ïðè ðàçìûêàíèè êîíòàêòîâ ïðèìåíÿþòñÿ ðàçëè÷íûå ñèñòåìû, êðàòêîå îïèñàíèå êîòîðûõ äàíî â § 1.3. Íî íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè ÿâëÿþòñÿ ùåëåâûå êàìåðû ñ ìàãíèòíûì äóòüåì. Ðàçëè÷àþò ñèñòåìû ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì è ïàðàëëåëüíûì ìàãíèòíûì äóòüåì. Íà ðèñ. 4.14,à,á ïîêàçàí ýñêèç äóãîãàñèòåëüíîãî óñòðîéñòâà ñ ñèñòåìîé ïîñëåäîâàòåëüíîãî ìàãíèòíîãî äóòüÿ, íà ðèñ. 4.14,â – åãî ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà â ñîâîêóïíîñòè ñ êîììóòèðóåìîé öåïüþ. Íà ðèñ. 4.14,ã äàíà ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà êîììóòèðóåìîé öåïè ñ êîíòàêòîðîì, èìåþùèì äóãîãàñèòåëüíîå óñòðîéñòâî ñ ñèñòåìîé ïàðàëëåëüíîãî ìàãíèòíîãî äóòüÿ.  óñòðîéñòâàõ äóãîãàøåíèÿ ñ ìàãíèòíûì äóòüåì îáìîòêà 1 ðàçìåùàåòñÿ íà ñåðäå÷íèêå 2, êîòîðûé âìåñòå ñ äâóìÿ ïëàñòèíàìè 3 îáðàçóåò ìàãíèòîïðîâîä, îõâàòûâàþùèé êàìåðó 4 ñ îáåèõ ñòîðîí è îáåñïå÷èâàþùèé ïîäâåäåíèå ìàãíèòíîãî ïîòîêà â çîíó ãîðåíèÿ äóãè ìåæäó êîíòàêòàìè 5. Ïðè âçàèìîäåéñòâèè ìàãíèòíîãî ïîòîêà ñ òîêîì äóãè ïîñëåäíÿÿ ïåðåìåùàåòñÿ ïî êîíòàêòàì, ïåðåõîäèò íà äóãîãàñèòåëüíûå ðîãà 6, çíà÷èòåëüíî óäëèíÿåòñÿ, ïîïàäàåò â ùåëåâóþ ÷àñòü êàìåðû è ãàñíåò. Ãàøåíèå äóãè ïðîèñõîäèò, òàêèì îáðàçîì, èç-çà èíòåíñèâíîãî îõëàæäåíèÿ è áûñòðîãî óâåëè÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ ñòîëáà äóãè.
ãäå l – äëèíà ïðîâîäíèêà; Ψ – óãîë ìåæäó âåêòîðîì èíäóêöèè è âåêòîðîì òîêà.
Ðèñ. 4.14. Êîíòàêòíî-äóãîãàñèòåëüíîå óñòðîéñòâî ñ ñèñòåìîé ìàãíèòíîãî äóòüÿ
116
§ 4.3. Êîíòàêòîðû è ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè
Åñëè ó÷åñòü, ÷òî â ñèñòåìàõ ìàãíèòíîãî äóòüÿ óãîë Ψ = 90 °C è èíäóêöèÿ B = µ0H, òî (4.10) ïðåîáðàçóåòñÿ ê âèäó: P = µ0Hil , (4.11)
äóãè óìåíüøàåòñÿ è ïîýòîìó öåëåñîîáðàçíîñòü ïðèìåíåíèÿ èìåííî òàêîãî óñòðîéñòâà ïðè êîììóòàöèè áîëüøèõ òîêîâ î÷åâèäíà. Êðîìå îïèñàííûõ ñèñòåì ìàãíèòíîãî äóòüÿ íàõîäÿò òàêæå ïðèìåíåíèå äóãîãàñèòåëüíûå óñòðîéñòâà ñ ïîñòîÿííûìè ìàãíèòàìè, êîòîðûå ïî ïðèíöèïó äåéñòâèÿ àíàëîãè÷íû ñèñòåìàì ñ ïàðàëëåëüíûì äóòüåì. Âàæíóþ ðîëü â äóãîãàøåíèè èãðàþò êàìåðû, êîòîðûå ìîãóò áûòü ùåëåâûìè (ðàçíîé êîíôèãóðàöèè), ñ äåèîííûìè ìåòàëëè÷åñêèìè ïëàñòèíàìè (äóãîãàñèòåëüíîé ðåøåòêîé) è êîìáèíèðîâàííûìè.  êàìåðå ñ ðåøåòêîé äóãà ïðè ãîðåíèè ðàçäåëÿåòñÿ ïëàñòèíàìè íà ðÿä áîëåå êîðîòêèõ äóã, èíòåíñèâíî îõëàæäàåòñÿ è áûñòðî ãàñèòñÿ. Ïðè ðàñ÷åòå êîíòàêòîðà îáû÷íî çàäàíû íîìèíàëüíûé òîê Iíîì, ïðåäåëüíûé îòêëþ÷àåìûé òîê Iïð, íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå Uíîì, êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü, îòíîñèòåëüíàÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü âêëþ÷åíèÿ è ÷àñòîòà êîììóòàöèîííûõ îïåðàöèé â ÷àñ. Ïðèìåðíûé ïîðÿäîê ðàñ÷åòà ïàðàìåòðîâ êîíòàêòîðà ïî ðåêîìåíäàöèÿì ïðîô. Òàåâà È.Ñ. ñâîäèòñÿ ê ñëåäóþùèì ýòàïàì. 1. Îïðåäåëÿåòñÿ ïëîùàäü ñå÷åíèÿ òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé àïïàðàòà ïðè íîìèíàëüíîì è ïðåäåëüíûõ òîêàõ (â êðàòêîâðåìåííîì ðåæèìå). Ïðè ýòîì òåìïåðàòóðà íàãðåâà òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé íå äîëæíà ïðåâûøàòü (â ñîîòâåòñòâóþùåì ðåæèìå) äîïóñòèìóþ òåìïåðàòóðó äëÿ ïðèìåíÿåìîé â àïïàðàòå èçîëÿöèè. 2. Ðàññ÷èòûâàåòñÿ ñèëà êîíòàêòíîãî íàæàòèÿ: à) â ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå íîìèíàëüíîãî òîêà (êðèòåðèé – äîïóñòèìàÿ òåìïåðàòóðà íàãðåâà êîíòàêòíîãî ìàòåðèàëà â òî÷êàõ êîíòàêòèðîâàíèÿ); á) â êðàòêîâðåìåííîì ðåæèìå ïðè êîììóòàöèè ïðåäåëüíîãî òîêà. Âîçíèêàþùèå ïðè ýòîì ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå ñèëû îòòàëêèâàíèÿ â êîíòàêòàõ íå äîëæíû ïðèâîäèòü ê ðàñõîæäåíèþ è ïðèâàðèâàíèþ êîíòàêòîâ;
ãäå µ0 – ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü (â äàííîì ïðèìåðå äëÿ âîçäóõà µ0 = 4π10−7Ãí/ì). Åñëè ïðèíÿòü äîïóùåíèå î òîì, ÷òî ìàãíèòîïðîâîä ñèñòåìû ìàãíèòíîãî äóòüÿ â ïðîöåññå ðàáîòû íå íàñûùàåòñÿ, òî íàïðÿæåííîñòü ìàãíèòíîãî ïîëÿ â çîíå ãîðåíèÿ äóãè H=
iN ∆
,
(4.12)
ãäå N – ÷èñëî âèòêîâ êàòóøêè ìàãíèòíîãî äóòüÿ; i – òîê â êàòóøêå; ∆ – ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè ìàãíèòîïðîâîäà â çîíå ïåðåìåùåíèÿ äóãè (ñì. ðèñ. 4.14). Äàëåå íåîáõîäèìî ó÷åñòü, ÷òî ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì äóòüå òîê â êàòóøêå ðàâåí êîììóòèðóåìîìó òîêó, à ïðè ïàðàëëåëüíîì äóòüå îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì i=
U Rê
,
(4.13)
ãäå U – íàïðÿæåíèå ñåòè; Rê – ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå îáìîòêè. Òîãäà ñèëà âîçäåéñòâèÿ íà äóãó: ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì äóòüå P1 = µ0Ni2l ⁄ ∆ ; ïðè ïàðàëëåëüíîì äóòüå P2 = µ0UNil ⁄Rê∆ .
(4.14) (4.15)
Î÷åâèäíî, ÷òî ïðè èñïîëüçîâàíèè ñèñòåìû ïîñëåäîâàòåëüíîãî ìàãíèòíîãî äóòüÿ íàïðàâëåíèå ïåðåìåùåíèÿ äóãè íå çàâèñèò îò íàïðàâëåíèÿ (ïîëÿðíîñòè) êîììóòèðóåìîãî òîêà è äóãîãàñèòåëüíîå óñòðîéñòâî ìîæåò ïðèìåíÿòüñÿ êàê â öåïè ïîñòîÿííîãî, òàê è â öåïè ïåðåìåííîãî òîêà. Èñïîëüçîâàíèå ñèñòåìû ïàðàëëåëüíîãî ìàãíèòíîãî äóòüÿ öåëåñîîáðàçíî â öåïÿõ ïîñòîÿííîãî òîêà ïðè ñîáëþäåíèè ïðàâèëüíîé ïîëÿðíîñòè âêëþ÷åíèÿ êàòóøêè. Íà ðèñ. 4.15 [50] äëÿ ñðàâíåíèÿ ïðèâåäåíû çàâèñèìîñòè ñèëû ïîñëåäîâàòåëüíîãî P1 è ïàðàëëåëüíîãî P2 ìàãíèòíîãî äóòüÿ, à òàêæå ñîîòâåòñòâóþùèå ýòèì ñèëàì âðåìåíà äóãè îò îòêëþ÷àåìîãî òîêà. Ýòè çàâèñèìîñòè ïîêàçûâàþò, ÷òî â îáùåì ñëó÷àå ïðè îòêëþ÷åíèè ìàëûõ òîêîâ ïàðàëëåëüíîå äóòüå áîëåå ýôôåêòèâíî è âðåìÿ äóã è ìåíüøå ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì äóòüåì. Ïðè óâåëè÷åíèè îòêëþ÷àåìîãî òîêà â äóãîãàñèòåëüíîì óñòðîéñòâå ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì äóòüåì ñèëà äóòüÿ áûñòðî âîçðàñòàåò (ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòó òîêà), âðåìÿ
Ðèñ. 4.15. Çàâèñèìîñòè ñèëû ìàãíèòíîãî äóòüÿ è âðåìåíè äóãè îò îòêëþ÷àåìîãî òîêà
117
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ
6. Îïðåäåëÿåòñÿ âðåìÿ äóãè, ïåðåíàïðÿæåíèå è êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü (§ 2.1 è [50]); ïî êîììóòàöèîííîé èçíîñîñòîéêîñòè îïðåäåëÿåòñÿ ëèíåéíûé èçíîñ êîíòàêòîâ, à ïî íåìó – ïðîâàë êîíòàêòîâ, êîòîðûé äîëæåí áûòü ïðèìåðíî â 2,5 ðàçà âûøå ëèíåéíîãî èçíîñà. 7. Ñòðîèòñÿ õàðàêòåðèñòèêà ïðîòèâîäåéñòâóþùèõ óñèëèé è ðàññ÷èòûâàåòñÿ òÿãîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà ýëåêòðîìàãíèòà (ñ ó÷åòîì ðåêîìåíäàöèé ê ðèñ. 4.12); îïðåäåëÿþòñÿ ïàðàìåòðû ýëåêòðîìàãíèòà. 8. Ïðè íåîáõîäèìîñòè îöåíèâàåòñÿ âèáðàöèÿ êîíòàêòîâ, ðàññ÷èòûâàåòñÿ âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ êîíòàêòîðà è åãî êîýôôèöèåíò âîçâðàòà [50].
Ðàñ÷åòíàÿ ñèëà êîíòàêòíîãî íàæàòèÿ äîëæíà áûòü ðàâíà íàèáîëüøåìó èç ïîëó÷åííûõ â ïï. à) è á) çíà÷åíèé. 3. Îïðåäåëÿåòñÿ ðàñòâîð êîíòàêòîâ èñõîäÿ èç óñëîâèé ãàøåíèÿ äóãè ïðè ìàëûõ òîêàõ, êîãäà âðåìÿ äóãè íàèáîëüøåå (ñì. ðèñ. 4.15). 4. Ðàññ÷èòûâàþòñÿ ïàðàìåòðû äóãîãàñèòåëüíîãî óñòðîéñòâà, êîòîðîå îáåñïå÷èâàëî áû íàäåæíîå ãàøåíèå äóãè çà âðåìÿ íå áîëåå 0,1 c – ïðè ïîñòîÿííîì òîêå è íå áîëåå 0,04 ñ – ïðè ïåðåìåííîì. Ðàñ÷åòíûå óñëîâèÿ ãàøåíèÿ äóãè è îñíîâíûå êðèòåðèè óñïåøíîé êîììóòàöèè èçëîæåíû â § 2.1. 5. Ðàññ÷èòûâàåòñÿ íåîáõîäèìàÿ íàðóæíàÿ ïîâåðõíîñòü äóãîãàñèòåëüíîé êàìåðû èç óñëîâèé åå äîïóñòèìîãî íàãðåâà [50].
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû âîäåéñòâóþùèì õàðàêòåðèñòèêàì êîíòàêòîðà èëè ïóñêàòåëÿ? 6. Îáúÿñíèòå îñíîâíûå ðàçëè÷èÿ ìåæäó ñèñòåìàìè ïîñëåäîâàòåëüíîãî è ïàðàëëåëüíîãî ìàãíèòíîãî äóòüÿ. 7. Êàêèì îáðàçîì â ìàãíèòíîì ïóñêàòåëå îñóùåñòâëÿåòñÿ çàùèòà îò òîêîâ ïåðåãðóçêè? 8. Êàê îïðåäåëèòü íàïðàâëåíèå ïåðåìåùåíèÿ äóãè â äóãîãàñèòåëüíîì óñòðîéñòâå ïðè ïðèìåíåíèè ìàãíèòíîãî äóòüÿ?
1. ×åì îòëè÷àåòñÿ êîíòàêòîð îò ìàãíèòíîãî ïóñêàòåëÿ? 2. ×òî òàêîå ïðîâàë êîíòàêòîâ è äëÿ ÷åãî îí íåîáõîäèì? 3. Äëÿ ÷åãî íåîáõîäèìî ïðåäâàðèòåëüíîå íàæàòèå êîíòàêòíîé ïðóæèíû? 4. Êàêîâà ñâÿçü ìåæäó êîììóòàöèîííîé èçíîñîñòîéêîñòüþ è ïðîâàëîì êîíòàêòîâ? 5. Êàê íàèáîëåå îïòèìàëüíî äîëæíà ðàñïîëàãàòüñÿ òÿãîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïî îòíîøåíèþ ê ïðîòè-
4.4. ÀÂÒÎÌÀÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ
óñòàíîâî÷íûå è óíèâåðñàëüíûå. Óñòàíîâî÷íûå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè èìåþò çàùèòíûé èçîëÿöèîííûé (ïëàñòìàññîâûé) êîðïóñ è ìîãóò óñòàíàâëèâàòüñÿ â îáùåäîñòóïíûõ ìåñòàõ, óíèâåðñàëüíûå – íå èìåþò òàêîãî êîðïóñà è ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ óñòàíîâêè â ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ; áûñòðîäåéñòâóþùèå è íåáûñòðîäåéñòâóþùèå. Áûñòðîäåéñòâèå îáåñïå÷èâàåòñÿ ñàìèì ïðèíöèïîì äåéñòâèÿ (ïîëÿðèçîâàííûé ýëåêòðîìàãíèòíûé èëè èíäóêöèîííî-äèíàìè÷åñêèé ïðèíöèï è äð.), à òàêæå óñëîâèÿìè äëÿ áûñòðîãî ãàøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè, ïîäîáíî ïðîöåññàì â òîêîîãðàíè÷èâàþùèõ àâòîìàòàõ; àâòîìàòû îáðàòíîãî òîêà, ñðàáàòûâàþùèå òîëüêî ïðè èçìåíåíèè íàïðàâëåíèÿ òîêà â çàùèùàåìîé öåïè (ïîëÿðèçîâàííûå àâòîìàòû îòêëþ÷àþò öåïü òîëüêî ïðè íàðàñòàíèè òîêà â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè, íåïîëÿðèçîâàííûå – ïðè ëþáîì íàïðàâëåíèè òîêà).
Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè (àâòîìàòû) íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ (äî 1000 Â) ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ àâòîìàòè÷åñêîé çàùèòû ýëåêòðè÷åñêèõ ñåòåé è îáîðóäîâàíèÿ îò àâàðèéíûõ ðåæèìîâ (êîðîòêèõ çàìûêàíèé, ïåðåãðóçîê, ñíèæåíèÿ è èñ÷åçíîâåíèÿ íàïðÿæåíèÿ, èçìåíåíèÿ íàïðàâëåíèÿ òîêà, ãàøåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ìîùíûõ ãåíåðàòîðîâ â àâàðèéíûõ óñëîâèÿõ è äð.), à òàêæå äëÿ îïåðàòèâíîé êîììóòàöèè íîìèíàëüíûõ òîêîâ. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñåëåêòèâíîé (èçáèðàòåëüíîé) çàùèòû â àâòîìàòàõ ïðåäóñìàòðèâàåòñÿ âîçìîæíîñòü ðåãóëèðîâàíèÿ óñòàâîê ïî òîêó è ïî âðåìåíè. Áûñòðîäåéñòâóþùèå àâòîìàòû ñíèæàþò âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ è îãðàíè÷èâàþò îòêëþ÷àåìûé òîê ñîïðîòèâëåíèåì âîçíèêàþùåé ýëåêòðè÷åñêîé äóãè â àâòîìàòå. Íåðåäêî ýòè ôàêòîðû îïðåäåëÿþò ïðèíöèï óñòðîéñòâà è îñîáåííîñòè êîíñòðóêöèè àâòîìàòîâ [50]. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà: 118
§ 4.4. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè 4.4.1. ÒÎÊÎÎÃÐÀÍÈ×ÅÍÈÅ Â ÀÂÒÎÌÀÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËßÕ
ñîáñòâåííîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ ÿâëÿåòñÿ ñóììîé âðåìåí t1 è t2. Îãðàíè÷åííûé äóãîé òîê ïðè ïîñòîÿííîì íàïðÿæåíèè ìîæíî îöåíèòü:
Àêòèâíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå êàíàëà äóãè, îáðàçîâàâøåãîñÿ ïîñëå ðàñõîæäåíèÿ êîíòàêòîâ àïïàðàòà, íàðàñòàåò âî âðåìåíè ïîä âîçäåéñòâèåì äóãîãàñèòåëüíîãî óñòðîéñòâà âïëîòü äî áåñêîíå÷íîñòè, êîãäà ýòîò êàíàë ïðåâðàùàåòñÿ â èçîëÿòîð, à òîê öåïè ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íóëþ. Íàðàñòàþùåå âî âðåìåíè ñîïðîòèâëåíèå êàíàëà äóãè ìîæåò îêàçàòüñÿ çíà÷èòåëüíî âûøå ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè è ýòî ñóùåñòâåííî ïîâëèÿåò íà óñëîâèÿ îòêëþ÷åíèÿ öåïè àâòîìàòè÷åñêèì âûêëþ÷àòåëåì, êîòîðûé áóäåò îòêëþ÷àòü óæå îãðàíè÷åííûé òîê. Âïåðâûå Î.Á. Áðîí óñòàíîâèë [50], ÷òî ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå äóãè, âîçíèêàþùåé â ìåñòàõ êîðîòêèõ çàìûêàíèé, îêàçûâàåòñÿ òàêæå âûñîêèì, òàê êàê áîëüøèå òîêè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ âûçûâàþò ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèé îòáðîñ ïåðåìû÷åê ìåæäó ïðîâîäàìè, îáðàçîâàíèå è áûñòðîå ðàñòÿæåíèå ýëåêòðè÷åñêîé äóãè. Ïîëó÷åííûå ñòàòèñòè÷åñêèå îïûòíûå äàííûå ïîçâîëèëè ïðèéòè ê âûâîäó î òîì, ÷òî â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ ðàáîòû àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé ïðåäåëüíûå òîêè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ íå ïðåâûøàþò 70–80 êÀ. Íà ðèñ. 4.16 èçîáðàæåíà îïûòíàÿ êðèâàÿ, îòðàæàþùàÿ âçàèìîñâÿçü ìåæäó ôàêòè÷åñêèì òîêîì êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ Iô (êðèâàÿ 2) è ðàñ÷åòíûì òîêîì êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ Iðàñ, ïîëó÷åííûì ïðè óñëîâèè ìåòàëëè÷åñêîãî êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ (êðèâàÿ 1). Íà ðèñ. 4.17 äàíû êðèâûå èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè òîêà äóãè ïðè îòêëþ÷åíèè öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà áåç îãðàíè÷åíèÿ åãî ñîïðîòèâëåíèåì äóãè (êðèâàÿ 1) è ïðè îãðàíè÷åíèè òîêà ýòèì ñîïðîòèâëåíèåì (êðèâàÿ 2). Êðèâàÿ 3 îòðàæàåò ðîñò ñîïðîòèâëåíèÿ äóãè Rä(t) âî âðåìåíè.  ïåðâîì ñëó÷àå àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü ðàçðûâàåò äóãó ñ òîêîì I ′max, âî âòîðîì – ñ òîêîì I ′′max << I ′max, è óñëîâèÿ ãàøåíèÿ äóãè âî âòîðîì ñëó÷àå çíà÷èòåëüíî ëåã÷å, ÷åì â ïåðâîì. Ïîëíîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ òîêîîãðàíè÷èâàþùåãî àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ îïðåäåëÿåòñÿ
iîãð =
U Rí + Rä.àïï + Rä.êç
,
(4.16)
ãäå U – íàïðÿæåíèå ñåòè; Rí – ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè äî ìåñòà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ; Rä.àïï – ñîïðîòèâëåíèå äóãè â àïïàðàòå; Rä.êç – ñîïðîòèâëåíèå äóãè â ìåñòå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Èçìåíÿþùèéñÿ âî âðåìåíè iîãð ìîæíî îïðåäåëèòü 0 0 Eä′lä′(t) E l (t) iîãð(t) = U ⁄ [Rí + + ä ä ], (4.17) iä (t)
iä(t)
ãäå Eä′ è lä′(t) – ãðàäèåíò íàïðÿæåíèÿ è èçìåíÿþùàÿñÿ âî âðåìåíè äëèíà äóãè â äóãîãàñèòåëüíîì óñòðîéñòâå àïïàðàòà; E 0ä è l 0ä – ãðàäèåíò íàïðÿæåíèÿ è äëèíà äóãè â ìåñòå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Äëÿ ïðèáëèæåííûõ ðàñ÷åòîâ ìîæíî ïðèíÿòü iä = Iêç ⁄ 2 è èñïîëüçîâàòü çàâèñèìîñòè äëÿ Eä è lä, ïðèâåäåííûå â ãë. 2. Õàðàêòåðèñòèêè ïðîöåññîâ îòêëþ÷åíèÿ ïåðåìåííîãî òîêà â óñëîâèÿõ åãî îãðàíè÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèåì Rä(t) äóãè äàíà íà ðèñ. 4.18. Èç-çà èçìåíåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ äóãè óãîë ñäâèãà ôàç ìåæäó
Ðèñ. 4.16. Ñòåïåíü îãðàíè÷åíèÿ òîêîâ ÊÇ ñîïðîòèâëåíèåì
tïîëí = t0 + t1 + t2 , ãäå t0 – âðåìÿ îò âîçíèêíîâåíèÿ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ äî äîñòèæåíèÿ òîêà ñðàáàòûâàíèÿ Iñð ìåõàíèçìà àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ; t1 – âðåìÿ ðàáîòû ìåõàíèçìà ðàñöåïëåíèÿ è âûáîðà ïðîâàëà êîíòàêòîâ; t2 – âðåìÿ ãàøåíèÿ äóãè. Èç ðèñ. 4.17 âèäíî, ÷òî tïîëí äëÿ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ ñ îãðàíè÷åíèåì òîêà çíà÷èòåëüíî ìåíüøå, ÷åì äëÿ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ áåç îãðàíè÷åíèÿ òîêà. Çàìåòèì, ÷òî òàê íàçûâàåìîå
Ðèñ. 4.17. Êðèâûå èçìåíåíèÿ òîêîâ ïðè îòêëþ÷åíèè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ (ïîñòîÿííûé òîê)
119
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ
óìåíüøåíèå óãëà ñäâèãà ôàç ϕ è íàïðÿæåíèÿ U0 ñíèçèò ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ, à ñíèæåíèå òîêà ïîâûñèò âîññòàíàâëèâàþùóþñÿ ïðî÷íîñòü. Ïðèáëèæåííî ïàðàìåòðû ýòèõ ïðîöåññîâ îïðåäåëÿþòñÿ iîãð = sinϕ =
Ðèñ. 4.18. Ïðîöåññû îòêëþ÷åíèÿ ïåðåìåííîãî òîêà ïðè îãðàíè÷åíèè åãî ñîïðîòèâëåíèåì äóãè
Uíîì
;
2 2 √ (ωL) + (Rí + Rä.àïï + Rä.êç)
ωL
2 2 √ (ωL) + (Rí + Rä.àïï + Rä.êç)
.
(4.18) (4.19)
Äëÿ äàëüíåéøåé ðàñøèôðîâêè ýòèõ çàâèñèìîñòåé ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ òåìè æå çàâèñèìîñòÿìè, ÷òî è äëÿ îãðàíè÷åííîãî ñîïðîòèâëåíèåì äóãè ïîñòîÿííîãî òîêà. Øòðèõîâàÿ ëèíèÿ íà ðèñ. 4.18 – õàðàêòåðèñòèêà òîêà áåç åãî îãðàíè÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèåì äóãè.
òîêîì è íàïðÿæåíèåì èçìåíèòñÿ îò ϕ0 äî ϕîãð , ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå òîêà óìåíüøèòñÿ îò I 0max äî Iîãð, âîçâðàùàþùååñÿ íàïðÿæåíèå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ñíèçèòñÿ îò U0 äî U0′. Âñå ýòî ñóùåñòâåííî îáëåã÷èò óñëîâèÿ ãàøåíèÿ äóãè ïåðåìåííîãî òîêà:
4.4.2. ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÎ ÓÍÈÂÅÐÑÀËÜÍÎÃÎ ÀÂÒÎÌÀÒÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËß
øàðíèðíîñâÿçàííûõ äåòàëåé ñ ïðîòèâîïîëîæíîíàïðàâëåííûìè òîêàìè. Ýòî óñèëèå ñóììèðóåòñÿ ñ óñèëèåì êîíòàêòíîé ïðóæèíû 14 è êîìïåíñèðóåò ýëåêòðîäèíàìè÷åñêóþ ñèëó, âîçíèêàþùóþ â ñàìèõ êîíòàêòàõ, è îòòàëêèâàþùóþ èõ äðóã îò äðóãà. Ýòè ôàêòîðû, ïðîïîðöèîíàëüíûå êâàäðàòó òîêà, ïðèîáðåòàþò îñîáîå çíà÷åíèå ïðè òîêàõ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Äåòàëü 9, îñóùåñòâëÿþùàÿ ñâÿçü ìåæäó ðóêîÿòêîé 5 è âàëîì 7 àïïàðàòà, ÿâëÿåòñÿ ìåõàíèçìîì ñâîáîäíîãî ðàñöåïëåíèÿ, êîòîðûé ðàçðûâàåò ñâÿçü ìåæäó ðóêîÿòêîé è âàëîì ïðè àâòîìàòè÷åñêîì îò-
Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà óíèâåðñàëüíîãî àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 4.19.  àâòîìàòè÷åñêîì âûêëþ÷àòåëå èìåþòñÿ òðè îñíîâíûõ óçëà: êîíòàêòíî-äóãîãàñèòåëüíàÿ ñèñòåìà (ýëåìåíòû 10–16), óçåë ïðèâîäà è ïåðåäàòî÷íîãî ìåõàíèçìà (ýëåìåíòû 5–9), áëîê óïðàâëåíèÿ è çàùèòû (ýëåìåíòû 1–4). Àïïàðàò êîììóòèðóåò ýëåêòðè÷åñêóþ öåïü ñ òîêîì i, â ðåçóëüòàòå öåïü îòêëþ÷àåòñÿ è äóãà â àïïàðàòå ãàñèòñÿ. Äëÿ ðó÷íîãî âêëþ÷åíèÿ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ ïîâîðà÷èâàþò ðóêîÿòêó 5 â óêàçàííîì íàïðàâëåíèè äî ìîìåíòà, êîãäà ïðèâîä íå âñòàíåò íà çàùåëêó (íà ðèñóíêå íå èçîáðàæåíà). Ãëàâíûå êîíòàêòû 15 è äóãîãàñèòåëüíûå êîíòàêòû 11 áóäóò çàìêíóòû, à îòêëþ÷àþùàÿ ïðóæèíà 6 âçâåäåíà. Êðîìå ðó÷íîãî â àâòîìàòè÷åñêîì âûêëþ÷àòåëå ìîãóò áûòü ýëåêòðîìàãíèòíûé ïðèâîä 8 è ýëåêòðîäâèãàòåëüíûé ïðèâîä, â êîòîðîì ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ àâòîìàòè÷åñêè âêëþ÷àåòñÿ ýëåêòðîäâèãàòåëü íåáîëüøîé ìîùíîñòè, âçâîäÿøèé âêëþ÷àþùóþ ïðóæèíó (íà ðèñóíêå íå èçîáðàæåíû). Ïðè âêëþ÷åíèè ïåðâûìè çàìûêàþòñÿ äóãîãàñèòåëüíûå êîíòàêòû 11, ïîñëå íèõ – ãëàâíûå êîíòàêòû 15. Ïðè îòêëþ÷åíèè â íà÷àëå ðàñõîäÿòñÿ ãëàâíûå êîíòàêòû è òîê ïåðåõîäèò â äóãîãàñèòåëüíûå êîíòàêòû.  ðåçóëüòàòå íà ãëàâíûõ êîíòàêòàõ ïðåäîòâðàùàåòñÿ îáðàçîâàíèå äóãè áîëüøîé ìîùíîñòè. Äóãà ãàñèòñÿ â äóãîãàñèòåëüíîì óñòðîéñòâå 12. Ãèáêàÿ ëàòóííàÿ ñâÿçü 16 íåîáõîäèìà äëÿ ñîçäàíèÿ öåïè òîêà, êîãäà îí ïåðåõîäèò â äóãîãàñèòåëüíûå êîíòàêòû 11. Äåòàëè 13 îáðàçóþò êîìïåíñàòîð ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ ñèë, êîòîðûé ñîçäàåò äîïîëíèòåëüíîå ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîå óñèëèå âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ
Ðèñ. 4.19. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ
120
§ 4.4. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè
íèÿ â ñåòÿõ (ìèíèìàëüíûé ðàñöåïèòåëü), íåçàâèñèìûé ðàñöåïèòåëü 4 – äèñòàíöèîííîå îòêëþ÷åíèå. Ìèíèìàëüíûé ðàñöåïèòåëü 3 ïðè íîìèíàëüíîì íàïðÿæåíèè ðàçâèâàåò ýëåêòðîìàãíèòíóþ ñèëó, êîòîðàÿ áóäåò áîëüøå ñèëû ïðóæèíû è ïîäâèæíàÿ ñèñòåìà ðàñöåïèòåëÿ óäåðæèòñÿ â íèæíåì ïîëîæåíèè. Êîãäà íàïðÿæåíèå â ñåòè îêàæåòñÿ ìåíüøå äîïóñòèìîãî, ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà ñòàíåò ìåíüøå ñèëû ïðóæèíû, ïîäâèæíàÿ äåòàëü ïåðåìåñòèòñÿ ââåðõ, óäàðèò ïî ðû÷àãàì 9 è ïåðåâåäåò èõ ÷åðåç ìåðòâóþ òî÷êó. Ñâÿçü ìåæäó ðóêîÿòêîé 5 è âàëîì 7 íàðóøèòñÿ ïîä äåéñòâèåì ïðóæèíû 6. Îòêëþ÷àåìûå àïïàðàòàìè òîêè äîñòèãàþò 70– 80 êÀ. Äëÿ ãàøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè èñïîëüçóþòñÿ ùåëåâûå êàìåðû, äóãîãàñèòåëüíûå ðåøåòêè èëè èõ ñî÷åòàíèå (ñì. § 2.1).
êëþ÷åíèè àïïàðàòà îò áëîêà óïðàâëåíèÿ è çàùèòû èëè ïðè äèñòàíöèîííîì îòêëþ÷åíèè. Ïðè âêëþ÷åíèè íà ñóùåñòâóþùåå êîðîòêîå çàìûêàíèå îí ïðåäîòâðàùàåò ïðûãàíèå” (ïîâòîðíûå âêëþ÷åíèÿ-îò” êëþ÷åíèÿ) àïïàðàòà. Åñëè áû íå áûëî ìåõàíèçìà 9 è ñóùåñòâîâàëà áû æåñòêàÿ ñâÿçü ìåæäó ðóêîÿòêîé 5 è âàëîì 7, òî ïðè íàæàòîé êíîïêå àïïàðàòà ïîñëå âêëþ÷åíèÿ àïïàðàò òóò æå îòêëþ÷èëñÿ áû îò çàùèòû. Íî åñëè ñèãíàë íà âêëþ÷åíèå åùå íå áûë ñíÿò (îïåðàòîð çàçåâàëñÿ”), òî àïïàðàò âêëþ÷èòñÿ åùå ðàç ” è áûñòðî îòêëþ÷èòñÿ è òàê äàëåå. Ýòî ìîæåò ïðèâåñòè ê àâàðèè àïïàðàòà. Ðàñöåïèòåëü 1 ñ áèìåòàëëè÷åñêèì ýëåìåíòîì îñóùåñòâëÿåò çàùèòó îò òîêîâ ïåðåãðóçêè, ýëåêòðîìàãíèòíûé ðàñöåïèòåëü 2 – îò òîêîâ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ, ðàñöåïèòåëü 3 – îò ñíèæåíèÿ íàïðÿæå-
4.4.3. ÐÀÑÖÅÏÈÒÅËÈ
íàãðåâàíèè òåðìîáèìåòàëëè÷åñêîãî ýëåìåíòà (ïëàñòèíû èç ñïåöèàëüíîãî ñïëàâà ñ ðàçëè÷íûì êîýôôèöèåíòîì ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ ñòîðîí ïëàñòèíû). Îíè âûïóñêàþòñÿ ñ ïðÿìûì èëè êîñâåííûì ïîäîãðåâîì. Òåðìîáèìåòàëëè÷åñêèå ðàñöåïèòåëè ñðàáàòûâàþò ñ âûäåðæêîé âðåìåíè îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíîé êâàäðàòó òîêà è ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ çàùèòû â çîíå òîêîâ ïåðåãðóçîê.  íåêîòîðûõ àïïàðàòàõ ïðèìåíÿþòñÿ òåðìîìàãíèòíûå ðàñöåïèòåëè, â êîòîðûõ èñïîëüçóåòñÿ ñâîéñòâî ôåððîìàãíèòíûõ ìàòåðèàëîâ èçìåíÿòü ìàãíèòíóþ ïðîíèöàåìîñòü ïðè íàãðåâå òîêîì. Âèä çàùèòíîé õàðàêòåðèñòèêè (çàâèñèìîñòè âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ îò òîêà) îïðåäåëÿåòñÿ íàçíà÷åíèåì àïïàðàòà è ïåðåãðóçî÷íîé ñïîñîáíîñòüþ çàùèùàåìîãî îáúåêòà (äâèãàòåëü, êàáåëü è ò.ä.). Íà ðèñ.4.20 äàíû çàùèòíûå õàðàêòåðèñòèêè âûêëþ÷àòåëÿ À3700 ïðè äâóõ óñòàâêàõ ïî âðåìåíè íà øêàëå ðàñöåïèòåëÿ (çîíà 1 – tóñò = 16 ñ, çîíà 2 – tóñò = 4 ñ); íà îñè àáñöèññ îòëîæåíî îòíîøåíèå
Äëÿ âûïîëíåíèÿ çàùèòíûõ ôóíêöèé âûêëþ÷àòåëè ñíàáæàþòñÿ ñïåöèàëüíûìè óñòðîéñòâàìè, âîçäåéñòâóþùèìè â àâàðèéíûõ ðåæèìàõ íà ìåõàíèçì ñâîáîäíîãî ðàñöåïëåíèÿ.  ñâÿçè ñ ýòèì îíè ïîëó÷èëè íàçâàíèå – ðàñöåïèòåëè”.  çàâèñèìîñòè îò ” ïàðàìåòðà àâàðèéíîãî ðåæèìà, íà êîòîðûé ðåàãèðóþò ðàñöåïèòåëè, îíè ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ñëåäóþùèå îñíîâíûå òèïû: – ðàñöåïèòåëè ìàêñèìàëüíîãî òîêà, ñðàáàòûâàþùèå ïðè óâåëè÷åíèè òîêà â ãëàâíîé öåïè àïïàðàòà âûøå îïðåäåëåííîãî óðîâíÿ – óñòàâêè; – ðàñöåïèòåëè äèôôåðåíöèàëüíîãî òîêà, ñðàáàòûâàþùèå ïðè ñâåðõ äîïóñòèìîé ðàçíîñòè òîêîâ â ïîëþñàõ àïïàðàòà; – ðàñöåïèòåëè ìèíèìàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ, ñðàáàòûâàþùèå ïðè ñíèæåíèè êîíòðîëèðóåìîãî íàïðÿæåíèÿ íèæå çàäàííîãî óðîâíÿ èëè ïðè èñ÷åçíîâåíèè íàïðÿæåíèÿ – íóëåâûå ðàñöåïèòåëè. Íàèáîëåå îïàñíûì âèäîì ïîâðåæäåíèé ÿâëÿþòñÿ êîðîòêèå çàìûêàíèÿ.  ýëåêòðîóñòàíîâêàõ òàêæå ÷àñòî âîçíèêàþò òîêîâûå ïåðåãðóçêè. Ïîýòîìó âûêëþ÷àòåëè â ïåðâóþ î÷åðåäü ñîäåðæàò ðàñöåïèòåëè ìàêñèìàëüíîãî òîêà. Âûêëþ÷àòåëè, ðàññ÷èòàííûå íà ìàññîâîå ïðèìåíåíèå, îñîáåííî íà íîìèíàëüíûå òîêè íèæå 630 À, íàïðèìåð, îòå÷åñòâåííîé ñåðèè ÂÀ50-52 ñîäåðæàò íàèáîëåå ïðîñòûå, äåøåâûå è íàäåæíûå ýëåêòðîìàãíèòíûå è òåðìîáèìåòàëëè÷åñêèå (òåïëîâûå) ðàñöåïèòåëè. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ðàñöåïèòåëè ïî ñóùåñòâó ÿâëÿþòñÿ òîêîâûìè ðåëå, êîòîðûå ñðàáàòûâàþò áåç âûäåðæêè âðåìåíè è ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ çàùèòû â çîíå òîêîâ êîðîòêèõ çàìûêàíèé.  òåðìîáèìåòàëëè÷åñêèõ ðàñöåïèòåëÿõ èñïîëüçóåòñÿ ñèëà óïðóãèõ äåôîðìàöèé, âîçíèêàþùèõ ïðè
Ðèñ. 4.20. Çàùèòíûå õàðàêòåðèñòèêè àâòîìàòà À3700
121
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ
òàêæå è äëÿ ýëåêòðîïèòàíèÿ óñòðîéñòâà. Òàêîå òåõíè÷åñêîå ðåøåíèå èñïîëüçîâàíî ïðàêòè÷åñêè âî âñåõ àïïàðàòàõ ïåðåìåííîãî òîêà.Îáúåäèíåíèå ñèãíàëîâ îò êàæäîé ôàçû â âèäå íàïðÿæåíèÿ íà ðåçèñòîðàõ R1, R2 è R3 âûïîëíÿåòñÿ ïðè ïîìîùè âûïðÿìèòåëÿ. Ñèãíàë íàïðÿæåíèÿ, ïðîïîðöèîíàëüíûé òîêó, ñ ðåçèñòîðà R1 ïîñòóïàåò íà ñóììèðóþùèé áëîê UΣ. Åñëè ïîä âîçäåéñòâèåì ïåðåãðóçêè ñðàáîòàåò ïîëóïðîâîäíèêîâîå ðåëå Ê1, â ñóììèðóþùèé áëîê ïðîéäåò ñèãíàë, ñíèìàåìûé ñ öåïî÷êè âðåìåííîé çàäåðæêè R4C1. Êîãäà ðåçóëüòèðóþùèé ñèãíàë â ñóììèðóþùåì áëîêå UΣ äîñòèãíåò ïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ, ñóììèðóþùèé áëîê âûäàñò ñèãíàë íà îòêëþ÷àþùèé îðãàí ÎÊ âûêëþ÷àòåëÿ. Òàêèì îáðàçîì ôîðìèðóåòñÿ çàùèòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñî âðåìåíåì ñðàáàòûâàíèÿ îáðàòíîçàâèñèìûì îò òîêà â çîíå òîêîâ ïåðåãðóçêè. Äëÿ ñîçäàíèÿ íåçàâèñèìîé îò òîêà õàðàêòåðèñòèêè ñðàáàòûâàíèÿ â çîíå òîêîâ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ èñïîëüçóåòñÿ ñèãíàë, ñíèìàåìûé ñ ðåçèñòîðà R3. Âàæíî îòìåòèòü, ÷òî ñ ïîìîùüþ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ðàñöåïèòåëåé óäàëîñü ñóùåñòâåííî ïîâûñèòü ÷óâñòâèòåëüíîñòü çàùèòû ê êîðîòêèì çàìûêàíèÿì ñ ìàëûìè òîêàìè çàìûêàíèÿ, ñîèçìåðèìûìè ñ òîêàìè ðàáî÷èõ è ïóñêîâûõ ðåæèìîâ, â ÷àñòíîñòè, ê îäíîôàçíûì çàìûêàíèÿì â ÷åòûðåõïðîâîäíûõ ñåòÿõ ñ ãëóõîçàçåìëåííîé íåéòðàëüþ, ê êîðîòêèì çàìûêàíèÿì ñ òîêàìè, îãðàíè÷åííûìè äóãîé, ê âèòêîâûì çàìûêàíèÿì â ýëåêòðîäâèãàòåëÿõ è òðàíñôîðìàòîðàõ è ò. ä. Äëÿ ýòîé öåëè èñïîëüçóþòñÿ ôèëüòðû òîêîâ íóëåâîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, à òàêæå õàðàêòåðíûå ïàðàìåòðû ýëåêòðè÷åñêîé äóãè, âûÿâëåííûå ïðè ïîìîùè ðàçëè÷íûõ ýëåêòðîííûõ ñðåäñòâ. Ïðèìåíåíèå ìèêðîïðîöåññîðîâ â ðàñöåïèòåëÿõ ïîçâîëÿåò òàêæå íàäåëèòü âûêëþ÷àòåëè íîâûìè ôóíêöèÿìè è ñâîéñòâàìè. Ñ èõ ïîìîùüþ çàùèòíûå õàðàêòåðèñòèêè ñòàíîâÿòñÿ èñêëþ÷èòåëüíî ãèáêè-
ðåàëüíîãî òîêà i ê íîìèíàëüíîìó òîêó Iíîì àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ.  ðàñïðåäåëèòåëüíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ ñåòÿõ ïðè êîðîòêèõ çàìûêàíèÿõ íåîáõîäèìî îòêëþ÷àòü òîëüêî ïîâðåæäåííûé ó÷àñòîê ñ ñîõðàíåíèåì ýëåêòðîñíàáæåíèÿ äðóãèõ ïîòðåáèòåëåé. Ñåëåêòèâíîñòü (èçáèðàòåëüíîñòü) äåéñòâèÿ çàùèòû îáåñïå÷èâàåòñÿ â ðÿäå ñëó÷àåâ ðàöèîíàëüíûì âûáîðîì óñòàâîê ïî òîêó ñðàáàòûâàíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ðàñöåïèòåëåé, à â îñíîâíîì èñïîëüçóåòñÿ èåðàðõè÷åñêèé ñòóïåí÷àòî-âðåìåííîé ïðèíöèï ñðàáàòûâàíèÿ àïïàðàòîâ.  ïåðâûõ êîíñòðóêöèÿõ òàê íàçûâàåìûõ ñåëåêòèâíûõ” âûêëþ÷àòåëåé äëÿ ýòîé öåëè èñ” ïîëüçîâàëèñü ðàçëè÷íûå çàìåäëèòåëè ñðàáàòûâàíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ðàñöåïèòåëåé: ïíåâìàòè÷åñêèå, ãèäðàâëè÷åñêèå, ñ àíêåðíûì ìåõàíèçìîì.  ñâÿçè ñ óñëîæíåíèåì òðåáîâàíèé ê êà÷åñòâó çàùèòû íèçêîâîëüòíûõ ýëåêòðîóñòàíîâîê (÷óâñòâèòåëüíîñòè, ñåëåêòèâíîñòè, áûñòðîäåéñòâèþ è íàäåæíîñòè) â øåñòèäåñÿòûå ãîäû ïîÿâèëèñü ïîëóïðîâîäíèêîâûå ðàñöåïèòåëè.  îñíîâíîì èç-çà âûñîêîé ñòîèìîñòè ñíà÷àëà èõ ñòàëè ïðèìåíÿòü â ìíîãîàìïåðíûõ àïïàðàòàõ (íà íîìèíàëüíûå òîêè ñâûøå 1000 À). Ñåé÷àñ îíè øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ â âûêëþ÷àòåëÿõ ñ íîìèíàëüíûìè òîêàìè ñâûøå 160 À.  íàøåé ñòðàíå ïåðâûìè àïïàðàòàìè ñ íîâûì òèïîì ðàñöåïèòåëÿ áûëè âûêëþ÷àòåëè ñåðèè Ýëåêòðîí” è âûêëþ÷àòåëè ñåðèè ÀÇ700.  íàñòî” ÿùåå âðåìÿ èì íà ñìåíó ïðèøëè âûêëþ÷àòåëè òèïà ÂÀ-75 è ÂÀ53-55, â êîòîðûõ ðàñöåïèòåëè âûïîëíåíû íà ìèêðîýëåêòðîííîé ýëåìåíòíîé áàçå.  ïîñëåäíèå ãîäû â ðàñöåïèòåëÿõ ñòàëè ïðèìåíÿòü ìèêðîïðîöåññîðû. Íà ðèñ. 4.21 ïðèâåäåíà ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ðàñöåïèòåëÿ.  êà÷åñòâå äàò÷èêà òîêà ïðèìåíåíû íåñòàíäàðòíûå âñòðîåííûå òðàíñôîðìàòîðû òîêà. Îíè îäíîâðåìåííî èñïîëüçóþòñÿ
Ðèñ. 4.21. Ïîëóïðîâîäíèêîâûé ðàñöåïèòåëü àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ Ýëåêòðîí” ”
122
§ 4.4. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè
ó÷àñòêå òîêîâåäóùåé øèíû, à ïèòàíèå ñõåìû âûïîëíÿåòñÿ îò íàïðÿæåíèÿ ãëàâíîé öåïè àïïàðàòà. Ðàñöåïèòåëè äèôôåðåíöèàëüíîãî òîêà ðåàãèðóþò íà òîêè óòå÷êè è â çàâèñèìîñòè îò ÷óâñòâèòåëüíîñòè ðàñöåïèòåëåé èñïîëüçóþòñÿ èëè äëÿ ïîâûøåíèÿ ïîæàðîáåçîïàñíîñòè îáîðóäîâàíèÿ (ïðè òîêàõ ñðàáàòûâàíèÿ 100–300 ìÀ) èëè (ïðè òîêàõ ñðàáàòûâàíèÿ 10–30 ìÀ) äëÿ ñîçäàíèÿ óñòðîéñòâ çàùèòíîãî îòêëþ÷åíèÿ – óñòðîéñòâ çàùèòû îò ïîðàæåíèÿ ÷åëîâåêà ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì – íà áàçå ìàëîàìïåðíûõ (äî 63 À) âûêëþ÷àòåëåé. Îíè òàêæå âûïîëíÿþòñÿ ëèáî íà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîì ïðèíöèïå (íàïðèìåð, Àñòðî ÓÇÎ) èëè ñ ïðèìåíåíèåì ýëåêòðîíèêè (ÓÇÎ 2000, ÓÇÎ 20 è ðÿä äðóãèõ).
ìè. Îíè ïîçâîëÿþò äîïîëíèòåëüíî ê çàùèòíûì ôóíêöèÿì èçìåðÿòü ôàçíûå òîêè è íàïðÿæåíèÿ, ýëåêòðè÷åñêèå ìîùíîñòü è ýíåðãèþ è îòîáðàæàòü òåêóùèå çíà÷åíèÿ è äåéñòâóþùèå óñòàâêè íà ëèöåâîé ïàíåëè àïïàðàòà. Ïðè ïîìîùè óñòàíîâêè ñïåöèàëüíûõ äàò÷èêîâ ìîæíî òàêæå êîíòðîëèðîâàòü òåõíè÷åñêèé ðåñóðñ è òåïëîâîå ñîñòîÿíèå àïïàðàòà.  ñî÷åòàíèè ñ ñàìîäèàãíîñòèêîé ìèêðîïðîöåññîðíîãî ðàñöåïèòåëÿ óêàçàííûå íîâûå ôóíêöèè è ñâîéñòâà ñóùåñòâåííî óëó÷øàþò ïîòðåáèòåëüñêèå êà÷åñòâà âûêëþ÷àòåëåé.  ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ðàñöåïèòåëÿõ äëÿ àïïàðàòîâ ïîñòîÿííîãî òîêà â êà÷åñòâå äàò÷èêîâ òîêà èñïîëüçóþòñÿ ìàãíèòíûå óñèëèòåëè, ðàñïîëîæåííûå íà
4.4.4. ÐÀÇÍÎÂÈÄÍÎÑÒÈ ÀÂÒÎÌÀÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ
êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü – äî 1000 öèêëîâ êîììóòàöèé. Íà ðèñ. 4.22 ïîêàçàíî óñòðîéñòâî êîíòàêòíî-äóãîãàñèòåëüíîé ñèñòåìû ýòîãî àâòîìàòà. Êîíòàêòíàÿ ñèñòåìà ñîñòîèò èç ãëàâíûõ êîíòàêòîâ 1, 3, çàìûêàåìûõ ðîëèêîâûì êîíòàêòîì 2 è ïàðàëëåëüíûõ èì äóãîãàñèòåëüíûõ êîíòàêòîâ 8, 9. Íåïîäâèæíûé äóãîãàñèòåëüíûé êîíòàêò 9 ñîâìåùåí ñ êîìïåíñàòîðîì ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ ñèë 4. Äó-
Øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííûé àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü À-3000 âûïóñêàåòñÿ íà íàïðÿæåíèÿ 220– 660 Â, íîìèíàëüíûå òîêè – äî 630 À, ïðåäåëüíûå òîêè îòêëþ÷åíèÿ – äî 100 êÀ. Åãî êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü – äî 10000 öèêëîâ êîììóòàöèè. Àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü ñåðèè Ýëåê” òðîí” âûïóñêàåòñÿ íà íîìèíàëüíûå òîêè äî 6300 À, ïðåäåëüíûå îòêëþ÷àåìûå òîêè – äî 100 êÀ. Åãî
Ðèñ. 4.22. Êîíòàêòíî-äóãîãàñèòåëüíàÿ ñèñòåìà àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ Ýëåêòðîí” ”
123
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ
ãîãàñèòåëüíîå óñòðîéñòâî îáðàçîâàíî êàìåðîé 6 ñ óçêîé ùåëüþ, ñîâìåùåííîé ñ äóãîãàñèòåëüíîé ðåøåòêîé 5 èç ñòàëüíûõ ïëàñòèí.  ýòî óñòðîéñòâî âõîäèò ïëàìåãàñèòåëüíàÿ ðåøåòêà 7 äëÿ îãðàíè÷åíèÿ âûáðîñà ïëàìåíè è èîíèçèðîâàííûõ ãàçîâ íà âûõîäå èç êàìåðû. ×òîáû èçáåæàòü ïåðåìåùåíèÿ âíèç ñòîëáà äóãè, ðàññòîÿíèå ìåæäó äóãîãàñèòåëüíûìè êîíòàêòàìè è øèðèíà îáðàçóþùåãîñÿ ïðîñâåòà ìåæäó íèìè ïðèíèìàþòñÿ ìàëûìè. Íåáîëüøàÿ ïëîùàäü çàêóïîðèâàåò” âûõîä äóãîâûõ ãàçîâ ” âíèç, ñîçäàåò â ýòîé çîíå ïîâûøåííîå äàâëåíèå, êîòîðîå âûòàëêèâàåò äóãó ââåðõ, â äóãîãàñèòåëüíóþ êàìåðó. Äëÿ ïîâûøåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé èñïîëüçóåòñÿ èíäóêöèîííî-äèíàìè÷åñêèé ïðèâîä. Íà ðèñ. 4.23 ïîêàçàíà ñõåìà àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ ÂÀÒ-42. Àïïàðàò çàêðåïëåí íà îñíîâàíèè 5.  èçîëÿöèîííîì êîðïóñå 3, óñòàíîâëåííîì íà îñíîâàíèè 4, ðàçìåùàåòñÿ îáìîòêà 2, ÷åðåç êîòîðóþ ðàçðÿæàåòñÿ ïðåäâàðèòåëüíî çàðÿæåííûé êîíäåíñàòîð. Òîê ðàçðÿäà íàâîäèò èíäóöèðîâàííûå òîêè â ìåäíîì äèñêå 1. Èíäóöèðîâàííûé òîê è òîê ðàçðÿäà (à òàêæå ìàãíèòíûå ïîòîêè îò íèõ) ñîçäàþò ñèëû îòòàëêèâàíèÿ äèñêà 1 îò íåïîäâèæíîé îáìîòêè 2: P = dWýì ⁄ dx = i1i2 dM ⁄ dx , (4.20) ãäå Wýì – ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû; i1, i2 – òîêè â êàòóøêå è äèñêå; M – âçàèìîèíäóêòèâíîñòü ñèñòåìû; x – ïåðåìåùåíèå äèñêà. ×åðåç äåòàëü 6 äâèæåíèå ïåðåäàåòñÿ ê êîíòàêòàì K, êîòîðûå ðàçìûêàþò öåïü ãëàâíîãî òîêà I0 çàùèùàåìîé öåïè. Ñóùåñòâóåò àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü, â êîòîðîì òîê çàùèùàåìîé öåïè ïðîòåêàåò ÷åðåç äèñêîâóþ îáìîòêó, ðÿäîì ñ êîòîðîé ðàñïîëàãàåòñÿ ìåäíûé äèñê, ñâÿçàííûé ñ ïîäâèæíîé ñèñòåìîé è êîíòàêòàìè, ðàçìûêàþùèìè öåïü ãëàâíîãî òîêà. Áîëüøàÿ ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ òîêà ïðè âîçíèêíî-
Ðèñ. 4.23. Èíäóêöèîííî-äèíàìè÷åñêèé àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü
124
âåíèè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ (è ìàãíèòíîãî ïîòîêà îò íåãî) íàâîäÿò â äèñêå òîê (ïîòîê), âçàèìîäåéñòâèå êîòîðûõ ñîçäàåò ñèëó îòòàëêèâàíèÿ äèñêà îò îáìîòêè è ðàçìûêàíèå êîíòàêòîâ çàùèùàåìîé öåïè ñ òîêîì.  îòå÷åñòâåííîé ïðîìûøëåííîñòè ðàñïðîñòðàíåíû áûñòðîäåéñòâóþùèå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè ÂÀÁ. Íà ðèñ. 4.24 ïîÿñíÿåòñÿ ïðèíöèï äåéñòâèÿ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ ÂÀÁ20Ì. Îñíîâíàÿ òîêîâåäóùàÿ øèíà 5, âêëþ÷åííàÿ â öåïü ãëàâíîãî òîêà, îõâà÷åíà ìàãíèòîïðîâîäîì 4. Ñ íåé ìåõàíè÷åñêè ñâÿçàíû ÿêîðü 8 ýëåêòðîìàãíèòà è âàë 7, èìåþùèé âîçìîæíîñòü ïîâîðà÷èâàòüñÿ âîêðóã îñè Î 1. Ïðîòåêàþùèé ïî øèíå 5 òîê ñîçäàåò ìàãíèòíûé ïîòîê, êîòîðûé ìîæåò çàìûêàòüñÿ êàê ÷åðåç çàçîðû δ2, òàê è ÷åðåç çàçîðû δ1. Ëåâûå ïîëþñíûå íàêîíå÷íèêè 6 îõâà÷åíû êîðîòêîçàìêíóòûìè âèòêàìè 10. Åñëè òîê â øèíå 5 íå èçìåíÿåòñÿ âî âðåìåíè, òî â êîðîòêîçàìêíóòûõ âèòêàõ íåò âèõðåâûõ òîêîâ è ñîçäàâàåìîå èìè ðåàêòèâíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå ðàâíî íóëþ. Ïîòîê, ñîçäàííûé òîêîì øèíû 5, çàìûêàåòñÿ â îñíîâíîì ÷åðåç çàçîðû δ2, òàê êàê îíè çíà÷èòåëüíî ìåíüøå âîçäóøíûõ çàçîðîâ δ1.  ðåçóëüòàòå âîçíèêàåò ñèëà ïðèòÿæåíèÿ ÿêîðÿ ê ïîëþñàì 6, êîòîðàÿ ïåðåäàåòñÿ øèíå 5 è æåñòêî ñâÿçàííûì ñ íåþ ïîäâèæíûì êîíòàêòàì K ãëàâíîé öåïè. Ñèëà ïðèòÿæåíèÿ êîíòàêòîâ ñ óâåëè÷åíèåì òîêà âîçðàñòàåò. Ýòî ÿâëåíèå íàáëþäàåòñÿ ïðè íîìèíàëüíûõ òîêàõ. Êîãäà æå â öåïè âîçíèêàåò êîðîòêîå çàìûêàíèå è òîê ðåçêî óâåëè÷èâàåòñÿ, èçìåíÿþùèéñÿ ìàãíèòíûé ïîòîê íàâîäèò â êîðîòêîçàìêíóòûõ âèòêàõ áîëüøèå âèõðåâûå òîêè. Ðåàêòèâíîå ìàãíèòíîå ñîïðîòèâëåíèå â ýòèõ ÷àñòÿõ ìàãíèòîïðîâîäà ðåçêî âîçðàñòàåò è îñíîâíàÿ äîëÿ ìàãíèòíîãî ïîòîêà îò òîêà â øèíå 5 çàìûêàåòñÿ óæå ÷åðåç âîçäóøíûå çàçîðû δ2. Ðåçóëüòèðóþùàÿ ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà ïåðåìåùàåò ÿêîðü 8 è øèíó 5 âïðàâî. Ñâÿçàííûå ñ íåþ êîíòàêòû ðàçìûêàþò öåïü ãëàâíîãî òîêà I0. Îäíîâðåìåííî ïîâîðà÷èâàåòñÿ ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå ðû÷àã 7. Óñòàíîâëåííûé íà íåì âàëèê 9 çàïàäàåò çà âûñòóï äåòàëè 1. Ïîäâèæíàÿ ñèñòåìà àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ îñòàíåòñÿ â êðàéíåì ïðàâîì ïîëîæåíèè, ñîîòâåòñòâóþùåì îòêëþ÷åííîìó ñîñòîÿíèþ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ. Äëÿ âêëþ÷åíèÿ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ íåîáõîäèìî ïîäàòü íàïðÿæåíèå íà âêëþ÷àþùóþ êàòóøêó Wâ. Òîãäà ê ïîëþñàì ïðèòÿíåòñÿ ÿêîðü 3, à ñâÿçàííûé ñ íèì âûñòóï 2 ïåðåìåñòèòñÿ ââåðõ, ïîäíèìåò êîíåö ðû÷àãà 1 è âàëèê 9 âûéäåò èç çàöåïëåíèÿ ñ âûñòóïîì ðû÷àãà 1. Ïîä äåéñòâèåì ñèëû ïðóæèíû Pï ðû÷àã 7 è ïîäâèæíàÿ ñèñòåìà àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ ïåðåéäóò â êðàéíåå
§ 4.4. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè
íàëüíîå íàïðÿæåíèå 750  ïîñòîÿííîãî òîêà. Ñîáñòâåííîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ (âðåìÿ äî íà÷àëà ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîâ) íå áîëåå 1ìñ. Ïðåäåëüíûé îòêëþ÷àåìûé òîê ïðè èíäóêòèâíîñòè êîíòóðà 0,5 ìÃí–40 êÀ. Ïîëíîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ íå áîëåå 20 ìñ. Íàèáîëüøåå âîññòàíàâëèâàþùååñÿ íàïðÿæåíèå íà êîíòàêòàõ íå ïðåâûøàåò 3900  è îáåñïå÷èâàåòñÿ ïðèìåíåíèåì øóíòèðóþùèõ âàðèñòîðîâ. Âûêëþ÷àòåëü ÂÁ-630 ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäíîïîëþñíûé àïïàðàò, ñîäåðæàùèé êîíòàêòíî-äóãîãàñèòåëüíóþ ñèñòåìó ìîñòèêîâîãî òèïà ñ èíäóêöèîííî-äèíàìè÷åñêèì ïðèâîäîì äëÿ àâòîìàòè÷åñêîãî ñðàáàòûâàíèÿ è ýëåêòðîìàãíèòíûì ïðèâîäîì äëÿ îïåðàòèâíûõ êîììóòàöèé.  êà÷åñòâå äàò÷èêà òîêà èñïîëüçóþòñÿ ãåðêîíîâûå òîêîâûå ðåëå. Ïðè êîðîòêîì çàìûêàíèè, êîãäà òîê â ãëàâíîé öåïè ïðåâûñèò çíà÷åíèå óñòàâêè äàò÷èêà òîêà, ïðåäâàðèòåëüíî çàðÿæåííûé íàêîïèòåëüíûé êîíäåíñàòîð ðàçðÿæàåòñÿ íà êàòóøêó èíäóêöèîííî-äèíàìè÷åñêîãî ïðèâîäà (ÈÄÏ), êîòîðûé áûñòðî ðàçìûêàåò êîíòàêòû, âûçûâàÿ òåì ñàìûì ýôôåêòèâíîå îãðàíè÷åíèå òîêà. Êîíòàêòíî-äóãîãàñèòåëüíàÿ ñèñòåìà ïîêàçàíà íà ðèñ. 4.25. Ìîñòèêîâîå êîíòàêòíîå ñîåäèíåíèå ñîñòîèò èç ïîäâèæíîãî êîíòàêòà 12 è äâóõ íåïîäâèæíûõ êîíòàêòîâ 19. Êàæäîå êîíòàêòíîå ñîåäèíåíèå ïîìåùåíî â äóãîãàñèòåëüíóþ êàìåðó 13.
ëåâîå ïîëîæåíèå. Àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü âêëþ÷èòñÿ. Äèñòàíöèîííîå îòêëþ÷åíèå àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîäà÷åé íàïðÿæåíèÿ íà îòêëþ÷àþùóþ êàòóøêó W0. Äàëüíåéøèì ðàçâèòèåì áûñòðîäåéñòâóþùèõ âûêëþ÷àòåëåé ñ èíäóêöèîííî-äèíàìè÷åñêèì ïðèâîäîì ñòàëè âûêëþ÷àòåëè ÂÁ-630, ïðèìåíÿåìûå äëÿ çàùèòû ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ ìåòðîâàãîíîâ. Íîìèíàëüíûé òîê äàííûõ àïïàðàòîâ 630 À, íîìè-
Ðèñ. 4.24. Áûñòðîäåéñòâóþùèé àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü ÂÀÁ-2ÎÌ
Ðèñ. 4.25. Áûñòðîäåéñòâóþùèé àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü ÂÁ-630
125
Ãë. 4. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ
ëîæåííîìó â ëåâîé ÷àñòè âûêëþ÷àòåëÿ, à ïîäâèæíàÿ øèíà ÕÒ1 (ÕÒ2) ïîäñîåäèíåíà ê íåïîäâèæíîìó êîíòàêòó, ðàñïîëîæåííîìó â ïðàâîé ÷àñòè âûêëþ÷àòåëÿ. Êàòóøêè ìàãíèòíîãî äóòüÿ 22, ñîçäàþùèå ìàãíèòíîå ïîëå â ïðàâîì êîíòàêòíîì ðàçðûâå, ïîäêëþ÷åíû ê âûâîäàì ÕÒ3 è ÕÒ4, à êàòóøêè, ñîçäàþùèå ìàãíèòíîå ïîëå â ëåâîì êîíòàêòíîì ðàçðûâå, ïîäêëþ÷åíû ê âûâîäàì ÕÒ5 è ÕÒ6, ïðè ýòîì ÕÒ4 è ÕÒ5 ñîåäèíåíû ñ ïîäâèæíûì êîíòàêòîì. Ðàáîòàåò ñèñòåìà ìàãíèòíîãî äóòüÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: âîçíèêàþùàÿ ïðè îòêëþ÷åíèè ýëåêòðè÷åñêàÿ äóãà ïîä äåéñòâèåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ òîêîâîé îáìîòêè, îáðàçîâàííîé ïîäâîäÿùèìè øèíàìè, âûõîäèò èç ìåæêîíòàêòíîãî ïðîìåæóòêà. Êàê òîëüêî ýëåêòðè÷åñêàÿ äóãà äîñòèãàåò âñïîìîãàòåëüíîãî ðîãà 24 â öåïè êàòóøåê ìàãíèòíîãî äóòüÿ íà÷íåò ïðîòåêàòü òîê. Ñîçäàâàåìîå ýòèì òîêîì ìàãíèòíîå ïîëå êîíöåíòðèðóåòñÿ ñ ïîìîùüþ ìàãíèòîïðîâîäîâ 9 è ñåðäå÷íèêîâ 23 è âîçäåéñòâóåò íà ýëåêòðè÷åñêóþ äóãó, âûçûâàÿ äàëüíåéøåå åå äâèæåíèå è âõîæäåíèå â äóãîãàñèòåëüíóþ ðåøåòêó. Ïî ìåðå äâèæåíèÿ äóãè áîëüøàÿ ÷àñòü òîêà îòâåòâëÿåòñÿ â êàòóøêè ìàãíèòíîãî äóòüÿ. ×òî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, âîçäåéñòâóþùåãî íà äóãó. Òàêîå ïîäêëþ÷åíèå êàòóøåê ìàãíèòíîãî äóòüÿ, ïðè êîòîðîì òîê â ëåâîì êîíòàêòíîì ðàçðûâå âîçäåéñòâóåò íà äóãó, ãîðÿùóþ â ïðàâîì ðàçðûâå è íàîáîðîò, ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü ðàâíîìåðíîå äâèæåíèå äóãè è ó÷àñòèå îáåèõ êàìåð â äóãîãàøåíèè.
Ïðè âêëþ÷åíèè âûêëþ÷àòåëÿ íà êàòóøêó ýëåêòðîìàãíèòà 2 ïîäàåòñÿ ìîùíûé èìïóëüñ òîêà. ßêîðü ýëåêòðîìàãíèòà ïðèòÿãèâàåòñÿ è ïåðåìåùàåò âíèç (ïî ðèñóíêó) ðàìêó 6. Ðàìêà 6, ïåðåìåùàÿñü, çàìûêàåò êîíòàêòû è äåôîðìèðóåò ïðóæèíû 15, êîòîðûå ñîçäàþò êîíòàêòíîå íàæàòèå.  çàìêíóòîì ñîñòîÿíèè êîíòàêòû óäåðæèâàþòñÿ ýëåêòðîìàãíèòîì 2, íà êàòóøêó êîòîðîãî ïîñòîÿííî ïîäàíî íàïðÿæåíèå. Ïðè îïåðàòèâíîì îòêëþ÷åíèè êàòóøêà ýëåêòðîìàãíèòà îáåñòî÷èâàåòñÿ è âîçâðàòíàÿ ïðóæèíà 16 ÷åðåç øòîê 14 âîçäåéñòâóåò íà ïîäâèæíîé êîíòàêò 12, âûçûâàÿ òåì ñàìûì ðàçìûêàíèå êîíòàêòîâ. Ïðè àâàðèéíîì îòêëþ÷åíèè ÷åðåç êàòóøêó ÈÄÏ 3 ïðîòåêàåò òîê ðàçðÿäà íàêîïèòåëüíûõ êîíäåíñàòîðîâ.  ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèÿ äèñê 10 óñêîðåííî äâèæåòñÿ ââåðõ è ÷åðåç øòîê 14 ïåðåìåùàåò ïîäâèæíûé êîíòàêò 12. Îäíîâðåìåííî ïðîèçâîäèòñÿ áûñòðîå âûòåñíåíèå òîêà èç öåïè ïèòàíèÿ êàòóøêè ýëåêòðîìàãíèòà è ðàìêà 6 òàêæå íà÷èíàåò äâèãàòüñÿ ââåðõ. Äëÿ ýôôåêòèâíîãî ãàøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè â âûêëþ÷àòåëå èñïîëüçóåòñÿ ñèñòåìà ìàãíèòíîãî äóòüÿ, ñîäåðæàùàÿ êàòóøêè ìàãíèòíîãî äóòüÿ 22, ìàãíèòîïðîâîä 9, ñåðäå÷íèêè 23 è òîêîâóþ îáìîòêó, îáðàçîâàííóþ ó÷àñòêàìè ïîäâîäÿùèõ øèí, ðàñïîëîæåííûìè äðóã ïðîòèâ äðóãà. Ýòà îáìîòêà îáðàçóåòñÿ çà ñ÷åò òîãî, ÷òî îòâîäÿùàÿ øèíà ÕÒ7 ïðèñîåäèíåíà ê íåïîäâèæíîìó êîíòàêòó 19, ðàñïî-
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 4. ×òî òàêîå ìåõàíèçì ñâîáîäíîãî ðàñöåïëåíèÿ è åãî îñíîâíîå íàçíà÷åíèå? 5. Äëÿ ÷åãî êîíòàêòíàÿ ñèñòåìà àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ èìååò êîìïåíñàòîð ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé? 6. Êàê ðåãóëèðóåòñÿ òîê ñðàáàòûâàíèÿ â áûñòðîäåéñòâóþùåì àâòîìàòè÷åñêîì âûêëþ÷àòåëå?
1. Ïåðå÷èñëèòå èçâåñòíûå âàì ðàçíîâèäíîñòè àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé. 2. ×òî ïîíèìàåòñÿ ïîä òîêîîãðàíè÷èâàþùåé ñïîñîáíîñòüþ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ ïðè îòêëþ÷åíèè òîêîâ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ? 3. Äëÿ ÷åãî â àâòîìàòè÷åñêîì âûêëþ÷àòåëå èìåþòñÿ ðàçðûâíûå è ãëàâíûå êîíòàêòû?
126
Ãëàâà ïÿòàÿ ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÂÛÑÎÊÎÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß 5.1. ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ ÂÛÑÎÊÎÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß 5.1.1. ÍÀÇÍÀ×ÅÍÈÅ È ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß ÀÏÏÀÐÀÒΠÂÛÑÎÊÎÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß
Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ (ÀÂÍ) èñïîëüçóþòñÿ â ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ âñåõ íåîáõîäèìûõ èçìåíåíèé ñõåì è ýëåêòðîñíàáæåíèÿ ïîòðåáèòåëåé êàê â íîðìàëüíûõ ýêñïëóàòàöèîííûõ ðåæèìàõ, òàê è â àâàðèéíûõ óñëîâèÿõ, äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íåïðåðûâíîãî êîíòðîëÿ çà ñîñòîÿíèåì ñèñòåì âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ, îãðàíè÷åíèÿ âîçíèêàþùèõ ïåðåíàïðÿæåíèé è òîêîâ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè. Ïî ôóíêöèîíàëüíîìó ïðèçíàêó àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ñëåäóþùèå âèäû: êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû (âûêëþ÷àòåëè, âûêëþ÷àòåëè íàãðóçêè, ðàçúåäèíèòåëè, êîðîòêîçàìûêàòåëè, îòäåëèòåëè); èçìåðèòåëüíûå àïïàðàòû (òðàíñôîðìàòîðû òîêà è íàïðÿæåíèÿ); îãðàíè÷èâàþùèå àïïàðàòû (ïðåäîõðàíèòåëè, òîêîîãðàíè÷èâàþùèå ðåàêòîðû, ðàçðÿäíèêè, íåëèíåéíûå îãðàíè÷èòåëè ïåðåíàïðÿæåíèé); êîìïåíñèðóþùèå àïïàðàòû (óïðàâëÿåìûå è íåóïðàâëÿåìûå øóíòèðóþùèå ðåàêòîðû); êîìïëåêòíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà (ÊÐÓ). Êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ íåîáõîäèìûõ ñõåì ïåðåäà÷è ýíåðãèè îò åå èñòî÷íèêà (ýëåêòðîñòàíöèè) ê ïîòðåáèòåëþ. Íà ðèñ. 5.1. ïðèâåäåíà îäíîëèíåéíàÿ ñõåìà ñòàíöèè ñðåäíåé ìîùíîñòè ñ ðàñïðåäåëèòåëüíûìè óñòðîéñòâàìè (ÐÓ) 10 è 110 êÂ. ×òîáû íå óñëîæíÿòü ñõåìó, äëÿ îáîèõ ÐÓ óñëîâíî ïðèíÿòû îäíîôàçíûå ñèñòåìû ñáîðíûõ øèí. Íà ïðàêòèêå â öåëÿõ îáåñïå÷åíèÿ áåñïåðåáîéíîãî ýíåðãîñíàáæåíèÿ, à òàêæå äëÿ ïðîâåäåíèÿ ðåãëàìåíòíûõ ðåâèçèîííûõ è ðåìîíòíûõ ðàáîò âñåé àïïàðàòóðû, âêëþ÷àÿ ñèëîâûå ïîâûøàþùèå òðàíñôîðìàòîðû, íàõîäÿùèåñÿ ïîä âûñîêèì íàïðÿæåíèåì, âñå ýëåìåíòû ñõåìû ðàñïðåäåëåíèÿ è ïîäâîäà ìîùíîñòè îò ãåíåðàòîðà ê ïîòðåáèòåëþ, êðîìå ëèíèé ýëåêòðîïåðåäà÷è, äîëæíû èìåòü ðåçåðâ [54]. Ïðèáîðû, àïïàðàòû óïðàâëåíèÿ è ðåëåéíîé çàùèòû, à â ðÿäå ñëó÷àåâ èçìåðèòåëüíûå òðàíñôîðìàòîðû â òàêèõ ñõåìàõ îïóñêàþòñÿ. Ê ñáîðíûì øèíàì íàïðÿæåíèåì 10 ê ïðèñîåäèíåíû ãåíåðàòîðû G1 è G2, ãëàâíûå ñèëîâûå
ïîâûøàþùèå òðàíñôîðìàòîðû T1, T2, ïîíèæàþùèå òðàíñôîðìàòîðû ñîáñòâåííûõ íóæä T3, T4, ÷åòûðå ëèíèè ìåñòíîé ðàñïðåäåëèòåëüíîé ñåòè ñ òîêîîãðàíè÷èâàþùèìè ðåàêòîðàìè LR è äâå íåçàâèñèìûõ èëè ðàáîòàþùèõ ïàðàëëåëüíî ëèíèè ýëåêòðîïåðåäà÷è âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ W. Ðàññìîòðèì ëèøü íàèáîëåå âàæíûå àïïàðàòû. Êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû (âûêëþ÷àòåëè) ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ îïåðàòèâíîé è àâàðèéíîé êîììóòàöèè â ýíåðãîñèñòåìàõ, äëÿ âûïîëíåíèÿ îïåðàöèé âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ îòäåëüíûõ öåïåé ïðè ðó÷íîì èëè àâòîìàòè÷åñêîì óïðàâëåíèè. Âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè âûêëþ÷àòåëè äîëæíû áåñïðåïÿòñòâåííî ïðîïóñêàòü òîêè íàãðóçêè. Õàðàêòåð ðåæèìà ðàáîòû ýòèõ àïïàðàòîâ íåñêîëüêî íåîáû÷åí: íîðìàëüíûì äëÿ íèõ ñ÷èòàåòñÿ êàê âêëþ÷åííîå ñîñòîÿíèå, êîãäà îíè îáòåêàþòñÿ òîêîì íàãðóçêè, òàê è îòêëþ÷åííîå, ïðè êîòîðîì îíè îáåñïå÷èâàþò íåîáõîäèìóþ ýëåêòðè÷åñêóþ èçîëÿöèþ ìåæäó ðàçîìêíóòûìè ó÷àñòêàìè öåïè. Êîììóòàöèÿ öåïè, îñóùåñòâëÿåìàÿ ïðè ïåðåêëþ-
Ðèñ. 5.1. Îäíîëèíåéíàÿ ñõåìà ýëåêòðîñòàíöèè ñ ÐÓ 10 è 110 êÂ: G1, G2 – ãåíåðàòîðû; Ò1,Ò2 – ïîâûøàþùèå ñèëîâûå òðàíñôîðìàòîðû; Q – âûêëþ÷àòåëü; QB – âûêëþ÷àòåëü ñåêöèîííûé; QS – ðàçúåäèíèòåëü; LR – òîêîîãðàíè÷èâàþùèé ðåàêòîð; F – ðàçðÿäíèê; W – ëèíèÿ ýëåêòðîïåðåäà÷è (ËÝÏ)
127
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
Êîðîòêîçàìûêàòåëè è îòäåëèòåëè óñòàíàâëèâàþòñÿ íà ñòîðîíå âûñøåãî íàïðÿæåíèÿ ÐÓ ìàëîîòâåòñòâåííûõ ïîòðåáèòåëåé, êîãäà â öåëÿõ ýêîíîìèè ïëîùàäè è ñòîèìîñòè ÐÓ âûêëþ÷àòåëè ïðåäóñìîòðåíû òîëüêî íà ñòîðîíå íèçøåãî íàïðÿæåíèÿ [54] (ñì. ðèñ. 5.22,á). Îãðàíè÷èâàþùèå àïïàðàòû ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà àïïàðàòû îãðàíè÷åíèÿ òîêà è íàïðÿæåíèÿ. Ê òîêîîãðàíè÷èâàþùèì àïïàðàòàì îòíîñÿòñÿ âûñîêîâîëüòíûå ïðåäîõðàíèòåëè è ðåàêòîðû. Ïëàâêèå ïðåäîõðàíèòåëè ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ çàùèòû ñèëîâûõ òðàíñôîðìàòîðîâ è èçìåðèòåëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ íàïðÿæåíèÿ, âîçäóøíûõ è êàáåëüíûõ ëèíèé, êîíäåíñàòîðîâ. Îãðàíè÷èâàþùèå àïïàðàòû. Òîêîîãðàíè÷èâàþùèå ðåàêòîðû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êàòóøêó èíäóêòèâíîñòè áåç ñòàëè è ñëóæàò äëÿ îãðàíè÷åíèÿ òîêà ÊÇ è ïîääåðæàíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà ñáîðíûõ øèíàõ ÐÓ. Ïðèìåíåíèå èõ ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ñíèçèòü òðåáîâàíèÿ ïî ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé è òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè â ñåòÿõ ñ ðåàêòîðàìè ïî ñðàâíåíèþ ñ àíàëîãè÷íûìè ñåòÿìè, íå çàùèùåííûìè ðåàêòîðàìè.  êà÷åñòâå îãðàíè÷èòåëåé ãðîçîâûõ è âíóòðåííèõ ïåðåíàïðÿæåíèé èñïîëüçóþòñÿ ðàçðÿäíèêè. Îíè äîëæíû áûòü óñòàíîâëåíû âáëèçè ñèëîâûõ ïîâûøàþùèõ òðàíñôîðìàòîðîâ è ââîäîâ âîçäóøíûõ ëèíèé â ÐÓ (ðèñ. 5.1). Îíè ïîçâîëÿþò ñíèçèòü òðåáîâàíèÿ ê ïðî÷íîñòè ýëåêòðè÷åñêîé èçîëÿöèè àïïàðàòîâ è îáîðóäîâàíèÿ ÐÓ, óìåíüøèòü ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ýëåêòðè÷åñêîé óñòàíîâêè è çíà÷èòåëüíî ñíèçèòü åå ñòîèìîñòü. Êîìïåíñèðóþùèå àïïàðàòû (øóíòèðóþùèå ðåàêòîðû) ïðèìåíÿþòñÿ â ñåòÿõ ñâåðõâûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ è âêëþ÷àþòñÿ ìåæäó òîêîâåäóùèìè ýëåìåíòàìè è çåìëåé. Îíè ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ êîìïåíñàöèè èçáûòî÷íîé çàðÿäíîé ìîùíîñòè â ðåæèìå ìàëûõ íàãðóçîê (êîãäà ïî ëèíèè ïåðåäàåòñÿ ìîùíîñòü ìåíüøå íîìèíàëüíîé). Ïîýòîìó ïðè íîìèíàëüíîé íàãðóçêå ëèíèè ðåàêòîðû îòêëþ÷åíû, à ïî ìåðå óìåíüøåíèÿ íàãðóçêè îíè ïîäêëþ÷àþòñÿ ïðè ïîìîùè âûêëþ÷àòåëåé. Ðåãóëèðóåìûå ðåàêòîðû îáåñïå÷èâàþò âîçìîæíîñòü ïëàâíîãî èçìåíåíèÿ ïîòðåáëÿåìîé èìè ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè áåç îòêëþ÷åíèÿ îò ëèíèè. Êîìïëåêòíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà (ÊÐÓ) ñîñòàâëÿþòñÿ èç ïîëíîñòüþ èëè ÷àñòè÷íî çàêðûòûõ øêàôîâ èëè áëîêîâ ñî âñòðîåííûìè â íèõ ÀÂÍ, óñòðîéñòâàìè çàùèòû, àâòîìàòèêè, êîíòðîëüíî-èçìåðèòåëüíîé àïïàðàòóðû è ïîñòàâëÿåìûõ â ñîáðàííîì íà çàâîäå èëè ïîëíîñòüþ ïîäãîòîâëåííîì äëÿ ñáîðêè âèäå. Ðàçëè÷àþò ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà âíóòðåííåé è íàðóæíîé óñòàíîâêè. Êîìïëåêòíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñò-
÷åíèè âûêëþ÷àòåëÿ èç îäíîãî ïîëîæåíèÿ â äðóãîå, ïðîèçâîäèòñÿ íåðåãóëÿðíî, âðåìÿ îò âðåìåíè, à âûïîëíåíèå èì ñïåöèôè÷åñêèõ òðåáîâàíèé ïî îòêëþ÷åíèþ âîçíèêàþùåãî â öåïè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ ÷ðåçâû÷àéíî ðåäêî. Âûêëþ÷àòåëè äîëæíû íàäåæíî âûïîëíÿòü ñâîè ôóíêöèè â òå÷åíèå ñðîêà ñëóæáû (25 ëåò), íàõîäÿñü â ëþáîì èç óêàçàííûõ ñîñòîÿíèé, è îäíîâðåìåííî áûòü âñåãäà ãîòîâûìè ê ìãíîâåííîìó ýôôåêòèâíîìó âûïîëíåíèþ ëþáûõ êîììóòàöèîííûõ îïåðàöèé, ÷àñòî ïîñëå äëèòåëüíîãî ïðåáûâàíèÿ â íåïîäâèæíîì ñîñòîÿíèè. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî îíè äîëæíû èìåòü î÷åíü âûñîêèé êîýôôèöèåíò ãîòîâíîñòè: ïðè ìàëîé ïðîäîëæèòåëüíîñòè ïðîöåññîâ êîììóòàöèè (íåñêîëüêî ìèíóò â ãîä) äîëæíà áûòü îáåñïå÷åíà ïîñòîÿííàÿ ãîòîâíîñòü ê îñóùåñòâëåíèþ êîììóòàöèé. Âûêëþ÷àòåëè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ (ñåêöèîííûå) ïðåäóñìîòðåíû òàêæå â ñáîðíûõ øèíàõ (ñì. ðèñ. 5.1.).  ÐÓ ñòàíöèé ñåêöèîííûå âûêëþ÷àòåëè ïðè íîðìàëüíîé ðàáîòå îáû÷íî çàìêíóòû. Îíè äîëæíû àâòîìàòè÷åñêè âûêëþ÷àòüñÿ òîëüêî ïðè ïîâðåæäåíèè â çîíå ñáîðíûõ øèí. Âìåñòå ñ íèìè äîëæíû îòêëþ÷àòüñÿ è äðóãèå âûêëþ÷àòåëè ïîâðåæäåííîé ñåêöèè. Òàêèì îáðàçîì, ïîâðåæäåííàÿ ñåêöèÿ ÐÓ áóäåò îòêëþ÷åíà, à îñòàëüíàÿ ÷àñòü îñòàíåòñÿ â ðàáîòå. Ðàçúåäèíèòåëè ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ êîììóòàöèè îáåñòî÷åííûõ ïðè ïîìîùè âûêëþ÷àòåëåé ó÷àñòêîâ òîêîâåäóùèõ ñèñòåì, äëÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ ÐÓ ñ îäíîé âåòâè íà äðóãóþ áåç ïåðåðûâà òîêà, à òàêæå äëÿ îòäåëåíèÿ íà âðåìÿ ðåâèçèè èëè ðåìîíòà ñèëîâîãî îáîðóäîâàíèÿ ÀÂÍ äëÿ ñîçäàíèÿ áåçîïàñíûõ óñëîâèé îò ñìåæíûõ ÷àñòåé ëèíèè, íàõîäÿùèõñÿ ïîä íàïðÿæåíèåì. Ðàçúåäèíèòåëè ñïîñîáíû ðàçìûêàòü ýëåêòðè÷åñêóþ öåïü òîëüêî ïðè îòñóòñòâèè â íåé òîêà èëè ïðè âåñüìà ìàëîì òîêå.  îòëè÷èå îò âûêëþ÷àòåëåé ðàçúåäèíèòåëè â îòêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè îáðàçóþò âèäèìûé ðàçðûâ öåïè. Ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ ðàçúåäèíèòåëåé ñ îáåèõ ñòîðîí îáúåêòà, íàïðèìåð, âûêëþ÷àòåëü èëè òðàíñôîðìàòîð è äðóãèå äîëæíû çàçåìëÿòüñÿ ñ îáåèõ ñòîðîí, ëèáî ïðè ïîìîùè ïåðåíîñíûõ çàçåìëèòåëåé, ëèáî ñïåöèàëüíûõ çàçåìëÿþùèõ íîæåé, âñòðàèâàåìûõ â êîíñòðóêöèþ ðàçúåäèíèòåëÿ (ñì. ðèñ. 5.22,à). Îòäåëèòåëü ñëóæèò äëÿ îòêëþ÷åíèÿ îáåñòî÷åííîé öåïè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ çà ìàëîå âðåìÿ (íå áîëåå 0,1 ñ). Îí ïîäîáåí ðàçúåäèíèòåëþ, íî ñíàáæåí áûñòðîäåéñòâóþùèì ïðèâîäîì (ñì. ðèñ. 5.22,á). Êîðîòêîçàìûêàòåëü ñëóæèò äëÿ ñîçäàíèÿ èñêóññòâåííîãî ÊÇ â öåïè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ. Êîíñòðóêöèÿ åãî ïîäîáíà êîíñòðóêöèè çàçåìëÿþùåãî óñòðîéñòâà ðàçúåäèíèòåëÿ, íî ñíàáæåííîãî áûñòðîäåéñòâóþùèì ïðèâîäîì. 128
§ 5.1. Âûêëþ÷àòåëè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
ðîéñòâà ñòàíîâÿòñÿ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì òèïîì ÐÓ.  ïîñëåäíåå âðåìÿ íà÷àëè øèðîêî ïðèìåíÿòüñÿ ãåðìåòèçèðîâàííûå ÐÓ (ÃÐÓ), â êîòîðûõ âñå òîêîâåäóùèå ýëåìåíòû è âåñü êîìïëåêñ àïïàðàòóðû (âûêëþ÷àòåëè, ðàçúåäèíèòåëè) ðàñïîëîæå-
íû âíóòðè ãåðìåòè÷íîé îáîëî÷êè, çàïîëíåííîé ñæàòûì ãàçîì (ýëåãàçîì). Íàèáîëåå ýôôåêòèâíî ÃÐÓ áóäóò ïðèìåíÿòüñÿ â êðóïíûõ ãîðîäàõ, ÷òî äàñò çíà÷èòåëüíóþ ýêîíîìèþ ãîðîäñêèõ ïëîùàäåé è ïîâûñèò íàäåæíîñòü ýíåðãîñèñòåì.
5.1.2. ÓÑËÎÂÈß ÐÀÁÎÒÛ ÀÏÏÀÐÀÒΠÂÛÑÎÊÎÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß È ÎÁÙÈÅ ÒÐÅÁÎÂÀÍÈß, ÏÐÅÄÚßÂËßÅÌÛÅ Ê ÍÈÌ
ïóëüñîâ, âîçíèêàþùèõ ïðè âîçäåéñòâèè ãðîçîâûõ ðàçðÿäîâ íà ýëåêòðè÷åñêóþ ñåòü. Ïðèðîäà ïðîèñõîæäåíèÿ ïåðåíàïðÿæåíèé îïðåäåëÿåò ñïåöèôè÷åñêóþ ôîðìó èìïóëüñà ïåðåíàïðÿæåíèé. Òàê ãðîçîâîé èìïóëüñ èìååò îáîçíà÷åíèå 1,2/50 ìêñ, ÷òî îçíà÷àåò êðóòèçíó ôðîíòà èìïóëüñà 1,2±0,3 ìêñ ïðè îáùåé äëèòåëüíîñòè 50±10 ìêñ. Êîììóòàöèîííûå ïåðåíàïðÿæåíèÿ èìèòèðóþòñÿ àïåðèîäè÷åñêèì èìïóëüñîì äëèòåëüíîñòüþ ôðîíòà tô = 250±50 ìêñ è äëèòåëüíîñòüþ ïîëóñïàäà tïñï = = 2500±1500 ìêñ.  ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè ïðè âîçíèêíîâåíèè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ âñå òîêîâåäóùèå ýëåìåíòû ñåòè èñïûòûâàþò ìîùíîå òåðìè÷åñêîå è ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîå âîçäåéñòâèå òîêîâ ÊÇ, ïðåâîñõîäÿùèõ íîìèíàëüíûå òîêè â äåñÿòêè ðàç. Ïðè ïðîòåêàíèè òîêîâ ÊÇ òåìïåðàòóðà òîêîâåäóùèõ ýëåìåíòîâ, ïîâûøàÿñü, íå äîëæíà ïðåâûøàòü íîðìèðîâàííûõ ïðåäåëüíûõ äîïóñòèìûõ çíà÷åíèé äëÿ íåèçîëèðîâàííûõ øèíîïðîâîäîâ, íàïðèìåð, ìåäíûõ – 300°Ñ, äëÿ àëþìèíèåâûõ – 200°Ñ. Òîêè ÊÇ âûçûâàþò ïîÿâëåíèå çíà÷èòåëüíûõ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé, âîçäåéñòâóþùèõ íà øèíîïðîâîäû è èõ íåñóùèå ìåõàíè÷åñêèå êîíñòðóêöèè (â ÷àñòíîñòè îïîðíûå èçîëÿòîðû). Êðîìå òîãî, êîíòàêòíûå ñèñòåìû âñåõ êîììóòèðóþùèõ àïïàðàòîâ äîëæíû âûäåðæèâàòü ýòè íàãðóçêè áåç ñâàðèâàíèÿ èëè ñàìîïðîèçâîëüíîãî ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîâ. Ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå óñèëèÿ ðàññ÷èòûâàþòñÿ ïî íàèáîëüøåìó ìãíîâåííîìó çíà÷åíèþ (óäàðíîãî) òîêà òðåõôàçíîãî ÊÇ ióä ñ ó÷åòîì ôàçîâîãî ñäâèãà ìåæäó òîêàìè.
Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ ìîãóò óñòàíàâëèâàòüñÿ êàê âíóòðè ïîìåùåíèÿ, òàê è íà îòêðûòûõ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ (ÎÐÓ). Óñëîâèÿ ðàáîòû ïðè ýòîì çíà÷èòåëüíî ðàçëè÷àþòñÿ ìåæäó ñîáîé è ýòî íàõîäèò îòðàæåíèå â èõ êîíñòðóêòèâíûõ îñîáåííîñòÿõ. Âî âðåìÿ ýêñïëóàòàöèè àïïàðàòû ÎÐÓ ïîäâåðãàþòñÿ âîçäåéñòâèþ îêðóæàþùåé ñðåäû. Ýòè âîçäåéñòâèÿ îñîáåííî âðåäíî ñêàçûâàþòñÿ íà ñîñòîÿíèè èçîëÿöèè àïïàðàòîâ. Ïîýòîìó âñå àïïàðàòû ÎÐÓ ðàññ÷èòûâàþòñÿ íà âîçäåéñòâèå ãîëîëåäà, âåòðà è çàãðÿçíåíèé. Çàãðÿçíåíèÿ è ïåðèîäè÷åñêèå óâëàæíåíèÿ èçîëÿöèè ÀÂÍ òðåáóþò ñîîòâåòñòâóþùåãî ðàçâèòèÿ ïîâåðõíîñòè èçîëÿòîðîâ. Ïîñêîëüêó óñëîâèÿ çàãðÿçíåíèÿ íà ðàçíûõ ÎÐÓ ñóùåñòâåííî çàâèñÿò îò êîíêðåòíûõ êëèìàòè÷åñêèõ óñëîâèé (áëèçîñòü âîäíûõ áàññåéíîâ, ïóñòûííûõ çîí), íàëè÷èÿ âðåäíûõ âûáðîñîâ ïðîèçâîäñòâ â àòìîñôåðó è ñèëüíî ðàçëè÷àþòñÿ. Ïðåäóñìîòðåíû òðè èñïîëíåíèÿ èçîëÿöèè àïïàðàòîâ. Äëÿ èçîëÿòîðîâ íàðóæíîé óñòàíîâêè óñòàíîâëåíà íåîáõîäèìàÿ äëèíà ïóòè òîêà óòå÷êè ôàðôîðîâûõ èçîëÿòîðîâ äëÿ ðàçëè÷íûõ êàòåãîðèé èñïîëíåíèÿ: êàòåãîðèÿ I – 1,67 ñì/êÂ, êàòåãîðèÿ II – 2,5 ñì/êÂ, êàòåãîðèÿ III – 3,5 ñì/êÂ. Ñîãëàñíî ýòèì íîðìàì äîïóñòèìàÿ äëèíà óòå÷êè ñîîòâåòñòâóåò óäåëüíîé äëèíå óòå÷êè – äëèíå, îòíåñåííîé ê 1 ê íàèáîëüøåãî ðàáî÷åãî ëèíåéíîãî íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ àïïàðàòîâ âíóòðåííåé óñòàíîâêè äëèíà ïóòè óòå÷êè íå íîðìèðóåòñÿ. Àïïàðàòû âíåøíåé óñòàíîâêè îêàçûâàþòñÿ ïîä âîçäåéñòâèåì êîììóòàöèîííûõ ïåðåíàïðÿæåíèé, çàâèñÿùèõ îò âèäà êîììóòàöèè, òèïà âûêëþ÷àòåëÿ, ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîé ñåòè, è ãðîçîâûõ èì-
5.1.3. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÀÐÀÌÅÒÐÛ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ ÂÛÑÎÊÎÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß
Ñðåäè îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ âûêëþ÷àòåëåé âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ ñëåäóåò âûäåëèòü ãðóïïó íîìèíàëüíûõ ïàðàìåòðîâ, ïðèñóùèõ âñåì òèïàì âûêëþ÷àòåëåé è îïðåäåëÿþùèõ óñëîâèÿ èõ ðàáîòû. Ê îñíîâíûì íîìèíàëüíûì ïàðàìåòðàì âûêëþ÷àòåëåé â ñîîòâåòñòâèè ñ ðåêîìåíäàöèÿìè Ìåæäóíàðîäíîé ýëåêòðîòåõíè÷åñêîé êîìèññèè (ÌÝÊ) îòíîñÿòñÿ: íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå Uíîì; íàèáîëüøåå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå Uí.ð; íîìèíàëüíûé óðîâåíü èçîëÿöèè; íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà fíîì; íîìè-
íàëüíûé òîê Iíîì; íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ Iî.íîì; íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ Iâ.íîì; íîìèíàëüíîå ïåðåõîäíîå âîññòàíàâëèâàþùååñÿ íàïðÿæåíèå (ÏÂÍ) ïðè ÊÇ íà âûâîäàõ âûêëþ÷àòåëÿ; íîìèíàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðè íåóäàëåííûõ ÊÇ; íîìèíàëüíàÿ äëèòåëüíîñòü ÊÇ; íîìèíàëüíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàöèé (íîìèíàëüíûå öèêëû); íîðìèðîâàííûå ïîêàçàòåëè íàäåæíîñòè è äð. Ê ïàðàìåòðàì, õàðàêòåðíûì äëÿ âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé, ñëåäóåò îòíåñòè íîìèíàëüíîå äàâëå129
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
(ìîìåíò ðàçìûêàíèÿ äóãîãàñèòåëüíûõ êîíòàêòîâ) è íàçûâàåìîé íîìèíàëüíûì òîêîì îòêëþ÷åíèÿ Iî.íîì(2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 35,5; 40; 45; 50; 56; 63; 71; 80; 90; 100; 112; 125; 140; 160; 180; 200; 224; 250 êÀ), à òàêæå íîðìèðîâàííûì ïðîöåíòíûì ñîäåðæàíèåì βí àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé, ðàâíûì îòíîøåíèþ àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé (ià) òîêà îòêëþ÷åíèÿ ê àìïëèòóäå ïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé (√ 2Iî.ï = √ 2Iî.íîì)
íèå è ðàñõîä âîçäóõà, íåîáõîäèìûå äëÿ ïðîâåäåíèÿ îïåðàöèé âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ, íèæíèé ïðåäåë äàâëåíèÿ äëÿ ïðîèçâîäñòâà îòäåëüíûõ îïåðàöèé. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå íàèáîëåå âàæíûå ïàðàìåòðû. Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå Uíîì (ëèíåéíîå) – ýòî áàçèñíîå íàïðÿæåíèå èç ñòàíäàðòèçîâàííîãî ðÿäà íàïðÿæåíèé, îïðåäåëÿþùåå óðîâåíü èçîëÿöèè ñåòè è ýëåêòðè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ. Äåéñòâèòåëüíûå íàïðÿæåíèÿ â ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ ñèñòåìû ìîãóò îòëè÷àòüñÿ îò íîìèíàëüíîãî, îäíàêî îíè íå äîëæíû ïðåâûøàòü íàèáîëüøèå ðàáî÷èå íàïðÿæåíèÿ (íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå ïî ÌÝÊ), óñòàíîâëåííûå äëÿ ïðîäîëæèòåëüíîé ðàáîòû. Íîìèíàëüíûå íàïðÿæåíèÿ âûêëþ÷àòåëåé ñîîòâåòñòâóþò êëàññàì íàïðÿæåíèÿ (òàáë. 5.1).
òîãî æå òîêà â ìîìåíò ðàçìûêàíèÿ äóãîãàñèòåëüíûõ êîíòàêòîâ. Òîê îòêëþ÷åíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñóììîé ïåðèîäè÷åñêîé è àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùèõ (ðèñ. 5.2) i0 = √ 2 Iî.íîì + ia = √ 2 Iî.íîì(1 + βí) .
Íîðìèðîâàííîå ïðîöåíòíîå ñîäåðæàíèå àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé βí îïðåäåëÿåòñÿ ïî êðèâîé íà ðèñ. 5.3. Ðàñ÷åòíîå âðåìÿ τ, c, ðàçìûêàíèÿ äóãîãàñèòåëüíûõ êîíòàêòîâ, îïðåäåëÿþò êàê ñóììó ñîáñòâåííîãî âðåìåíè îòêëþ÷åíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ tî.ñ è ìèíèìàëüíîãî âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ ðåëåéíîé çàùèòû 0,01 ñ:
Òàáëèöà 5.1 Êëàññ íîìèíàëüíûõ íàïðÿæåíèé
Íîìèíàëüíîå ìåæôàçíîå (ëèíåéíîå) íàïðÿæåíèå, äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå, ê 3 6 10 15 20 35 110 150 220 330 500 570 1150
Íàèáîëüøåå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå (íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå ïî ÌÝÊ), äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå, ê 3,6 7,2 12 17,5 24 40,5 126 172 252 363 525 787 1200
Íîìèíàëüíûé óðîâåíü èçîëÿöèè âûêëþ÷àòåëÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ çíà÷åíèÿìè èñïûòàòåëüíûõ íàïðÿæåíèé, âîçäåéñòâóþùèõ íà îñíîâíóþ èçîëÿöèþ âûêëþ÷àòåëÿ. Íîìèíàëüíûé òîê – ýòî äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå íàèáîëüøåãî òîêà, äîïóñòèìîãî ïî óñëîâèÿì íàãðåâà òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé âûêëþ÷àòåëÿ â ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå, ïðèíèìàþùåå ñëåäóþùèå çíà÷åíèÿ: 200; 400; 600; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000; 12500; 16000; 20000; 25000; 31500 À. Êîììóòàöèîííàÿ îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü âûêëþ÷àòåëÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ íîìèíàëüíûì òîêîì îòêëþ÷åíèÿ Iî.íîì, êîòîðûé âûêëþ÷àòåëü ìîæåò îòêëþ÷èòü ïðè íàèáîëüøåì ðàáî÷åì íàïðÿæåíèè è íîðìèðîâàííûõ óñëîâèÿõ âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ. Òîê îòêëþ÷åíèÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ äåéñòâóþùèì çíà÷åíèåì åãî ïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé Iî.ï, îòíåñåííîé ê ìîìåíòó âîçíèêíîâåíèÿ äóãè
(5.1)
τ = tî.ñ + 0,01 .
(5.2)
Êðèâàÿ βí(t) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ýêñïîíåíòó ñ ïîêàçàòåëåì τ ⁄ τa. Çíà÷åíèå ïîñòîÿííîé âðåìåíè τa ðàâíî 0,045 ñ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò åãî ñðåäíåìó
Ðèñ. 5.2. Ïåðèîäè÷åñêàÿ è àïåðèîäè÷åñêàÿ ñîñòàâëÿþùèå òîêà ÊÇ
Ðèñ. 5.3. Íîðìèðîâàííîå ïðîöåíòíîå ñîäåðæàíèå àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà ÊÇ
130
§ 5.1. Âûêëþ÷àòåëè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
ïðÿæåíèåì ñåòè Umax è óñëîâíûì âðåìåíåì åãî äîñòèæåíèÿ t3 (ðèñ. 5.4,à). Äëÿ âûêëþ÷àòåëåé ñ Uíîì ≥ 110 ê – ñîîòâåòñòâåííî ÷åòûðüìÿ ïàðàìåòðàìè (ðèñ. 5.4,á): U1, Umax, t1, t2. Çàïàçäûâàíèå ðîñòà ÏÂÍ íà íîðìèðîâàííîå âðåìÿ td ïðîèñõîäèò èç-çà âëèÿíèÿ åìêîñòè ñî ñòîðîíû èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ. Ìàêñèìàëüíîå âîññòàíàâëèâàþùååñÿ íàïðÿæåíèå îïðåäåëÿåòñÿ êàê 2 √ Umax = kakï.ã U , (5.4) 3 í.ð √
çíà÷åíèþ â áîëüøèíñòâå òî÷åê ýíåðãîñèñòåìû. Ïðè τ > 70 ìñ çíà÷åíèå βí ñëåäóåò ñ÷èòàòü ðàâíûì íóëþ. Íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ Iâ.íîì – íàèáîëüøèé òîê, êîòîðûé âûêëþ÷àòåëü ìîæåò âêëþ÷èòü ïðè íàèáîëüøåì ðàáî÷åì íàïðÿæåíèè. Ïðè âîçíèêíîâåíèè ÊÇ â öåïè çà âðåìÿ îêîëî 10 ìñ (ñì. ðèñ. 5.2) òîê äîñòèãàåò ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, íàçûâàåìîãî óäàðíûì òîêîì ÊÇ.  ýòîò ìîìåíò òîê ñîñòîèò èç äâóõ ñîñòàâëÿþùèõ ïåðèîäè÷åñêîé iï = √ 2Iî.íîì è àïåðèîäè÷åñêîé ia = βí √ 2 Iî.íîì.Òàê êàê çà âðåìÿ 10 ìñ çíà÷åíèå βí óìåíüøèòñÿ äî 0,8 (ïî ðèñ. 5.3), ïîýòîìó
ãäå ka – êîýôôèöèåíò ïðåâûøåíèÿ àìïëèòóäû âîçâðàùàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ; kï.ã – êîýôôèöèåíò ïåðâîãî ãàñÿùåãî ïîëþñà (òàáë.5.2).
ióä = √ 2 Iî.íîì(1 + βí) = = 1,8√ 2 Iî.íîì = 2,55Iî.íîì .
(5.3)
Òàáëèöà 5.2 Êîýôôèöèåíòû ïåðâîãî ãàñÿùåãî ïîëþñà
Ïîýòîìó íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ äîëæåí áûòü íå ìåíåå óäàðíîãî òîêà ÊÇ èç óñëîâèÿ âîçìîæíîñòè âêëþ÷åíèÿ íà ñóùåñòâóþùåå ÊÇ â öåïè [â ðåæèìå àâòîìàòè÷åñêîãî ïîâòîðíîãî âêëþ÷åíèÿ (ÀÏÂ)]. Íîìèíàëüíàÿ äëèòåëüíîñòü òîêà ÊÇ õàðàêòåðèçóåòñÿ ñïîñîáíîñòüþ âûêëþ÷àòåëÿ âûäåðæèâàòü âî âêëþ÷åííîì ïîëîæåíèè áåç ïîâðåæäåíèé òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè ióä = 2,55 Iî.íîì è òîê
kï.ã Iî.íîì, %
ka ïðè Uíîì ≤ 35 ê ïðè Uíîì ≥ 110 êÂ
100 60 30
òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè Iò = Iî.íîì . Âðåìÿ ïðîòåêà-
íèÿ òîêà Iò ñîñòàâëÿåò 1 èëè 2 ñ äëÿ âûêëþ÷àòåëåé ïðè Uíîì ≥ 330 ê è 1 èëè 3 ñ äëÿ âûêëþ÷àòåëåé ïðè Uíîì ≤ 220 êÂ. Ïðè îòêëþ÷åíèè òîêà ÊÇ íà âûâîäàõ âûêëþ÷àòåëÿ âîçíèêàåò ïåðåõîäíûé ïðîöåññ, êîòîðûé ïðè ãàøåíèè äóãè õàðàêòåðèçóåòñÿ ïåðåõîäíûì âîññòàíàâëèâàþùèìñÿ íàïðÿæåíèåì (ÏÂÍ), çàâèñÿùèì îò ñîáñòâåííûõ ïàðàìåòðîâ îòêëþ÷àåìîé ñåòè. Ôîðìû ÏÂÍ â ðåàëüíûõ ñåòÿõ ïðåäñòàâëÿþòñÿ â âèäå îãèáàþùèõ. Ïðè Uíîì ≤ 35 ê îãèáàþùàÿ ÏÂÍ çàäàíà äâóìÿ ïàðàìåòðàìè: ìàêñèìàëüíûì íà-
Ðèñ. 5.4. Íîðìèðîâàííûå õàðàêòåðèñòèêè ïåðåõîäíîãî âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ: 1 – îãèáàþùàÿ ÏÂÍ; 2 – ëèíèÿ çàïàçäûâàíèÿ; 3 – ðåàëüíàÿ ÏÂÍ
131
1,4 1,5 1,5
1,5
1,3
Ïàðàìåòðû t1 è t3, ñîîòâåòñòâóþùèå îòêëþ÷åíèþ òîêà ÊÇ è çàâèñÿùèå îò îòêëþ÷àåìîãî íàïðÿæåíèÿ, ïðèâåäåíû â ÃÎÑÒ 687–78. Îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü äóãîãàñèòåëüíûõ óñòðîéñòâ ïî-ðàçíîìó çàâèñèò îò õàðàêòåðà èçìåíåíèÿ ÏÂÍ. Âîçäóøíûå è ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè î÷åíü ÷óâñòâèòåëüíû ê ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ ÏÂÍ (dU/dt), à ìàñëÿíûå – ê ìàêñèìàëüíîìó ÏÂÍ. Ýòèì îáúÿñíÿåòñÿ íîðìèðîâàíèå Iî.íîì (0,9; 0,75; 0,6). Îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü âûêëþ÷àòåëÿ ìîæåò áûòü îõàðàêòåðèçîâàíà çàâèñèìîñòüþ äîïóñòèìîé ñêîðîñòè âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ dU/dt îò òîêà îòêëþ÷åíèÿ (êðèâàÿ 1 ðèñ. 5.5). Òî÷êè ïåðåñå÷åíèÿ êðèâîé 1 è ïðÿìîé 2, îïèñûâàþùåé çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ ÏÂÍ íà êîíòàêòàõ âûêëþ÷àòåëÿ ïðè îòêëþ÷åíèè íåóäàëåííîãî ÊÇ îò òîêà îòêëþ÷åíèÿ, îïðåäåëÿþò ïðåäåëüíûé òîê Iò, êîòîðûé ìîæåò áûòü îòêëþ÷åí âîçäóøíûì âûêëþ÷àòåëåì áåç òåïëîâîãî ïðîáîÿ. Ïðè óñïåøíîì ïðåîäîëåíèè ïåðâîãî ïèêà íàïðÿæåíèÿ (òåïëîâîé ïðîáîé íå ïðîèçîøåë), âîçìîæåí ïðîáîé íà ìàêñèìàëüíîì íàïðÿæåíèè. Äëÿ êàæäîãî òèïà âûêëþ÷àòåëÿ ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî ïðåäåëüíî äîïóñòèìîå ìàêñèìàëüíîå ÏÂÍ, çàâèñÿùåå îò îòêëþ÷àåìîãî òîêà – êðèâàÿ 3. Êðèâàÿ 4 ïîêàçûâàåò ìàêñèìàëüíîå ÏÂÍ ñåòè, êîòîðîå íå çàâèñèò îò êîììóòàöèè. Òî÷êà èõ ïåðåñå÷åíèÿ óêàçûâàåò ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå òîêà îòêëþ÷åíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ Iý, âûçûâàþùåå âîçìîæíûé ýëåêòðè÷åñêèé ïðîáîé.
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
ìåíåíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ îãðàíè÷åíà ïî òîêó çíà÷åíèåì Iò, à ïî íàïðÿæåíèþ – êðèâîé (êðèâàÿ 3) âîçìîæíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïðîáîÿ.  áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ (ñîãëàñíî ñòàòèñòèêå äî 80%) ïðè÷èíà, âûçûâàþùàÿ ÊÇ, ñàìîëèêâèäèðóåòñÿ â ðåçóëüòàòå êðàòêîâðåìåííîãî îòêëþ÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ, íå ïðåâûøàþùåãî 0,3 ñ, íåîáõîäèìîãî äëÿ äåèîíèçàöèè ó÷àñòêà ñóùåñòâîâàíèÿ îòêðûòîé äóãè ÊÇ, è ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü ïîâòîðíîãî âêëþ÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ ñèñòåìû. Îòñþäà âûòåêàåò îïðåäåëåííàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàöèé, âûïîëíÿåìûõ âûêëþ÷àòåëåì, ñâÿçàííûõ ñ îòêëþ÷åíèåì ÊÇ è ïîñëåäóþùèì àâòîìàòè÷åñêèì ïîâòîðíûì âêëþ÷åíèåì ýòîãî ó÷àñòêà ñåòè. Äëÿ âûêëþ÷àòåëåé, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â òàêèõ óñëîâèÿõ, íîðìèðóåòñÿ êîììóòàöèîííûé öèêë äâîéíîãî ÀÏÂ: Î – táò – Â, (I) (5.5) Î − táò − ÂÎ − 180 c − ÂÎ , (II)
Ðèñ. 5.5. Ïðåäåëüíûå ðåæèìû ðàáîòû âûêëþ÷àòåëÿ
Âûêëþ÷àòåëü íå äîëæåí îòêàçûâàòü êàê ïðè ìàêñèìàëüíûõ çíà÷åíèÿõ ÏÂÍ ïðè ÊÇ íà êîíòàêòàõ âûêëþ÷àòåëÿ, òàê è ïðè âîçäåéñòâèè ÏÂÍ ñ âûñîêîé íà÷àëüíîé ñêîðîñòüþ ðîñòà ïðè íåóäàëåííûõ ÊÇ Çàâèñèìîñòè 3, 4, õàðàêòåðèçóþùèå ðåæèì âîçìîæíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïðîáîÿ, îïðåäåëÿþò ïðåäåëüíûé òîê Iý, êîòîðûé áîëüøå, ÷åì ïðåäåëüíûé òîê ïðè âîçìîæíîì òåïëîâîì ïðîáîå Iò. Îáëàñòü ïðè-
ãäå I – óñïåøíîå ÀÏÂ; II – íåóñïåøíîå ÀÏÂ; táò – íîðìèðîâàííàÿ áåñòîêîâàÿ ïàóçà, ðàâíàÿ 0,3 ñ.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1.  ÷åì îòëè÷èå ïîíÿòèé íîìèíàëüíûé òîê è íî” ìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ”? 2. ×òî òàêîå ÀÏÂ?
3. Ïî÷åìó òåðìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü îïðåäåëÿåòñÿ òîêîì ÊÇ, à ýëåêòðîäèíàìè÷åñêàÿ óäàðíûì òîêîì ÊÇ? 4. Îò ÷åãî çàâèñèò çíà÷åíèå è õàðàêòåð ÏÂÍ?
5.2. ÂÎÇÄÓØÍÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ
öèè òîêîâ â íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ, à òàêæå â ïóñêîâûõ ðåæèìàõ è ïðè ÊÇ; âûêëþ÷àòåëè äëÿ ýëåêòðîòåðìè÷åñêèõ óñòàíîâîê ñ íàïðÿæåíèÿìè 6–220 êÂ, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ ðàáîòû êàê â íîðìàëüíûõ, òàê è â àâàðèéíûõ ðåæèìàõ; âûêëþ÷àòåëè ñïåöèàëüíîãî íàçíà÷åíèÿ. Ïî âèäó óñòàíîâêè âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè ìîæíî ðàçäåëèòü íà ñëåäóþùèå ãðóïïû: îïîðíûå (îñíîâíàÿ èçîëÿöèÿ îòíîñèòåëüíî çåìëè îïîðíîãî òèïà); ïîäâåñíûå (ïîäâåøèâàþòñÿ ê ïîðòàëüíûì êîíñòðóêöèÿì íà ÎÐÓ); âûêàòíûå (èìåþò ïðèñïîñîáëåíèÿ äëÿ âûêàòêè èç ÐÓ); âñòðàèâàåìûå â êîìïëåêòíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà. Ê äîñòîèíñòâàì âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé ìîæíî îòíåñòè ñëåäóþùèå ïîêàçàòåëè: âûñîêóþ îòêëþ÷àþùóþ ñïîñîáíîñòü; ïîæàðîáåçîïàñíîñòü; âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå; ñïîñîáíîñòü êîììóòàöèè òîêîâ ÊÇ ñ áîëüøèì ïðîöåíòîì àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé (âïëîòü äî êîììóòàöèè öåïåé ïîñòîÿííîãî òîêà).
Øèðîêîå ïðèìåíåíèå âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé â ýíåðãîñèñòåìàõ îáóñëàâëèâàåòñÿ èõ âûñîêèìè òåõíè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè. Êîíñòðóêòèâíî âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè îêàçàëèñü õîðîøî ïðèñïîñîáëåííûìè äëÿ ðàçëè÷íûõ óñëîâèé ðàáîòû ñîâðåìåííûõ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ ïðè âíóòðåííåé è íàðóæíîé óñòàíîâêå. Íåäîñòàòî÷íî âûñîêàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü âîçäóõà (Eïð = 20 êÂ/ñì) íå ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü ìîäóëè ñ íàïðÿæåíèåì 350–500 êÂ, ÷òî è ïðèâîäèò â ïîñëåäíåå âðåìÿ ê èíòåíñèâíîìó ðàçâèòèþ âûêëþ÷àòåëåé ñ èñïîëüçîâàíèåì äðóãîé äóãîãàñÿùåé ñðåäû – ýëåãàçà.  íàñòîÿùåå âðåìÿ âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè ïðåâîñõîäÿò âñå îñòàëüíûå ïî ñâîèì ïàðàìåòðàì. Ïî íàçíà÷åíèþ âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè ðàçäåëÿþòñÿ íà ñëåäóþùèå ãðóïïû [57]: ñåòåâûå âûêëþ÷àòåëè íà íàïðÿæåíèå 6 ê è âûøå, ïðèìåíÿåìûå â ýëåêòðè÷åñêèõ ñåòÿõ è ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ ïðîïóñêà è êîììóòàöèè òîêà â íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ ðàáîòû öåïè è â óñëîâèÿõ ÊÇ; ãåíåðàòîðíûå âûêëþ÷àòåëè íà íàïðÿæåíèå 6– 24 êÂ, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ ïðîïóñêà è êîììóòà132
§ 5.2. Âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè
Íåäîñòàòêàìè âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé ÿâëÿþòñÿ: íàëè÷èå äîðîãîñòîÿùåãî ïîñòîÿííî äåéñòâóþùåãî êîìïðåññîðíîãî îáîðóäîâàíèÿ; âûñîêàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ê ñêîðîñòè âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ
íàïðÿæåíèÿ ïðè íåóäàëåííîì ÊÇ; âîçìîæíîñòü ñðåçà” òîêà ïðè îòêëþ÷åíèè ìàëûõ èíäóêòèâíûõ ” òîêîâ (îòêëþ÷åíèå íåíàãðóæåííûõ ñèëîâûõ òðàíñôîðìàòîðîâ).
5.2.1. ÏÐÈÍÖÈÏ ÄÅÉÑÒÂÈß ÂÎÇÄÓØÍÛÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ È ÄÓÃÎÃÀÑÈÒÅËÜÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
Ñæàòûé âîçäóõ ÿâëÿåòñÿ ýôôåêòèâíîé ñðåäîé, îáåñïå÷èâàþùåé íàäåæíîå ãàøåíèå ýëåêòðè÷åñêîé äóãè. Ýòî äîñòèãàåòñÿ èíòåíñèâíûì âîçäåéñòâèåì ñ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíûìè ñêîðîñòÿìè ïîòîêà âîçäóõà íà äóãîâîé êàíàë.  äóãîãàñèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé ãàøåíèå ýëåêòðè÷åñêîé äóãè ïðîèñõîäèò â äóòüåâûõ êàíàëàõ (ñîïëàõ), êîòîðûå êîíñòðóêòèâíî â ñîâîêóïíîñòè ñ îêîíå÷íîé ÷àñòüþ êîíòàêòîâ äóãîãàñèòåëÿ îáðàçóþò äóòüåâóþ ñèñòåìó. Ñòîëá äóãè, îáðàçîâàâøåéñÿ íà ðàçìûêàþùèõñÿ êîíòàêòàõ, ïîä äåéñòâèåì âîçäóøíîãî ïîòîêà ðàñòÿãèâàåòñÿ è áûñòðî ïåðåìåùàåòñÿ â ñîïëà, ãäå ïðîèñõîäèò åå ãàøåíèå.  çàâèñèìîñòè îò ôîðìû è âçàèìíîãî ðàñïîëîæåíèÿ êîíòàêòîâ è ñîïåë ãàøåíèå äóãè â òàêèõ óñòðîéñòâàõ ìîæåò ïðîèñõîäèòü ïðè: îäíîñòîðîííåì äóòüå – ÷åðåç ìåòàëëè÷åñêîå ñîïëî (ðèñ. 5.6,à); îäíîñòîðîííåì äóòüå ÷åðåç èçîëÿöèîííîå ñîïëî (ðèñ. 5.6,á); äâóñòîðîííåì ñèììåòðè÷íîì äóòüå ÷åðåç ñîïëîîáðàçíûå ïîëûå êîíòàêòû (ðèñ. 5.6,â); äâóñòîðîííåì àñèììåòðè÷íîì äóòüå ÷åðåç ñîïëîîáðàçíûå ïîëûå êîíòàêòû (ðèñ. 5.6,ã). Íàèëó÷øèå ïîêàçàòåëè ïîëó÷åíû â âûêëþ÷àòåëÿõ ñ äóãîãàñèòåëüíûìè ñèñòåìàìè, èñïîëüçóþùèìè äâóñòîðîííåå àñèììåòðè÷íîå äóòüå.  ìåõàíèçìå ãàøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè òåñíî ïåðåïëåòàþòñÿ êàê ýëåêòðè÷åñêèå ïðîöåññû â ñòîëáå äóãè, òàê è ãàçîòåðìîäèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû èñòå÷åíèÿ ãàçîâîé ñòðóè. Ãàçîäèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû óñòàíàâëèâàåò äâà îòëè÷àþùèõñÿ äðóã îò äðóãà çàêîíà èñòå÷åíèÿ âîçäóõà, îáóñëîâëåííûå ðàçíèöåé ìåæäó àáñîëþòíûì äàâëåíèåì ñðåäû P, èç êîòîðîé ïðîèñõîäèò èñòå÷åíèå, è ïðîòèâîäàâëåíèåì ñðåäû Pï, â êîòîðóþ ïðîèñõîäèò èñòå÷åíèå. Ïðè íåáîëüøîé ðàçíèöå äàâëåíèé ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ âîçäóõà çàâèñèò îò ïðîòèâîäàâëåíèÿ. Åñëè ðàçíèöà äàâëåíèé äîñòàòî÷íî âåëèêà, òî ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ ãàçîâîé ñòðóè ÿâëÿåòñÿ òîëüêî ôóíêöèåé ïàðàìåòðîâ âûòåêàþùåãî âîçäóõà è íå çàâèñèò îò ïðîòèâîäàâëåíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû. Îòíîøåíèå äàâëåíèÿ âîçäóõà ê ïðîòèâîäàâëåíèþ, îïðåäåëÿþùåå ïåðåõîä îò îäíîãî çàêîíà èñòå÷åíèÿ ê äðóãîìó, íàçûâàåòñÿ êðèòè÷åñêèì è îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì
P ï P
k
= êð
2 k − 1 k + 1
= 0,528 ,
(5.7)
ãäå k = 1,4 – ïîêàçàòåëü àäèàáàòû âîçäóõà. Äàâëåíèå â îïîðàæíèâàåìîì ðåçåðâóàðå äîñòèãàåò êðèòè÷åñêîãî çíà÷åíèÿ, åñëè Pêð = 1,89 Pï ïðè àäèàáàòíîì èñòå÷åíèè âîçäóõà.  ñîâðåìåííûõ âûêëþ÷àòåëÿõ èñïîëüçóþòñÿ äóãîãàñèòåëüíûå óñòðîéñòâà ñ äàâëåíèåì äî 6–8 ÌÏà. Ïðè ýòîì åñëè P > Pêð, íåïîñðåäñòâåííî â äóãîãàñèòåëüíûõ ñîïëàõ ñêîðîñòü èñòå÷åíèÿ ãàçîâîé ñðåäû ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíà ñêîðîñòè çâóêà. Äëÿ âîçäóõà ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ (äàâëåíèå 105 Ïà è òåìïåðàòóðà 20°Ñ) ñêîðîñòü çâóêà Cêð = 330 ì/ñ. Ñâîåîáðàçèå èñòå÷åíèÿ ãàçà èç äóãîãàñèòåëüíîãî óñòðîéñòâà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî åãî ïîòîê âñòðå÷àåò íà ñâîåì ïóòè ìîùíûé èñòî÷íèê òåïëà, êàêèì ÿâëÿåòñÿ äóãà è êîòîðûé òîðìîçèò âîçäóøíûé ïîòîê, ò.å. óìåíüøàåòñÿ ðàñõîä âîçäóõà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç ñîïëî ñ äóãîé. Ýòî ÿâëåíèå, íàçûâàåìîå òåðìîäèíàìè÷åñêèé ýôôåêò”, ìîæåò ïðèâîäèòü ” ê ïîëíîé çàêóïîðêå ñîïëà ýëåêòðè÷åñêîé äóãîé, ÷òî âûçûâàåò ðàçðóøåíèå äóãîãàñèòåëüíîé ñèñòåìû. Òàêèì îáðàçîì, ðàçìåðû (äèàìåòð ñîïëà dc ðèñ. 5.6,à,ã) äóòüåâîé ñèñòåìû îïðåäåëÿþò ìàêñèìàëüíî âîçìîæíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ. Èç óñëîâèÿ ìèíèìàëüíî äîïóñòèìîé ñêîðîñòè èñòå÷åíèÿ ãàçîâîé ñòðóè íà âõîäå â ñîïëî, îáåñïå÷èâàþùåé ñòàáèëèçàöèþ äóãè â öåíòðå äóòüåâîé ñèñòåìû è íå âûçûâàþùåé åå ðàçðóøåíèÿ, ìîæíî îïðåäåëèòü ïðåäåëüíóþ îòêëþ÷àþùóþ ñïîñîáíîñòü âûêëþ÷àòåëÿ:
cmin = 86 ⋅ 103
∆PSc N0
,
(5.8)
ãäå ∆P – èçáûòî÷íîå äàâëåíèå âîçäóõà â êàìåðå, ÌÏà; Sc – ïëîùàäü ñîïëà, ì2; N0 – ìàêñèìàëüíàÿ ìîùíîñòü äóãè îòêëþ÷åíèÿ (Uýôô Im), êÂò; Uýôô – çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà ýôôåêòèâíîé ÷àñòè ñòîëáà äóãè. Âûñîêàÿ ýôôåêòèâíîñòü îõëàæäåíèÿ êàíàëà ñòîëáà äóãè àêñèàëüíûì ïîòîêîì ãàçà îáúÿñíÿåòñÿ âîçíèêíîâåíèåì èíòåíñèâíîé òóðáóëåíòíîé êîíâåêöèè íà ãðàíèöå äâóõ ïîòîêîâ (ðèñ. 5.7). Ïðè ýòîì ñîîòíîøåíèå ñêîðîñòåé (Cx ⁄ Cã = 50) ïîòîêîâ è èõ 133
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 5.6. Ñõåìû ïðîäîëüíîãî âîçäóøíîãî äóòüÿ
Ðèñ. 5.7. Ñõåìà òå÷åíèÿ õîëîäíîãî ãàçà è ïëàçìû ñòîëáà äóãè â ñèñòåìå ïðîäîëüíîãî äóòüÿ äóãîãàñèòåëüíîãî óñòðîéñòâà: 1 – îáëàñòü ïîòîêà õîëîäíîãî ãàçà; 2 – îáëàñòü ñòîëáà äóãè; 3 – ãðàíè÷íàÿ òóðáóëåíòíàÿ îáëàñòü
Ðèñ. 5.8. Çàâèñèìîñòè óäåëüíîé òåïëîåìêîñòè ( à) è òåïëîïðîâîäíîñòè (á) îò òåìïåðàòóðû: 1 – ýëåãàç; 2 – âîçäóõ
Óâåëè÷åíèå ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè ïðîìåæóòêà íå ÿâëÿåòñÿ ïðîöåññîì, íà÷èíàþùèìñÿ ñ ìîìåíòà äîñòèæåíèÿ òîêîì åãî íóëåâîãî çíà÷åíèÿ, à ïðîöåññîì, íà÷èíàþùèìñÿ çàäîëãî äî ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü. Áûñòðîå óäàëåíèå ïðîäóêòîâ ãîðåíèÿ äóãè (ðàñêàëåííûå ãàçû è ïàðû) èç çîíû ïðîìåæóòêà ïîçâîëÿåò ïîäâåñòè êàíàë äóãè ñ âåñüìà ìàëûì ñå÷åíèåì ê ìîìåíòó ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü è, ñëåäîâàòåëüíî, ñ ìàëîé ïîñòîÿííîé âðåìåíè. ×åì âûøå çíà÷åíèå îòêëþ÷àåìîãî òîêà, òåì áîëüøå òåïëîñîäåðæàíèå è ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè ñòîëáà äóãè è òåì áîëüøåå âðåìÿ ïîòðåáóåòñÿ äëÿ äåèîíèçàöèè îñòàòî÷íîãî ñòîëáà äóãè. Ðàçðóøåíèå îñòàòî÷íîãî ñòîëáà äóãè ìîæåò ïðîèñõîäèòü êàê òåðìîäèíàìè÷åñêè, òàê è ìåõàíè÷åñêè: â íà÷àëüíîé ñòàäèè íàðàñòàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè ïîñëå ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü ïðîèñõîäèò ñíèæåíèå òåìïåðàòóðû îñòàòî÷íîãî ñòîëáà äóãè.  äàëüíåéøåì ïîòîê ãàçà, íàïðàâëåííûé âäîëü ñòîëáà äóãè çà ñ÷åò èíòåíñèâíûõ òóðáóëåíòíûõ ïðîöåññîâ, ìîæåò âûçâàòü ìåõàíè÷åñêîå ðàçðóøåíèå êàíàëà ( ñðåç” òîêà) è îáåñïå÷èòü ïîñëåäóþùåå óâåëè÷åíèå ”
ïëîòíîñòåé ñèëüíî ðàçëè÷àþòñÿ. Ýòî ïðèâîäèò ê èíòåíñèâíîìó îòáîðó òåïëà ñ åäèíèöû îáúåìà ïëàçìû ñòîëáà äóãè, âîçðàñòàþùåìó â 104 ðàç ïî ñðàâíåíèþ ñî ñâîáîäíî ãîðÿùåé äóãîé. Âìåñòå ñ òåì, î÷åâèäíî, ÷òî ÷åì âûøå òîê îòêëþ÷åíèÿ, òåì áîëüøå ýíåðãèè çàïàñåíî â ïëàçìå äóãè, òåì äîëüøå áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ ïðîöåññ åå îòâîäà. Êðîìå òîãî, òåïëîôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ãàçà âîçäóõà òàêîâû, ÷òî çíà÷åíèÿ óäåëüíîé òåïëîåìêîñòè è êîýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè, çàâèñÿùèå îò òåìïåðàòóðû, äîñòèãàþò ñâîèõ ìàêñèìàëüíûõ çíà÷åíèé ïðè òåìïåðàòóðå (6–8)⋅103 Ê (ðèñ. 5.8). Êàíàë ñòîëáà äóãè îáëàäàåò âûñîêèì òåïëîñîäåðæàíèåì, à îêðóæàþùèå äóãó ãîðÿ÷èå ñëîè ãàçà ñîîòâåòñòâåííî îáëàäàþò ìèíèìàëüíûìè çíà÷åíèÿìè ýòèõ âåëè÷èí. Ýòèì îáñòîÿòåëüñòâîì îáúÿñíÿåòñÿ çíà÷èòåëüíàÿ âåëè÷èíà òåïëîâîé ïîñòîÿííîé âðåìåíè ñòîëáà äóãè T ≈ 100 ìêñ, ÷òî îêàçûâàåò áîëüøîå âëèÿíèå íà ïðîöåññ îõëàæäåíèÿ ñòîëáà äóãè ïîñëå ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü. Óâåëè÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ äóãîâîãî ïðîìåæóòêà, îïðåäåëÿþùåãî ýëåêòðè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü â âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ, â áîëüøîé ñòåïåíè çàâèñèò îò îòêëþ÷àåìîãî òîêà. 134
§ 5.2. Âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè
Ðèñ. 5.9. Ñîîòíîøåíèå ìåæäó âîññòàíàâëèâàþùèìñÿ íàïðÿæåíèåì (2) è âîññòàíàâëèâàþùåéñÿ ïðî÷íîñòüþ (1) ïðè ðàçëè÷íûõ óäàëåíèÿõ îò ìåñòà ÊÇ (óñëîâíî)
ìåæäó âîññòàíàâëèâàþùèìñÿ íàïðÿæåíèåì 1 è âîññòàíàâëèâàþùåéñÿ ïðî÷íîñòüþ 2 ïî ìåðå óäàëåíèÿ ìåñòà ÊÇ íà ëèíèè çà âûêëþ÷àòåëåì. Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, ïðè óäàëåíèè ÊÇ îò âûêëþ÷àòåëÿ ÷àñòîòà êîëåáàíèé âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ ïàäàåò, à ïåðâûé ïèê åãî âîçðàñòàåò. Âîññòàíàâëèâàþùàÿñÿ ïðî÷íîñòü óâåëè÷èâàåòñÿ áûñòðåå èç-çà óìåíüøåíèÿ òîêà ÊÇ, îãðàíè÷èâàåìîãî âñå âîçðàñòàþùèì ñîïðîòèâëåíèåì ó÷àñòêà ëèíèè äî òî÷êè ÊÇ.  ýòîì çàêëþ÷àþòñÿ òðóäíîñòè îòêëþ÷åíèÿ íåóäàëåííîãî ÊÇ âîçäóøíûì è ýëåãàçîâûì âûêëþ÷àòåëÿìè.
ïðî÷íîñòè â ðåçóëüòàòå âíåäðåíèÿ â ìåæýëåêòðîäíîå ïðîñòðàíñòâî ïðîñëîéêè õîëîäíîãî ãàçà. Ýòà ïðîñëîéêà âîçðàñòàåò ñî âðåìåíåì è óâåëè÷èâàåò ïðî÷íîñòü. Îñîáåííîñòü íàðàñòàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé ñ óâåëè÷åíèåì òîêà îòêëþ÷åíèÿ âûçûâàåò áîëüøèå òðóäíîñòè ïðè îòêëþ÷åíèè âîçäóøíûìè âûêëþ÷àòåëÿìè òîêîâ íåóäàëåííûõ ÊÇ (íà ðàññòîÿíèÿõ 2–5 êì). Ïðè ýòèõ óñëîâèÿõ ñîçäàåòñÿ òÿæåëûé ðåæèì ðàáîòû âûêëþ÷àòåëÿ, òàê êàê äîñòèãàåòñÿ ñî÷åòàíèå âûñîêîé ñêîðîñòè âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ñ áîëüøîé ìîùíîñòüþ ÊÇ [59]. Íà ðèñ. 5.9 ïîêàçàíî ñîîòíîøåíèå
5.2.2. ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÈ ÂÎÇÄÓØÍÛÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ
ðàâíèâàíèÿ íàïðÿæåíèÿ ìåæäó ðàçðûâàìè â ïðîöåññå îòêëþ÷åíèÿ è ñíèæåíèÿ ñêîðîñòè âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ òåõ æå öåëåé èñïîëüçóþòñÿ è øóíòèðóþùèå êîíäåíñàòîðû 6. Âñïîìîãàòåëüíûå êîíòàêòû îòêëþ÷àþò òîê ñîïðîâîæäåíèÿ, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç øóíòèðóþùèå ðåçèñòîðû. Âíóòðè ôàðôîðîâîãî îïîðíîãî èçîëÿòîðà è â ïðîìåæóòî÷íîì èçîëÿòîðå ïðîõîäÿò äâà âîçäóõîïðîâîäà èç ñòåêëîïëàñòèêà 4. Îäèí ñëóæèò äëÿ ïîñòîÿííîé ïîäà÷è ñæàòîãî âîçäóõà â äóãîãàñèòåëüíûå êàìåðû, âòîðîé – äëÿ èìïóëüñíîé ïîäà÷è ñæàòîãî âîçäóõà â ñèñòåìó óïðàâëåíèÿ. Êàìåðû ñíàáæåíû ëþêàìè 5, ïðåäíàçíà÷åííûìè äëÿ ïðîâåäåíèÿ ðåâèçèè è ðåìîíòà êîíòàêòíîé è äóãîãàñèòåëüíîé ñèñòåì. Äóãîãàñèòåëüíûå êàìåðû 9, 10 âêëþ÷åíû ïîñëåäîâàòåëüíî òîêîâåäóùåé ïåðåìû÷êîé 8. Âíóòðåííèå ïîëîñòè èìåþò íåçíà÷èòåëüíûé ïåðåïàä äàâëåíèÿ ïî îòíîøåíèþ ê îêðóæàþùåé ñðåäå (6−12)⋅103 Ïà. Ýòèì äîñòèãàåòñÿ íåîáõîäèìàÿ äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü ïî âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè ôàðôîðîâûõ ýëåìåíòîâ, íå èìåþùèì ïðî÷íîãî ãëàçóðîâàííîãî ïîêðûòèÿ. Ïîýòîìó âñå âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè äîëæíû èìåòü ñîîòâåòñòâóþùåå êîìïðåññîðíîå õîçÿéñòâî, îáåñïå÷èâàþùåå íåïðåðûâíûé ðàñõîä âîçäóõà (äî 1500 ë/÷) íà âåíòèëÿöèþ.
Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ ñîâðåìåííûõ âûêëþ÷àòåëåé âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ìîäóëüíûé ïðèíöèï ïîñòðîåíèÿ. Ýòî îáåñïå÷èâàåò âîçìîæíîñòü ïðèìåíåíèÿ îäíîòèïíûõ ýëåìåíòîâ (ìîäóëåé) äëÿ ñîçäàíèÿ âûêëþ÷àòåëåé íà íàïðÿæåíèÿ 110–1150 êÂ. Øèðîêî ðàñïðîñòðàíåíû âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè ñ ìåòàëëè÷åñêèìè äóãîãàñèòåëüíûìè êàìåðàìè, çàïîëíåííûìè ñæàòûì âîçäóõîì.  öåëÿõ óâåëè÷åíèÿ îòêëþ÷àþùåé ñïîñîáíîñòè ïîâûøàþò äàâëåíèå ñæàòîãî âîçäóõà.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ýòî äàâëåíèå äîñòèãàåò 6–8,5 ÌÏà. Íà ðèñ. 5.10 ïðåäñòàâëåí îáùèé âèä âûêëþ÷àòåëÿ ÂÂÁ-220-12 íîìèíàëüíûì íàïðÿæåíèåì Uíîì = = 220 êÂ, íîìèíàëüíûì òîêîì îòêëþ÷åíèÿ Iî.íîì = = 31,5 êÀ, íîìèíàëüíûì òîêîì Iíîì = 2000 À. Âûêëþ÷àòåëü óñòàíîâëåí íà ðàìå 1, ê êîòîðîé êðåïèòñÿ øêàô óïðàâëåíèÿ 2 è îïîðíûé èçîëÿòîð 3 ñ äâóìÿ ìåòàëëè÷åñêèìè äóãîãàñèòåëüíûìè êàìåðàìè 9, 10, ðàçúåäèíåííûìè ïðîìåæóòî÷íûì îïîðíûì èçîëÿòîðîì 7. Âíóòðè äóãîãàñèòåëüíàÿ êàìåðà ñîäåðæèò äâà ãëàâíûõ êîíòàêòà, ñîåäèíåííûõ åäèíîé òðàâåðñîé, è äâà âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòà. Êàæäûé èç ãëàâíûõ êîíòàêòîâ çàøóíòèðîâàí ðåçèñòîðîì ñîïðîòèâëåíèåì 100 Îì, ñëóæàùèì äëÿ îáëåã÷åíèÿ ãàøåíèÿ äóãè â ãëàâíûõ êîíòàêòàõ, âû-
135
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 5.10. Îáùèé âèä ïîëþñà âîçäóøíîãî âûêëþ÷àòåëÿ ÂÂÁ-220-12
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1.  ÷åì îñîáåííîñòè ãàøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè â âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ? 2. Ïî÷åìó âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè ÷óâñòâèòåëü” íû” ê íåóäàëåííîìó ÊÇ? 3.  ÷åì çàêëþ÷àåòñÿ ìîäóëüíîå ïîñòðîåíèå êîíñòðóêöèé âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé íà íàïðÿæåíèå 220  è âûøå?
4. Äëÿ ÷åãî â êîíñòðóêöèÿõ âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé èñïîëüçóþòñÿ øóíòèðóþùèå ðåçèñòîðû è åìêîñòè? 5. ×åì îãðàíè÷èâàåòñÿ ïðåäåëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ â âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ?
136
§ 5.3. Ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè 5.3. ÝËÅÃÀÇÎÂÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ 5.3.1. ÔÈÇÈÊÎ-ÕÈÌÈ×ÅÑÊÈÅ ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÝËÅÃÀÇÀ
ðîííîãî ðàçðÿäà ïðîèñõîäèò ðàçëîæåíèå ýëåãàçà ñ îáðàçîâàíèåì õèìè÷åñêè àêòèâíûõ ñîåäèíåíèé, êîòîðûå ìîãóò âûçâàòü ðàçðóøåíèå èçîëÿöèîííûõ è êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ. Ñòåïåíü ðàçëîæåíèÿ ýëåãàçà ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîé äóãè â äóãîãàñèòåëüíîé êàìåðå íèçêà èç-çà òîãî, ÷òî áîëüøîå êîëè÷åñòâî ðàçëîæèâøåãîñÿ ãàçà íåìåäëåííî âîññòàíàâëèâàåòñÿ â ýëåãàçå. Ãàçîîáðàçíûìè ïðîäóêòàìè ðàçëîæåíèÿ ÿâëÿþòñÿ íèçøèå ôòîðèäû ñåðû SF2, SF4. Õîòÿ ýòè ãàçû ñàìè ïî ñåáå íå òîêñè÷íû, íî ëåãêî ãèäðîëèçóþòñÿ ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ âëàãîé, îáðàçóÿ ôòîðèñòîâîäîðîäíóþ êèñëîòó è äâóîêèñü ñåðû. Äëÿ èõ ïîãëîùåíèÿ â ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè âêëþ÷àþòñÿ ôèëüòðû ñîðáåðû èç àêòèâèðîâàííîãî àëþìèíèÿ Al2O3, êîòîðûå ïîãëîùàþò êàê ãàçîîáðàçíûå ïðîäóêòû ðàçëîæåíèÿ, òàê è âëàãó. Êðîìå àêòèâíûõ ãàçîâ âî âðåìÿ ãîðåíèÿ äóãè â ðåçóëüòàòå ðåàêöèè ñ ïàðàìè ìàòåðèàëîâ êîíòàêòîâ äóãîãàñèòåëÿ îáðàçóþòñÿ ìåòàëëè÷åñêèå ôòîðèäû â âèäå òîíêîãî ñëîÿ ïîðîøêà. Îáëàäàÿ íèçêîé ýëåêòðîïðîâîäíîñòüþ, îíè íå ñíèæàþò ýëåêòðè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü èçîëÿöèè àïïàðàòà.
Øåñòèôòîðèñòàÿ ñåðà (SF6) – ýëåãàç, îòíîñèòñÿ ê ýëåêòðîîòðèöàòåëüíûì” ãàçàì, ïîëó÷èâøèì ” òàêîå íàçâàíèå èç-çà ñïîñîáíîñòè èõ ìîëåêóë çàõâàòûâàòü ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû, ïðåâðàùàÿñü â òÿæåëûå è ìàëîïîäâèæíûå îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííûå èîíû. Ýëåãàç ïðè íîðìàëüíîé òåìïåðàòóðå (20°Ñ) è äàâëåíèè (0,1 ÌÏà) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ãàç áåç öâåòà è çàïàõà. Ïëîòíîñòü åãî ïî÷òè â 5 ðàç âûøå ïëîòíîñòè âîçäóõà, ñêîðîñòü çâóêà â íåì ïðè òåìïåðàòóðå 30 °Ñ – 138,5 ì/ñ (330 ì/ñ â âîçäóõå). Íà ðèñ. 5.8 ïîêàçàíû êðèâûå èçìåíåíèÿ óäåëüíîé òåïëîåìêîñòè è òåïëîïðîâîäíîñòè, èç êîòîðûõ ñëåäóåò, ÷òî ýëåãàç îáëàäàåò íèçêîé òåïëîåìêîñòüþ â êàíàëå ñòîëáà äóãè è ïîâûøåííîé òåïëîïðîâîäíîñòüþ ãîðÿ÷èõ ãàçîâ, îêðóæàþùèõ ñòîëá äóãè (2000 Ê). Ýòî õàðàêòåðèçóåò ýëåãàç êàê ñðåäó, îáëàäàþùóþ âûñîêèìè òåïëîïðîâîäÿùèìè ñâîéñòâàìè. Ê íåäîñòàòêàì ýëåãàçà ñëåäóåò îòíåñòè åãî íèçêóþ òåìïåðàòóðó ñæèæåíèÿ – 64 °Ñ ïðè 0,1 ÌÏà, êîòîðàÿ ñ ïîâûøåíèåì äàâëåíèÿ òîæå ïîâûøàåòñÿ. ×èñòûé ýëåãàç íåãîðþ÷, èíåðòåí, íàãðåâîñòîåê äî 800 °Ñ. Ïîä âëèÿíèåì ýëåêòðè÷åñêîé äóãè èëè êî-
5.3.2. ÄÓÃÎÃÀÑÈÒÅËÜÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
äèìîñòüþ. Ýòî èñêëþ÷àåò âîçìîæíîñòü ïîÿâëåíèÿ ïåðåíàïðÿæåíèé ïðè îòêëþ÷åíèè íåíàãðóæåííûõ òðàíñôîðìàòîðîâ è ëèíèé ýëåêòðîïåðåäà÷.  ïðîòèâîïîëîæíîñòü ýòîìó â âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ èíòåíñèâíûìè òóðáóëåíòíûìè ïðîöåññàìè ñòîëá äóãè ìîæåò ðàçðóøàòüñÿ ðàíüøå åñòåñòâåííîãî íóëÿ òîêà, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ïåðåíàïðÿæåíèé, äëÿ îãðàíè÷åíèÿ êîòîðûõ âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè ñíàáæàþòñÿ øóíòèðóþùèìè ñîïðîòèâëåíèÿìè.  ýëåãàçîâûõ äóãîãàñèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ (ÄÓ) â îòëè÷èå îò âîçäóøíûõ ïðè ãàøåíèè äóãè èñòå÷åíèå ãàçà ÷åðåç ñîïëî ïðîèñõîäèò íå â àòìîñôåðó, à â çàìêíóòûé îáúåì êàìåðû, çàïîëíåííûé ýëåãàçîì ïðè íåáîëüøîì èçáûòî÷íîì äàâëåíèè. Ïî ñïîñîáó ãàøåíèÿ äóãè â ýëåãàçå ðàçëè÷àþò ñëåäóþùèå ÄÓ: ñ ñèñòåìîé ïðîäîëüíîãî äóòüÿ, â êîòîðóþ ïðåäâàðèòåëüíî ñæàòûé ãàç ïîñòóïàåò èç ðåçåðâóàðà ñ îòíîñèòåëüíî âûñîêèì äàâëåíèåì ýëåãàçà (ÄÓ ñ äâóìÿ ñòóïåíÿìè äàâëåíèÿ); àâòîêîìïðåññèîííûå ñ äóòüåì â ýëåãàçå, ñîçäàâàåìîì ïîñðåäñòâîì âñòðîåííîãî êîìïðåññèîííîãî óñòðîéñòâà (ÄÓ ñ îäíîé ñòóïåíüþ äàâëåíèÿ); ñ ýëåêòðîìàãíèòíûì äóòüåì, â êîòîðîì ãàøåíèå äóãè îáåñïå÷èâàåòñÿ â ðåçóëüòàòå åå ïåðåìåùåíèÿ
 ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëÿõ ãàøåíèå äóãè ïðîèñõîäèò òàê æå, êàê è â âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ ïðè èíòåíñèâíîì îõëàæäåíèè äóãè ïîòîêîì ãàçà. Ïî äàííûì [58] äóãîãàñèòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü ýëåãàçà â 4–4,5 ðàçà âûøå, ÷åì âîçäóõà ïðè ñîïîñòàâèìûõ óñëîâèÿõ. Ýòî ïðåèìóùåñòâî îáúÿñíÿåòñÿ ðàçëè÷èÿìè òåïëîôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ ýëåãàçà è âîçäóõà. Êàíàë ñòîëáà äóãè â ýëåãàçå îáëàäàåò ìåíüøèì òåïëîñîäåðæàíèåì ïî ñðàâíåíèþ ñ âîçäóõîì, ÷òî îáóñëàâëèâàåò è ìåíüøåå çíà÷åíèå òåïëîâîé ïîñòîÿííîé âðåìåíè – îêîëî 1 ìêñ (îêîëî 100 ìêñ â âîçäóõå) ïðè ïîäõîäå òîêà ê íóëþ. Ìàëîå çíà÷åíèå ïîñòîÿííîé âðåìåíè îáúÿñíÿþò âûñîêîé ñïîñîáíîñòüþ ýëåãàçà çàõâàòûâàòü ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû.  ðåçóëüòàòå êîëè÷åñòâî íîñèòåëåé òîêà – ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ – â ñòîëáå äóãè âñëåäñòâèå ýòîãî óìåíüøàåòñÿ, áàëàíñ èõ ìîæåò ñòàòü îòðèöàòåëüíûì è äóãà ãàñíåò. ßâëåíèå çàõâàòà ýëåêòðîíîâ îñîáåííî áëàãîïðèÿòíî ñêàçûâàåòñÿ ïîñëå ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü, âñëåäñòâèå ÷åãî ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè ìàëî ÷óâñòâèòåëüíû ê ÷àñòîòå âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ. Êàê ïîêàçàëè èññëåäîâàíèÿ, â ýëåãàçå ïðàêòè÷åñêè äî åñòåñòâåííîãî ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü íå ïðîèñõîäèò ðàçðóøåíèÿ êàíàëà ñòîëáà äóãè, îáëàäàþùåãî âûñîêîé ïðîâî137
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
(ðèñ. 5.11) â ïîòîêå ýëåãàçà âûñîêîãî äàâëåíèÿ (0,5–0,6 ÌÏà) êàê ïðè îäíîñòîðîííåì (ðèñ. 5.11,à), òàê è ïðè äâóñòîðîííåì íåñèììåòðè÷íîì (ðèñ. 5.11,á) ãàçîâîì äóòüå. Îñíîâíûìè ïàðàìåòðàìè ñèñòåìû ïðîäîëüíîãî äóòüÿ ÿâëÿþòñÿ: ïëîùàäü ñå÷åíèÿ Sc èëè äèàìåòð dc ãîðëîâèíû ñîïëà, îòíîñèòåëüíîå ðàñïîëîæåíèå êîíòàêòîâ, îïðåäåëÿåìîå ðàññòîÿíèåì z0, ãåîìåòðè÷åñêèå ðàçìåðû, ôîðìû äèôôóçîðîâ è êîíôóçîðîâ äóòüåâîé ñèñòåìû. Îïòèìàëüíûå óñëîâèÿ ãàøåíèÿ äóãè â òàêèõ ñèñòåìàõ âî ìíîãîì îïðåäåëÿþòñÿ, êàê è â âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ, ãåîìåòðè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè äóòüåâûõ ñèñòåì è îñîáåííî âõîäíîé ÷àñòè (êîíôóçîðà). Åñëè â ÄÓ âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé ïðè âûáîðå ãåîìåòðè÷åñêèõ ôîðì è ðàçìåðîâ äóòüåâûõ ñèñòåì ïðèíèìàþò êîìïðîìèññíîå ðåøåíèå, òî â ÄÓ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé áîëüøåå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ ôîðìå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ â ìåæêîíòàêòíîì ïðîìåæóòêå. Îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü ýëåãàçîâûõ ÄÓ, à òàêæå äðóãèõ òèïîâ ÄÓ ñ ãàçîâûì äóòüåì, çàâèñèò êàê îò ïàðàìåòðîâ ÄÓ, òàê è îò ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè. Ê îïðåäåëÿþùèì êîíñòðóêòèâíûì ïàðàìåòðàì îòíîñÿòñÿ äàâëåíèå ãàçà, ðîä ãàçà, à òàêæå ðàñïðåäåëåíèå äàâëåíèÿ âäîëü ïðîäîëüíîé îñè ÄÓ, çàâèñÿùåå îò êîíôèãóðàöèè äóòüåâîé ñèñòåìû. Ê ïàðàìåòðàì ýëåêòðè÷åñêîé öåïè ñëåäóåò îòíåñòè òîê îòêëþ÷åíèÿ è ñêîðîñòü åãî ïîäõîäà ê íóëþ. Îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü ÄÓ ñ ïðîäîëüíûì ýëåãàçîâûì äóòüåì ìîæåò áûòü îõàðàêòåðèçîâàíà çàâèñèìîñòüþ ïðåäåëüíîé ñêîðîñòè âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ dU/dt îò äàâëåíèÿ ýëåãàçà P â ñîïëå è ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ òîêà di/dt:
ñ âûñîêîé ñêîðîñòüþ â íåïîäâèæíîì ýëåãàçå ïî êîëüöåâûì ýëåêòðîäàì ïîä âîçäåéñòâèåì ðàäèàëüíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ñîçäàâàåìîãî îòêëþ÷àåìûì òîêîì; ñ ïðîäîëüíûì äóòüåì, â êîòîðîì ïîâûøåíèå äàâëåíèÿ â ýëåãàçå ïðîèñõîäèò ïðè ðàçîãðåâå äóãîé, âðàùàþùåéñÿ â ñïåöèàëüíîé êàìåðå ïîä âîçäåéñòâèåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ (ÄÓ ñ ýëåêòðîìàãíèòíûì äóòüåì). Èíòåíñèâíîå ãàçîäèíàìè÷åñêîå âîçäåéñòâèå àêñèàëüíîãî ïîòîêà ýëåãàçà íà ñòîëá ýëåêòðè÷åñêîé äóãè ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ýôôåêòèâíûì ñïîñîáîì ãàøåíèÿ äóãè. Ïîýòîìó îíî èñïîëüçóåòñÿ â áîëüøèíñòâå ñîâðåìåííûõ êîíñòðóêöèé ÄÓ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé. Ãàøåíèå äóãè ïðîèñõîäèò â ñîïëàõ
Ðèñ. 5.11. Ñõåìû ïðîäîëüíîãî ýëåãàçîâîãî äóòüÿ
dU dt
−n
= kP m di dt
.
(5.9)
Íà ðèñ. 5.12 ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü dU/dt = = f (di/dt) äëÿ ÄÓ ýëåãàçîâîãî 1 è âîçäóøíîãî âûêëþ÷àòåëåé 2 ïðè äàâëåíèè 1,5 ÌÏà, ïîñòîÿííûõ k = 4,1; m = 1,6; n = 1,3 äëÿ âîçäóõà è m = 2,68; n = 24,2 äëÿ ýëåãàçà. Ïðèâåäåííûå çàâèñèìîñòè ïîäòâåðæäàþò ïðåèìóùåñòâà äóãîãàñÿùèõ ñâîéñòâ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé ïî ñðàâíåíèþ ñ âîçäóøíûìè, îñîáåííî ïðè îòêëþ÷åíèè íåóäàëåííûõ ÊÇ, õàðàêòåðèçóþùèõñÿ âûñîêîé ñêîðîñòüþ âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ è áîëüøèìè òîêàìè ÊÇ.
Ðèñ. 5.12. Îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü äóãîãàñèòåëüíîãî óñòðîéñòâà
138
§ 5.3. Ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè 5.3.3. ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÈ ÝËÅÃÀÇÎÂÛÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ
äâèæíîé ïîðøåíü 12 ñîâìåñòíî ñ ïîäâèæíûì ãëàâíûì êîíòàêòîì 14 è ñîïëîì 16 ïåðåìåùàåòñÿ ïîä âîçäåéñòâèåì ïðèâîäíûõ ðû÷àãîâ 4, 5. Ýòèì ñîçäàåòñÿ èçáûòî÷íîå äàâëåíèå â ïîëîñòè íàä ïîðøíåì ïî ñðàâíåíèþ ñ îáúåìîì ïîä ïîðøíåì. Òîê èç ãëàâíûõ êîíòàêòîâ 14, 17 ïåðåáðàñûâàåòñÿ â äóãîãàñèòåëüíóþ öåïü êîíòàêòîâ 13, 15. Ïðè äàëüíåéøåì ïåðåìåùåíèè ïîðøíÿ (ïîëîæåíèå 3) ïðîèñõîäèò ðàçìûêàíèå êîíòàêòîâ 13, 15 ñ îäíîâðåìåííûì âîçíèêíîâåíèåì äóòüÿ ÷åðåç âíóòðåííèå ïîëîñòè êîíòàêòîâ 13, 15 – äâóñòîðîííåå ñèììåòðè÷íîå äóòüå. Ïðè ýòîì âûäåëÿþùàÿñÿ ýíåðãèÿ äóãè ðàçîãðåâàåò ýëåãàç, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ ïåðåïàäà äàâëåíèÿ è óñèëåíèþ èíòåíñèâíîñòè èñòå÷åíèÿ ãàçîâîé ñòðóè. Ïîñëå ãàøåíèÿ äóãè ïðè äàëüíåéøåì ïåðåìåùåíèè ïîðøíÿ (ïîëîæåíèå 4) ïðîäîëæàåòñÿ âåíòèëÿöèÿ ìåæêîíòàêòíîãî ïðîìåæóòêà, îáåñïå÷èâàþùàÿ íåîáõîäèìóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü.
Ôèðìà Merlin Gerin ðàçðàáîòàëà ýëåãàçîâûé âûêëþ÷àòåëü Fluarc FB4 íà íàïðÿæåíèå Uíîì = 7,2–36 êÂ, íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ Iî.íîì = 25 êÀ, íîìèíàëüíûé òîê Iíîì = (630–1250) À. Äàâëåíèå âíóòðè êîðïóñà 1,5 ÌÏà, âðåìÿ ãàøåíèÿ äóãè 15 ìñ, ïîëíîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ 60–80 ìñ, ñðîê ñëóæáû – 20 ëåò. Íà ðèñ. 5.13 ïðåäñòàâëåíû ïîëþñ àâòîêîìïðåññèîííîãî âûêëþ÷àòåëÿ è ïîëîæåíèå ìåõàíèçìà, ñîîòâåòñòâóþùåå ðàçëè÷íûì ýòàïàì îòêëþ÷åíèÿ. Ïîëîæåíèå 1 ñîîòâåòñòâóåò íîðìàëüíîìó âêëþ÷åííîìó ñîñòîÿíèþ. Òîê ïðîòåêàåò ïî ãëàâíûì êîíòàêòàì 14, 17, äóãîãàñèòåëüíûå êîíòàêòû 13, 15 çàìêíóòû. Ââèäó òîãî, ÷òî îíè èçãîòîâëÿþòñÿ èç äóãîñòîéêîé ìåòàëëîêåðàìèêè (CuW), òîêîâåäóùèé êîíòóð îáëàäàåò áîëüøèì ñîïðîòèâëåíèåì. Ïîýòîìó ÷åðåç äóãîãàñÿùèå êîíòàêòû, êàê ïðàâèëî, ïðîõîäèò òîê íå áîëåå (15–20%)Iíîì. Ïîëîæåíèå 2 ñîîòâåòñòâóåò íà÷àëó ïðîöåññà îòêëþ÷åíèÿ. Ïî-
1
2
3
4
Ðèñ. 5.13. Ýëåãàçîâûé àâòîêîìïðåññèîííûé âûêëþ÷àòåëü ôèðìû Merlin-Gerin
139
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1.  ÷åì îñîáåííîñòü ïðîöåññà ãàøåíèÿ äóãè â ýëåãàçå? 2. Êàêîâû îñíîâíûå êîíñòðóêòèâíûå îòëè÷èÿ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé îò âîçäóøíûõ? 3.  ÷åì çàêëþ÷àþòñÿ ïðåèìóùåñòâà è íåäîñòàòêè àâòîêîìïðåññèîííûõ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé?
4.  ÷åì äîñòîèíñòâà ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé ïî ñðàâíåíèþ ñ âîçäóøíûìè è ìàñëÿíûìè? 5.  ÷åì çàêëþ÷àþòñÿ íåäîñòàòêè ýëåãàçà êàê äóãîãàñÿùåé è îõëàæäàþùåé ñðåäû?
5.4. ÌÀÑËßÍÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ 5.4.1. ÏÐÈÍÖÈÏ ÄÅÉÑÒÂÈß È ÄÓÃÎÃÀÑÈÒÅËÜÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîå âûñîêîå äàâëåíèå ãàçîïàðîâîé ñìåñè â îáëàñòè äóãè â êîíöå ïîëóïåðèîäà òîêà. Äóãîãàñèòåëüíûå ñèñòåìû ñ àâòîìàòè÷åñêèì äóòüåì ïîëó÷èëè íàèáîëåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå áëàãîäàðÿ ñâîåé ýôôåêòèâíîñòè è ïðîñòîòå êîíñòðóêöèè.  çàâèñèìîñòè îò êîíñòðóêöèè äóãîãàñèòåëüíûõ êàìåð ðàçëè÷àþò (ðèñ. 5.14,à) ïðîäîëüíîå äóòüå, êîãäà ïîòîê ãàçîïàðîâîé ñìåñè íàïðàâëåí âäîëü ñòîëáà äóãè, ïîïåðå÷íîå, êîãäà ïîòîê íàïðàâëåí ïåðïåíäèêóëÿðíî èëè ïîä íåêîòîðûì óãëîì ê ñòîëáó äóãè (ðèñ. 5.14,á) è âñòðå÷íîå, êîãäà ïîòîê íàïðàâëåí ïðîòèâîïîëîæíî ïî îòíîøåíèþ ê íàïðàâëåíèþ äâèæåíèÿ ïîäâèæíîãî êîíòàêòà ñ äóãîé (ðèñ. 5.14,â). ×àñòî â äóãîãàñèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ èñïîëüçóåòñÿ èõ êîìáèíàöèÿ. Ãàøåíèå äóãè ìîæåò áûòü ðàçáèòî íà òðè îñíîâíûõ ýòàïà (ðèñ. 5.15). Ïåðâûé ýòàï (ðèñ. 5.15,à). Ïîñëå ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîâ äóãà ãîðèò â çàìêíóòîì, êàê ïðàâèëî, íåáîëüøîì, ïðîñòðàíñòâå, ñîçäàâàÿ çà ñ÷åò ðàçëîæåíèÿ ìàñëà çíà÷èòåëüíûå äàâëåíèÿ. Ýòî òàê íàçûâàåìûé ðåæèì çàìêíóòîãî ïóçûðÿ”.  òå÷åíèå ” ýòîãî ýòàïà â ðåçóëüòàòå âûäåëÿþùåéñÿ â äóãå ýíåðãèè â çàìêíóòîì îáúåìå ñîçäàåòñÿ (àêêóìóëèðóåòñÿ) âûñîêîå äàâëåíèå (äî 10 ÌÏà), êîòîðîå èñïîëüçóåòñÿ íà ñëåäóþùåì ýòàïå ãàøåíèÿ äóãè. Âòîðîé ýòàï (ðèñ. 5.15,á) íàñòóïàåò ñ ìîìåíòà íà÷àëà èñòå÷åíèÿ ãàçîïàðîâîé ñìåñè èç îáëàñòè çàìêíóòîãî îáúåìà ÷åðåç ðàáî÷èå êàíàëû, îòêðûâàåìûå ïðè ïåðåìåùåíèè ïîäâèæíîãî êîíòàêòà çà ïðåäåëû ïðåäêàìåðíîãî îáúåìà. Ýòàï õàðàêòåðèçóåòñÿ èçìåíåíèåì äàâëåíèÿ ãàçîïàðîâîé ñìåñè â êàìåðå è ðàáî÷èõ êàíàëàõ, êóäà çàòÿãèâàåòñÿ äóãà, à òàêæå èíòåíñèâíîãî èñòå÷åíèÿ ãàçîïàðîâîé ñìåñè è çàâåðøàåòñÿ ïðîöåññàìè ðàñïàäà ñòîëáà äóãè è âîññòàíîâëåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè ìåæêîíòàêòíîãî ïðîìåæóòêà.  òå÷åíèå òðåòüåãî ýòàïà (ðèñ. 5.15,â) ïðîèñõîäèò óäàëåíèå èç êàìåðû îñòàâøèõñÿ ïîñëå ãàøåíèÿ äóãè ãîðÿ÷èõ ãàçîâ, ïðîäóêòîâ ðàçëîæåíèÿ ìàñëà
 äóãîãàñèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ ìàñëÿíûõ âûêëþ÷àòåëåé ãàøåíèå äóãè îñóùåñòâëÿåòñÿ ïóòåì ýôôåêòèâíîãî åå îõëàæäåíèÿ â ïîòîêå ãàçîïàðîâîé ñìåñè, âûðàáàòûâàåìîé äóãîé â ðåçóëüòàòå ðàçëîæåíèÿ è èñïàðåíèÿ ìàñëà.  çàâèñèìîñòè îò íàçíà÷åíèÿ ìàñëà ìîæíî âûäåëèòü äâå îñíîâíûå ãðóïïû ìàñëÿíûõ âûêëþ÷àòåëåé: áàêîâûå (ìíîãîîáúåìíûå) ìàñëÿíûå âûêëþ÷àòåëè, â êîòîðûõ ìàñëî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ãàøåíèÿ è èçîëÿöèè òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé îò çàçåìëåííîãî áàêà; ìàëîìàñëÿíûå (ìàëîîáúåìíûå) ìàñëÿíûå âûêëþ÷àòåëè, â êîòîðûõ ìàñëî èñïîëüçóåòñÿ òîëüêî äëÿ ãàøåíèÿ äóãè è èçîëÿöèè ìåæäó ðàçîìêíóòûìè êîíòàêòàìè îäíîãî ïîëþñà.  ñîñòàâå ãàçîïàðîâîé ñìåñè, âîçíèêàþùåé â ðåçóëüòàòå ðàçëîæåíèÿ ìàñëà ïîä äåéñòâèåì äóãè, âõîäèò äî 70% âîäîðîäà H2, îáëàäàþùåãî ïî ñðàâíåíèþ ñ âîçäóõîì â 8 ðàç áîëåå âûñîêîé òåïëîïðîâîäíîñòüþ, íî ìåíüøåé ïðåäåëüíîé ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòüþ. Ïîòîê ãàçîïàðîâîé ñìåñè â çîíå ãîðåíèÿ äóãè îáëàäàåò âûñîêîé òåìïåðàòóðîé 800–2500 Ê. Ìåõàíèçì îõëàæäåíèÿ ñòîëáà äóãè ïðè áîëüøèõ (îáû÷íî âûøå 100 À) è ìàëûõ çíà÷åíèÿõ òîêà äóãè ðàçëè÷åí. Ïðè áîëüøèõ òîêàõ îõëàæäåíèå äóãè ïðîèñõîäèò ãëàâíûì îáðàçîì çà ñ÷åò ïðèíóäèòåëüíîé êîíâåêöèè â ïîòîêå ãàçîïàðîâîé ñìåñè ïðè áîëüøîì äàâëåíèè. Ñ óâåëè÷åíèåì òîêà èíòåíñèâíîñòü êîíâåêòèâíîãî îõëàæäåíèÿ è äàâëåíèå â çîíå ãàøåíèÿ äóãè óâåëè÷èâàþòñÿ. Ïðè íåáîëüøèõ òîêàõ êîíâåêöèÿ è äàâëåíèå ãàçà â çîíå ãàøåíèÿ äóãè ñíèæàþòñÿ, óñëîâèÿ îõëàæäåíèÿ äóãè óõóäøàþòñÿ è âðåìÿ ãàøåíèÿ äóãè çàòÿãèâàåòñÿ. Ïîâûøåíèå äàâëåíèÿ â çîíå ãàøåíèÿ äóãè â ðåçóëüòàòå ïðèíóäèòåëüíîé ïîäà÷è ìàñëà ìîæåò ñóùåñòâåííî óëó÷øèòü óñëîâèÿ ãàøåíèÿ äóãè ïðè îòêëþ÷åíèè íåáîëüøèõ òîêîâ. Ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî îñíîâíûìè óñëîâèÿìè äëÿ íàèáîëåå ýôôåêòèâíîãî ãàøåíèÿ äóãè ÿâëÿþòñÿ: èíòåíñèâíîå äóòüå ãàçîïàðîâîé ñìåñè â çîíå äóãè, îñîáåííî â ìîìåíò òîêà áëèçêîãî ê íóëþ; 140
§ 5.4. Ìàñëÿíûå âûêëþ÷àòåëè
Ðèñ. 5.14. Ïðèíöèïû îðãàíèçàöèè àâòîäóòüÿ äóãîãàñèòåëüíûõ êàìåð â ìàñëå
Ðèñ. 5.15. Ýòàïû ãàøåíèÿ äóãè ñ àâòîäóòüåì â ìàñëå
â ðåæèìå ÀÏ èç-çà ïðåæäåâðåìåííîãî ïðîáîÿ ìåæêîíòàêòíîãî ïðîìåæóòêà. Ïðîäóêòû ðàçëîæåíèÿ ìàñëà è èçîëÿöèîííûõ ìàòåðèàëîâ êàìåðû ÄÓ âëèÿþò íà ñîñòîÿíèå êîíòàêòîâ, èõ ñòðóêòóðó è ïåðåõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå. Âðåìÿ ãîðåíèÿ äóãè âîçðàñòàåò ïî ìåðå íàêîïëåíèÿ ïðîäóêòîâ ðàçëîæåíèÿ â ìàñëå. Âñå ýòî, åñòåñòâåííî, òðåáóåò ïîñòîÿííîãî êîíòðîëÿ çà ñîñòîÿíèåì êà÷åñòâà ìàñëà, åãî óðîâíåì â ÄÓ. Êîììóòàöèîííûé ðåñóðñ â áîëüøîé ñòåïåíè çàâèñèò îò òîêà Iî.íîì âûêëþ÷àòåëÿ è ðåàëüíûõ òîêîâ îòêëþ÷åíèÿ. Òàê ïðè Iî.íîì = 20 êÀ äëÿ ìàëîìàñëÿíîãî âûêëþ÷àòåëÿ íà íàïðÿæåíèå 35 ê êîëè÷åñòâî îòêëþ÷åíèé N ≤ 10, à ïðè òîêå Iî.íîì = 10 êÀ äîïóñòèìîå ÷èñëî îòêëþ÷åíèé âîçðàñòàåò äî N ≤ 30. Âûøåèçëîæåííûå îñîáåííîñòè òðåáóþò ïîñòîÿííîãî êîíòðîëÿ çà òåõíè÷åñêèì ñîñòîÿíèåì ìàñëÿíûõ âûêëþ÷àòåëåé.
è çàïîëíåíèå âíóòðåííåé ïîëîñòè êàìåðû ñâåæèì ìàñëîì. Íà ýòîì ýòàïå ïðîèñõîäèò ïîäãîòîâêà êàìåðû äëÿ ïîñëåäóþùåãî åå îòêëþ÷åíèÿ.  ìàñëÿíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ ðàáîòû â öèêëå ÀÏÂ, ýòîò ýòàï èìååò î÷åíü âàæíîå çíà÷åíèå. Ýôôåêòèâíîñòü ÄÓ è ðåñóðñ ìàñëÿíûõ âûêëþ÷àòåëåé â çíà÷èòåëüíîé ìåðå îáóñëàâëèâàþòñÿ ôèçèêî-õèìè÷åñêèìè ïðîöåññàìè, ïðîèñõîäÿùèìè â çîíå ãîðåíèÿ äóãè. Îáðàçóþùèåñÿ ïîä âëèÿíèåì äóãè ïðîäóêòû ðàçëîæåíèÿ ìàñëà (H2, C è äð.), èîíèçèðîâàííûé ãàç, ïàðû ìàòåðèàëà êîíòàêòîâ ïîíèæàþò îòêëþ÷àþùóþ ñïîñîáíîñòü ÄÓ è îãðàíè÷èâàþò êîììóòàöèîííûé ðåñóðñ. Ñâîáîäíûå ÷àñòè÷êè óãëåðîäà, îáðàçóÿ êîëëîèäíóþ âçâåñü, ñíèæàþò ýëåêòðè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü èçîëÿöèîííîãî ïðîìåæóòêà è óòÿæåëÿþò ïðîöåññ âêëþ÷åíèÿ íà ÊÇ 141
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ 5.4.2. ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÈ ÌÀÑËßÍÛÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ
1000 è 1600 À, íîìèíàëüíûå òîêè îòêëþ÷åíèÿ 20; 31,5 êÀ. Âûêëþ÷àòåëè ÂÊ-10 ñ ïðóæèííûì ïðèâîäîì ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ ðàáîòû â øêàôàõ ÊÐÓ âíóòðåííåé è íàðóæíîé óñòàíîâêè, à òàêæå â ðåæèìå ÀÏÂ. Òðè ïîëþñà âûêëþ÷àòåëÿ óñòàíàâëèâàþòñÿ íà ëèòîå îñíîâàíèå, â êîòîðîì ðàñïîëîæåíû ðû÷àãè ìåõàíèçìà, ñâÿçàííûå ñî âñòðîåííûì ïðóæèííûì ïðèâîäîì. Ïîëþñ âûêëþ÷àòåëÿ îáðàçîâàí èçîëÿöèîííûì öèëèíäðîì 1 (ðèñ. 5.16,à), âíóòðè êîòîðîãî ïðîõîäÿò òîêîâåäóùèå ýëåìåíòû, ñîåäèíåííûå ñ âåðõíèì íåïîäâèæíûì ðîçåòî÷íûì êîíòàêòîì 2 è îáîéìîé 3, ïðèñîåäèíåííîé ê íàïðàâëÿþùèì ñòåðæíÿì 4. Òîêîïîäâîä ê ïîäâèæíîìó êîíòàêòó 5 îò íàïðàâëÿþùèõ ñòåðæíåé îñóùåñòâëÿåòñÿ ðîëèêîâûì óñòðîéñòâîì 6. Ïîäâèæíûé êîíòàêò 5 ïðèñîåäèíåí ê ðû÷àãó ìåõàíèçìà óïðàâëåíèÿ 11 ïîñðåäñòâîì èçîëÿöèîííîé òÿãè 7. Íà îáîéìó 3 ñâåðõó óñòàíàâëèâàåòñÿ ðàñïîðíûé öèëèíäð 8, à íà íåãî äóãîãàñèòåëüíîå óñòðîéñòâî 9. Ìàñëîóêàçàòåëè 10 ïîïëàâêîâîãî òèïà ðàñïîëîæåíû íàâåðõó ïîëþñà. Íà ðèñ. 5.16,á ïðåäñòàâëåíà êîíñòðóêöèÿ äóãîãàñèòåëüíîé êàìåðû êîìáèíèðîâàííîãî ìàñëÿíîãî äóòüÿ, ñîñòîÿùåé èç ïàêåòà èçîëÿöèîííûõ ïëàñòèí
Ìàñëÿíûå âûêëþ÷àòåëè áëàãîäàðÿ ïðîñòîòå êîíñòðóêöèè ÿâèëèñü ïåðâûìè âûêëþ÷àòåëÿìè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ. Íî îòìå÷åííûå âûøå òåõíè÷åñêèå ñëîæíîñòè ïî èõ ýêñïëóàòàöèè, à òàêæå ïîâûøåííûå âçðûâî- è ïîæàðîîïàñíîñòü, íåîáõîäèìîñòü â ñëîæíîì ìàñëÿíîì õîçÿéñòâå ïî õðàíåíèþ è ðåãåíåðàöèè åãî, ïðèâåëè ê çíà÷èòåëüíîìó âûòåñíåíèþ ýòèõ òèïîâ âûêëþ÷àòåëåé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ââèäó áîëüøîãî ñðîêà ñëóæáû (25 ëåò) ìîæíî âñòðåòèòü â ýêñïëóàòàöèè áàêîâûå âûêëþ÷àòåëè [56] íà íàïðÿæåíèå 220 è 110 êÂ. Ìàëîìàñëÿíûå âûêëþ÷àòåëè ìîæíî ðàçäåëèòü íà äâå ãðóïïû. Ïåðâàÿ, áîëåå ìíîãî÷èñëåííàÿ, – ñ óñòàíîâêîé ÄÓ â íèæíåé ÷àñòè ïîëþñà è ïåðåìåùåíèåì ïîäâèæíîãî êîíòàêòà ñâåðõó âíèç (ñì. ðèñ. 5.14,â). Âòîðàÿ – ñ ïåðåìåùåíèåì ïîäâèæíîãî êîíòàêòà íà âêëþ÷åíèå ñíèçó ââåðõ è óñòàíîâêîé ÄÓ â âåðõíåé ÷àñòè ïîëþñà. Âûêëþ÷àòåëè âòîðîé ãðóïïû áîëåå ïåðñïåêòèâíû, ò. ê. ïîâûøàþòñÿ îòêëþ÷àåìûå òîêè è óëó÷øàþòñÿ äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû ïðè îòêëþ÷åíèè. Íà ðèñ. 5.16 ïðåäñòàâëåí ïîëþñ êîëîíêîâîãî ìàëîìàñëÿíîãî âûêëþ÷àòåëÿ ÂÊ-10. Îí âûïóñêàåòñÿ íà íàïðÿæåíèå 10 êÂ, íîìèíàëüíûå òîêè 630,
Ðèñ. 5.16. Ïîëþñ ìàëîìàñëÿíîãî âûêëþ÷àòåëÿ ÂÊ-10 (à) è åãî äóãîãàñèòåëüíàÿ êàìåðà (á)
142
§ 5.5. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âûêëþ÷àòåëè
íÿ âäîëü äóòüåâûõ ùåëåé 2 è äîñòèãàåò ãëóõèõ êàðìàíîâ 5.  ýòîì ñëó÷àå âñëåäñòâèå íåçíà÷èòåëüíîñòè îáúåìîâ ýòèõ ïîëîñòåé ìàñëî, ñîäåðæàùååñÿ â íèõ, äàæå ïðè íåçíà÷èòåëüíîì òîêå îòêëþ÷åíèÿ èñïàðÿåòñÿ âçðûâîîáðàçíî. Ýòî ïðèâîäèò ê ïîïûòêå îòðûâà ñòîëáà äóãè çà ñ÷åò èìïóëüñíîãî ïîâûøåíèÿ äàâëåíèÿ îò òîêîâåäóùåãî ñòåðæíÿ, òàê êàê âûáðîñ ãàçîïàðîâîé ñìåñè áóäåò ïðîèñõîäèòü ââåðõ â çîíó, ñâîáîäíóþ îò êîíòàêòíîé ñâå÷è. Êîíóñíàÿ âòóëêà 4, óñòàíîâëåííàÿ â ñðåäíåé ÷àñòè êàìåðû, ñëóæèò äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ÷ðåçìåðíîãî ðàçãîíà ïîäâèæíîãî ñòåðæíÿ ïîä âîçäåéñòâèåì âûñîêîãî äàâëåíèÿ, âîçíèêàþùåãî â êàìåðå ïðè îòêëþ÷åíèè òîêîâ ÊÇ.
ðàçíîé êîíôèãóðàöèè, ñòÿíóòûõ øïèëüêàìè. Âåðõíÿÿ ïåðåãîðîäêà èìååò êîëüöî 1, èçãîòîâëåííîå èç äóãîñòîéêîãî ìàòåðèàëà (ôòîðîïëàñòà). Êàìåðà èìååò öåíòðàëüíîå îòâåðñòèå äëÿ ïðîõîäà ïîäâèæíîãî ñòåðæíÿ.  âåðõíåé ÷àñòè êàìåðû èçîëÿöèîííûå ïëàñòèíû îáðàçóþò òðè ïîïåðå÷íûå, ðàñïîëîæåííûå îäíà ïîä äðóãîé, äóòüåâûå ùåëè 2 äëÿ áîëüøèõ òîêîâ, ñâÿçàííûå âåðòèêàëüíûì êàíàëîì 3 ñ ïîäêàìåðíûì è íàäêàìåðíûì ïðîñòðàíñòâàìè.  íèæíåé ÷àñòè êàìåðû èìåþòñÿ äâà ãëóõèõ ìàñëÿíûõ êàðìàíà 5 äëÿ ãàøåíèÿ ìàëûõ òîêîâ. Ïðè ãàøåíèè ìàëûõ òîêîâ ââèäó íåäîñòàòî÷íîñòè äàâëåíèÿ ãàçîïàðîâîé ñìåñè, ñîçäàâàåìîãî â òå÷åíèå ïåðâîãî ýòàïà, äóãà íå ãàñíåò ïðè äâèæåíèè ñòåðæ-
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. Íàçîâèòå îñíîâíûå ýòàïû ïðîöåññà ãàøåíèÿ äóãè â ìàñëÿíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ. 2. Êàêîâû îñîáåííîñòè êîììóòàöèè ìàëûõ òîêîâ â ìàñëÿíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ?
3. ×åì îãðàíè÷åí ïðåäåë îòêëþ÷àþùåé ñïîñîáíîñòè ïî òîêó? 4. ×åì îáúÿñíÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòü ïðîâåäåíèÿ ÷àñòûõ ðåâèçèé ìàñëÿíûõ âûêëþ÷àòåëåé?
5.5. ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ
äóãè. Ýòî ïðèâîäèò ê îãðàíè÷åíèþ òîêà. Ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ òîêà ÷åðåç íóëü îñòàòî÷íàÿ ïðîâîäèìîñòü îáëàñòè ñóùåñòâîâàíèÿ äóãè âåëèêà, ÷òî ïðèäàåò ïðîöåññó âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ àïåðèîäè÷åñêèé õàðàêòåð. Êàê èçâåñòíî, ýòî çíà÷èòåëüíî îáëåã÷àåò çàäà÷ó âûêëþ÷àòåëÿ ïî îòêëþ÷åíèþ öåïè. Óñëîâèÿ ãàøåíèÿ äóãè íàñòóïàþò òîãäà, êîãäà â ìîìåíò ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü íàïðÿæåíèå íà äóãå ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íàïðÿæåíèþ ñåòè, à óñëîâíûé óãîë ñäâèãà ôàç ìåæäó íàïðÿæåíèåì è òîêîì ϕ, óìåíüøàåòñÿ ïðè óâåëè÷åíèè àêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé îòêëþ÷àåìîé öåïè (ðîñò ñîïðîòèâëåíèÿ
Íåñìîòðÿ íà îãðàíè÷åííóþ îáëàñòü èñïîëüçîâàíèÿ ïî íàïðÿæåíèþ (6–20 êÂ) âûêëþ÷àòåëè ýòîãî òèïà íàõîäÿò øèðîêîå ïðèìåíåíèå â ÊÐÓ, îñîáåííî â ñèñòåìàõ âíóòðåííèõ íóæä íà ÒÝÖ è ÀÝÑ. Íîìèíàëüíûå òîêè âûêëþ÷àòåëåé äîñòèãàþò 3150 À, à íîìèíàëüíûå òîêè îòêëþ÷åíèÿ äî 40 êÀ. Ïðè ýòîì â îòëè÷èå îò ìàñëÿíûõ èëè âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé ýêñïëóàòàöèîííûå ðàñõîäû îòíîñèòåëüíî íåâåëèêè. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî âûêëþ÷àòåëÿ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïðè âîçäåéñòâèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà äóãó îíà óäëèíÿåòñÿ è çàãîíÿåòñÿ â äóãîãàñèòåëüíóþ êàìåðó (ðèñ. 5.17) óçêîùåëåâîãî òèïà, ãäå, òåñíî âçàèìîäåéñòâóÿ ñî ñòåíêàìè êàìåðû (äèàìåòð äóãè çíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäèò øèðèíó ùåëè dä > δù), ïðîèñõîäèò åå îõëàæäåíèå.
Äëÿ äóãîãàñèòåëåé ýòîãî òèïà õàðàêòåðíûì ÿâëÿåòñÿ áîëüøîå íàïðÿæåíèå íà ñòîëáå äóãè. Èç ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ãðàäèåíò íàïðÿæåíèÿ íà ñòîëáå äóãè íå çàâèñèò îò òîêà, à îïðåäåëÿåòñÿ ëèøü øèðèíîé êàíàëà êàìåðû, ñ óìåíüøåíèåì øèðèíû êàíàëà δù íàïðÿæåííîñòü óâåëè÷èâàåòñÿ
E = 19 ⁄ √ δù , Â/ì. (5.10) Ãàøåíèå äóãè â äóãîãàñèòåëüíîé êàìåðå ùåëåâîãî òèïà îòëè÷àåòñÿ îò äðóãèõ ïðîöåññîâ ãàøåíèÿ ðÿäîì îñîáåííîñòåé. Óñëîâèÿ ãàøåíèÿ â êîíöå ïîëóïåðèîäà òîêà íàñòóïàþò ïðè áîëüøîé äëèíå
Ðèñ. 5.17. Ýòàïû ðàçâèòèÿ ãàøåíèÿ äóãè â ùåëåâîé äóãîãàñèòåëüíîé êàìåðå
143
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
ñòîëáà äóãè çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ åå äëèíû), äîñòèãàåò íåêîòîðîãî ìèíèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, ò. å. êîãäà Uä = Um sinϕ , (5.11)
ëèíèÿìè). Ïîäâèæíûé êîíòàêò 2 âðàùàåòñÿ íà îïîðíîì èçîëÿòîðå 1 ïðè ïîìîùè èçîëÿöèîííîé òÿãè 18. Âûêëþ÷àòåëü èìååò ãëàâíûé 3 è äóãîãàñèòåëüíûå 5, 6 êîíòàêòû.  çàâèñèìîñòè îò íàçíà÷åíèÿ ôóíêöèè èõ ðàçëè÷íû: ãëàâíûé ñëóæèò äëÿ ïðîâåäåíèÿ òîêà âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè è èìåþùèé ñåðåáðÿíûå íàêëàäêè äëÿ ñíèæåíèÿ ïåðåõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ; äóãîãàñèòåëüíûé îáåñïå÷èâàåò ðåæèì êîììóòàöèè è àðìèðîâàí äóãîñòîéêîé ìåòàëëîêåðàìèêîé. Ïðè ðàçìûêàíèè äóãîãàñèòåëüíûõ êîíòàêòîâ 5, 6 âîçíèêàþùàÿ ìåæäó íèìè äóãà ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ ñèë ïåðåìåùàåòñÿ ââåðõ. Ïî ìåðå ðàçâèòèÿ äóãè íà ðèñóíêå ïîêàçàíû ðàçëè÷íûå ýòàïû åå ïðîìåæóòî÷íîãî ïîëîæåíèÿ (À, Á, Â, Ã, Ä, Å). Íåïîäâèæíûé êîíòàêò 6 îòäåëåí îò äóãîãàñèòåëüíîãî ðîãà 9 èçîëÿöèîííûì ïðîìåæóòêîì íåîáõîäèìûì äëÿ òîãî, ÷òîáû êàòóøêà ìàãíèòíîãî äóòüÿ 11 âêëþ÷àëàñü áû ïîñðåäñòâîì ñâÿçè 8 ëèøü â ìîìåíò ïåðåõîäà îñíîâàíèÿ äóãè íà äóãîãàñèòåëüíûé ðîã 9 (ó÷àñòîê äóãè Å øóíòèðóåòñÿ
ãäå ϕ = 32,5°. Òîãäà Uä =
19
δù √
lä ≥ Um sin32,5 = 0,537Um . (5.12)
Èç âûøåñêàçàííîãî ñëåäóåò, ÷òî óñëîâèÿ ãàøåíèÿ äóãè â óçêîùåëåâîì äóãîãàñèòåëå îêàçûâàþòñÿ çíà÷èòåëüíî áîëåå ëåãêèìè, ÷åì â äðóãèõ òèïàõ âûêëþ÷àòåëåé. Íà ðèñ. 5.18 ïðåäñòàâëåíî äóãîãàñèòåëüíîå óñòðîéñòâî ýëåêòðîìàãíèòíîãî âûêëþ÷àòåëÿ ÂÝÌ-6 íà íàïðÿæåíèå U = 6 êÂ, íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ Iî.íîì = 38,5 êÀ, íîìèíàëüíûé òîê Iíîì= 1600 À. Íà ñòàëüíîé ðàìå 13 ïðè ïîìîùè èçîëÿòîðîâ 12 óêðåïëåíà ãàñèòåëüíàÿ êàìåðà 14 è êàòóøêà ìàãíèòíîãî äóòüÿ 11 ñ ìàãíèòíûìè ïîëþñàìè 10, îõâàòûâàþùèìè êàìåðó ñ áîêîâ (ïîêàçàíî øòðèõîâûìè
Ðèñ. 5.18. Äóãîãàñèòåëüíîå óñòðîéñòâî ýëåêòðîìàãíèòíîãî âûêëþ÷àòåëÿ ÂÝÌ-6
144
§ 5.6. Âàêóóìíûå âûêëþ÷àòåëè
ñèëû íà íà÷àëüíîì ýòàïå ðàçâèòèÿ äóãè íåäîñòàòî÷íû äëÿ åå âõîæäåíèÿ â ÄÓ. Äëÿ óñòðàíåíèÿ ýòîãî íåäîñòàòêà èìååòñÿ àâòîïíåâìàòè÷åñêîå óñòðîéñòâî 17. Ïîðøåíü åãî ñâÿçàí ñ ïîäâèæíûì êîíòàêòîì 2, ÷òî ïðèâîäèò ê âûáðîñó ñòðóè ñæàòîãî âîçäóõà ïî òðóáêå 4 àâòîïíåâìàòè÷åñêîãî óñòðîéñòâà íà êîíòàêòíóþ ïîâåðõíîñòü íåïîäâèæíîãî äóãîãàñèòåëüíîãî êîíòàêòà 6 è îáëåã÷àåò óñëîâèÿ ïåðåõîäà äóãè íà äóãîãàñèòåëüíûé ðîã 9.
äóãîãàñèòåëüíûé ðîã 9 (ó÷àñòîê äóãè Å øóíòèðóåòñÿ êàòóøêîé ìàãíèòíîãî äóòüÿ 11). Ïðîéäÿ ýòàïû ïîñëåäîâàòåëüíîãî ãàøåíèÿ äóãè À–Å–Á–Â–Ã–Ä â ìàãíèòíîì ïîëå, îáðàçîâàííîì êàòóøêîé ìàãíèòíîãî äóòüÿ, ñâÿçüþ 16 è äóãîãàñèòåëüíûì ðîãîì 15, äóãà ïðèîáðåòàåò î÷åíü áîëüøèå ëèíåéíûå ðàçìåðû (äî 2 ì), ÷òî ïðèâîäèò ê âûïîëíåíèþ íåîáõîäèìûõ óñëîâèé äëÿ åå ãàøåíèÿ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðè îòêëþ÷åíèè íåáîëüøèõ òîêîâ (äåñÿòêè àìïåð) ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 3. Ïî÷åìó ïðîöåññ âîññòàíîâëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ â ýëåêòðîìàãíèòíûõ âûêëþ÷àòåëÿõ íîñèò àïåðèîäè÷åñêèé õàðàêòåð? 4. Êàêîâû ïðåèìóùåñòâà ýëåêòðîìàãíèòíûõ âûêëþ÷àòåëåé ïî ñðàâíåíèþ ñ ìàñëÿíûìè?
1. ×åì îãðàíè÷èâàåòñÿ âåðõíèé ïðåäåë ïî íàïðÿæåíèþ êîììóòèðóåìîé ñåòè ïðè èñïîëüçîâàíèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ âûêëþ÷àòåëåé? 2. Êàêîâà îñîáåííîñòü ãàøåíèÿ äóãè â ýëåêòðîìàãíèòíîì âûêëþ÷àòåëå?
5.6. ÂÀÊÓÓÌÍÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ
êîñòü ïðè êîììóòàöèè íîìèíàëüíûõ òîêîâ è òîêîâ íàãðóçêè, ïðîèçâîëüíîå ðàáî÷åå ïîëîæåíèå âàêóóìíîãî äóãîãàñèòåëüíîãî óñòðîéñòâà. Ïðèíöèï èñïîëüçîâàíèÿ âàêóóìà äëÿ ãàøåíèÿ äóãè ïðè âûñîêèõ íàïðÿæåíèÿõ èçâåñòåí äîñòàòî÷íî äàâíî. Íî ïðàêòè÷åñêàÿ ðåàëèçàöèÿ ñòàëà âîçìîæíà ëèøü ïîñëå ïîÿâëåíèÿ òåõíè÷åñêèõ âîçìîæíîñòåé – ñîçäàíèÿ âàêóóìíî÷èñòûõ ïðîâîäíèêîâûõ è èçîëÿöèîííûõ ìàòåðèàëîâ áîëüøèõ ðàçìåðîâ, ïðîâåäåíèÿ âàêóóìíî÷èñòûõ ñáîðîê ýòèõ ìàòåðèàëîâ è ïîëó÷åíèÿ âûñîêîãî âàêóóìà äî 1,3(10-2÷10-5) Ïà.
 ïîñëåäíèå ãîäû îòìå÷àåòñÿ èíòåíñèâíîå èñïîëüçîâàíèå âàêóóìíûõ êîììóòàòîðîâ â îáëàñòè íàïðÿæåíèé 6–35 ê äëÿ ñîçäàíèÿ âàêóóìíûõ êîíòàêòîðîâ, âûêëþ÷àòåëåé íàãðóçêè, âàêóóìíûõ âûêëþ÷àòåëåé äëÿ ÊÐÓ. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ ðÿäîì áåññïîðíûõ äîñòîèíñòâ: âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå, ïîëíàÿ âçðûâî- è ïîæàðîáåçîïàñíîñòü, ýêîëîãè÷åñêàÿ ÷èñòîòà, øèðîêèé äèàïàçîí òåìïåðàòóðû (îò +200 äî –70 °Ñ), íàäåæíîñòü, ìèíèìàëüíûå ýêñïëóàòàöèîííûå çàòðàòû, ìèíèìàëüíûå ãàáàðèòíûå ðàçìåðû, ïîâûøåííàÿ óñòîé÷èâîñòü ê óäàðíûì è âèáðàöèîííûì íàãðóçêàì, âûñîêàÿ èçíîñîñòîé-
5.6.1. ÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÅ ÎÑÍÎÂÛ ÑÓÙÅÑÒÂÎÂÀÍÈß ÄÓÃÈ Â ÂÀÊÓÓÌÅ
ìåòàëëà ñîîòâåòñòâåííî ñíèæàåòñÿ è äóãà äîëæíà ïîãàñíóòü íà ïåðâîì ïåðåõîäå òîêà ÷åðåç íóëü. Âðåìÿ ãîðåíèÿ äóãè â ÂÄÊ íå ïðåâîñõîäèò 10 ìñ. Êðîìå òîãî, äëÿ âàêóóìíîé äóãè õàðàêòåðíà î÷åíü âûñîêàÿ ñêîðîñòü äåèîíèçàöèè ñòîëáà äóãè (äèôôóçíàÿ äåèîíèçàöèÿ íîñèòåëåé òîêà ýëåêòðîíîâ è èîíîâ), îáåñïå÷èâàþùàÿ áûñòðîå âîññòàíîâëåíèå ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè ïîñëå ïîãàñàíèÿ äóãè.  âàêóóìå ýëåêòðè÷åñêàÿ äóãà ñóùåñòâóåò ëèáî â ðàññåÿííîì äèôôóçíîì” âèäå ïðè òîêàõ äî ” 5000–7000 À, ëèáî â êîíöåíòðèðîâàííîì ñæàòîì” ” âèäå ïðè áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ òîêà. Ãðàíè÷íûé òîê ïåðåõîäà äóãè èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå çàâèñèò â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îò ìàòåðèàëà, ãåîìåòðè÷åñêîé ôîðìû è ðàçìåðîâ êîíòàêòîâ, à òàêæå îò ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ òîêà. Äèôôóçíàÿ” – äóãà â âà” êóóìå ñóùåñòâóåò â âèäå íåñêîëüêèõ ïàðàëëåëüíûõ
Óñëîâèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ è ãàøåíèÿ äóãè â âàêóóìå èìåþò ñâîè îñîáåííîñòè. Ïðè ðàñõîæäåíèè êîíòàêòîâ â âàêóóìíîé äóãîãàñèòåëüíîé êàìåðå (ÂÄÊ) â ïîñëåäíèé ìîìåíò ìåæäó íèìè îáðàçóåòñÿ æèäêîìåòàëëè÷åñêèé ìîñòèê, êîòîðûé çàòåì ðàçðóøàåòñÿ. Ïðîèñõîäèò èîíèçàöèÿ ïàðîâ ìåòàëëà êîíòàêòíîãî ìîñòèêà ïîä âîçäåéñòâèåì ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ ñåòè, ïðèâîäÿùàÿ ê îáðàçîâàíèþ äóãè. Òàêèì îáðàçîì, äóãà â âàêóóìå ñóùåñòâóåò èç-çà èîíèçàöèè ïàðîâ êîíòàêòíîãî ìàòåðèàëà âíà÷àëå çà ñ÷åò ìàòåðèàëà êîíòàêòíîãî ìîñòèêà, à çàòåì â ðåçóëüòàòå èñïàðåíèÿ ìàòåðèàëà ýëåêòðîäîâ ïîä âîçäåéñòâèåì ýíåðãèè äóãè. Ïîýòîìó, åñëè ïîñòóïëåíèå ïàðîâ êîíòàêòíîãî ìàòåðèàëà áóäåò íåäîñòàòî÷íî, âàêóóìíàÿ äóãà äîëæíà ïîãàñíóòü. Ïðè ïîäõîäå òîêà ê íóëþ òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ, âûäåëÿþùàÿñÿ â äóãå, òîæå óìåíüøàåòñÿ, êîëè÷åñòâî ïàðîâ 145
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
áû â äèôôóçíîì âèäå, ëèáî âðåìÿ âîçäåéñòâèÿ ñæàòîé” äóãè íà ýëåêòðîäû áûëî áû ìèíèìàëü” íûì. Ýòî äîñòèãàåòñÿ ñîçäàíèåì ðàäèàëüíûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé, îáåñïå÷èâàþùèõ ïåðåìåùåíèå îïîðíûõ òî÷åê äóãè ñ âûñîêîé ñêîðîñòüþ ïî ýëåêòðîäàì. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ðàäèàëüíûõ è àêñèàëüíûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé ðàçðàáîòàíû ðàçëè÷íûå êîíñòðóêöèè êîíòàêòíûõ ñèñòåì (ðèñ. 5.19).  ÂÄÊ íà íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå 10 ê è íîìèíàëüíûå òîêè îòêëþ÷åíèÿ äî 31,5 À ïðèìåíÿþòñÿ êîíòàêòíûå ñèñòåìû ñ ïîïåðå÷íûì (ïî îòíîøåíèþ ê äóãå) ðàäèàëüíûì ìàãíèòíûì ïîëåì (ðèñ. 5.19,à). Êîíòàêòû ñî ñïèðàëüíûìè ëåïåñòêàìè èìåþò âèä äèñêîâ, ó êîòîðûõ ïåðèôåðèéíûå ó÷àñòêè ðàçðåçàíû ñïèðàëüíûìè ïàçàìè 3 íà ñåãìåíòû, ñîåäèíåííûå â öåíòðàëüíîé ÷àñòè.  çàìêíóòîì ñîñòîÿíèè êîíòàêòû ñîïðèêàñàþòñÿ ïî êîëüöåâîìó âûñòóïó 1. Ïðè ðàçìûêàíèè êîíòàêòîâ äóãà ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ ñèë, âîçíèêàþùèõ èç-çà èñêðèâëåíèÿ êîíòóðà òîêà, ïåðåìåùàåòñÿ íà ïåðèôåðèéíûå ó÷àñòêè 4. Ïðè ýòîì èç-çà ñïèðàëåîáðàçíûõ ïðîðåçåé âîçíèêàåò ðàäèàëüíîå ìàãíèòíîå ïîëå, ïîä âîçäåéñòâèåì êîòîðîãî äóãà ïåðåìåùàåòñÿ ïî ïåðèôåðèé-
äóã îäíîâðåìåííî, ÷åðåç êàæäóþ èç êîòîðûõ ìîæåò ïðîòåêàòü òîê îò íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ äî íåñêîëüêèõ ñîòåí àìïåð. Ïðè ýòîì êàòîäíûå ïÿòíà, îòòàëêèâàÿñü äðóã îò äðóãà, ñòðåìÿòñÿ îõâàòèòü âñþ êîíòàêòíóþ ïîâåðõíîñòü. Ïðè íåáîëüøèõ òîêàõ è çíà÷èòåëüíîé ïëîùàäè êîíòàêòîâ ñèëû ýëåêòðîìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ýòèõ ïðîâîäíèêîâ ñ òîêîì (òîêè îäíîãî íàïðàâëåíèÿ ïðèòÿãèâàþòñÿ) íå ìîãóò ïðåîäîëåòü ñèë îòòàëêèâàíèÿ êàòîäíûõ ïÿòåí äðóã îò äðóãà. Òàê êàê ÷åðåç êàæäîå êàòîäíîå ïÿòíî ïðîòåêàþò íåáîëüøèå òîêè, ýòî ïðèâîäèò ê íåáîëüøèì ðàçìåðàì îïîðíûõ ïÿòåí äóãè íà êàòîäå è ñîîòâåòñòâåííî òåïëîâàÿ ïîñòîÿííàÿ èõ îêàçûâàåòñÿ î÷åíü ìàëîé τäèôô < 1 ìêñ. Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ òîêà ñèëû ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïðèòÿæåíèÿ ïðåîäîëåâàþò ñèëû îòòàëêèâàíèÿ è ïðîèñõîäèò ñëèÿíèå îòäåëüíûõ äóã â îäèí êàíàë, ÷òî ïðèâîäèò ê ðåçêîìó óâåëè÷åíèþ ðàçìåðîâ êàòîäíîãî îïîðíîãî ïÿòíà è ñîîòâåòñòâåííî åãî òåïëîâîé ïîñòîÿííîé τñæ >> τäèôô . Âëåäñòâèå ýòîãî ïîÿâëÿþòñÿ çíà÷èòåëüíûå òðóäíîñòè ãàøåíèÿ äóãè, ëèáî ïðîèñõîäèò ïîëíûé îòêàç êàìåðû. Ïîýòîìó çàäà÷è, ñòîÿùèå ïðè ðàçðàáîòêå ÂÄÊ, çàêëþ÷àþòñÿ â ñîçäàíèè óñëîâèé, ïðè êîòîðûõ äóãà ñóùåñòâîâàëà
Ðèñ. 5.19. Êîíñòðóêöèè êîíòàêòíûõ ñèñòåì ÂÄÊ ñ ïîïåðå÷íûì (à) è ïðîäîëüíûì (á) ìàãíèòíûì ïîëåì
146
§ 5.6. Âàêóóìíûå âûêëþ÷àòåëè
Îêîíå÷íîñòè ýòèõ êîëüöåâûõ äóã ñîåäèíÿþòñÿ íåïîñðåäñòâåííî ñ ýëåêòðîäîì 4, íà êîòîðîì è ïðîèñõîäèò ïðîöåññ âîçíèêíîâåíèÿ è ãàøåíèÿ äóãè. Íåïîñðåäñòâåííî êîíòàêòèðóþùàÿ ïîâåðõíîñòü ýëåêòðîäîâ 3, 4 èìååò ðàäèàëüíûå ïðîðåçè, ïðåïÿòñòâóþùèå ñëèÿíèþ äóã. Êàê îòìå÷àëîñü âûøå, äóãà âîçíèêàåò è ñóùåñòâóåò â ðåçóëüòàòå èîíèçàöèè ïàðîâ ìàòåðèàëà êîíòàêòîâ. Ïðè íåäîñòàòî÷íîì èõ ïîñòóïëåíèè îíà äîëæíà ãàñíóòü. Íî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî äóãà ìîæåò ïîãàñíóòü ðàíüøå åñòåñòâåííîãî ïåðåõîäà òîêà ÷åðåç íóëü – ÿâëåíèå ñðåçà òîêà”. È òîãäà ìîãóò ” âîçíèêíóòü îïàñíûå êàê äëÿ àïïàðàòà, òàê è äëÿ îòêëþ÷àåìîé öåïè ïåðåíàïðÿæåíèÿ. Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ìàêñèìàëüíûé òîê ñðåçà íàáëþäàåòñÿ íà êîíòàêòàõ èç ìîëèáäåíà – 14 À, âîëüôðàìà – 9 À, ìåäè – 2 À, âèñìóòà – 0,3 À. Ïîýòîìó â êà÷åñòâå êîíòàêòíîãî ìàòåðèàëà íå ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí êàêîé-ëèáî îäèí ìåòàëë, à èñïîëüçóåòñÿ ñëîæíàÿ êîìïîçèöèÿ íà áàçå ìåòàëëà ñ âûñîêîé òåïëîè ýëåêòðîïðîâîäíîñòüþ Cu, à òàêæå íåáîëüøèõ âêëþ÷åíèé ëåãêîëåòó÷èõ êîìïîíåíòîâ – âèñìóòà, ñóðüìû, õðîìà è ïð. Òàêèì îáðàçîì óäàåòñÿ óìåíüøèòü òîê ñðåçà” äî ìèíèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ. ”
íûì ó÷àñòêàì ñ âûñîêîé ñêîðîñòüþ, ÷òî íå âûçûâàåò ïîÿâëåíèÿ áîëüøèõ ðàñïëàâëåííûõ çîí íà ýëåêòðîäàõ. Ñ óâåëè÷åíèåì òîêà äî 50 êÀ ïðè îãðàíè÷åííîñòè ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ ýëåêòðîäîâ ñêîðîñòè äâèæåíèÿ äóã ñòàíîâÿòñÿ ñòîëü âåëèêè, ÷òî äóãà âñå-òàêè óñïåâàåò îáðàçîâàòü çíà÷èòåëüíûå îïëàâëåíèÿ îñîáåííî îñòðûõ êðîìîê ëåïåñòêîâ. Ýòî è îãðàíè÷èëî ïðåäåë îòêëþ÷àþùåé âîçìîæíîñòè êîíòàêòíûõ ñèñòåì òàêîãî òèïà äî 50 êÀ. Íîâûå ðàçðàáîòêè êîíòàêòíûõ ñèñòåì íàïðàâëåíû íà ñîçäàíèå àêñèàëüíîãî (ïðîäîëüíîãî ïî îòíîøåíèþ ê äóãå) ìàãíèòíîãî ïîëÿ, îáðàçîâàííîãî òîêîì îòêëþ÷åíèÿ. Ñõåìà êîíòàêòíîé ñèñòåìû, ïðåäñòàâëåííàÿ íà ðèñ. 5.19,á ïîçâîëÿåò êîììóòèðîâàòü òîêè 200 êÀ. Ñîçäàíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ àêñèàëüíîãî ïàðàëëåëüíûì äóãàì íå äàåò èì âîçìîæíîñòè ñîåäèíèòüñÿ, ÷òî ñîõðàíÿåò äóãó â äèôôóçíîì âèäå. Òîê îò öåíòðàëüíîãî òîêîïîäâîäà 1 ðàñòåêàåòñÿ ïî ÷åòûðåì ðàäèàëüíî ðàñïîëîæåííûì òîêîïðîâîäÿùèìèñÿ ñïèöàì” 2, îêàí÷èâàþùèìèñÿ íà ïåðèôåðèè ïðî” âîäíèêàìè êîëüöåâîé ôîðìû, íî îãðàíè÷åííûìè ëèøü ÷åòâåðòüþ îêðóæíîñòè êàæäàÿ.  öåëîì ýòî ñîçäàåò îäèí âèòîê, îáòåêàåìûé òîêîì îòêëþ÷åíèÿ.
5.6.2. ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÈ ÂÀÊÓÓÌÍÛÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ
Ñóùåñòâóåò ìíîãî ðàçëè÷íûõ êîíñòðóêöèé âàêóóìíûõ äóãîãàñèòåëüíûõ êàìåð. Îäíà èç ðàñïðîñòðàíåííûõ êîíñòðóêöèé (ðèñ. 5.20) èìååò äâà èçîëÿöèîííûõ öèëèíäðè÷åñêèõ êîæóõà 1, 2, ñíàáæåííûõ ïî òîðöàì ìåòàëëè÷åñêèìè ôëàíöàìè 4, 15. Íåïîäâèæíûé êîíòàêò 12 ïðè ïîìîùè òîêîââîäà 13 æåñòêî êðåïèòñÿ ê ôëàíöó 15, ïîäâèæíûé êîíòàêò 11 ñâÿçàí ñ ôëàíöåì 4 ïðè ïîìîùè ñèëüôîíà 5. Êàê ïðàâèëî, â êîíñòðóêöèè ÂÄÊ èìåþòñÿ ýêðàíû 3, 9, 10, 14, âûïîëíÿþùèå ôóíêöèè ïîâûøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè êàìåðû çà ñ÷åò âûðàâíèâàíèÿ ãðàäèåíòà íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé è çàùèòû âíóòðåííèõ èçîëÿöèîííûõ ÷àñòåé îò ìåòàëëèçàöèè ðàñïûëåííûì êîíòàêòíûì ìàòåðèàëîì. Êàê ñëåäóåò èç ðèñ. 5.21, ýëåêòðè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü êîíòàêòíîãî ïðîìåæóòêà î÷åíü âûñîêà. Ýòî ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî ðàññòîÿíèå ìåæäó êîíòàêòàìè ïðè íàïðÿæåíèÿõ äî 35 ê íå ïðåâûøàåò 5 ìì. Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ñèëüôîíîì ñîçäàþòñÿ îïðåäåëåííûå óñèëèÿ íà êîíòàêò, îáùåå êîíòàêòíîå óñèëèå ñ ó÷åòîì òîêîâ ÊÇ 40–100 êÀ â ÂÄÊ ìîæåò äîñòèãàòü îêîëî 1000–4000 Í.  âàêóóìíûå âûêëþ÷àòåëè íàõîäÿò âñå áîëåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå, ÷àñòî çàìåíÿÿ è âûòåñíÿÿ ìåíåå íàäåæíûå è áîëåå ìåòàëëî- è ìàòåðèàëîåìêèå ìàñëÿíûå è ýëåêòðîìàãíèòíûå âûêëþ÷àòåëè.
Ðèñ. 5.20. Âàêóóìíàÿ äóãîãàñèòåëüíàÿ êàìåðà ÂÄÊ-10-31
147
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
Âûïóñê âàêóóìíûõ âûêëþ÷àòåëåé ñðåäíåãî íàïðÿæåíèÿ îò îáùåãî âûïóñêà â íàñòîÿùåå âðåìÿ äîñòèã â ßïîíèè 50%, â Âåëèêîáðèòàíèè 30% è â ÑØÀ 20%.
Ðèñ. 5.21. Çàâèñèìîñòü íàïðÿæåíèé ðàçðÿäà â îäíîðîäíîì ïîëå îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó êîíòàêòàìè äëÿ ðàçëè÷íûõ èçîëÿöèîííûõ ñðåä: 1 – âàêóóì; 2 – ìàñëî; 3 – ýëåãàç; 4 – âîçäóõ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 4. ×åì îáúÿñíÿåòñÿ ñëîæíîñòü êîíñòðóêöèé êîíòàêòíûõ ñèñòåì ÂÄÊ? 5. Êàêîâû äîñòîèíñòâà ÂÄÊ â ñðàâíåíèè ñ ìàñëÿíûìè è ýëåêòðîìàãíèòíûìè?
1.  ÷åì çàêëþ÷àþòñÿ òðóäíîñòè ïðè ðàçðàáîòêå ÂÄÊ íà ïîâûøåííûå ïàðàìåòðû ïî òîêó è íàïðÿæåíèþ? 2. ×òî òàêîå ñðåç òîêà”, îò ÷åãî îí çàâèñèò? ” 3. Êàêîâà ðîëü ýêðàíîâ â ÂÄÊ?
5.7. ÐÀÇÚÅÄÈÍÈÒÅËÈ, ÎÒÄÅËÈÒÅËÈ, ÊÎÐÎÒÊÎÇÀÌÛÊÀÒÅËÈ 5.7.1. ÐÀÇÚÅÄÈÍÈÒÅËÈ
ïðèâîäà íîæà ðàçúåäèíèòåëÿ. Èñõîäÿ èç çàäà÷è îáåñïå÷åíèÿ áåçîïàñíîñòè îáñëóæèâàþùåãî ïåðñîíàëà ïðè ïðîâåäåíèè ðàáîò íà ëèíèè, à òàêæå îñóùåñòâëåíèÿ áåñïåðåáîéíîãî ýëåêòðîñíàáæåíèÿ ïîòðåáèòåëåé, ðàçúåäèíèòåëü äîëæåí îòâå÷àòü ñëåäóþùèì òðåáîâàíèÿì: îáåñïå÷èâàòü âèäèìûé ðàçðûâ òîêà â öåïè ïðè îòêëþ÷åíèè; äîëæåí áûòü óñòîé÷èâ òåðìè÷åñêè è ýëåêòðîäèíàìè÷åñêè; èìåòü òðåáóåìûé óðîâåíü èçîëÿöèè ïðè ëþáûõ àòìîñôåðíûõ óñëîâèÿõ; èìåòü ïðîñòóþ è íàäåæíóþ êîíñòðóêöèþ ñ ó÷åòîì ñàìûõ òÿæåëûõ óñëîâèé ðàáîòû (îáëåäåíåíèå, âåòðîâûå íàãðóçêè).
Êàê îòìå÷àëîñü âûøå, ðàçúåäèíèòåëè ñëóæàò ëèøü äëÿ êîììóòàöèè îáåñòî÷åííûõ öåïåé â öåëÿõ ïðîâåäåíèÿ ðåìîíòà èëè ðåâèçèè ÀÂÍ, à òàêæå äëÿ âûïîëíåíèÿ ïåðåêëþ÷åíèé ÐÓ íà ðåçåðâíîå ïèòàíèå [62]. Íà ðèñ. 5.22 ïðèâåäåíà ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà, ïîÿñíÿþùàÿ îñîáåííîñòü ïðèìåíåíèÿ ðàçúåäèíèòåëåé. Ïðè ïðîâåäåíèè ðåâèçèè èëè ðåìîíòà òîãî èëè èíîãî ýëåêòðîòåõíè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ íà âûñîêîì íàïðÿæåíèè íåîáõîäèìî ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ òîêà â äàííîé öåïè ïðîèçâåñòè îòêëþ÷åíèå äàííîãî îáúåêòà ñ îáåèõ ñòîðîí ñ ñîçäàíèåì âèäèìîãî ðàçðûâà öåïè. Êðîìå òîãî, îáúåêò ñ îáåèõ ñòîðîí çàçåìëÿåòñÿ ëèáî ïåðåíîñíûìè çàçåìëèòåëÿìè, ëèáî çàçåìëèòåëü ïðåäóñìîòðåí â êîíñòðóêöèè ðàçúåäèíèòåëÿ QS è ñáëîêèðîâàí ñ ìåõàíèçìîì
Ðèñ. 5.22. Ñõåìà îáåñïå÷åíèÿ áåçîïàñíûõ óñëîâèé ðåâèçèè âûêëþ÷àòåëÿ (à) è ñõåìà âêëþ÷åíèÿ ðàñïðåäåëèòåëüíîãî óñòðîéñòâà ñ îòäåëèòåëåì è êîðîòêîçàìûêàòåëåì (á)
148
§ 5.8. Èçìåðèòåëüíûå òðàíñôîðìàòîðû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
Ðàçúåäèíèòåëè íàðóæíîé óñòàíîâêè, êàê ïðàâèëî, èìåþò çàçåìëèòåëè è ìîãóò ñíàáæàòüñÿ äóãîãàñèòåëüíûìè ðîãàìè äëÿ ãàøåíèÿ åìêîñòíûõ òîêîâ è ïðèñïîñîáëåíèÿìè, ðàçðóøàþùèìè êîðêó ëüäà. Áîëüøîå ðàçíîîáðàçèå óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè ýëåêòðîóñòàíîâîê îïðåäåëÿåò è êîíñòðóêòèâíûå ðàçëè÷èÿ ðàçúåäèíèòåëåé.
Ïîýòîìó ðàçúåäèíèòåëü èìååò òàêèì îáðàçîì îðãàíèçîâàííóþ èçîëÿöèþ, ÷òî ïðè ïîÿâëåíèè íåäîïóñòèìî áîëüøîãî íàïðÿæåíèÿ íà ïîëþñå îòêëþ÷åííîãî ðàçúåäèíèòåëÿ ïðîáîé äîëæåí ïðîèçîéòè ìåæäó ïîëþñîì è çåìëåé ïî åãî îïîðíîé èçîëÿöèè, à íå ìåæäó ðàçâåäåííûìè íîæàìè.
5.7.2. ÎÒÄÅËÈÒÅËÈ È ÊÎÐÎÒÊÎÇÀÌÛÊÀÒÅËÈ
Îòäåëèòåëè QR è êîðîòêîçàìûêàòåëè QK óñòàíàâëèâàþòñÿ íà ñòîðîíå âûñøåãî íàïðÿæåíèÿ â ìåíåå îòâåòñòâåííûõ ÐÓ â öåëÿõ ýêîíîìèè êàïèòàëüíûõ çàòðàò è ìåñòà. Âûêëþ÷àòåëè ïðè ýòîì ïðåäóñìàòðèâàþòñÿ òîëüêî íà ñòîðîíå íèçøåãî íàïðÿæåíèÿ (ðèñ. 5.22,á). Ïðè ïåðåãðóçêàõ ñèëîâîãî òðàíñôîðìàòîðà, ïîâðåæäåíèè åãî âíóòðåííåé èçîëÿöèè, ïîâûøåííîì ãàçîâûäåëåíèè âíóòðè áàêà, ïðîèñõîäèò ñðàáàòûâàíèå ðåëå ãàçîàíàëèçàòîðà ñðåäû, ëèáî ðåëå äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû. Ñðàáàòûâàíèå ýòèõ ðåëå äàåò êîìàíäó íà àâòîìàòè÷åñêîå ñðàáàòûâàíèå êîðîòêîçàìûêàòåëÿ QK, ïðîâîöèðóþùåãî äåéñòâèòåëüíîå ÊÇ íà ñòîðîíå âûñøåãî íàïðÿæåíèÿ.  öåïè ïðîòåêàíèÿ òîêà ÊÇ êîðîòêîçàìûêàòåëÿ óñòàíîâëåíû òðàíñôîðìàòîðû òîêà, êîòîðûå äàþò êîìàíäó î ÷ðåçìåðíîì òîêå â ñèñòåìó ðåëåéíîé çàùèòû, â ñâîþ î÷åðåäü
âêëþ÷àþùåé ñèñòåìó óïðàâëåíèÿ âûêëþ÷àòåëåì íà îòêëþ÷åíèå âûêëþ÷àòåëÿ. Ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ èñêóññòâåííî ñîçäàííîãî ÊÇ ëèíåéíûì âûêëþ÷àòåëåì Q, ÷àñòî íàõîäÿùèìñÿ íà çíà÷èòåëüíîì óäàëåíèè îò äàííîãî ÐÓ, èñ÷åçíîâåíèå òîêà ÊÇ äàåò êîìàíäó íà îòêëþ÷åíèå îòäåëèòåëÿ QR äàííîãî ÐÓ. Ïîñëå ÷åãî â ñîîòâåòñòâèè ñ ðåæèìîì ÀÏ ïèòàíèå ëèíèè âíîâü âîçîáíîâëÿåòñÿ, ò. å. îáåñïå÷èâàåòñÿ îòêëþ÷åíèå òðàíñôîðìàòîðà â àâàðèéíîì ñîñòîÿíèè áåç èñïîëüçîâàíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ íà ñòîðîíå âûñøåãî íàïðÿæåíèÿ. Îòêëþ÷åíèå QK îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðèâîäîì, âêëþ÷åíèå ñ ïîìîùüþ âçâåäåííûõ ïðóæèí. Îòäåëèòåëü îòêëþ÷àåòñÿ àâòîìàòè÷åñêè, âêëþ÷àåòñÿ âðó÷íóþ äëÿ èñêëþ÷åíèÿ âîçìîæíîñòè îøèáî÷íîãî àâòîìàòè÷åñêîãî âêëþ÷åíèÿ ïðè íåîòêëþ÷åííîì êîðîòêîçàìûêàòåëå.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 4. Êàêîâà ðîëü êîðîòêîçàìûêàòåëåé? 5. Êàêîâî âçàèìîäåéñòâèå êîðîòêîçàìûêàòåëåé è îòäåëèòåëåé?
1. Êàêîâà ðîëü ðàçúåäèíèòåëåé â ñõåìàõ ÐÓ? 2.  ÷åì îòëè÷èå ðàçúåäèíèòåëåé îò îòäåëèòåëåé? 3.  ÷åì îòëè÷èå ðàçúåäèíèòåëåé âíóòðåííåé è âíåøíåé óñòàíîâêè?
5.8. ÈÇÌÅÐÈÒÅËÜÍÛÅ ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÛ ÂÛÑÎÊÎÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß 5.8.1. ÍÀÇÍÀ×ÅÍÈÅ È ÏÐÈÍÖÈÏ ÄÅÉÑÒÂÈß ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÀ ÒÎÊÀ
Òðàíñôîðìàòîð òîêà (ÒÀ) ñëóæèò äëÿ èçìåðåíèÿ, ïðåîáðàçîâàíèÿ è ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè î ðåæèìå ðàáîòû ñèëüíîòî÷íîé öåïè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ â öåïü íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ ñ öåëüþ åå ïîñëåäóþùåé îáðàáîòêè. Ïðè ýòîì îäíîâðåìåííî ÒÀ ñëóæèò äëÿ èçîëÿöèè ïåðâè÷íîé öåïè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ îò âòîðè÷íîé öåïè íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ, èìåþùåé ïîòåíöèàë çåìëè. Èíôîðìàöèÿ íà âòîðè÷íîé ñòîðîíå èñïîëüçóåòñÿ êàê äëÿ öåëåé èçìåðåíèÿ ìîùíîñòè ïðè ïîìîùè àìïåðìåòðà, âàòòìåòðà, êà÷åñòâà ýíåðãèè, òàê è äëÿ ñèñòåìû ðåëåéíîé çàùèòû. Ïîýòîìó ÒÀ, êàê ïðàâèëî, èìåþò äâå âòîðè÷íûå îáìîòêè: îäíó äëÿ èçìåðåíèÿ, äðóãóþ äëÿ çàùèòû. Âòîðè÷íûé òîê ÒÀ èìååò íîðìèðîâàííûå çíà÷åíèÿ: 5 èëè 1 À. Ïåðâè÷íàÿ öåïü òðàíñôîðìàòîðà òîêà ïîñòîÿííî âêëþ÷åíà â öåïü âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ è ÿâëÿåòñÿ ïåðâûì ýëåìåíòîì (äàò÷èêîì êîíòðîëÿ òîêà) ñèñòåìû ðåëåéíîé
çàùèòû. Îò òî÷íîñòè ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè çàâèñèò ÷åòêîñòü è áûñòðîòà ëèêâèäàöèè àâàðèè. Îäíîé èç âàæíåéøèõ õàðàêòåðèñòèê ÒÀ ÿâëÿåòñÿ åãî òî÷íîñòü, îïðåäåëÿåìàÿ ïîãðåøíîñòÿìè èçìåðåíèÿ âòîðè÷íîãî òîêà, ñîîòâåòñòâóþùåãî èíôîðìàöèè î ïåðâè÷íîì òîêå. Êëàññ òî÷íîñòè îïðåäåëÿåòñÿ ïî íàèáîëüøåé äîïóñòèìîé ïîãðåøíîñòè ÒÀ ïðè íîìèíàëüíîì ïåðâè÷íîì òîêå, âûðàæåííîì â ïðîöåíòàõ. Óñòàíîâëåíî 6 êëàññîâ òî÷íîñòè: 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10% êàê ïðè òîêàõ 100–120% Iíîì, òàê è ïðè 20% è 10% Iíîì. Îñíîâíûìè íîìèíàëüíûìè ïàðàìåòðàìè ÒÀ ÿâëÿþòñÿ: 1. Íîìèíàëüíûé êîýôôèöèåíò òðàíñôîðìàöèè kíîì – îòíîøåíèå íîìèíàëüíîãî ïåðâè÷íîãî òîêà òðàíñôîðìàòîðà ê åãî íîìèíàëüíîìó âòîðè÷íîìó òîêó kíîì = I1íîì ⁄ I2íîì . 149
(5.13)
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
íèòíûé ïîòîê Φ0 = Φ1 − Φ2.  èäåàëüíîì òðàíñôîðìàòîðå ïðè îòñóòñòâèè ïîòåðü íà ïåðåìàãíè÷èâàíèå îò öèðêóëÿöèè òîêîâ ìàãíèòíûå ïîòîêè Φ1 è Φ2 ðàâíû ïî çíà÷åíèþ è ïðîòèâîïîëîæíû ïî ôàçå, òîãäà Φ0 = 0. Ðåàëüíî ïîòåðè ìîæíî îïðåäåëèòü èç âåêòîðíîé äèàãðàììû (ðèñ. 5.24) ñ ó÷åòîì òîãî, ÷òî ðåàëüíûå ïîãðåøíîñòè ïî òîêó è óãëó î÷åíü ìàëû ( ∆I = 0,2 ÷1%; δ′ = 10′ ÷ 60′). Ïîñòðîåíèå äèàãðàììû íà÷èíàþò ñ âåêòîðà ÌÄÑ F2, ñîçäàâàåìîé âòîðè÷íûì òîêîì I2, êîëëèíåàðíûì ñ íèì. Ïðîòåêàíèå òîêà I2 ÷åðåç íàãðóçêó ñîçäàåò â íåé îïðåäåëåííîå àêòèâíîå Ua′ = I2r è ðåàêòèâíîå Uð′ = I2x ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ. Èõ ãåîìåòðè÷åñêàÿ ñóììà ÿâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì U2′ íà âòîðè÷íûõ çàæèìàõ ÒÀ, äîáàâèâ îïðåäåëåííûå ïîòåðè íà âíóòðåííåì ñîïðîòèâëåíèè îáìîòêè U2′′ = I2r2 + jI2x2, ïîëó÷àþò ÝÄÑ E2, íàâîäèìóþ ïîòîêîì Ô0 âî âòîðè÷íîé îáìîòêå è îïåðåæàþùåì åå íà 90°. Äëÿ åãî âîçíèêíîâåíèÿ íåîáõîäèìî èìåòü íàìàãíè÷èâàþùóþ ÌÄÑ F0ð è ñîñòàâëÿþùóþ F0à äëÿ ïîêðûòèÿ àêòèâíûõ ïîòåðü â ìàãíèòîïðîâîäå. Èõ ñóììà îïðåäåëÿåò ÌÄÑ F0. Òàêèì îáðàçîì, ïåðâè÷íàÿ ÌÄÑ äîëæíà óðàâíîâåøèâàòüñÿ çà ñ÷åò ÌÄÑ âòîðè÷íîé îáìîòêè (− F2) è ìàëûì çíà÷åíèåì íàìàãíè÷èâàþùåé ÌÄÑ F0. Êàê ñëåäóåò èç äèàãðàììû âåêòîðû ÌÄÑ (èëè òîêîâ) F1 è F2 èìåþò íåáîëüøîå óãëîâîå (óãëîâàÿ ïîãðåøíîñòü) è àìïëèòóäíîå (òîêîâàÿ ïîãðåøíîñòü) ðàññîãëàñîâàíèå, âîçíèêàþùåå èç-çà íàëè÷èÿ àêòèâíûõ ïîòåðü â ýëåêòðè÷åñêîé è ìàãíèòíîé öåïÿõ F1 = F2 + F 0 (5.16) èëè I1N1 = I2N2 + I0N1 ,
2. Îòíîñèòåëüíàÿ ïîãðåøíîñòü òðàíñôîðìàöèè ÒÀ – òîêîâàÿ ïîãðåøíîñòü – ðàçíîñòü ìåæäó íîìèíàëüíûì êîýôôèöèåíòîì è äåéñòâèòåëüíûì êîýôôèöèåíòîì òðàíñôîðìàöèè, âûðàæåííàÿ â ïðîöåíòàõ îò ïåðâè÷íîãî òîêà òðàíñôîðìàöèè ∆I% =
k1íîìI2íîì − I1íîì I1íîì
100% . (5.14)
3. Óãëîâàÿ ïîãðåøíîñòü ÒÀ – óãîë ìåæäó âåêòîðîì ïåðâè÷íîãî òîêà è ïîâåðíóòûì íà 180° âåêòîðîì âòîðè÷íîãî òîêà. Óãëîâàÿ ïîãðåøíîñòü ñ÷èòàåòñÿ ïîëîæèòåëüíîé, åñëè ïîâåðíóòûé âåêòîð âòîðè÷íîãî òîêà îïåðåæàåò âåêòîð ïåðâè÷íîãî òîêà. 4. Êðàòíîñòü ïåðâè÷íîãî òîêà ÒÀ – îòíîøåíèå äåéñòâèòåëüíîãî ïåðâè÷íîãî òîêà ê íîìèíàëüíîìó ïåðâè÷íîìó. 5. Íîìèíàëüíàÿ âòîðè÷íàÿ íàãðóçêà Z2íîì – ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå âíåøíåé âòîðè÷íîé öåïè ÒÀ, ïðè êîòîðîé ãàðàíòèðóåòñÿ óñòàíîâëåííûé êëàññ òî÷íîñòè, ïðè ýòîì cosϕ2íîì = 0,8. 6. Íîìèíàëüíàÿ ïðåäåëüíàÿ êðàòíîñòü – ýòî êðàòíîñòü ïåðâè÷íîãî òîêà ïî îòíîøåíèþ ê íîìèíàëüíîìó, ïðè êîòîðîì ïîãðåøíîñòü íå ïðåâûøàåò 10% ïðè íîìèíàëüíîé âòîðè÷íîé íàãðóçêå Z2íîì è íîìèíàëüíîì êîýôôèöèåíòå ìîùíîñòè cosϕ2íîì k10 = I1 ⁄ I1íîì .
(5.15)
Òðàíñôîðìàòîðû òîêà îòëè÷àþòñÿ îò ñèëîâûõ òðàíñôîðìàòîðîâ ñëåäóþùèìè îñîáåííîñòÿìè: ðàáîòàþò â óñëîâèÿõ áëèçêèõ ê êîðîòêîìó çàìûêàíèþ (àìïåðìåòð ÿâëÿåòñÿ íàãðóçêîé èçìåðèòåëüíîé îáìîòêè ÒÀ); òîê âî âòîðè÷íîé öåïè íå çàâèñèò îò çíà÷åíèÿ è õàðàêòåðà íàãðóçêè (èñòî÷íèê òîêà), à îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèåì è õàðàêòåðîì èçìåíåíèÿ ïåðâè÷íîãî òîêà.  ïðîòèâîïîëîæíîñòü ýòîìó â ñèëîâûõ òðàíñôîðìàòîðàõ ïåðâè÷íûé òîê îïðåäåëÿåòñÿ ìîùíîñòüþ, ïîòðåáëÿåìîé âî âòîðè÷íîé öåïè.  îáùåì ñëó÷àå ÒÀ ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå äâóõ îáìîòîê ïåðâè÷íîé N1 è âòîðè÷íîé N2, ðàçìåùåííûõ íà îäíîì ìàãíèòîïðîâîäå èç òðàíñôîðìàòîðíîé ñòàëè (ðèñ. 5.23). Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ÒÀ îñíîâàí íà ÿâëåíèè ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè (çàêîí Ëåíöà). Ïðè ïðîõîæäåíèè òîêà ïî ïåðâè÷íîé îáìîòêå N1 â ìàãíèòîïðîâîäå ÒÀ ñîçäàåòñÿ ïåðåìåííûé ìàãíèòíûé ïîòîê Ô1, èçìåíÿþùèéñÿ ñ òîé æå ÷àñòîòîé, ÷òî è òîê I1. Ïîòîê Ô1 èíäóöèðóåò âî âòîðè÷íîé îáìîòêå ÝÄÑ E2, êîòîðàÿ ïðè çàìêíóòîé âòîðè÷íîé öåïè ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ â íåé òîêà I2, èìåþùåãî íàïðàâëåíèå ïðîòèâîïîëîæíîå ïåðâè÷íîìó òîêó I1. Òîê I2 ñîçäàåò â ìàãíèòîïðîâîäå ïîòîê Ô2, íàïðàâëåííûé âñòðå÷íî ïî îòíîøåíèþ ê ïîòîêó Ô1.  ðåçóëüòàòå â ìàãíèòîïðîâîäå óñòàíàâëèâàåòñÿ ðåçóëüòèðóþùèé ìàã-
ãäå I0 – òîê íàìàãíè÷èâàíèÿ, ïðîòåêàþùèé ïî ïåðâè÷íîé îáìîòêå è ñîçäàþùèé â ìàãíèòîïðîâîäå íàìàãíè÷èâàþùèé ìàãíèòíûé ïîòîê Ô0.
Ðèñ. 5.23. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà òðàíñôîðìàòîðà òîêà
150
§ 5.8. Èçìåðèòåëüíûå òðàíñôîðìàòîðû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 5.24. Âåêòîðíàÿ äèàãðàììà òðàíñôîðìàòîðà òîêà
Ðèñ. 5.25. Çàâèñèìîñòü ïîãðåøíîñòè ïî òîêó ∆I îò èçìåíåíèÿ ïåðâè÷íîãî òîêà
Ðèñ. 5.26. Çàâèñèìîñòü ïîãðåøíîñòè ïî òîêó ∆I% îò èçìåíåíèÿ ïåðâè÷íîãî òîêà ñ êîððåêòèðîâêîé ÷èñëà âèòêîâ (â′) è áåç íåå (â)
Èç âåêòîðíîé äèàãðàììû ìîæíî ïîëó÷èòü âûðàæåíèå äëÿ ïîãðåøíîñòåé ÒÀ. Ïîãðåøíîñòü, ñîîòâåòñòâóþùàÿ íîìèíàëüíûì ïàðàìåòðàì, íàçûâàåòñÿ íîìèíàëüíîé òîêîâîé ïîãðåøíîñòüþ
èç êîòîðîãî ñòàíîâèòñÿ î÷åâèäíûì âëèÿíèå íà òîêîâóþ è óãëîâóþ ïîãðåøíîñòè ãåîìåòðè÷åñêèõ ðàçìåðîâ ìàãíèòîïðîâîäà l, S, èíäóêöèè â ñåðäå÷íèêå è âòîðè÷íîé íàãðóçêè. Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ ÒÀ ìèíèìàëüíûå ïîòåðè áóäóò â ðåæèìå ÊÇ åãî âòîðè÷íîé îáìîòêè. Íî êðèâàÿ íàìàãíè÷èâàíèÿ ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà ÿâëÿåòñÿ íåëèíåéíîé. Íà ðèñ. 5.25 ïðèâåäåíû êðèâûå èçìåíåíèÿ îòíîñèòåëüíîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè è ïîãðåøíîñòè ïî òîêó ∆I ïðè èçìåíåíèè ïåðâè÷íîãî òîêà.  ñâÿçè ñ íåëèíåéíîñòüþ êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ ïðåäåëüíî äîïóñòèìûå èçìåíåíèÿ ïîãðåøíîñòè ïî òîêó ïðåäñòàâëåíû â âèäå îòðåçêîâ ïðÿìûõ ëèíèé (ðèñ. 5.26). Òàê æå ïðèâåäåíà êðèâàÿ èçìåíåíèÿ òîêîâîé ïîãðåøíîñòè (b′),èìåþùàÿ íåëèíåéíûé õàðàêòåð, íî óêëàäûâàþùàÿñÿ â äîïóñòèìûå ïðåäåëû èçìåíåíèÿ. Êàê ñëåäóåò èç (5.20) âòîðè÷íàÿ íàãðóçêà îêàçûâàåò î÷åíü ñèëüíîå âëèÿíèå íà ïîãðåøíîñòü ïî òîêó. Ïîýòîìó äëÿ ïîëó÷åíèÿ íîðìèðîâàííîé ïîãðåøíîñòè íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü íîðìèðîâàííîå çíà÷åíèå âòîðè÷íîé íàãðóçêè z2íîì è cosϕ2íîì. Ïðè èçìåíåíèÿõ âòîðè÷íîé íàãðóçêè âòîðè÷íûé òîê áóäåò èçìåíÿòüñÿ, íî íå â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì Îìà, à èç-çà èçìåíåíèÿ ëèøü ïîãðåøíîñòè â åãî îïðåäåëåíèè. Ïðîñòåéøèì ìåòîäîì êîìïåíñàöèè ïîãðåøíîñòè ÿâëÿåòñÿ óìåíüøåíèå ÷èñëà âèòêîâ âòîðè÷íîé îáìîòêè. Åñëè ÷èñëî âèòêîâ âòîðè÷íîé
∆I% = −
F1 − F2 F1
sin(α + ψ) 100%
(5.17)
I0N1 I1N1
sin(α + ψ) 100% .
(5.18)
èëè ∆I% = −
Óãëîâàÿ ïîãðåøíîñòü δ′ = 3440
I0N1 I1N1
cos(α + ψ) .
(5.19)
Ðàññìîòðèì âëèÿíèå ðàçëè÷íûõ ïàðàìåòðîâ ÒÀ íà óãëîâóþ è òîêîâóþ ïîãðåøíîñòè. Ïðèìåì íåêîòîðûå äîïóùåíèÿ äëÿ ïðîâåäåíèÿ êà÷åñòâåííîãî àíàëèçà. Ïóñòü I1N1 ≈ I2N2 (áåç ó÷åòà ïîãðåøíîñòåé, 1–3%). Êðîìå òîãî, âòîðè÷íûé òîê ìîæåò áûòü îïðåäåëåí ïî çàêîíó Îìà I2 = E2 ⁄ z2. Âñïîìíèì ñâÿçü ìåæäó ÝÄÑ è èíäóêöèåé íàìàãíè÷èâàíèÿ E2 = 4,44fN2BmS ′, à òàêæå îïðåäåëèì íàìàãíè÷èâàþùóþ ÌÄÑ ïî çàêîíó ïîëíîãî òîêà F0 = H0l. Ñ ó÷åòîì ýòèõ ïîäñòàíîâîê âûðàæåíèå (5.18) ïðèîáðåòàåò ñëåäóþùèé âèä: Hlz2 sin(α + ψ) 100% 4,44fN2BmS z2l sin(α + ψ) 100%, 4,44fN2Sµ
∆I% = − =−
= (5.20)
151
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
îáìîòêè N2 ïðèíÿòü èñêóññòâåííî ìåíüøå, ÷åì N2íîì , òî èñêóññòâåííî ââîäèòñÿ ïîëîæèòåëüíàÿ ïîãðåøíîñòü, êîòîðàÿ ÷àñòè÷íî êîìïåíñèðóåò îòðèöàòåëüíóþ.  ýòîì ñëó÷àå âûðàæåíèå äëÿ ïîãðåøíîñòè ïî òîêó ïðèîáðåòàåò ñëåäóþùèé âèä I N
∆I% = − I0N1 sin(α + ψ) −
1
1
N2 − N2íîì N2íîì
100% . (5.21)
Âòîðîé ÷ëåí â êâàäðàòíûõ ñêîáêàõ ÿâëÿåòñÿ ïîêàçàòåëåì êîððåêöèè ÷èñëà âèòêîâ. Ïðè óìåíüøåíèè ÷èñëà âèòêîâ âî âòîðè÷íîé îáìîòêå êðèâàÿ ïîãðåøíîñòè ïî òîêó ïåðåìåùàåòñÿ ïàðàëëåëüíî ñàìîé ñåáå â îáëàñòü ìåíåå îòðèöàòåëüíûõ ïîãðåøíîñòåé. Êàê ñëåäóåò èç ðèñ. 5.26 êðèâàÿ (â) â ðåçóëüòàòå êîððåêöèè ÷èñëà âèòêîâ (∆N2 ⁄ N2íîì ) 100 = = +1,2% ïåðåìåñòèëàñü ââåðõ (êðèâàÿ â′) íà 1,2% è òàêèì îáðàçîì óëîæèëàñü â äîïóñòèìûå ïðåäåëû, ÷åãî íå áûëî â ïåðâîì ñëó÷àå. Ýòà êîððåêöèÿ ïðîâîäèòñÿ ïðè ïðîìåæóòî÷íûõ êîíòðîëüíûõ èñïûòàíèÿõ â ïðîöåññå ïðîèçâîäñòâà èçäåëèÿ íà çàâîäå. Ïîýòîìó â ðåàëüíûõ ÒÀ ýòà êîððåêöèÿ (åñëè îíà íåîáõîäèìà) óæå ïðîèçâåäåíà è êðèâàÿ ïîãðåøíîñòè ïî òîêó íàõîäèòñÿ â äîïóñòèìûõ ïðåäåëàõ äëÿ ñîîòâåòñòâóþùåãî êëàññà, íî ïðè íîìèíàëüíûõ óñëîâèÿõ íàãðóçêè. Âûøå ñêàçàííîå õàðàêòåðèçóåò ðàáîòó ÒÀ â ñòàòè÷åñêîì ðåæèìå.  ïåðåõîäíûõ ðåæèìàõ â òîêàõ ÊÇ ïîÿâëÿåòñÿ àïåðèîäè÷åñêàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ.  ýòîì ñëó÷àå óäàðíûé òîê ióä ìîæåò áûòü ñòîëü âåëèê, ÷òî âûçîâåò íàñûùåíèå ìàòåðèàëà è ïðèâåäåò ê èñêàæåíèþ âûõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê ÒÀ. Ýòî îñîáåííî ñèëüíî ñêàæåòñÿ íà ðàáîòå ðåëåéíîé çàùèòû. Äëÿ îñëàáëåíèÿ íåëèíåéíîñòè êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ è ñíèæåíèÿ îñòàòî÷íîé íàìàãíè÷åííîñòè â ìàãíèòîïðîâîäû ââîäèòñÿ íåìàãíèòíûé çàçîð [56], ÷òî ïîçâîëÿåò îñóùåñòâèòü ïåðåäà÷ó òîêà â ïåðåõîäíîì ðåæèìå ñ äîïóñòèìûìè òîêîâûìè è óãëîâûìè ïîãðåøíîñòÿìè. Äðóãèì ñïîñîáîì ïåðåäà÷è ïåðåõîäíûõ ðåæèìîâ èç ïåðâè÷íîé öåïè âî âòîðè÷íóþ ÿâëÿåòñÿ ïîëíûé
Ðèñ. 5.30. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà âêëþ÷åíèÿ âîçäóøíîãî òðàíñôîðìàòîðà òîêà
îòêàç îò ôåððîìàãíèòíîãî ìàãíèòîïðîâîäà – òàê íàçûâàåìûé âîçäóøíûé ÒÀ èëè ïîÿñ Ðîãîâñêîãî”. ” Êîíñòðóêòèâíî îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êàòóøêó 3, èíäóêòèâíî ñâÿçàííóþ ñ êîíòóðîì èçìåðÿåìîãî òîêà. Êàòóøêà íàìîòàíà íà òîðîèäàëüíûé ìàãíèòîïðîâîä èç íåìàãíèòíîãî ìàòåðèàëà 2, â êà÷åñòâå ïåðâè÷íîé öåïè – òîêîâåäóùàÿ øèíà 1, ïðîïóùåííàÿ ÷åðåç îêíî òîðà.  îáìîòêå èíäóöèðóåòñÿ ÝÄÑ, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ ïðîèçâîäíîé òîêà. Íà âûõîäå âîçäóøíîãî ÒÀ âêëþ÷åíà èíòåãðèðóþùàÿ öåïî÷êà RC (ðèñ. 5.27). Ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè (R = j ⁄ ωC) âåëèêî è ÒÀ ðàáîòàåò ïðàêòè÷åñêè â ðåæèìå õîëîñòîãî õîäà. Ñ óâåëè÷åíèåì êëàññà íàïðÿæåíèÿ èñïîëüçîâàíèå ôåððîìàãíèòíûõ èëè âîçäóøíûõ ÒÀ ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíûì òðóäíîñòÿì ïî îáåñïå÷åíèþ íåîáõîäèìîé èçîëÿöèè ìåæäó ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé öåïÿìè. Ýòî ïîñëóæèëî îñíîâîé äëÿ ðàçðàáîòêè ïðèíöèïèàëüíî íîâûõ óñòðîéñòâ ïî èçìåðåíèþ òîêà äëÿ ñâåðõ- è óëüòðàâûñîêèõ íàïðÿæåíèé. Ôèçè÷åñêóþ îñíîâó îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ìåòîäîâ èçìåðåíèÿ ñîñòàâëÿþò ïðîöåññû ïðåîáðàçîâàíèÿ èçìåðÿåìîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ñèãíàëà â ñâåòîâîé, à ñâåòîâîãî ñèãíàëà â âûõîäíîé ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë. Ñèñòåìû ïðåîáðàçîâàíèÿ îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà ñïîñîáîì âîçäåéñòâèÿ èçìåðÿåìîãî ïàðàìåòðà ïåðâè÷íîãî òîêà íà ñâîéñòâà ñâåòîâîãî ëó÷à (ñïîñîáîì ìîäóëÿöèè) è ñîîòâåòñòâåííî êîíñòðóêòèâíûì èñïîëíåíèåì.
5.8.2. ÍÀÇÍÀ×ÅÍÈÅ È ÏÐÈÍÖÈÏ ÄÅÉÑÒÂÈß ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÀ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß
Òðàíñôîðìàòîðû íàïðÿæåíèÿ (ÒV) äâóõ- èëè òðåõîáìîòî÷íûå ïðåäíàçíà÷åíû êàê äëÿ èçìåðåíèÿ íàïðÿæåíèÿ, ìîùíîñòè, ýíåðãèè, òàê è äëÿ ïèòàíèÿ öåïåé àâòîìàòèêè, ñèãíàëèçàöèè è ðåëåéíîé çàùèòû ëèíèé ýëåêòðîïåðåäà÷ îò çàìûêàíèÿ íà çåìëþ. Òðàíñôîðìàòîðû íàïðÿæåíèÿ èìåþò äâà íàçíà÷åíèÿ: èçîëèðîâàòü âòîðè÷íóþ îáìîòêó ÍÍ è, òåì ñàìûì, îáåçîïàñèòü îáñëóæèâàþùèé ïåðñîíàë; ïîíèçèòü èçìåðÿåìîå íàïðÿæåíèå äî ñòàíäàðòíîãî çíà÷åíèÿ 100;100/ √ 3 ; 100/3 Â.
Òðàíñôîðìàòîðû íàïðÿæåíèÿ ðàçëè÷àþò: ïî ÷èñëó ôàç – îäíîôàçíûå è òðåõôàçíûå; ïî ÷èñëó îáìîòîê – äâóõîáìîòî÷íûå è òðåõîáìîòî÷íûå; ïî êëàññó òî÷íîñòè – 0,2; 0,5; 1,0; 3; ïî ñïîñîáó îõëàæäåíèÿ – ñ ìàñëÿíûì îõëàæäåíèåì, ñ âîçäóøíûì îõëàæäåíèåì; ïî ñïîñîáó óñòàíîâêè – äëÿ âíóòðåííåé óñòàíîâêè, äëÿ íàðóæíîé óñòàíîâêè è äëÿ ÊÐÓ. Íà ðèñ. 5.28 ïðåäñòàâëåíà ñõåìà âêëþ÷åíèÿ ÒV ñ îáîçíà÷åíèÿìè ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé îáìîòîê. 152
§ 5.8. Èçìåðèòåëüíûå òðàíñôîðìàòîðû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 5.28. Îäíîôàçíûé äâóõîáìîòî÷íûé òðàíñôîðìàòîð íàïðÿæåíèÿ: à – ïðèñîåäèíåíèå TV ê òðåõôàçíîé ñåòè áåç íóëåâîãî ïðîâîäà; á – ðàñïîëîæåíèå âûâîäîâ (À-Õ – âûâîäû ÂÍ; à-õ – âûâîäû ÍÍ)
Ðèñ. 5.29. Ïîãðåøíîñòü ïî íàïðÿæåíèþ è óãëîâàÿ ïîãðåøíîñòü îäíîôàçíîãî òðàíñôîðìàòîðà íàïðÿæåíèÿ (ñïëîøíûå ëèíèè ñ êîððåêöèåé ÷èñëà âèòêîâ, øòðèõîâûå ëèíèè – áåç êîððåêöèè)
ïîãðåøíîñòü ïî íàïðÿæåíèþ ∆U% ∆U% =
Îäíîôàçíûé äâóõîáìîòî÷íûé ÒV ïðèìåíÿåòñÿ â óñòàíîâêàõ êàê îäíîôàçíîãî, òàê è òðåõôàçíîãî òîêà.  ïîñëåäíåì ñëó÷àå îí âêëþ÷àåòñÿ íà ëèíåéíîå íàïðÿæåíèå. Îäèí èç âûâîäîâ âòîðè÷íîé îáìîòêè äëÿ îáåñïå÷åíèÿ áåçîïàñíîñòè ïðè îáñëóæèâàíèè çàçåìëÿåòñÿ. Òðàíñôîðìàòîðû íàïðÿæåíèÿ äîëæíû óäîâëåòâîðÿòü çàäàííûì êëàññàì òî÷íîñòè ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: èçìåíåíèå ìîùíîñòè, îòäàâàåìîé âòîðè÷-
(
U1 2 ) S2íîì U1íîì
äî
U1 2 ) S2íîì, ãäå U1 – íàïðÿæåíèå èçìåðÿåìîé öåïè; U1íîì
U1íîì – íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå òðàíñôîðìàòîðà; S2íîì – íîìèíàëüíàÿ ìîùíîñòü òðàíñôîðìàòîðà; êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè íàãðóçêè äîëæåí áûòü ðàâåí 0,8 è ÷àñòîòà – 50 Ãö. Îñíîâíûìè ïàðàìåòðàìè ÒV ÿâëÿþòñÿ: íîìèíàëüíûå íàïðÿæåíèÿ îáìîòîê, ò.å. íàïðÿæåíèÿ ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé îáìîòîê, óêàçàííûå íà ùèòêå; íîìèíàëüíûé êîýôôèöèåíò òðàíñôîðìàöèè, ò. å. îòíîøåíèå íîìèíàëüíîãî ïåðâè÷íîãî íàïðÿæåíèÿ ê íîìèíàëüíîìó âòîðè÷íîìó kíîì = U1íîì ⁄ U2íîì ;
100 %;
(5.23)
óãëîâàÿ ïîãðåøíîñòü δ′, ò. å. óãîë ìåæäó âåêòîðîì ïåðâè÷íîãî íàïðÿæåíèÿ è ïîâåðíóòûì íà 180° âåêòîðîì âòîðè÷íîãî íàïðÿæåíèÿ, âûðàæåííûé â óãëîâûõ ãðàäóñàõ (ìèíóòàõ). Íà ðèñ. 5.29 ïðèâåäåí ïðèìåð èçìåíåíèÿ ïîãðåøíîñòè ÒV ïðè èçìåíåíèè ìîùíîñòè S2 âòîðè÷íîé íàãðóçêè. Êîððåêöèåé íàïðÿæåíèÿ ∆Uk íàçûâàåòñÿ ïðåäíàìåðåííîå èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà òðàíñôîðìàöèè â ñòîðîíó ïîâûøåíèÿ âòîðè÷íîãî íàïðÿæåíèÿ, âûðàæåííîå â ïðîöåíòàõ. Ýòî äîñòèãàåòñÿ óìåíüøåíèåì ÷èñëà âèòêîâ ïåðâè÷íîé îáìîòêè. Ñõåìû âêëþ÷åíèÿ òðåõôàçíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ äëÿ îáåñïå÷åíèÿ êîíòðîëÿ èçîëÿöèè ñåòè ïðèâåäåíû â [65]. Îñîáî ñëåäóåò ñêàçàòü î ÒV âûñîêîãî è ñâåðõâûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ. Êàê áûëî îòìå÷åíî, ÒV ïåðåäàþò î÷åíü ìàëóþ ìîùíîñòü, ïðè ýòîì ïðàêòè÷åñêè â òàêèõ ÒV îïðåäåëÿþùèì ÿâëÿåòñÿ âîïðîñ îáåñïå÷åíèÿ èçîëÿöèè ìåæäó ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé öåïÿìè. Ïîýòîìó ïðè íàïðÿæåíèÿõ âûøå 500 ê èñïîëüçóþòñÿ òàê íàçûâàåìûå åìêîñòíûå ÒV, ñîñòîÿùèå èç åìêîñòíîãî äåëèòåëÿ íàïðÿæåíèÿ (äâóõ ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ êîíäåíñàòîðîâ C1 è C2) è ïîíèæàþùåãî òðàíñôîðìàòîðà (ðèñ. 5.30).  ñîâðåìåííûõ ÐÓ óñòàíàâëèâàþòñÿ êîëîíêè êîíäåíñàòîðîâ âûñîêî÷àñòîòíîé ñâÿçè äëÿ öåïåé àâòîìàòèêè è ñèãíàëèçàöèè. Ïîýòîìó, åñëè èñïîëüçîâàòü ýòó êîëîíêó ñâÿçè C1 è äîáàâèòü íåêîòîðûé êîíäåíñàòîð îòáîðà ìîùíîñòè C2, ïîëó÷èì åìêîñòíîé äåëèòåëü. Ê êîíäåíñàòîðó ïîäêëþ÷àåòñÿ ÒV îáû÷íî íà 12–15 ê ïåðâè÷íîãî íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ óñòîé÷èâîé ðàáîòû â ïåðâè÷íóþ öåïü âêëþ÷àåòñÿ äîïîëíèòåëüíûé ðåàêòîð LR è âûñîêî÷àñòîòíûé çàãðàäèòåëü 3. Òàêèì îáðàçîì, ýòî óñòðîéñòâî èìååò ñóùåñòâåííî ìåíüøóþ ñòîèìîñòü, ÷åì ÒV íà ïîëíîå ïåðâè÷íîå íàïðÿæåíèå.
Ðèñ. 5.30. Ïðàêòè÷åñêàÿ ñõåìà åìêîñòíîãî ÒV
íîé îáìîòêîé, â ïðåäåëàõ îò 0,25(
U2kíîì − U1 U1
(5.22) 153
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ 5.8.3. ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÈ ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÎÂ ÒÎÊÀ
Ìíîãîîáðàçèå êîíñòðóêòèâíûõ èñïîëíåíèé ÒÀ îáúÿñíÿåòñÿ óñëîâèÿìè èõ êîíêðåòíîãî èñïîëüçîâàíèÿ.  îáùåì ñëó÷àå ðàçëè÷àþò ÒÀ äëÿ âíóòðåííåé è íàðóæíîé óñòàíîâêè. Äëÿ âíóòðåííåé óñòàíîâêè, êàê ïðàâèëî äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â ÊÐÓ, ÒÀ çàùèùåíû îò àòìîñôåðíûõ âîçäåéñòâèé è êëàññ íàïðÿæåíèÿ îãðàíè÷åí 35 êÂ. Ïîýòîìó ÒÀ â ýòîì ñëó÷àå âûïîëíÿþòñÿ ñ ëèòîé (èç ýïîêñèäíîé ñìîëû) èçîëÿöèåé è ñ ìåíåå ðàçâèòîé âíåøíåé ïîâåðõíîñòüþ. Òðàíñôîðìàòîðû òîêà èìåþò îáîçíà÷åíèÿ äëÿ ïåðâè÷íîé öåïè Ë1–Ë2 è äëÿ âòîðè÷íûõ öåïåé È1–È2 (ðèñ. 5.31). Äëÿ íàðóæíîé óñòàíîâêè ÒÀ èìåþò çíà÷èòåëüíî áîëåå ñëîæíóþ êîíñòðóêöèþ èçîëÿöèè (ìíîãîñëîåâàÿ áóìàæíî-ìàñëÿíàÿ èçîëÿöèÿ) ìåæäó ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé öåïüþ è ïðè ýòîì èñïîëüçóåòñÿ òðàíñôîðìàòîðíîå ìàñëî. Âñÿ êîíñòðóêöèÿ ÒÀ íàõîäèòñÿ â ôàðôîðîâîé ðóáàøêå, çàïîëíåííîé ìàñëîì. Ïî ýòîìó æå êîíñòðóêòèâíîìó ïðèíöèïó ñîçäàþòñÿ ÒÀ íà áîëåå âûñîêèé êëàññ íàïðÿæåíèÿ,
Ðèñ. 5.31. Òðàíñôîðìàòîðû òîêà âíóòðåííåé è íàðóæíîé ÒÔ3Ì-35 (á) óñòàíîâêè
ÒËÌ-10 (à)
èñïîëüçóÿ êàñêàäíûé ïðèíöèï ïîíèæåíèÿ óðîâíÿ òîêà è íàïðÿæåíèÿ íà êàæäîì ïðåîáðàçîâàíèè. Ïðè îòñóòñòâèè âòîðè÷íîé íàãðóçêè âûõîäíûå êëåììû È1–È2 ÒÀ äîëæíû áûòü çàêîðî÷åíû, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå íà íèõ âîçíèêàåò âûñîêîå íàïðÿæåíèå, îïàñíîå äëÿ îáñëóæèâàþùåãî ïåðñîíàëà.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 5. Ñóùåñòâóþò ëè ñïîñîáû óìåíüøåíèÿ ïîãðåøíîñòè òðàíñôîðìàòîðà íàïðÿæåíèÿ? 6. Ïî÷åìó íåîáõîäèìû ïîèñêè íîâûõ ôèçè÷åñêèõ ïðèíöèïîâ ïðè ðàçðàáîòêå ÒÀ è TV íà ñâåðõè óëüòðàâûñîêèå íàïðÿæåíèÿ?
1. Êàêîâî íàçíà÷åíèå òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà? 2.  ÷åì ïðèíöèïèàëüíîå îòëè÷èå êîíñòðóêöèé ÒÀ âíóòðåííåé è íàðóæíîé óñòàíîâîê? 3. Ïî÷åìó íàãðóçêà èçìåðèòåëüíîãî ÒÀ íîðìèðóåòñÿ? 4. ×òî áóäåò, åñëè ðàçîìêíóòü êîíöû âòîðè÷íîé îáìîòêè ÒÀ?
5.9. ÇÀÙÈÒÍÛÅ È ÒÎÊÎÎÃÐÀÍÈ×ÈÂÀÞÙÈÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ 5.9.1. ÐÀÇÐßÄÍÈÊÈ È ÎÃÐÀÍÈ×ÈÒÅËÈ ÏÅÐÅÍÀÏÐßÆÅÍÈÉ
Äëÿ çàùèòû èçîëÿöèîííûõ êîíñòðóêöèé ÐÓ îò ãðîçîâûõ è êîììóòàöèîííûõ ïåðåíàïðÿæåíèé ïðèìåíÿþòñÿ ðàçðÿäíèêè (ñì. ðèñ. 5.1) è íåëèíåéíûå îãðàíè÷èòåëè ïåðåíàïðÿæåíèÿ (ÎÏÍ). Îñíîâíûìè ýëåìåíòàìè âåíòèëüíûõ ðàçðÿäíèêîâ ÿâëÿþòñÿ èñêðîâûå ïðîìåæóòêè, ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûå ñ ðåçèñòîðîì, èìåþùèì íåëèíåéíóþ âîëüò-àìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó (ÂÀÕ).  íåêîòîðûõ ðàçðÿäíèêàõ ïàðàëëåëüíî èñêðîâûì ïðîìåæóòêàì 2, 3 ïðèñîåäèíÿþòñÿ øóíòèðóþùèå ðåçèñòîðû 1 (ëèíåéíûå) è êîíäåíñàòîðû, äàþùèå âîçìîæíîñòü óïðàâëÿòü ðàñïðåäåëåíèåì íàïðÿæåíèé ðàçëè÷íîé äëèòåëüíîñòè ïî èñêðîâûì ïðîìåæóòêàì (ñì. ðèñ. 5.32). Íà ðèñ. 5.33,à ïðåäñòàâëåí ýëåìåíò ìàãíèòîâåíòèëüíîãî ðàçðÿäíèêà ÐÂÌà íà 33 êÂ, ñîñòîÿùèé èç ôàðôîðîâîé ïîêðûøêè 1, êîëîíêè íåëèíåéíûõ ðåçèñòîðîâ èç âèëèòà 2 è áëîêà ïîñëåäîâà-
Ðèñ. 5.32. Èçìåíåíèÿ òîêà ñîïðîâîæäåíèÿ è íàïðÿæåíèÿ íà ðàçðÿäíèêå ïðè åãî ïðîáîå ( à); ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà ñîåäèíåíèé èñêðîâûõ ïðîìåæóòêîâ (á)
154
§ 5.9. Çàùèòíûå è òîêîîãðàíè÷èâàþùèå àïïàðàòû
Ðèñ. 5.33. Âåíòèëüíûé ðàçðÿäíèê ÐÂÑ-15 (à) è íåëèíåéíûé îãðàíè÷èòåëü ïåðåíàïðÿæåíèé ÎÏÍ (á)
òåëüíî ñîåäèíåííûõ èñêðîâûõ ïðîìåæóòêîâ 3. Ðàçðÿäíèêè ýòîé ñåðèè âûïóñêàþòñÿ íà íàïðÿæåíèå 110–500 êÂ, ÷òî äîñòèãàåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíûì âêëþ÷åíèåì èñõîäíûõ ýëåìåíòîâ. Ïîýòîìó êîíñòðóêöèè ðàçðÿäíèêîâ ýòîé ñåðèè ñíàáæàþòñÿ ýêðàíàìè, êàê íà ðèñ. 5.33,á â êîíñòðóêöèè íåëèíåéíîãî îãðàíè÷èòåëÿ ïåðåíàïðÿæåíèé ÎÏÍ, âûïóñêàåìûõ íà íàïðÿæåíèå 110–1150 êÂ. Îñíîâíûìè ýëåìåíòàìè ÎÏÍ ÿâëÿþòñÿ ôàðôîðîâûé êîðïóñ 2, ôëàíöû 4, èìåþùèå óñòðîéñòâî 3, îáåñïå÷èâàþùåå ãåðìåòè÷íîñòü, íàðóæíûé òîðîèäàëüíûé ýêðàí 6 ñ äåðæàòåëÿìè 5, îáåñïå÷èâàþùèé âûðàâíèâàíèå ðàñïðåäåëåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ïî âàðèñòîðàì 7. Âà-
ðèñòîðû èìåþò âíóòðåííþþ ïîëîñòü, ñëóæàùóþ äëÿ ñáðîñà èçáûòî÷íîãî äàâëåíèÿ ïðè àâàðèéíîì ïåðåêðûòèè ÷åðåç êëàïàí âçðûâîáåçîïàñíîñòè 3. Òåïëîâàÿ ïðîñëîéêà 8, ïåðåäàþùàÿ èçáûòîê òåïëîòû îò âàðèñòîðîâ íà êîðïóñ, îäíîâðåìåííî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ êðåïëåíèÿ âàðèñòîðîâ 7.  ïîñëåäíåå âðåìÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ êîðïóñîâ ÎÏÍ ñòàëè ïðèìåíÿòü ïîëèìåðíûå ìàòåðèàëû, íàïðèìåð ñòåêëîïëàñòèê, ÷òî ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ñíèçèòü ìàññó àïïàðàòîâ è óïðîñòèòü êîíñòðóêöèþ ÎÏÍ. Îäíèì èç îñíîâíûõ íåäîñòàòêîâ âåíòèëüíûõ ðàçðÿäíèêîâ ÿâëÿåòñÿ âûñîêîå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà íåëèíåéíîñòè ìàòåðèàëîâ (òåðâèòà è âèëèòà) α = (0,2–0,4), èñïîëüçóåìûõ ïðè ýòîì, à òàêæå íåñòàáèëüíîñòü íàïðÿæåíèé ïðîáîÿ. Ïîýòîìó çíà÷èòåëüíûé ïðîãðåññ áûë äîñòèãíóò ïîñëå ðàçðàáîòêè íîâûõ ìàòåðèàëîâ îêñèäíî-öèíêîâûõ âàðèñòîðîâ ñ êîýôôèöèåíòîì íåëèíåéíîñòè α ≅ 0,02. Ýòî ïîçâîëèëî ðàçðàáîòàòü àïïàðàòû çàùèòû áåç èñêðîâûõ ïðîìåæóòêîâ. Ïðè ðàáî÷åì íàïðÿæåíèè òîêè ÷åðåç âàðèñòîðû äîñòèãàþò ìèëëèàìïåðû, à ïðè ïåðåíàïðÿæåíèÿõ ñîîòâåòñòâåííî ñîòíè è òûñÿ÷è àìïåð. Òàêèå àïïàðàòû ïîëó÷èëè íàèìåíîâàíèå íåëèíåéíûõ îãðàíè÷èòåëåé ïåðåíàïðÿæåíèé” ” ÎÏÍ. Îãðàíè÷èòåëü ïîäñîåäèíåí ê ñåòè â òå÷åíèå âñåãî ñðîêà ñëóæáû. Ïîýòîìó ÷åðåç âàðèñòîðû íåïðåðûâíî ïðîòåêàåò òîê. Îãðàíè÷èòåëü ñîõðàíÿåò ðàáîòîñïîñîáíîñòü äî òåõ ïîð, ïîêà âîçäåéñòâèåì ðàáî÷åãî íàïðÿæåíèÿ è èìïóëüñîâ ïåðåíàïðÿæåíèé àêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ òîêà íå ïðåâûñèò íåêîòîðîãî êðèòè÷åñêîãî çíà÷åíèÿ, ïðè êîòîðîì íàðóøàåòñÿ òåïëîâîå ðàâíîâåñèå àïïàðàòà. Ïîãëîùåíèå îãðàíè÷èòåëåì ýíåðãèè èç ñåòè ïðåäøåñòâóåò ïîâûøåíèþ ïåðåíàïðÿæåíèÿ. Êðàòíîñòü îãðàíè÷åíèÿ ïåðåíàïðÿæåíèé ÎÏÍ èìååò ïîðÿäîê 1,75 (äëÿ êîììóòàöèîííûõ) è ñîîòâåòñòâåííî (2,42–1,8) (äëÿ ãðîçîâûõ), ÷òî çíà÷èòåëüíî íèæå, ÷åì äëÿ âåíòèëüíûõ ðàçðÿäíèêîâ è, ñàìîå ãëàâíîå, îáåñïå÷èâàåòñÿ ñòàáèëüíîñòü ýòîãî êîýôôèöèåíòà.
5.9.2. ÐÅÀÊÒÎÐÛ
Iêð = Uíîì ⁄ √ 3 (Xã + Xð) .
Òîêîîãðàíè÷èâàþùèì ðåàêòîðîì íàçûâàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêèé àïïàðàò, âûïîëíåííûé â âèäå êàòóøêè íåèçìåííîé èíäóêòèâíîñòè, ïðåäíàçíà÷åííûé äëÿ îãðàíè÷åíèÿ òîêîâ ÊÇ è ïîääåðæàíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà øèíàõ ÐÓ â àâàðèéíîì ðåæèìå (ñì. ðèñ. 5.1). Îòêóäà ñëåäóåò, ÷òî ïðè âîçíèêíîâåíèè ÊÇ íà îäíîé èç îòõîäÿùèõ ëèíèé íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ òîê ÊÇ áóäåò îãðàíè÷èâàòüñÿ ðåàêòèâíûìè ñîïðîòèâëåíèÿìè ãåíåðàòîðà Xã è ðåàêòîðà Xð
(5.24)
Îáû÷íî ðåàêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ðåàêòîðà âûðàæàþò â ïðîöåíòàõ Xð.% = Iíîì.ð Xð√ 3 ⋅ 100 ⁄ Uíîì .
(5.25)
Òîê ãåíåðàòîðà ìíîãî áîëüøå íîìèíàëüíîãî òîêà îòõîäÿùèõ ëèíèé, Xð >> Xã. Òàêèì îáðàçîì ðåàëüíî ðåàêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ðåàêòîðà îãðà155
Ãë. 5. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
íè÷èâàåò óðîâåíü îæèäàåìîãî òîêà ÊÇ. Ïîýòîìó èñïîëüçîâàíèå ðåàêòîðà ïîçâîëÿåò âûáðàòü êîììóòàöèîííóþ àïïàðàòóðó íà áîëåå ëåãêèå ðåæèìû ïî íîìèíàëüíîìó òîêó îòêëþ÷åíèÿ è òîêàì òåðìè÷åñêîé è äèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè. Êàê èçâåñòíî, â íîìèíàëüíîì ðåæèìå íà ðåàêòîðå áóäóò íàáëþäàòüñÿ ïîñòîÿííûå ïîòåðè íàïðÿæåíèÿ. Ïîýòîìó óâåëè÷åíèå èíäóêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ðåàêòîðà Xð.% ïðèâîäèò ê ðîñòó äîïîëíèòåëüíûõ ïîòåðü íàïðÿæåíèÿ íà íåì. Óâåëè÷åíèå èíäóêòèâíîñòè ïîçâîëèò áîëåå ãëóáîêî îãðàíè÷èòü òîê ÊÇ è èñïîëüçîâàòü â ñåòè áîëåå ïðîñòûå è äåøåâûå àïïàðàòû. Èñïîëüçóÿ êðèòåðèé ìèíèìóìà çàòðàò äëÿ ÐÓ â öåëîì, ìîæíî âûáðàòü ðåàêòîð ñ îïòèìàëüíûìè ýëåêòðè÷åñêèìè ïàðàìåòðû. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ëèíåéíîñòè âîëüò-àìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê ðåàêòîðà ïðèìåíÿþòñÿ êîíñòðóêöèè áåç ôåððîìàãíèòíîãî ìàãíèòîïðîâîäà. Íàèáîëåå ïðîñòû è äåøåâû êîíñòðóêöèè ñóõèõ áåòîííûõ ðåàêòîðîâ. Íà ðèñ. 5.34 ïðåäñòàâëåíà êîíñòðóêöèÿ îäíîôàçíîãî áåòîííîãî ðåàêòîðà. Ìíîãîæèëüíûé êàáåëü 1 (ìåäíûé èëè àëþìèíèåâûé) ïðè èçãîòîâëåíèè çàëèâàåòñÿ â ñïåöèàëüíûå ôîðìû è êðåïèòñÿ ïðè ïîìîùè áåòîííûõ ñòîåê-êîëîíí 2. Îñíîâàíèÿ êîëîíí êðåïÿòñÿ ê îïîðíûì èçîëÿòîðàì 3. Äëÿ ïîâûøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè ïîñëå îòâåðäåíèÿ áåòîí ïðîïèòûâàåòñÿ ñïåöèàëüíûì ëàêîì.
Ðèñ. 5.34. Îäíîôàçíûé êîìïëåêò áåòîííîãî ðåàêòîðà
Ìåæäó âèòêàìè êàòóøêè ðåàêòîðà èìåþòñÿ çíà÷èòåëüíûå ðàññòîÿíèÿ, êîòîðûå íåîáõîäèìû äëÿ ñíèæåíèÿ ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîãî óñèëèÿ ïðè ÊÇ è îõëàæäåíèÿ ðåàêòîðà â íîìèíàëüíîì ðåæèìå. Îòäåëüíûå ìîäóëè (ôàçíûå) ðåàêòîðîâ ìîãóò ðàñïîëàãàòüñÿ âåðòèêàëüíî è ãîðèçîíòàëüíî, íî îáÿçàòåëüíî â çàêðûòûõ ïîìåùåíèÿõ. Ê íåäîñòàòêàì ðåàêòîðîâ, êðîìå áîëüøîãî âåñà è ãàáàðèòíûõ ðàçìåðîâ, ñëåäóåò îòíåñòè è ñîçäàíèå çíà÷èòåëüíûõ ìàãíèòíûõ ïîëåé ðàññåÿíèÿ.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 4. Ñ êàêîé öåëüþ èñïîëüçóåòñÿ ðåàêòîð â öåïè? 5. Ñ êàêîé öåëüþ èñïîëüçóþòñÿ âåíòèëüíûå ðàçðÿäíèêè èëè ÎÏÍ â ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ? 6. Ê êàêèì íåäîñòàòêàì ïðèâîäèò èñïîëüçîâàíèå ðåàêòîðîâ â íîìèíàëüíîì ðåæèìå?
1. Êàêîâà âçàèìîñâÿçü ìåæäó êîýôôèöèåíòîì íåëèíåéíîñòè ñîïðîòèâëåíèÿ è êîýôôèöèåíòîâ îãðàíè÷åíèÿ ïåðåíàïðÿæåíèé? 2. Êàêîâû íåäîñòàòêè âåíòèëüíûõ ðàçðÿäíèêîâ? 3. Ïî÷åìó êîýôôèöèåíò îãðàíè÷åíèé ïåðåíàïðÿæåíèé â âåíòèëüíûõ ðàçðÿäíèêàõ âûøå, ÷åì â ÎÏÍ?
156
Ãëàâà øåñòàÿ ÏÐÈÌÅÍÅÍÈÅ È ÂÛÁÎÐ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒΠÓÏÐÀÂËÅÍÈß È ÇÀÙÈÒÛ 6.1. ÀÂÀÐÈÉÍÛÅ ÐÅÆÈÌÛ Â ÖÅÏßÕ È ÑÏÎÑÎÁÛ ÇÀÙÈÒÛ 6.1.1. ÑÏÎÑÎÁÛ È ÝÔÔÅÊÒÈÂÍÎÑÒÜ ÇÀÙÈÒÛ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÖÅÏÅÉ È ÏÎÒÐÅÁÈÒÅËÅÉ
ëîâûå ðåëå). Ïðè çàòîðìîæåííîì ðîòîðå âåñüìà ýôôåêòèâíû ìàêñèìàëüíûå ðåëå òîêà è òåìïåðàòóðíàÿ çàùèòà. Ìåíåå ýôôåêòèâíà òåïëîâàÿ çàùèòà. Ïðè òåõíîëîãè÷åñêîé ïåðåãðóçêå ëó÷øèå ðåçóëüòàòû äàåò òåìïåðàòóðíàÿ çàùèòà. Ýôôåêòèâíû òàêæå òåïëîâûå ðåëå. Ïðè íàðóøåíèè îõëàæäåíèÿ äâèãàòåëÿ òîëüêî òåìïåðàòóðíàÿ çàùèòà ìîæåò çàùèòèòü äâèãàòåëü. Ïîíèæåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ èçîëÿöèè ñòàòîðíîé îáìîòêè äâèãàòåëÿ ìîæåò ñïðîâîöèðîâàòü êàê ïåðåãðóçêó â öåïè, òàê è ÊÇ. Äëÿ çàùèòû ïðè ýòîé àâàðèè ïðèìåíÿþòñÿ ñïåöèàëüíûå óñòðîéñòâà êîíòðîëÿ óðîâíÿ èçîëÿöèè îáìîòêè äâèãàòåëÿ. Îñíîâíûì àâàðèéíûì ðåæèìîì â îñâåòèòåëüíûõ óñòàíîâêàõ ÿâëÿåòñÿ ÊÇ. Çàùèòà îò ïåðåãðóçêè òðåáóåòñÿ òîëüêî äëÿ îñâåòèòåëüíûõ óñòàíîâîê, ýêñïëóàòèðóåìûõ âíóòðè ïîìåùåíèé è âî âçðûâîè ïîæàðîîïàñíîé ñðåäå. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì àïïàðàòîì çàùèòû îñâåòèòåëüíûõ óñòàíîâîê ÿâëÿåòñÿ àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü. Ïðè âêëþ÷åíèè ëàìï íàêàëèâàíèÿ ïîÿâëÿåòñÿ êðàòêîâðåìåííûé áðîñîê òîêà, â 10–20 ðàç ïðåâûøàþùèé íîìèíàëüíûé òîê. Ïðèìåðíî çà 0,06 ñ òîê ñíèæàåòñÿ äî íîìèíàëüíîãî. Çíà÷åíèå áðîñêà òîêà îïðåäåëÿåòñÿ ìîùíîñòüþ ëàìï. Ïðè âûáîðå òèïà çàùèòû ëàìï íàêàëèâàíèÿ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü îñîáåííîñòè èõ ïóñêîâûõ õàðàêòåðèñòèê. Øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ñèëîâîé ïîëóïðîâîäíèêîâîé òåõíèêè òðåáóåò ïðèìåíåíèÿ äëÿ åå çàùèòû ýôôåêòèâíûõ óñòðîéñòâ. Îäíèì èç ãëàâíûõ íåäîñòàòêîâ ñèëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ ÿâëÿåòñÿ èõ íèçêàÿ ïåðåãðóçî÷íàÿ ñïîñîáíîñòü ïî òîêó [68], ÷òî íàêëàäûâàåò æåñòêèå óñëîâèÿ íà àïïàðàòóðó çàùèòû (ïî áûñòðîäåéñòâèþ, ñåëåêòèâíîñòè è íàäåæíîñòè ñðàáàòûâàíèÿ).  íàñòîÿùåå âðåìÿ äëÿ çàùèòû ñèëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ îò êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ êàê âíåøíèõ, òàê è âíóòðåííèõ ïðèìåíÿþòñÿ: áûñòðîäåéñòâóþùèå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè, ïîëóïðîâîäíèêîâûå âûêëþ÷àòåëè, âàêóóìíûå âûêëþ÷àòåëè, èìïóëüñíûå äóãîâûå êîììóòàòîðû, áûñòðîäåéñòâóþùèå ïëàâêèå ïðåäîõðàíèòåëè è äð. [68]. Öåëåñîîáðàçíîñòü ïðèìåíåíèÿ òîé èëè èíîé çàùèòû ñèëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ îïðåäåëÿåòñÿ êîíêðåòíûìè óñëîâèÿìè èõ ýêñïëóàòàöèè. Îñîáîå ìåñòî çàíèìàåò çàùèòà ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ñåòè íàïðÿæåíèåì îò 0,4 äî 750 êÂ. Íàèáîëåå
Äëÿ êà÷åñòâåííîãî è áåñïåðåáîéíîãî ñíàáæåíèÿ ïîòðåáèòåëåé íåîáõîäèìî íàäåæíîå ñîãëàñîâàíèå âñåõ ýëåìåíòîâ ýíåðãîñèñòåìû (èñòî÷íèêà ýëåêòðîýíåðãèè, ñåòè, íàãðóçêè, óñòðîéñòâ çàùèòû). Îñîáóþ ðîëü çäåñü èãðàþò óñòðîéñòâà çàùèòû ïîòðåáèòåëåé îò âîçìîæíûõ àâàðèéíûõ ðåæèìîâ â ýíåðãîñèñòåìå. Ñðåäè èçâåñòíûõ ïîòðåáèòåëåé ìîæíî âûäåëèòü òðè õàðàêòåðíûå íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå ãðóïïû: àñèíõðîííûå ýëåêòðîäâèãàòåëè (ÀÄ) ñ êîðîòêîçàìêíóòîì ðîòîðîì (áîëåå 50% ïîòðåáèòåëåé), îñâåòèòåëüíûå óñòàíîâêè è ñèëîâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå óñòðîéñòâà. Îáúåì îñòàëüíûõ ïîòðåáèòåëåé çíà÷èòåëüíî íèæå. Àíàëèç àâàðèéíûõ ðåæèìîâ ïîçâîëÿåò âûäåëèòü ñëåäóþùèå òèïû àâàðèé, ÷àñòî âñòðå÷àþùèåñÿ íà ïðàêòèêå (íà ïðèìåðå ïîòðåáèòåëÿ – àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì): êîðîòêîå çàìûêàíèå íà çàæèìàõ äâèãàòåëÿ, ëèáî â åãî ñòàòîðíîé îáìîòêå; îáðûâ ôàçû ñòàòîðíîé îáìîòêè äâèãàòåëÿ (÷àñòî âñòðå÷àåòñÿ ïðè çàùèòå äâèãàòåëåé ïðåäîõðàíèòåëÿìè); çàòîðìîæåíèå ðîòîðà ïðè ïóñêå äâèãàòåëÿ (îñîáåííî ÷àñòî âñòðå÷àåòñÿ ïðè ïðÿìîì ïóñêå äâèãàòåëÿ); òåõíîëîãè÷åñêèå ïåðåãðóçêè, âîçíèêàþùèå ïðè íàáðîñå íàãðóçêè â ïðîöåññå ôóíêöèîíèðîâàíèÿ äâèãàòåëÿ; íàðóøåíèå îõëàæäåíèÿ, âûçâàííîå ïîëîìêîé ñèñòåìû ïðèíóäèòåëüíîé âåíòèëÿöèè äâèãàòåëÿ; ïîíèæåíèå ñîïðîòèâëåíèÿ èçîëÿöèè, ïðîèñõîäÿùåå â ðåçóëüòàòå ñòàðåíèÿ èçîëÿöèè èç-çà öèêëè÷åñêèõ òåìïåðàòóðíûõ ïåðåãðóçîê. Àâàðèéíûå ðåæèìû â öåïè àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ìîãóò âûçâàòü ëèáî êðàòêîâðåìåííîå ïîâûøåíèå òîêà â 12–17 ðàç ïî ñðàâíåíèþ ñ íîìèíàëüíûì (ÊÇ â öåïè), ëèáî äëèòåëüíîå ïðîòåêàíèå òîêà ïåðåãðóçêè, â 5–7 ðàç ïðåâûøàþùåãî íîìèíàëüíîå çíà÷åíèå òîêà. Äëÿ çàùèòû ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé îò ÊÇ øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ñ ìàêñèìàëüíûì ðàñöåïèòåëåì òîêà, ðåëå òîêà, ïðåäîõðàíèòåëè. Àâàðèéíûå ðåæèìû, íàïðèìåð ïåðåãðóçêà ïî òîêó, òðåáóþò âûáîðà çàùèòû, íàèáîëåå ýôôåêòèâíîé ïðè òîé èëè èíîé àâàðèè. Òàê ïðè îáðûâå ôàçû ÀÄ íàèáîëåå ýôôåêòèâíîé ÿâëÿåòñÿ ìèíèìàëüíàÿ òîêîâàÿ çàùèòà è òåìïåðàòóðíàÿ çàùèòà. Ìåíåå ýôôåêòèâíîé – òåïëîâàÿ çàùèòà (òåï157
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
Ðèñ. 6.1. Ñîãëàñîâàíèå õàðàêòåðèñòèê çàùèòû è ïîòðåáèòåëåé: à – àñèíõðîííûé äâèãàòåëü; á – ïðåîáðàçîâàòåëü; 1 – çàùèòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà àïïàðàòà çàùèòû; 2 – íàãðóçî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïîòðåáèòåëåé
Ýëåêòðè÷åñêèå ñåòè íàïðÿæåíèåì äî 1000  âíóòðè ïîìåùåíèé äîëæíû èìåòü òàêæå çàùèòó îò ïåðåãðóçêè, âûïîëíåííóþ, êàê ïðàâèëî, íà áàçå àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé ñ òåïëîâûì èëè êîìáèíèðîâàííûì ðàñöåïèòåëÿìè. Îñíîâíîé çàäà÷åé, ñòîÿùåé ïðè âûáîðå àïïàðàòóðû çàùèòû ïîòðåáèòåëåé è ýëåêòðè÷åñêèõ ñåòåé, ÿâëÿåòñÿ ñîãëàñîâàíèå çàùèòíûõ õàðàêòåðèñòèê óñòðîéñòâ çàùèòû ñ ïðåäåëüíî-äîïóñòèìûìè íàãðóçêàìè ïî òîêó è âðåìåíè ðàçëè÷íûõ ïîòðåáèòåëåé è ñåòåé (ïðîâîäîâ è êàáåëåé). Äëÿ êàæäîãî êîíêðåòíîãî òèïà ïîòðåáèòåëåé íàèáîëåå ïîëíîå ñîãëàñîâàíèå ìîæåò áûòü äîñòèãíóòî ïðè èñïîëüçîâàíèè îïðåäåëåííîãî òèïà àïïàðàòîâ çàùèòû. Íà ðèñ. 6.1,à ïðèâåäåíû õàðàêòåðèñòèêè àïïàðàòà çàùèòû 1 è ïóñêîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà 2 àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì. Õàðàêòåðèñòèêà 1 ìîæåò áûòü ðåàëèçîâàíà àâòîìàòè÷åñêèì âûêëþ÷àòåëåì ñ ìàêñèìàëüíûì òîêîâûì è òåïëîâûì ðàñöåïèòåëÿìè ëèáî òåïëîâûì ðåëå (â çîíå òîêà ïåðåãðóçêè Iï äâèãàòåëÿ). Íà ðèñ. 6.1,á ïðèâåäåíû õàðàêòåðèñòèêà 1 ïðåäîõðàíèòåëÿ è õàðàêòåðèñòèêà 2 ñèëîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Íàèáîëåå ïîëíîå ñîãëàñîâàíèå çàùèòíûõ è íàãðóçî÷íûõ õàðàêòåðèñòèê äîñòèãàåòñÿ, åñëè çàùèòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà àïïàðàòà ïðîõîäèò âûøå è âîçìîæíî áëèæå ê íàãðóçî÷íîé õàðàêòåðèñòèêå ïîòðåáèòåëÿ.
îïàñíûìè è ÷àñòûìè âèäàìè ïîâðåæäåíèé â òàêèõ ñåòÿõ ÿâëÿþòñÿ ÊÇ ìåæäó ôàçàìè è ôàçîé íà çåìëþ. Îñíîâíàÿ ìàññà ïîòðåáèòåëåé ðàáîòàåò â ñåòÿõ íàïðÿæåíèåì 0,4 êÂ, 6 è 10 ê (â ïîñëåäíåå âðåìÿ íàøëè øèðîêîå ïðèìåíåíèå ñåòè íàïðÿæåíèåì 0,66 êÂ). Äëÿ ïèòàíèÿ ñòàöèîíàðíûõ ñèëîâûõ ïîòðåáèòåëåé è îñâåòèòåëüíûõ óñòàíîâîê îáùåãî íàçíà÷åíèÿ ïðèìåíÿþòñÿ òðåõôàçíûå ÷åòûðåõïðîâîäíûå ñåòè íàïðÿæåíèåì 380/220  ñ ãëóõîçàçåìëåííîé íåéòðàëüþ. Ñèëîâûå ïîòðåáèòåëè ïèòàþòñÿ îò èñòî÷íèêà ëèíåéíîãî íàïðÿæåíèÿ, à îñâåòèòåëüíûå ïðèáîðû – îò èñòî÷íèêà ôàçíîãî íàïðÿæåíèÿ. Ìîùíûå ñèëîâûå ïîòðåáèòåëè, íàïðèìåð, ýëåêòðîäâèãàòåëè ìîùíîñòüþ 160 êÂò è âûøå, ïèòàþòñÿ íàïðÿæåíèåì 660 Â, 6 è 10 êÂ. Îñíîâíûìè àâàðèéíûìè ðåæèìàìè â òàêèõ ñåòÿõ ÿâëÿþòñÿ: îäíîôàçíîå ÊÇ (äî 60%); òðåõôàçíîå ÊÇ (äî 10%); äâóõôàçíîå ÊÇ íà çåìëþ (äî 20%); äâóõôàçíîå ÊÇ (äî 10%). Çàùèòà ýëåêòðè÷åñêèõ ñåòåé íàïðÿæåíèåì äî 1000  îñóùåñòâëÿåòñÿ, êàê ïðàâèëî, àïïàðàòàìè çàùèòû, à ñåòè íàïðÿæåíèåì ñâûøå 1000  èìåþò ðåëåéíóþ çàùèòó. Ñàìûìè ðàñïðîñòðàíåííûìè àïïàðàòàìè çàùèòû ñåòåé ÿâëÿþòñÿ àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè è ïðåäîõðàíèòåëè. Åñëè òðåáóåòñÿ èìåòü çàùèòó ñ âûñîêèì áûñòðîäåéñòâèåì, ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ èëè ñåëåêòèâíîñòüþ, òî ïðèìåíÿþò ðåëåéíóþ çàùèòó, âûïîëíåííóþ íà áàçå ðåëå è àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé [69].
6.1.2. ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÑÅÒÅÉ 0,4 êÂ
Ïðèìåíåíèå àïïàðàòîâ çàùèòû â öåïÿõ íàïðÿæåíèåì 0,4 ê îïðåäåëÿåòñÿ ñõåìîé ïîñòðîåíèÿ òàêèõ öåïåé, êîòîðàÿ â ñâîþ î÷åðåäü îïðåäåëÿåò
çíà÷åíèÿ òîêîâ ÊÇ â ýòèõ ñõåìàõ [70]. Ïîýòîìó íåëüçÿ ðàññìàòðèâàòü è âûáèðàòü ýëåêòðè÷åñêèé àïïàðàò çàùèòû áåç ó÷åòà îñîáåííîñòåé ïîñòðîåíèÿ 158
§ 6.1. Àâàðèéíûå ðåæèìû â öåïÿõ è ñïîñîáû çàùèòû
Íàëè÷èå ñáîðîê ðàçëè÷íîãî óðîâíÿ ïîçâîëÿåò äèôôåðåíöèðîâàòü ïîòðåáèòåëè ïî ìîùíîñòè è ñòåïåíè âàæíîñòè. Áîëåå ìîùíûå ïîòðåáèòåëè (íàïðèìåð, àñèíõðîííûå äâèãàòåëè ìîùíîñòüþ ñâûøå 55 êÂò) ïîäêëþ÷àþòñÿ íåïîñðåäñòâåííî ê ÊÒÏ, ìåíåå ìîùíûå (äî 10 êÂò) – íà âòîðè÷íûå è òðåòè÷íûå ñáîðêè. Êðîìå ðàäèàëüíûõ âñòðå÷àþòñÿ ìàãèñòðàëüíûå è ñìåøàííûå ñõåìû ýëåêòðîñíàáæåíèÿ. Âñå îíè ñ ó÷åòîì îñîáåííîñòåé ñåòåé íàïðÿæåíèåì 0,4 ê òðåáóþò ó÷åòà ñòðóêòóðû ïîñòðîåíèÿ ñõåìû, âêëþ÷àÿ ïàðàìåòðû ñîåäèíèòåëüíûõ êàáåëåé, ñîåäèíåíèé è àïïàðàòîâ çàùèòû. Äëÿ âûáîðà àïïàðàòîâ çàùèòû íåîáõîäèìî ïðåäâàðèòåëüíî ðàññ÷èòàòü òîêè ÊÇ â öåïè ïðè ìàêñèìàëüíîì ðåæèìå ðàáîòû ïèòàþùåé ýíåðãîñèñòåìû. Ïðè ýòîì ðàñ÷åòíûì òîêîì ÊÇ äëÿ âûáîðà çàùèòíîé àïïàðàòóðû, ïðîâåðêè ñåëåêòèâíîñòè åå ðàáîòû, à òàêæå äëÿ ïðîâåðêè ñàìîçàïóñêà ýëåêòðîäâèãàòåëåé ÿâëÿåòñÿ òðåõôàçíûé òîê ÊÇ. Åãî íåîáõîäèìî çíàòü òàêæå ïðè îöåíêè îòêëþ÷àþùåé ñïîñîáíîñòè àïïàðàòîâ çàùèòû. Ïðè âûáîðå çàùèòû, óñòàíîâëåííîé â íà÷àëå ëèíèè, íåîáõîäèìî çíàòü äâóõôàçíûé òîê ÊÇ íà çàæèìàõ äâèãàòåëÿ â ñåòÿõ ñ èçîëèðîâàííîé íåéòðàëüþ è îäíîôàçíûé òîê ÊÇ íà çàæèìàõ äâèãàòåëÿ â ñåòÿõ ñ çàçåìëåííîé íåéòðàëüþ [71] . Êðîìå òîãî, îäíîôàçíûé è äâóõôàçíûé òîêè ÊÇ èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ïðîâåðêè ÷óâñòâèòåëüíîñòè àïïàðàòîâ çàùèòû.
ñõåìû ïèòàíèÿ, ìîùíîñòè èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, âêëþ÷àÿ ìîùíîñòè ýíåðãîñèñòåìû, ìîùíîñòè è îñîáåííîñòè ðàáîòû ïîòðåáèòåëåé. Äëÿ ñåòåé íàïðÿæåíèåì 0,4 ê òîê ÊÇ â öåïè âî ìíîãîì çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ ñîåäèíèòåëüíûõ ïðîâîäîâ, íàëè÷èÿ è êà÷åñòâà êîíòàêòíûõ ñîåäèíåíèé, ýôôåêòèâíîñòè äóãîãàøåíèÿ. Ïðè ýòîì ïðàâèëüíûé âûáîð ìàòåðèàëà è ñå÷åíèÿ ñîåäèíèòåëüíîãî êàáåëÿ âëèÿåò íå òîëüêî íà çíà÷åíèå òîêà ÊÇ è íà ïóñêîâûå òîêè àñèíõðîííûõ äâèãàòåëåé, íî è íà óñëîâèÿ ñàìîçàïóñêà äâèãàòåëÿ ïðè ïðÿìîì ïóñêå. Íà ðèñ. 6.2 ïðèâåäåíà ðàäèàëüíàÿ ñõåìà ýëåêòðîñíàáæåíèÿ ïîòðåáèòåëåé (àñèíõðîííûõ äâèãàòåëåé), ñîñòîÿùàÿ èç äâóõ íåçàâèñèìûõ ïîäñèñòåì.  ñîñòàâ êàæäîé ïîäñèñòåìû âõîäÿò ïîíèæàþùèå òðàíñôîðìàòîðû Ò1 è Ò2, ðàñïîëîæåííûå â êîìïëåêòíîé òðàíñôîðìàòîðíîé ïîäñòàíöèè ÊÒÏ, âòîðè÷íûå è òðåòè÷íûå ñáîðêè (ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà). Äâå ïîäñèñòåìû ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé íà ðàçëè÷íûõ óðîâíÿõ, îáåñïå÷èâàÿ âçàèìíîå ðåçåðâèðîâàíèå, ïðè ïîìîùè óñòðîéñòâ àâòîìàòè÷åñêîãî âêëþ÷åíèÿ ðåçåðâà ÀÂÐ. Ïîäîáíàÿ ñèñòåìà ðåçåðâèðîâàíèÿ èñêëþ÷àåò íàðóøåíèÿ ïîäà÷è ïèòàíèÿ íà ýëåêòðîäâèãàòåëè, îñîáåííî ðàáîòàþùèå â îòâåòñòâåííûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññàõ. Âîçìîæíî ïðèìåíåíèå äâîéíîãî ðåçåðâèðîâàíèÿ â ñèñòåìå ïèòàíèÿ, íàïðèìåð, ïðè ïîìîùè àâàðèéíîãî äèçåëü-ãåíåðàòîðà.
Ðèñ. 6.2. Ðàäèàëüíàÿ ñõåìà ïèòàíèÿ ýëåêòðîäâèãàòåëåé: Ò – ïèòàþùèå òðàíñôîðìàòîðû; Äà – àâàðèéíûé äèçåëü-ãåíåðàòîð; ÀÂÐ – óñòðîéñòâà àâòîìàòè÷åñêîãî âêëþ÷åíèÿ ðåçåðâà; ÐÓ – ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà
159
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
Òîêè ÊÇ ìîãóò áûòü ðàññ÷èòàíû äëÿ çàäàííîé ñõåìû ýëåêòðîñíàáæåíèÿ èëè îïðåäåëåíû ïî ðàñ÷åòíûì êðèâûì äëÿ øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííûõ òèïîâ òðàíñôîðìàòîðîâ, ìîùíîñòè ýíåðãîñèñòåìû, ïàðàìåòðîâ ñîåäèíèòåëüíûõ êàáåëåé ñ ó÷åòîì è áåç ó÷åòà òîêîîãðàíè÷èâàþùåãî äåéñòâèÿ äóãè â ìåñòå ïîâðåæäåíèÿ [71] . Ïðè ýòîì íå ó÷èòûâàåòñÿ àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ýíåðãîñèñòåìû è ñîïðîòèâëåíèå øèí, à ïåðåõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå â ìåñòå êîíòàêòà ïðèíÿòî ðàâíûì 15 ìÎì. Òîê ÊÇ ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàí, åñëè èçâåñòíû ïàðàìåòðû ñîåäèíèòåëüíûõ êàáåëåé è ýíåðãîñèñòåìû. Ïàðàìåòðû ñîåäèíèòåëüíûõ êàáåëåé îïðåäåëÿþòñÿ èç óñëîâèé íîìèíàëüíîé ðàáîòû ïîòðåáèòåëÿ. Òàê äëÿ ÀÄ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì íîìèíàëüíûé òîê äâèãàòåëÿ
Ïðè ðàñ÷åòå òîêà ÊÇ íåîáõîäèìî ó÷åñòü ïåðåõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå rïê êîíòàêòîâ â ìåñòàõ ñîåäèíåíèÿ êàáåëåé è àïïàðàòîâ. ×àñòî â öåïÿõ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ ïåðåõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå êîíòàêòîâ ñîèçìåðèìî èëè ïðåâîñõîäèò ñîïðîòèâëåíèå êàáåëåé, ýíåðãîñèñòåìû è òðàíñôîðìàòîðà. Ó÷èòûâàòü ïåðåõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå êîíòàêòîâ êðàéíå ñëîæíî. Ïîýòîìó îíî ïðèíèìàåòñÿ ðàâíûì 15 ìÎì, åñëè åãî çíà÷åíèå íå èçâåñòíî èëè òðóäíî îïðåäåëèìî [70]. Ñóììàðíîå àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå öåïè îò òðàíñôîðìàòîðà äî äâèãàòåëÿ ñîñòàâèò:
Iíîì.äâ = Píîì ⋅ 10 ⁄ (√ 3 Uíîì.ëηíîìcosϕ) , (6.1)
Òîãäà ìîäóëü ïîëíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äî òî÷êè ÊÇ:
rêç = rò + rê + rïê . Ñóììàðíîå ðåàêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå öåïè: xêç = xñ + xò + xê .
3
ãäå Píîì – íîìèíàëüíàÿ ìîùíîñòü äâèãàòåëÿ, êÂò; Uíîì.ë – íîìèíàëüíîå ëèíåéíîå íàïðÿæåíèå íà îáìîòêå ñòàòîðà, Â; ηíîì – êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ ïðè íîìèíàëüíîì ìîìåíòå íà âàëó äâèãàòåëÿ; cosϕ – êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè. Ñîãëàñíî [71] ïî íîìèíàëüíîìó òîêó âûáèðàåòñÿ òèï ñîåäèíèòåëüíîãî êàáåëÿ, åãî ñå÷åíèå è óäåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå êàáåëÿ, ÷òî äàåò âîçìîæíîñòü îïðåäåëèòü àêòèâíîå è èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå êàáåëåé (rê è xê). Ïàðàìåòðû ýíåðãîñèñòåìû è ïèòàþùåãî òðàíñôîðìàòîðà (rò è xò) íàõîäèì èñïîëüçóÿ äàííûå [70]. Íà ïðàêòèêå èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ýíåðãîñèñòåìû xñ çàäàåòñÿ â ñîîòíîøåíèè ñ èíäóêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì xò âòîðè÷íîé îáìîòêè òðàíñôîðìàòîðà, à àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì ýíåðãîñèñòåìû ïðåíåáðåãàþò. Ïðèíÿòî ñ÷èòàòü xñ ⁄ xò ðàâíûì 2; 1; 0,1 ïî ìåðå ðîñòà ìîùíîñòè ýíåðãîñèñòåìû [70].
zêç = √ x2êç + r2êç . Òîê òðåõôàçíîãî ÊÇ ðàâåí: I(3) êç =
Uíîì.ë 3 zêç √
.
(6.2)
Òîê äâóõôàçíîãî ÊÇ â ñåòÿõ ñ èçîëèðîâàííîé íåéòðàëüþ: I(2) êç =
Uíîì.ë 2zêç
.
(6.3)
Óäàðíûé òîê ÊÇ îïðåäåëèì êàê ióä = kóäIêç√ 2 ,
(6.4)
ãäå kóä – óäàðíûé êîýôôèöèåíò, îïðåäåëÿåìûé ïî ñîîòíîøåíèþ xêç ⁄ rêç ñîãëàñíî [70]. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ òîêà ÊÇ ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ ðàñ÷åòíûìè êðèâûìè [70].
6.1.3. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÏÀÐÀÌÅÒÐÛ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒΠÓÏÐÀÂËÅÍÈß È ÇÀÙÈÒÛ
Îäíèì èç îñíîâíûõ òåõíè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ áîëüøèíñòâà àïïàðàòîâ ÿâëÿåòñÿ íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå (Uíîì). Ýòî íàïðÿæåíèå, íà êîòîðîå ðàññ÷èòàí ýëåêòðè÷åñêèé àïïàðàò, êàê ñ òî÷êè çðåíèÿ êîììóòàöèè, óïðàâëåíèÿ è ðåãóëèðîâàíèÿ, òàê è èçîëÿöèè åãî òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé. Ñîãëàñíî ÃÎÑÒ 11206-77 øêàëà íàïðÿæåíèé äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ïåðåìåííîãî òîêà ñîñòàâëÿåò: 36; 127; 220; 380; 660; 1140 Â; äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ïîñòîÿííîãî òîêà: 6; 12; 24; 27; 48; 110; 220; 440; 600; 750 Â. Ïðè÷åì, ìåíüøèå çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèé îòíîñÿòñÿ ê öåïÿì óïðàâëåíèÿ. Ïðåäóñìàòðèâàåòñÿ íàäåæíàÿ ðàáîòà ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ïðè ïîâûøåíèè íàïðÿæåíèÿ äî 1,1Uíîì, à â öåïè óïðàâëåíèÿ ïðè åãî èçìåíåíèè îò 0,85 äî 1,1Uíîì.
 öåïÿõ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ øêàëà íîìèíàëüíûõ íàïðÿæåíèé èìååò âèä: 3; 6; 10; 15; 20; 24; 27; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750 êÂ. Äðóãèì îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðîì ÿâëÿåòñÿ íîìèíàëüíûé òîê, äëèòåëüíîå ïðîòåêàíèå êîòîðîãî (íàïðèìåð, â òå÷åíèè 8 ÷) íå âûçûâàåò íàãðåâ òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà âûøå äîïóñòèìûõ çíà÷åíèé, îïðåäåëÿåìûõ êëàññîì èçîëÿöèè, ñ êîòîðîé ýòè ÷àñòè ñîïðèêàñàþòñÿ. ÃÎÑÒ 11206-77 îïðåäåëÿåò ñëåäóþùóþ øêàëó íîìèíàëüíûõ òîêîâ: 1; 3; 6; 10; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000 è 6300 À.  öåïÿõ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ: 200; 400; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000; 12500; 16000; 20000; 25000; 31500 À. 160
§ 6.1. Àâàðèéíûå ðåæèìû â öåïÿõ è ñïîñîáû çàùèòû
òîêó. Ýòîò ïîêàçàòåëü õàðàêòåðèçóåò êîììóòàöèîííóþ ñïîñîáíîñòü àïïàðàòà, åãî êîíòàêòíî-äóãîãàñèòåëüíîé ñèñòåìû. 3. Íàïðÿæåíèå U, îïðåäåëÿåìîå â ñîîòíîøåíèè ñ íîìèíàëüíûì ðàáî÷èì íàïðÿæåíèåì.  ðåæèìå ðåäêèõ êîììóòàöèé àïïàðàò äîëæåí âûäåðæèâàòü 10%-å ïðåâûøåíèå íàïðÿæåíèÿ íàä íîìèíàëüíûì. 4. Õàðàêòåð êîììóòèðóåìîé íàãðóçêè, îïðåäåëÿåìûé êîýôôèöèåíòîì ìîùíîñòè cosϕ êîììóòèðóåìîé öåïè (äëÿ öåïåé ïåðåìåííîãî òîêà), ëèáî ïîñòîÿííîé âðåìåíè öåïè τ, ìñ (äëÿ öåïåé ïîñòîÿííîãî òîêà). Âàæíî îïðåäåëèòü ôóíêöèîíàëüíûå âîçìîæíîñòè àïïàðàòà, ïðåäíàçíà÷åííîãî äëÿ êîììóòàöèè äàííîãî òèïà íàãðóçêè. Òàê ïðè âûáîðå êîíòàêòîðîâ äëÿ óïðàâëåíèÿ ïðÿìûì ïóñêîì ÀÄ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì îí äîëæåí â ðåæèìå íîðìàëüíûõ êîììóòàöèé âêëþ÷àòü ïóñêîâûå òîêè (êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-3 è ÀÑ-4), à â ðåæèìå ðåäêèõ êîììóòàöèé îòêëþ÷àòü íîìèíàëüíûå òîêè (êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-3) èëè óäàðíûå ïóñêîâûå òîêè (êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-4). Îäíèì èç îñíîâíûõ òåõíè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ äëÿ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ðåæèì ðàáîòû àïïàðàòà. Êîíòàêòîðû ìîãóò ðàáîòàòü â îäíîì, íåñêîëüêèõ èëè âî âñåõ ñëåäóþùèõ ðåæèìàõ: â ïðîäîëæèòåëüíîì, êðàòêîâðåìåííîì, ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííîì è ïðåðûâèñòî-ïðîäîëæèòåëüíîì [51]. Õàðàêòåð ðåæèìà ðàáîòû àïïàðàòà îïðåäåëÿåòñÿ õàðàêòåðîì èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû íàãðåâà òîêîâåäóùèõ ÷àñòåé àïïàðàòà â ïðîöåññå åãî ðàáîòû (ñì. § 1.1). Îñîáî ñëåäóåò âûäåëèòü ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííûé ðåæèì ðàáîòû àïïàðàòà, êîòîðûé ÷àñòî õàðàêòåðèçóåòñÿ îòíîñèòåëüíîé ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ âêëþ÷åíèÿ
Ïðè îïèñàíèè ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííîãî ðåæèìà ðàáîòû àïïàðàòà ÷àñòî ïîëüçóþòñÿ ïîíÿòèåì äîïóñòèìûé ýêâèâàëåíòíûé òîê ïðîäîëæèòåëüíî” ãî ðåæèìà” [51]. Íîìèíàëüíûé ðàáî÷èé òîê – ýòî òîê, êîòîðûé îïðåäåëÿåò ïðèìåíåíèå àïïàðàòà â äàííûõ óñëîâèÿõ, óñòàíàâëèâàåìûõ ïðåäïðèÿòèåì-èçãîòîâèòåëåì â çàâèñèìîñòè îò íîìèíàëüíîãî ðàáî÷åãî íàïðÿæåíèÿ, íîìèíàëüíîãî ðåæèìà ðàáîòû, êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ, òèïîèñïîëíåíèÿ è óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè, ò.å. ýòî òîê ðåàëüíî ñóùåñòâóþùèé â öåïè, ãäå ýêñïëóàòèðóåòñÿ ýëåêòðè÷åñêèé àïïàðàò. Íîìèíàëüíûé ðàáî÷èé òîê íå ìîæåò áûòü áîëüøå íîìèíàëüíîãî òîêà àïïàðàòà. À íîìèíàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå ðàâíî íàïðÿæåíèþ ñåòè, â êîòîðîé â äàííûõ óñëîâèÿõ ìîæåò ðàáîòàòü àïïàðàò. Äëÿ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è, â ÷àñòíîñòè, äëÿ êîíòàêòîðîâ è ìàãíèòíûõ ïóñêàòåëåé âàæíåéøèì ïàðàìåòðîì ÿâëÿåòñÿ êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ àïïàðàòà. Îïðåäåëåíû ÷åòûðå îñíîâíûå êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ êîíòàêòîðîâ ïåðåìåííîãî òîêà è ïÿòü êàòåãîðèé ïðèìåíåíèÿ êîíòàêòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà. Êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ îïðåäåëÿåò îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà â çàâèñèìîñòè îò õàðàêòåðà íàãðóçêè è óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè.  êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ óêàçûâàþòñÿ ðåæèìû íîðìàëüíîé (÷àñòîé) è ðåäêèõ êîììóòàöèé (ñì. òàáë.6.1). Ïðè÷åì â êàæäîì ðåæèìå ðàññìàòðèâàþòñÿ ïðîöåññû âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ è âûäåëÿþòñÿ ÷åòûðå ïîêàçàòåëÿ, õàðàêòåðèçóþùèå êàæäóþ êàòåãîðèþ ïðèìåíåíèÿ. 1. Îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ àïïàðàòà (òèï êîììóòèðóåìîé íàãðóçêè). Àïïàðàò â êàæäîé êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ ðàáîòàåò ñ îïðåäåëåííûì òèïîì íàãðóçêè. Íàïðèìåð, ðàáîòàÿ â êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-3 àïïàðàò äîëæåí âêëþ÷àòü ïóñêîâûå òîêè àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì, à îòêëþ÷àòü òîò æå äâèãàòåëü ðàáîòàþùèé â íîìèíàëüíîì ðåæèìå. Ðàáîòàÿ â êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-4, àïïàðàò äîëæåí âêëþ÷àòü ïóñêîâûå òîêè àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ è îòêëþ÷àòü ñòàòîðíóþ îáìîòêó ìåäëåííî âðàùàþùåãîñÿ èëè íåïîäâèæíîãî äâèãàòåëÿ (çàòîðìîæåííûé äâèãàòåëü). Çíà÷èòåëüíî ëåã÷å ôóíêöèè àïïàðàòà â êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-1, êîãäà íàãðóçêîé ÿâëÿåòñÿ àêòèâíàÿ, ëèáî ñëàáîèíäóêòèâíàÿ öåïü. Àíàëîãè÷íî äèôôåðåíöèðîâàíà íàãðóçêà â öåïÿõ ïîñòîÿííîãî òîêà, êîãäà â íàèáîëåå òÿæåëîì ðåæèìå àïïàðàò îêàçûâàåòñÿ â êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ DC-5 (âêëþ÷åíèå ïóñêîâûõ òîêîâ ýëåêòðîäâèãàòåëåé ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì âîçáóæäåíèåì è îòêëþ÷åíèå íåïîäâèæíûõ èëè ìåäëåííî âðàùàþùèõñÿ äâèãàòåëåé). 2. Êîììóòèðóåìûé òîê I0. Äàþòñÿ îòíîøåíèÿ êîììóòèðóåìîãî òîêà ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó
ÏÂ% =
tð tð + tïç
100%,
ãäå tð è tïç – âðåìÿ ðàáîòû è âðåìÿ ïàóçû, ñîîòâåòñòâåííî. Íà ïðàêòèêå ïðèíÿòû íîðìèðîâàííûå çíà÷åíèÿ îòíîñèòåëüíîé ïðîäîëæèòåëüíîñòè âêëþ÷åíèÿ ÏÂ%: 15, 25, 40, 60%. ×àñòîòà âêëþ÷åíèé àïïàðàòà òåñíî ñâÿçàíà ñ ðåæèìîì ðàáîòû àïïàðàòà è îïðåäåëÿåòñÿ ÷èñëîì êîììóòàöèé ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà â ÷àñ. Íîðìèðîâàííûå çíà÷åíèÿ ÷àñòîòû âêëþ÷åíèé êîíòàêòîðîâ â ÷àñ ñîñòàâëÿþò: 6; 30; 150; 600; 1200; 2400; 3600; 7200. Ïðè âûáîðå êîíòàêòîðà èëè ìàãíèòíîãî ïóñêàòåëÿ íåîáõîäèìî çíàòü óñëîâèÿ, â êîòîðûõ îíè áóäóò ðàáîòàòü. Îïðåäåëåíû 10 òèïîâ êëèìàòè÷åñêîãî èñïîëíåíèÿ èçäåëèÿ, êîòîðûå ïîäðàçäåëÿþòñÿ 161
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
Òàáëèöà 6.1. Êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ àïïàðàòîâ
Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè τ, ìñ±15%
Êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè öåïè cosϕ±0,05
Îòíîøåíèå íàïðÿæåíèÿ ïåðåä âêëþ÷åíèåì ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó íàïðÿæåíèþ
Îòíîøåíèå êîììóòèðóåìîãî òîêà ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó òîêó
Îòêëþ÷åíèå
Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè τ, ìñ±15%
Êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè öåïè cosϕ±0,05
Íîìèíàëüíûé ðàáî÷èé òîê, À
Îòíîøåíèå íàïðÿæåíèÿ ïåðåä âêëþ÷åíèåì ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó íàïðÿæåíèþ
Ðîä òîêà
Êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ
Îòíîøåíèå êîììóòèðóåìîãî òîêà ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó òîêó
Âêëþ÷åíèå
Ðåæèì íîðìàëüíûõ êîììóòàöèé AC-1 AC-21
Âñå çíà÷åíèÿ
AC-2
1
0,95
1
0,95 1
2,5
2,5
0,65
0,65
äî 17 1
AC-3 ñâûøå 17 Ïåðåìåííûé AC-4
6 1
äî 17 ñâûøå 17
AC-11 AC-22
AC-23
Âñå çíà÷åíèÿ
0,65
0,35 –
0,35 10
–
0,35
0,7
1 1
0,4
0,65
1
ñâûøå 17 DC-1 DC-21
0,65
6
0,65 äî 17
0,17
0,35
0,35 1
0,35 1
1
1
0,1
7,5
2,5
1
2
1
0,3
1
DC-2 2 DC-3 Ïîñòîÿííûé
DC-4
Âñå çíà÷åíèÿ
2,5 1
– 7,5
DC-5
2,5
DC-11 DC-22
äî 300 1
2
DC-23
7,5
162
10 7,5
1 1
–
äî 300 2 7,5
§ 6.1. Àâàðèéíûå ðåæèìû â öåïÿõ è ñïîñîáû çàùèòû Ïðîäîëæåíèå òàáë. 6.1
Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè τ, ìñ±15%
Êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè öåïè cosϕ±0,05
Îòíîøåíèå íàïðÿæåíèÿ ïåðåä âêëþ÷åíèåì ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó íàïðÿæåíèþ
Îòíîøåíèå êîììóòèðóåìîãî òîêà ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó òîêó
Îòêëþ÷åíèå
Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè τ, ìñ±15%
Êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè öåïè cosϕ±0,05
Íîìèíàëüíûé ðàáî÷èé òîê, À
Îòíîøåíèå íàïðÿæåíèÿ ïåðåä âêëþ÷åíèåì ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó íàïðÿæåíèþ
Ðîä òîêà
Êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ
Îòíîøåíèå êîììóòèðóåìîãî òîêà ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó òîêó
Âêëþ÷åíèå
Ðåæèì ðåäêèõ êîììóòàöèé AC-1 AC-21
Âñå çíà÷åíèÿ
AC-2
äî 17 AC-4
AC-20 AC-22
AC-23
10
0,65
8 0,35
0,35
8
12
6 1,1
0,65
–
10
1,1
0,35
0,65
–
0,35
10
8 0,7
11
0,7
****
***
****
****
äî 17
3
0,65
3
0,65
17–100
10
ñâûøå 100
8 0,35
–
Âñå çíà÷åíèÿ
0,35
8
6 –
–
DC-2 DC-3
4
0,65
11
Âñå çíà÷åíèÿ
DC-1 DC-21
Ïîñòîÿííûé
0,95
17–100 ñâûøå 100
AC-11
1,5
17–100 ñâûøå 100
Ïåðåìåííûé
0,95
4 äî 17
AC-3
1,5
4
DC-4
–
–
–
2,5 4
1,1 15
–
–
2,5
1,1 15
DC-5 DC-11
1,1
**
163
1,1
**
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû Îêîí÷àíèå òàáë. 6.1
Ïîñòîÿííûé
DC-22
1,1
–
**** 1,1
2,5
4
Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè τ, ìñ±15%
****
Êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè öåïè cosϕ±0,05
****
Îòíîøåíèå íàïðÿæåíèÿ ïåðåä âêëþ÷åíèåì ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó íàïðÿæåíèþ
Îòíîøåíèå êîììóòèðóåìîãî òîêà ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó òîêó
**** Âñå çíà÷åíèÿ
Îòêëþ÷åíèå
Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè öåïè τ, ìñ±15%
DC-20
Êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè öåïè cosϕ±0,05
Íîìèíàëüíûé ðàáî÷èé òîê, À
Îòíîøåíèå íàïðÿæåíèÿ ïåðåä âêëþ÷åíèåì ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó íàïðÿæåíèþ
Ðîä òîêà
Êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ
Îòíîøåíèå êîììóòèðóåìîãî òîêà ê íîìèíàëüíîìó ðàáî÷åìó òîêó
Âêëþ÷åíèå
–
2,5
4
DC-23
15
15
Ï ð è ì å ÷ à í è ÿ: * Ïåðåìåííûé òîê âûðàæåí äåéñòâóþùèì çíà÷åíèåì ñèììåòðè÷íîé ñîñòàâëÿþùåé. ** Äëÿ êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ DC-11 ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè ïðè âêëþ÷åíèè óêàçàíà êàê τ0,95 (âðåìÿ, ìñ, íåîáõîäèìîå äëÿ äîñòèæåíèÿ 0,95 çíà÷åíèÿ óñòàíîâèâøåãîñÿ òîêà, êîòîðîå ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïî ýìïèðè÷åñêîé ôîðìóëå τ0,95 = 6P, ãäå P – ìîùíîñòü ýëåêòðîìàãíèòà, íå áîëåå 50 Âò. Åñëè ìîùíîñòü ïðåâûøàåò 50 Â, τ ïðèíèìàåòñÿ ðàâíûì 300 ìñ). *** Äëÿ íîìèíàëüíîãî ðàáî÷åãî òîêà ñâûøå 100 À ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå êîììóòèðóåìîãî òîêà: 1000 À – äëÿ êàòåãîðèé ïðèìåíåíèÿ AC-3 è AC-23 ïðè âêëþ÷åíèè è AC-4 ïðè îòêëþ÷åíèè; 800 À – äëÿ êàòåãîðèé ïðèìåíåíèÿ AC-3 è AC-23 ïðè îòêëþ÷åíèè; 1200 À – äëÿ êàòåãîðèé ïðèìåíåíèÿ AC-4 ïðè âêëþ÷åíèè. **** Åñëè äëÿ êàòåãîðèé ïðèìåíåíèÿ AC-20 è DC-20 êîììóòàöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü íå ðàâíà íóëþ, òî çíà÷åíèÿ òîêà è êîýôôèöèåíòà ìîùíîñòè (èëè ïîñòîÿííîé âðåìåíè) öåïè äîëæíû ñîîòâåòñòâîâàòü óñòàíîâëåííûì â ñòàíäàðòàõ èëè òåõíè÷åñêèõ óñëîâèÿõ íà êîíêðåòíûå âèäû èëè ñåðèè è òèïû àïïàðàòîâ.
1 – íà îòêðûòîì âîçäóõå; 2 – ïîä íàâåñîì, íî ñ òîé æå òåìïåðàòóðîé, ÷òî è íà âîçäóõå; 3 – â çàêðûòûõ ïîìåùåíèÿõ ñ åñòåñòâåííîé âåíòèëÿöèåé; 4 – â ïîìåùåíèÿõ ñ èñêóññòâåííî ðåãóëèðóåìûì êëèìàòîì; 5 – â ïîìåùåíèÿõ ñ ïîâûøåííîé âëàæíîñòüþ (â òîì ÷èñëå øàõòàõ, ïîäâàëàõ è äð.). Êëèìàòè÷åñêîå èñïîëíåíèå è êàòåãîðèÿ ðàçìåùåíèÿ êîíòàêòîðîâ, ìàãíèòíûõ ïóñêàòåëåé, àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé è äðóãèõ àïïàðàòîâ óêàçûâàþòñÿ â èõ îáîçíà÷åíèÿõ. Íàïðèìåð, êîíòàêòîð ïîñòîÿííîãî òîêà ÊÏ-207-Ó3 ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí â ñðåäàõ ñ óìåðåííûì êëèìàòîì (Ó), â çàêðûòûõ ïîìåùåíèÿõ ñ åñòåñòâåííîé âåíòèëÿöèåé (3), ñ òåìïåðàòóðîé îêðóæàþùåé ñðåäû 40 °C. Äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ ïîïàäàíèÿ âíóòðü àïïàðàòà èíîðîäíûõ òåë è âîäû è èñêëþ÷åíèÿ ñîïðèêîñíî-
íà äâå ãðóïïû: èçäåëèÿ, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ ýêñïëóàòàöèè íà ñóøå, ðåêàõ, è èçäåëèÿ, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ ýêñïëóàòàöèè â ðàéîíàõ ñ ìîðñêèì êëèìàòîì [51]. Ñðåäè íèõ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíû ñëåäóþùèå êëèìàòè÷åñêèå èñïîëíåíèÿ àïïàðàòîâ: Ó – ñ óìåðåííûì êëèìàòîì; ÓÕË – ñ óìåðåííûì è õîëîäíûì êëèìàòîì; Ò – ñ ñóõèì è âëàæíûì òðîïè÷åñêèì êëèìàòîì; Î – äëÿ ëþáûõ ðàéîíîâ, êðîìå ðàéîíîâ ñ î÷åíü õîëîäíûì êëèìàòîì. Êðîìå òîãî, âûäåëåíû ïÿòü êàòåãîðèé ðàçìåùåíèÿ èçäåëèé â çàâèñèìîñòè îò óñëîâèé, â êîòîðûõ îíè äîëæíû ðàáîòàòü: ðàáî÷åå è ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû âîçäóõà, îòíîñèòåëüíàÿ âëàæíîñòü âîçäóõà, íîðìû íàëè÷èÿ ïûëè, õàðàêòåð àòìîñôåðû è ò. ä. Îòìå÷àþò ñëåäóþùèå êàòåãîðèè ðàçìåùåíèÿ àïïàðàòîâ: 164
§ 6.1. Àâàðèéíûå ðåæèìû â öåïÿõ è ñïîñîáû çàùèòû
âåíèÿ îáñëóæèâàþùåãî ïåðñîíàëà ñ òîêîâåäóùèìè è ïîäâèæíûìè ÷àñòÿìè óñòàíàâëèâàåòñÿ çàùèòíàÿ îáîëî÷êà. Ñòåïåíü çàùèòû îáîçíà÷àåòñÿ áóêâàìè IP è äâóìÿ öèôðàìè. Ïåðâàÿ öèôðà õàðàêòåðèçóåò ñòåïåíü çàùèòû àïïàðàòà îò ïðîíèêíîâåíèÿ âíóòðü èíîðîäíûõ òåë è îò ñîïðèêîñíîâåíèÿ îáñëóæèâàþùåãî ïåðñîíàëà ñ äåòàëÿìè àïïàðàòà (òàáë.6.2). Âòîðàÿ öèôðà õàðàêòåðèçóåò çàùèòó àïïàðàòà îò ïðîíèêíîâåíèÿ âîäû (òàáë.6.3).
Òàáëèöà 6.3. Ñòåïåíü çàùèòû àïïàðàòîâ
Âòîðàÿ öèôðà
Ñòåïåíü çàùèòû Êðàòêîå îïèñàíèå Çàùèòà îòñóòñòâóåò
Ñïåöèàëüíàÿ çàùèòà îòñóòñòâóåò
1
Çàùèòà îò òâåðäûõ òåë ðàçìåðîì áîëåå 50 ìì
Çàùèòà îò ïðîíèêíîâåíèÿ âíóòðü îáîëî÷êè áîëüøîãî ó÷àñòêà ÷åëîâå÷åñêîãî òåëà, íàïðèìåð ðóêè, è òâåðäûõ òåë ðàçìåðîì ñâûøå 50 ìì
Çàùèòà îò òâåðäûõ òåë ðàçìåðîì áîëåå 12 ìì
Çàùèòà îò ïðîõîæäåíèÿ âíóòðü îáîëî÷êè ïàëüöåâ èëè ïðåäìåòîâ äëèíîé íå áîëåå 30 ìì è òâåðäûõ òåë ðàçìåðîì ñâûøå 12 ìì
3
Çàùèòà îò òâåðäûõ òåë ðàçìåðîì íå áîëåå 2,5 ìì
Çàùèòà îò ïðîíèêíîâåíèÿ âíóòðü îáîëî÷êè èíñòðóìåíòîâ, ïðîâîëîêè è äðóãèõ ïðåäìåòîâ òîëùèíîé áîëåå 2,5 ìì è òâåðäûõ òåë, ðàçìåðîì áîëåå 2,5 ìì
4
Çàùèòà îò òâåðäûõ òåë ðàçìåðîì áîëåå 1 ìì
Çàùèòà îò ïðîíèêíîâåíèÿ âíóòðü îáîëî÷êè ïðîâîëîêè è òâåðäûõ òåë ðàçìåðîì áîëåå 1 ìì
5
Çàùèòà îò ïûëè
Ïðîíèêíîâåíèå âíóòðü îáîëî÷êè ïûëè íå ïðåäîòâðàùåíî ïîëíîñòüþ, îäíàêî ïðîíèêàþùàÿ ïûëü íå ìîæåò íàðóøàòü íîðìàëüíóþ ðàáîòó àïïàðàòà
6
Ïûëåíåïðîíèöàåìîñòü
Ïðîíèêíîâåíèå ïûëè ïðåäîòâðàùåíî ïîëíîñòüþ
165
Îïðåäåëåíèå
Çàùèòà îòñóòñòâóåò
Ñïåöèàëüíàÿ çàùèòà îòñóòñòâóåò
1
Çàùèòà îò êàïåëü âîäû
Êàïëè âîäû, âåðòèêàëüíî ïàäàþùèå íà îáîëî÷êó, íå äîëæíû îêàçûâàòü âðåäíîãî âëèÿíèÿ íà àïïàðàò
2
Çàùèòà îò êàïåëü âîäû ïðè íàêëîíå 15°
Êàïëè âîäû, âåðòèêàëüíî ïàäàþùèå íà îáîëî÷êó, íå äîëæíû îêàçûâàòü âðåäíîãî âëèÿíèÿ íà àïïàðàò ïðè íàêëîíå åãî îáîëî÷êè íà ëþáîé óãîë äî 15 ° îòíîñèòåëüíî íîðìàëüíîãî ïîëîæåíèÿ
3
Çàùèòà îò äîæäÿ
Äîæäü, ïîïàäàþùèé íà îáîëî÷êó ïîä óãëîì 60 °, íå äîëæåí îêàçûâàòü âðåäíîãî âîçäåéñòâèÿ íà àïïàðàò
4
Çàùèòà îò áðûçã
Âîäà, ðàçáðûçãèâàåìàÿ íà îáîëî÷êó â ëþáîì íàïðàâëåíèè, íå äîëæíà îêàçûâàòü âðåäíîãî âîçäåéñòâèÿ íà àïïàðàò
5
Çàùèòà îò âîäÿíîé ñòðóè
Ñòðóÿ, âûáðàñûâàåìàÿ íà îáîëî÷êó â ëþáîì íàïðàâëåíèè, íå äîëæíà îêàçûâàòü âðåäíîãî âîçäåéñòâèÿ íà àïïàðàò
6
Çàùèòà îò âîëí
Ïðè âîëíåíèè âîäà íå äîëæíà ïðîíèêàòü â îáîëî÷êó â êîëè÷åñòâå, äîñòàòî÷íîì äëÿ ïîâðåæäåíèÿ àïïàðàòà
7
Çàùèòà ïðè ïîãðóæåíèè â âîäó
Âîäà íå äîëæíà ïðîíèêàòü â îáîëî÷êó, ïîãðóæåííóþ â âîäó, ïðè îïðåäåëåííûõ çíà÷åíèÿõ äàâëåíèÿ è âðåìåíè â êîëè÷åñòâå, äîñòàòî÷íîì äëÿ ïîâðåæäåíèÿ àïïàðàòà
8
Çàùèòà ïðè äëèòåëüíîì ïîãðóæåíèè â âîäó
Àïïàðàòû ïðèãîäíû äëÿ äëèòåëüíîãî ïîãðóæåíèÿ â âîäó ïðè óñëîâèÿõ, óñòàíîâëåííûõ â ñòàíäàðòàõ èëè òåõíè÷åñêèõ óñëîâèÿõ. Èíîãäà äîïóñêàåòñÿ ïðîíèêíîâåíèå âîäû â àïïàðàò áåç íàíåñåíèÿ âðåäà àïïàðàòó
Îïðåäåëåíèå
0
2
Êðàòêîå îïèñàíèå
0
Òàáëèöà 6.2. Ñòåïåíü çàùèòû àïïàðàòîâ
Ïåðâàÿ öèôðà
Ñòåïåíü çàùèòû
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
àïïàðàòà. Êîíòàêòû, âûïîëíåííûå ñ êîíòàêòíûìè íàêëàäêàìè íà îñíîâå ñåðåáðà (íàïðèìåð, ÑÎÊ-15) îòíîñÿòñÿ ê êàòåãîðèè À è èìåþò ïîâûøåííóþ êîììóòàöèîííóþ èçíîñîñòîéêîñòü. Ìåõàíè÷åñêàÿ è êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ îïðåäåëÿþò íàäåæíîñòü è äîëãîâå÷íîñòü èõ ðàáîòû â ðåæèìå íîðìàëüíûõ êîììóòàöèé. Äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ, íàïðèìåð, àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé è ïðåäîõðàíèòåëåé, âàæíûì ïàðàìåòðîì ÿâëÿåòñÿ ïðåäåëüíàÿ êîììóòàöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü (ÏÊÑ). Ïðåäåëüíàÿ êîììóòàöèîííàÿ ñïðîñîáíîñòü – ýòî ñïîñîáíîñòü àïïàðàòà îòêëþ÷àòü (âêëþ÷àòü) áîëüøèå òîêè, îñòàâàÿñü ïðè ýòîì ïðèãîäíûì äëÿ äàëüíåéøåé ðàáîòû, ò. å. ýòî íàèáîëüøàÿ îòêëþ÷àþùàÿ è íàèáîëüøàÿ âêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà. Íàèáîëüøàÿ îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü àïïàðàòà îïðåäåëÿåòñÿ äåéñòâóþùèì çíà÷åíèåì òîêà ÊÇ â öåïè, êîòîðóþ ñïîñîáåí ðàçîìêíóòü àïïàðàò è óñïåøíî ïîãàñèòü ïðè ýòîì âîçíèêàþùóþ ýëåêòðè÷åñêóþ äóãó. Íàèáîëüøàÿ âêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü àïïàðàòà îïðåäåëÿåòñÿ íàèáîëüøèì àìïëèòóäíûì çíà÷åíèåì òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â öåïè, êîòîðûé ñïîñîáåí âêëþ÷èòü àïïàðàò áåç ïîâðåæäåíèé, â òîì ÷èñëå áåç ïðèâàðèâàíèÿ êîíòàêòîâ. ×àñòî ïîëüçóþòñÿ ïîíÿòèåì îäíîðàçîâîé ïðåäåëüíîé êîììóòàöèîííîé ñïîñîáíîñòüþ, ïîä êîòîðîé ïîíèìàåòñÿ ñïîñîáíîñòü àïïàðàòà îäèí ðàç îòêëþ÷èòü óäàðíûé òîê ÊÇ. Ïîñëå ýòîãî îí ìîæåò îêàçàòüñÿ íåïðèãîäíûì äëÿ äàëüíåéøåé ðàáîòû èëè ïîòðåáóåò ðåìîíòà.
Íàïðèìåð, ìàãíèòíûé ïóñêàòåëü, èìåþùèé ñòåïåíü çàùèòû IP54, íå çàùèùåí ïîëíîñòüþ îò ïðîíèêíîâåíèÿ âíóòðü îáîëî÷êè ïûëè, îäíàêî ïûëü íå âëèÿåò íà íîðìàëüíóþ ðàáîòó ñàìîãî àïïàðàòà. Êðîìå òîãî, âîäà, ðàçáðûçãèâàåìàÿ íà îáîëî÷êó â ëþáîì íàïðàâëåíèè, íå äîëæíà îêàçûâàòü âðåäíîãî âîçäåéñòâèÿ íà àïïàðàò. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû óñòàíàâëèâàþòñÿ â ïðîèçâîäñòâåííûõ ïîìåùåíèÿõ, ãäå ðàáîòàþò ðàçëè÷íûå ìàøèíû è ìåõàíèçìû, ñîçäàþùèå âèáðàöèþ è óäàðû. Ýòè âîçäåéñòâèÿ âîñïðèíèìàþòñÿ àïïàðàòàìè, è ìîæåò ïðîèçîéòè íàðóøåíèå èõ íîðìàëüíîé ðàáîòû. Òðåáîâàíèå ïî âèáðî- è óäàðîñòîéêîñòè àïïàðàòîâ ðåãëàìåíòèðóþòñÿ íîðìàòèâíûìè äîêóìåíòàìè. Âñåãî èìååòñÿ 29 ãðóïï ìåõàíè÷åñêèõ âîçäåéñòâèé. Íàïðèìåð, â ãðóïïå ýêñïëóàòàöèè Ì1 (íåïîñðåäñòâåííî íà ñòåíàõ ïðåäïðèÿòèé, ôóíäàìåíòà è ò.ï.) àïïàðàò äîëæåí âûäåðæèâàòü âèáðàöèîííûå íàãðóçêè ÷àñòîòîé äî 35 Ãö è óñêîðåíèåì 0,5 ì/ñ2. Ðàññìîòðèì ðÿä òåõíè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ, õàðàêòåðèçóþùèõ òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèé óðîâåíü àïïàðàòîâ. Ñðåäè íèõ ìåõàíè÷åñêàÿ è êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü. Îíè îïðåäåëÿþòñÿ êîëè÷åñòâîì êîììóòàöèé ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà äî òåõ ïîð, ïîêà îí ñòàíåò íåïðèãîäíûì äëÿ íîðìàëüíîé ðàáîòû ñ òî÷êè çðåíèÿ ðàáîòîñïîñîáíîñòè åãî ìåõàíè÷åñêèõ ÷àñòåé è êîììóòèðóþùèõ êîíòàêòîâ, êîòîðûå ïîäâåðæåíû âîçäåéñòâèþ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ. Âûäåëÿåòñÿ òðè êàòåãîðèè êîììóòàöèîííîé èçíîñîñòîéêîñòè (À, Á è Â) â çàâèñèìîñòè îò ìàòåðèàëà êîíòàêòíûõ íàêëàäîê
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 4. Êàêîâû îñîáåííîñòè ýëåêòðè÷åñêèõ ñåòåé 0,4 êÂ? Îò ÷åãî çàâèñèò òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â òàêèõ ñåòÿõ? 5. Êàêèå òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ íàçûâàþò îñíîâíûìè? Ïî÷åìó? 6. ×òî òàêîå êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ? ×òî îíà õàðàêòåðèçóåò? 7. ×òî òàêîå ïðåäåëüíàÿ êîììóòàöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü è êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü àïïàðàòà?
1. Êàêèå àâàðèéíûå ðåæèìû ìîãóò âîçíèêàòü â ýëåêòðè÷åñêèõ öåïÿõ? Èõ îñîáåííîñòè. 2. Êàêèå ïîòðåáèòåëè ýëåêòðîýíåðãèè íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíû?  ÷åì îñîáåííîñòè èõ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ? 3. ×òî òàêîå çàùèòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà àïïàðàòà? Êàê îíà ñîãëàñóåòñÿ ñ íàãðóçî÷íîé õàðàêòåðèñòèêîé çàùèùàåìîãî îáúåêòà?
166
§ 6.2. Íèçêîâîëüòíûå êîìïëåêòíûå óñòðîéñòâà 6.2. ÍÈÇÊÎÂÎËÜÒÍÛÅ ÊÎÌÏËÅÊÒÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ 6.2.1. ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß Î ÍÈÇÊÎÂÎËÜÒÍÛÕ ÊÎÌÏËÅÊÒÍÛÕ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀÕ
áëîêîâ äîëæíû áûòü èñïîëüçîâàíû, à çàìåíà îòäåëüíûõ àïïàðàòîâ è óçëîâ íå äîïóñêàåòñÿ. Ê íèçêîâîëüòíûì êîìïëåêòíûì óñòðîéñòâàì è îòäåëüíûì åãî ýëåìåíòàì ïðåäúÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå òðåáîâàíèÿ. Óäîáñòâî è áåçîïàñíîñòü îáñëóæèâàíèÿ. ÍÊÓ äîëæíî áûòü íàäåæíî çàùèùåíî îò ñëó÷àéíîãî ïðèêîñíîâåíèÿ îáñëóæèâàþùåãî ïåðñîíàëà ê òîêîâåäóùèì è ïîäâèæíûì ÷àñòÿì, à ýëåìåíòû ÍÊÓ – îò âîçäåéñòâèÿ âíåøíåé ñðåäû è ìåõàíè÷åñêèõ ïîâðåæäåíèé. Ïðè ýòîì, ê ýëåìåíòàì ÍÊÓ, òðåáóþùèì ñèñòåìàòè÷åñêîãî êîíòðîëÿ è íàáëþäåíèÿ â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè, äîëæåí áûòü óäîáíûé äîñòóï (íàïðèìåð, ê êîíòàêòíûì ñîåäèíåíèÿì). Óäîáñòâî íàáëþäåíèÿ çà ðàáîòîé àïïàðàòîâ. Èçìåðèòåëüíûå ïðèáîðû è àïïàðàòû ðó÷íîãî óïðàâëåíèÿ (êíîïêè, ðóáèëüíèêè, âûêëþ÷àòåëè è ò.ï.) äîëæíû ðàñïîëàãàòüñÿ íà óäîáíîì äëÿ íàáëþäåíèÿ óðîâíå (íà âûñîòå îò 600 äî 1800 ìì îò óðîâíÿ ïîëà). Óäîáñòâî ïîäêëþ÷åíèÿ âíåøíèõ ñîåäèíåíèé. Âíåøíèå ñîåäèíåíèÿ ïîäêëþ÷àþòñÿ ÷åðåç çàæèìû, ðàñïîëîæåííûå âíóòðè ÍÊÓ. Óäîáñòâî ðåìîíòà è çàìåíû àïïàðàòîâ, ïðèáîðîâ è äðóãèõ ýëåìåíòîâ ÍÊÓ. Èñêëþ÷åíèå âîçìîæíîãî âçàèìíîãî âëèÿíèÿ àïïàðàòîâ äðóã íà äðóãà. Ïðè ýòîì âîçìîæíû òåïëîâûå, ýëåêòðîìàãíèòíûå è ìåõàíè÷åñêèå âîçäåéñòâèÿ àïïàðàòîâ. ×ðåçìåðíûé íàãðåâ îòäåëüíûõ àïïàðàòîâ, ïåðåáðîñ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè îòêëþ÷åíèÿ, ìåõàíè÷åñêàÿ âèáðàöèÿ àïïàðàòîâ, ìàãíèòíûå ïîëÿ è âçàèìîèíäóêòèâíîñòè ìîãóò âûçâàòü ëîæíûå ñðàáàòûâàíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ, ðàçðåãóëèðîâêó àïïàðàòîâ, ïåðåãðåâ è èçìåíåíèå õàðàêòåðèñòèê àïïàðàòîâ è îòäåëüíûõ åãî óçëîâ è äðóãèå íåñàíêöèîíèðîâàííûå äåéñòâèÿ. Ïîýòîìó àïïàðàòû, ÿâëÿþùèåñÿ èñòî÷íèêàìè âíåøíèõ âîçäåéñòâèé, äîëæíû ðàçìåùàòüñÿ íà ðàññòîÿíèè îò îñòàëüíûõ àïïàðàòîâ, â íèæíåé èëè â âåðõíåé ÷àñòÿõ ÍÊÓ, à èíîãäà è çà ïðåäåëàìè ÍÊÓ. Îñîáûå òðåáîâàíèÿ ïðåäúÿâëÿþòñÿ ê âûáîðó ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè îõëàæäåíèÿ ÍÊÓ è óñëîâèÿì åãî îõëàæäåíèÿ.  çàâèñèìîñòè îò õàðàêòåðà, äëèòåëüíîñòè è óñëîâèé íàãðåâà ðàçëè÷àþò òðè îñíîâíûå ðåæèìà ðàáîòû ÍÊÓ: ïðîäîëæèòåëüíûé, êðàòêîâðåìåííûé è ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííûé (ñì. § 1.1).
Íèçêîâîëüòíûå êîìïëåêòíûå óñòðîéñòâà (ÍÊÓ) ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñîâîêóïíîñòü àïïàðàòîâ çàùèòû, óïðàâëåíèÿ è àâòîìàòèêè, à òàêæå ïðèáîðîâ, îáúåäèíåííûõ åäèíîé êîíñòðóêòèâíîé îñíîâîé. Íèçêîâîëüòíûå êîìïëåêòíûå óñòðîéñòâà ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ óïðàâëåíèÿ, ðåãóëèðîâàíèÿ è çàùèòû ýëåêòðîóñòàíîâîê, ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè, ýëåêòðè÷åñêèõ èçìåðåíèé è ñèãíàëèçàöèè, äëÿ óïðàâëåíèÿ ðàçëè÷íûìè ìåõàíèçìàìè, óñòàíîâêàìè è òåõíîëîãè÷åñêèìè ïðîöåññàìè [51, 76]. Îáúåäèíåíèå àïïàðàòîâ è ïðèáîðîâ, ðåøàþùèõ îïðåäåëåííóþ òåõíè÷åñêóþ çàäà÷ó, â âèäå îòäåëüíîãî êîíñòðóêòèâíîãî óçëà ïîçâîëÿåò íå òîëüêî ïîâûñèòü èõ óäîáñòâî, áåçîïàñíîñòü è íàäåæíîñòü â ýêñïëóàòàöèè, íî è óëó÷øàåò êà÷åñòâî èõ ìîíòàæà è íàëàäêè, à òàêæå ñíèæàåò ñòîèìîñòü èçãîòîâëåíèÿ ÍÊÓ â çàâîäñêèõ óñëîâèÿõ ñ èñïîëüçîâàíèåì óíèôèöèðîâàííûõ èçäåëèé. Êîíñòðóêòèâíî ÍÊÓ âûïîëíÿþòñÿ â âèäå îòêðûòûõ ùèòîâ, çàùèùåííûõ ùèòîâ è îòäåëüíûõ íàïîëüíûõ øêàôîâ, ùèòîâ, çàùèùåííûõ òîëüêî ñïåðåäè è ñ áîêîâ, áëîêîâ, ïàíåëåé, ÿùèêîâ (íàâåñíûõ øêàôîâ) è ïóëüòîâ. Íèçêîâîëüòíûå êîìïëåêòíûå óñòðîéñòâà âûïîëíÿþòñÿ ñ îäíîñòîðîííèì èëè äâóõñòîðîííèì îáñëóæèâàíèåì, ñ îäíîðÿäíûì, äâóõðÿäíûì èëè êîìáèíèðîâàííûì ðàñïîëîæåíèåì àïïàðàòîâ. Åñëè ÍÊÓ îòêðûòîãî èñïîëíåíèÿ ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ óñòàíîâêè â ñïåöèàëüíûõ ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ ïîìåùåíèÿõ, â êîòîðûõ íàõîäèòñÿ òîëüêî îáñëóæèâàþùèé ïåðñîíàë, òî çàùèùåííûå ÍÊÓ ìîãóò óñòàíàâëèâàòüñÿ íåïîñðåäñòâåííî â öåõàõ, âáëèçè îò óïðàâëÿåìûõ èìè ìåõàíèçìîâ. Ïîäîáíûå ÍÊÓ óäîáíû â ýêñïëóàòàöèè, ïðè ýòîì çíà÷èòåëüíî ñîêðàùàåòñÿ îáùàÿ ïðîòÿæåííîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ êîììóíèêàöèé, îáëåã÷àåòñÿ íàëàäêà ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ, ñíèæàåòñÿ îáúåì è ñòîèìîñòü êîìïëåêòíîãî óñòðîéñòâà. Îäíàêî çàùèùåííûå ÍÊÓ íåñìîòðÿ íà âñå ïðåèìóùåñòâà èìåþò ñóùåñòâåííûé íåäîñòàòîê: â çàìêíóòîì îáúåìå ïðîèñõîäèò ïåðåãðåâ ýëåìåíòîâ ÍÊÓ, ÷òî òðåáóåò ñïåöèàëüíûõ ìåð ïî âûáîðó è ðàçìåùåíèþ àïïàðàòîâ, ìîíòàæó è ýêñïëóàòàöèè, âåíòèëÿöèè âíóòðåííåãî îáúåìà ÍÊÓ. ×àñòî ÍÊÓ êîìïëåêòóþòñÿ òèïîâûìè áëîêàìè è ïàíåëÿìè. Îäíàêî ïðè ýòîì àïïàðàòû òèïîâûõ
6.2.2. ÐÅÆÈÌÛ ÐÀÁÎÒÛ ÍÈÇÊÎÂÎËÜÒÍÛÕ ÊÎÌÏËÅÊÒÍÛÕ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂ
êó òåìïåðàòóðà υ â ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ ÍÊÓ íåîäèíàêîâà, âíóòðè ÍÊÓ âîçíèêàþò òåïëîâûå ïîòîêè, êîòîðûå ìîæíî îïèñàòü óðàâíåíèåì òåïëîâîãî ïîëÿ:
Íèçêîâîëüòíîå êîìïëåêòíîå óñòðîéñòâî ñîñòîèò èç ôèçè÷åñêèõ òåë, èçëó÷àþùèõ èëè ïîòðåáëÿþùèõ òåïëîâóþ ýíåãèþ â îãðàíè÷åííîì ïðîñòðàíñòâå. Ïîñêîëü167
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
υ = f (L,B,H,t) ,
íåé è â âåðõíåé ÷àñòÿõ ÍÊÓ. Ïðè ýòîì âûäåëÿþùàÿñÿ â ýëåìåíòàõ òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ êîíâåêöèåé ïåðåäàåòñÿ ïîòîêó âîçäóõà è óíîñèòñÿ èç øêàôà. Ýôôåêòèâíîñòü ðàáîòû ÍÊÓ ñ åñòåñòâåííîé âåíòèëÿöèåé ìîæíî ïîâûñèòü, ïîäáèðàÿ êîëè÷åñòâî è ôîðìó âåíòèëÿöèîííûõ îòâåðñòèé, îêðàñêó òåïëîîòäàþùèõ ïîâåðõíîñòåé è ò. ï. Ïðèíóäèòåëüíàÿ âåíòèëÿöèÿ íàèáîëåå ýôôåêòèâíà ïðè âûñîêîé ïëîòíîñòè òåïëîâîãî ïîòîêà âíóòðè ÍÊÓ. Ïðèíóäèòåëüíîå äâèæåíèå âîçäóõà ñîçäàåòñÿ ñïåöèàëüíûìè âåíòèëÿòîðàìè, ðàñïîëîæåííûìè â âåðõíåé èëè íèæíåé ÷àñòè ÍÊÓ. Ïðè ýòîì âîçìîæíû çàìêíóòàÿ èëè ðàçîìêíóòàÿ ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ.  çàìêíóòîé ñèñòåìå îõëàæäåíèÿ âîçäóõ öèðêóëèðóåò âíóòðè îáúåìà ÍÊÓ, â ðàçîìêíóòîé – âîçäóõîîáìåí îñóùåñòâëÿåòñÿ ìåæäó îêðóæàþùåé ñðåäîé è âíóòðåííèì îáúåìîì ÍÊÓ. Ïðèíóäèòåëüíàÿ âåíòèëÿöèÿ ÍÊÓ áîëåå øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ âñëåäñòâèå âûñîêîé åå ýôôåêòèâíîñòè, íàäåæíîñòè è ïðîñòîòû. Ðàñ÷åò òåïëîâîãî ðåæèìà ÍÊÓ ïðîâîäÿò äëÿ âûáîðà íåîáõîäèìûõ ãàáàðèòíûõ ðàçìåðîâ, êîòîðûå îáåñïå÷èâàëè áû íîðìàëüíîå òåïëîâîå ñîñòîÿíèå ýëåìåíòîâ ÍÊÓ. ÍÊÓ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé óñòðîéñòâî, â êîòîðîì ïðîòåêàþò äâà âîçäóøíûõ ïîòîêà ñ ðàçëè÷íûìè òåìïåðàòóðàìè, ðàçäåëåííûõ æåñòêîé ñòåíêîé: âíóòðåííèé òåïëîâîé ïîòîê îïðåäåëÿåòñÿ êîëè÷åñòâîì òåïëîòû, âûäåëÿåìîé ýëåìåíòàìè ÍÊÓ, à âíåøíèé òåïëîâîé ïîòîê – òåïëîîòâîäÿùèìè ñâîéñòâàìè ñòåíîê ÍÊÓ è îêðóæàþùåé ñðåäîé. Ìîæíî âûäåëèòü äâà îñíîâíûõ âèäà òåïëîâûõ ðàñ÷åòîâ: 1) ðàñ÷åòû äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïëîùàäè òåïëîîòäà÷è, à, ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ âûáîðà ãàáàðèòíûõ ðàçìåðîâ ÍÊÓ. Ýòè ðàñ÷åòû âûïîëíÿþòñÿ íà ñòàäèè ïðîåêòèðîâàíèÿ ÍÊÓ; 2) ðàñ÷åòû äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñîîòâåòñòâèÿ âûáðàííûõ ãàáàðèòíûõ ðàçìåðîâ íîðìàëüíîìó òåïëîâîìó ðåæèìó ðàáîòû ÍÊÓ. Òàêèå ðàñ÷åòû âûïîëíÿþòñÿ íà ëþáîì ýòàïå ïðîåêòèðîâàíèÿ, èçãîòîâëåíèÿ è ýêñïëóàòàöèè ÍÊÓ. Óðàâíåíèå òåïëîâîãî áàëàíñà ÍÊÓ â ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå ðàáîòû èìååò âèä:
(6.4)
ãäå L, B, H – äëèíà, ãëóáèíà è âûñîòà ÍÊÓ; t – âðåìÿ. Òàêèì îáðàçîì, òåìïåðàòóðíîå ïîëå ÍÊÓ ÿâëÿåòñÿ òðåõìåðíûì è íåîäíîðîäíûì, ÷òî óñëîæíÿåò åãî ðàñ÷åò. Òåïëîòà â ÍÊÓ ïåðåíîñèòñÿ â íàïðàâëåíèè ñòåíîê øêàôîâ, òàê êàê îíè èìåþò áîëåå íèçêóþ òåìïåðàòóðó, ÷åì òåìïåðàòóðà âíóòðåííåãî îáúåìà øêàôà. Òåïëîâîé ïîòîê ñîãëàñíî ôîðìóëå Íüþòîíà-Ðèõìàíà Q = qSîõë , (6.5) ãäå Sîõë – ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè îõëàæäåíèÿ, ì2; q – ïëîòíîñòü òåïëîâîãî ïîòîêà, Âò/ì2. Ïîñòðîèâ òåìïåðàòóðíîå ïîëå âíóòðåííåãî îáúåìà ÍÊÓ, ìîæíî ïðåäñòàâèòü íàèáîëåå óÿçâèìûå îáëàñòè ÍÊÓ, ÷òî îáëåã÷èò ðàáîòó ïî ðàöèîíàëüíîìó ðàçìåùåíèþ ýëåìåíòîâ âíóòðè ÍÊÓ.  êà÷åñòâå îñíîâíîãî òåïëîâîãî ïàðàìåòðà, õàðàêòåðèçóþùåãî ÍÊÓ, èñïîëüçóåòñÿ äîïóñòèìàÿ òåìïåðàòóðà íàãðåâà ÷àñòåé ýëåìåíòîâ è êîíñòðóêöèè ÍÊÓ. Ñíèæåíèå òåìïåðàòóðû âíóòðè ÍÊÓ íèæå äîïóñòèìîé ïðèâåäåò ëèøü ê óâåëè÷åíèþ ãàáàðèòíûõ ðàçìåðîâ ÍÊÓ è ñíèæåíèþ åãî òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé. Íèçêîâîëüòíîå êîìïëåêòíîå óñòðîéñòâî äîëæíî íîðìàëüíî ôóíêöèîíèðîâàòü ïðè òåìïåðàòóðå ñðåäû âíóòðåííåãî îáúåìà äî +55 °C, ÷òî ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ýôôåêòèâíûì è ðàöèîíàëüíûì [79]. Åñëè υ1 òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ÍÊÓ ñðåäû, à υ2 òåìïåðàòóðà âíóòðè ÍÊÓ, òî èõ ñîîòíîøåíèå èìååò âèä
υ2 = υ1 + q ⁄ kò ,
(6.6)
ãäå kò – êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è, Âò/(ì2 °C).  ïðàêòè÷åñêèõ ðàñ÷åòàõ ÷àñòî èñïîëüçóþò ïîíÿòèå ïåðåïàä òåìïåðàòóðû”, êîòîðûé îïðåäåëÿ” åòñÿ ôîðìóëîé Θ = υ2 − υ1, è ñòðîÿò çàâèñèìîñòè Θ = f (q). Äëÿ ïîääåðæàíèÿ òåìïåðàòóðû âíóòðè ÍÊÓ â äîïóñòèìûõ ïðåäåëàõ èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå ñïîñîáû îõëàæäåíèÿ – åñòåñòâåííûå è ïðèíóäèòåëüíûå. Åñòåñòâåííîå âîçäóøíîå îõëàæäåíèå ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ïðîñòûì è ðàñïðîñòðàíåííûì îõëàæäåíèåì ÍÊÓ. Îäíàêî, åãî ìîæíî èñïîëüçîâàòü ëèøü ïðè íåáîëüøîé ïëîòíîñòè òåïëîâîãî ïîòîêà âíóòðè ÍÊÓ. Åñòåñòâåííîå îõëàæäåíèå èñïîëüçóåòñÿ ëèáî â ïîëíîñòüþ çàêðûòûõ øêàôàõ ïóòåì êîíâåêöèè è èçëó÷åíèÿ ñ íàðóæíîé ïîâåðõíîñòè ÍÊÓ ÷åðåç ìåòàëëè÷åñêèå ñòåíêè, ëèáî ÷åðåç ñïåöèàëüíûå âåíòèëÿöèîííûå îòâåðñòèÿ, ðàñïîëîæåííûå â íèæ-
Pï = Q ,
(6.7)
ãäå Pï – ñóììàðíîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû, âûäåëÿåìîå ýëåìåíòàìè ÍÊÓ, Âò; Q – êîëè÷åñòâî òåïëîòû, îòâîäèìîé îò ÍÊÓ â îêðóæàþùóþ ñðåäó, Âò. Pïi =
m
∑ Pïi ,
(6.8)
i=1
ãäå Pïi – êîëè÷åñòâî òåïëîòû, âûäåëÿåìîé i-ì ýëåìåíòîì ÍÊÓ, Âò; m – ÷èñëî ýëåìåíòîâ â ÍÊÓ. Êîëè÷åñòâî òåïëîòû, îòâîäèìîé îò ÍÊÓ â îêðóæàþùóþ ñðåäó, îïðåäåëÿåòñÿ ñîãëàñíî (6.5). 168
§ 6.2. Íèçêîâîëüòíûå êîìïëåêòíûå óñòðîéñòâà
Ïîäðîáíåå î ðåøåíèè ïîäîáíîé çàäà÷è èçëîæåíî â § 1.1. Åñëè â ðåçóëüòàòå ðàñ÷åòà òåïëîâîãî áàëàíñà êîëè÷åñòâî òåïëîòû Pï ïðåâûøàåò êîëè÷åñòâî òåïëîòû Q, òî íåîáõîäèìî ëèáî èçìåíèòü ñèñòåìó îõëàæäåíèÿ, ëèáî óâåëè÷èòü ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÍÊÓ, ëèáî çàìåíèòü ýëåìåíòû, ñèëüíî âëèÿþùèå íà òåïëîâîå ñîñòîÿíèå âíóòðåííåé îáëàñòè ÍÊÓ. Òî÷íûé àíàëèòè÷åñêèé ðàñ÷åò òåïëîâîãî ñîñòîÿíèÿ ÍÊÓ ñâÿçàí ñ áîëüøèìè òðóäíîñòÿìè, ïîýòîìó íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè óïðîùåííûå ìåòîäû ðàñ÷åòà ñ ó÷åòîì ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ (òåïëîâûõ õàðàêòåðèñòèê).
Ðàñ÷åò êîëè÷åñòâà òåïëîòû, âûäåëÿåìîé âíóòðè ÍÊÓ, ïðåäñòàâëÿåò îïðåäåëåííóþ ñëîæíîñòü. Óïðîñòèòü çàäà÷ó ìîæíî ðàññ÷èòàâ êîëè÷åñòâî òåïëîòû Pï ïî íîìèíàëüíûì ïàðàìåòðàì, îäíàêî òî÷íîñòü òàêîãî ðàñ÷åòà íåâåëèêà. Ëó÷øèå ðåçóëüòàòû äàåò ðàñ÷åò êîëè÷åñòâà òåïëîòû Pï [76] ñ ó÷åòîì êîýôôèöèåíòà çàãðóçêè ýëåìåíòîâ è îñîáåííîñòåé òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ïðîèçâîäñòâà. Áîëåå ñëîæíîé ÿâëÿåòñÿ çàäà÷à ðàñ÷åòà êîëè÷åñòâà òåïëîòû, îòâîäèìîé îò ÍÊÓ â îêðóæàþùóþ ñðåäó, è îïðåäåëåíèå êîýôôèöèåíòà òåïëîîòäà÷è, çàâèñÿùåãî îò òåìïåðàòóðû [1].
6.2.3. ÂÛÁÎÐ ÃÀÁÀÐÈÒÍÛÕ ÐÀÇÌÅÐÎÂ ÍÈÇÊÎÂÎËÜÒÍÛÕ ÊÎÌÏËÅÊÒÍÛÕ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂ È ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÈÕ ÌÎÍÒÀÆÀ
Äëÿ òîãî, ÷òîáû ïðàâèëüíî âûáðàòü îïòèìàëüíûå ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÍÊÓ, íåîáõîäèìî ïðåäâàðèòåëüíî ïîäîáðàòü ñïîñîá åãî îõëàæäåíèÿ. Ïðè ýòîì íåîáõîäèìî çíàòü: êîëè÷åñòâî òåïëîòû Pï, âûäåëÿåìîé âñòðîåííûìè ýëåìåíòàìè ÍÊÓ; äîïóñòèìîå çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû υ2 âíóòðåííåé îáëàñòè ÍÊÓ; äîïóñòèìîå çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû υ1 îêðóæàþùåé ÍÊÓ ñðåäû; ïðåäâàðèòåëüíûå ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÍÊÓ; òðåáóåìóþ ñòåïåíü çàùèòû øêàôà ÍÊÓ. Âûøåïåðå÷èñëåííûå ïàðàìåòðû ìîãóò áûòü ðàññ÷èòàíû èëè çàäàíû ñîãëàñíî òðåáîâàíèÿì, îïèñàííûì â ï.6.2.1, 6.2.2. Íà ðèñ. 6.3 äàíà äèàãðàììà âûáîðà ñïîñîáà âîçäóøíîãî îõëàæäåíèÿ ÍÊÓ. Çíàÿ ïëîòíîñòü òåïëîâîãî ïîòîêà q âíóòðè ÍÊÓ è äîïóñòèìûé ïåðåïàä òåìïåðàòóð Θ ìåæäó âíóòðåííåé è âíåøíåé ñðåäàìè ÍÊÓ, îïðåäåëÿåòñÿ ñïîñîá îõëàæäåíèÿ ÍÊÓ, âûïîëíÿåòñÿ ðàñ÷åò òåïëîâîãî ðåæèìà ÍÊÓ ñ èñïîëüçîâàíèåì òåïëîâûõ õàðàêòåðèñòèê [76] è îïðåäåëÿþòñÿ ïëîùàäü òåïëîîòäà÷è è ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÍÊÓ äëÿ äàííîé ñõåìû îõëàæäåíèÿ. Ïðåäëàãàåìàÿ ìåòîäèêà âûáîðà ãàáàðèòíûõ ðàçìåðîâ ÍÊÓ äîñòàòî÷íî ýôôåêòèâíà è óäîáíà, ÷òî ïîçâîëÿåò îöåíèòü òåìïåðàòóðíûé ðåæèì çàäàííîãî è ïðîåêòèðóåìîãî ÍÊÓ. Óäîáíî ïîëüçîâàòüñÿ ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ÍÊÓ çîíàìè àïïàðàòîâ, âõîäÿùèõ â êîìïëåêò ÍÊÓ. Çîíà àïïàðàòà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðÿìîóãîëüíèê âîêðóã àïïàðàòà, ðàçìåðû åå îïðåäåëÿþòñÿ ãàáàðèòíûìè ðàçìåðàìè àïïàðàòà, âîçìîæíîñòüþ ïîäêëþ÷åíèÿ ê íåìó âíåøíèõ ïðîâîäîâ, óäîáñòâîì ìîíòàæà è ýêñïëóàòàöèè, èñêëþ÷åíèåì âëèÿíèÿ àïïàðàòà íà ñîñåäíèå ýëåìåíòû ÍÊÓ. Òàêèì îáðàçîì, çîíû àïïàðàòîâ â ÍÊÓ ôàêòè÷åñêè çàäàþò íà÷àëüíûå ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÍÊÓ â âèäå ïîëåçíîé ïëîùàäè ÍÊÓ. Íàáîð çîí àïïàðàòîâ, çàæèìîâ, ïðèáîðîâ ïîçâîëÿåò âûáðàòü èç ñòàíäàðòíîãî ðÿäà ïðåäâàðèòåëüíûå ðàçìåðû ÍÊÓ, êîòîðûå è óòî÷íÿþòñÿ ïîòîì â õîäå òåïëîâîãî ðàñ÷åòà.
Ðèñ. 6.3. Äèàãðàììà âûáîðà ñïîñîáà âîçäóøíîãî îõëàæäåíèÿ ÍÊÓ: 1 – çîíà èñïîëüçîâàíèÿ ÍÊÓ çàêðûòîãî òèïà ñ åñòåñòâåííûì îõëàæäåíèåì; 2, 3 – çîíà èñïîëüçîâàíèÿ ÍÊÓ ñ åñòåñòâåííîé âåíòèëÿöèåé; 2 – çîíà èñïîëüçîâàíèÿ ÍÊÓ çàêðûòîãî òèïà ñ âíóòðåííåé ïðèíóäèòåëüíîé âåíòèëÿöèåé; 3, 4 – çîíà èñïîëüçîâàíèÿ ÍÊÓ ñ ïðèíóäèòåëüíîé âíóòðåííåé è âíåøíåé âåíòèëÿöèåé; 4, 5 – çîíà èñïîëüçîâàíèÿ ÍÊÓ ñ ïðèíóäèòåëüíîé âåíòèëÿöèåé
Ìîíòàæ ÍÊÓ âûïîëíÿåòñÿ ñ ó÷åòîì ñëåäóþùèõ òðåáîâàíèé. 1. Àïïàðàòû â ÍÊÓ êðåïÿòñÿ íà Ñ-îáðàçíûõ ðåéêàõ íåïîñðåäñòâåííî èëè ïðè ïîìîùè ïåðåõîäíûõ ïëàñòèí. 2. Êðóïíîãàáàðèòíûå àïïàðàòû ðàçìåùàþòñÿ âíèçó ÍÊÓ íà ðåéêàõ èëè íà îñíîâàíèè, ëèáî çà ïðåäåëàìè ÍÊÓ èëè íà êðûøêå ÍÊÓ. 3. Ìîíòàæ âûïîëíÿåòñÿ ãèáêèì ïðîâîäîì èëè øèíîé, â êîðîáàõ èëè â æãóòàõ. 4. Èçìåðèòåëüíàÿ èëè ðåãóëèðîâî÷íàÿ àïïàðàòóðà ðàñïîëàãàåòñÿ íà ðàññòîÿíèè îò 600 äî 1800 ìì îò ïîëà. 5. Âíåøíèå, âíóòðèïàíåëüíûå, ìåæáëî÷íûå è äðóãèå ñîåäèíåíèÿ âûïîëíÿþòñÿ ïðè ïîìîùè ñèëîâûõ íàáîðíûõ çàæèìîâ. 6. Âíóòðè ÍÊÓ ñîåäèíèòåëüíûå ïðîâîäà ìàðêèðóþòñÿ äëÿ óäîáñòâà ìîíòàæà è ýêñïëóàòàöèè. 169
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. ×òî òàêîå ÍÊÓ? Êàêîâî åãî íàçíà÷åíèå? 2. Êàêèå òðåáîâàíèÿ ïðåäúÿâëÿþòñÿ ê ÍÊÓ? 3.  ÷åì îñîáåííîñòè òåïëîâîãî ðàñ÷åòà ÍÊÓ? Ïåðå÷èñëèòå ñïîñîáû âåíòèëÿöèè.
4. Êàê âûáðàòü ñïîñîá îõëàæäåíèÿ ÍÊÓ? 5. ×òî òàêîå çîíà àïïàðàòà” â ÍÊÓ? ×åì îíà ” îïðåäåëÿåòñÿ? 6.  ÷åì îñîáåííîñòè ìîíòàæà ÍÊÓ?
6.3. ÌÅÒÎÄÈÊÀ ÂÛÁÎÐÀ ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÎÂ È ÌÀÃÍÈÒÍÛÕ ÏÓÑÊÀÒÅËÅÉ ÄËß ÓÏÐÀÂËÅÍÈß È ÇÀÙÈÒÛ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÄÂÈÃÀÒÅËÅÉ
Êîíòàêòîðû è ïóñêàòåëè, âûïóñêàåìûå îòå÷åñòâåííîé ïðîìûøëåííîñòüþ, ÷àñòî ðàçðàáàòûâàþòñÿ äëÿ îïðåäåëåííîãî òèïà îáúåêòà óïðàâëåíèÿ. Íàïðèìåð, äëÿ âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ ïðèåìíèêîâ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè â ìåòàëëóðãè÷åñêîé, õèìè÷åñêîé è äðóãèõ îòðàñëÿõ ïðîìûøëåííîñòè èñïîëüçóþòñÿ êîíòàêòîðû ÊÒ6600, äëÿ âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ àñèíõðîííûõ äâèãàòåëåé ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì ðåêîìåíäóåòñÿ ïðèìåíÿòü êîíòàêòîðû ÊÌ13, ÊÒ12Ð, ïóñêàòåëè ñåðèé ÏÌÅ, ÏÌÀ è ÏÌË è äð. Äëÿ ãàøåíèÿ ïîëÿ ñèíõðîííûõ ìàøèí è äëÿ öåïåé, ãäå íåäîïóñòèìî îòêëþ÷åíèå êîíòàêòîðà ïðè îòñóòñòâèè íàïðÿæåíèÿ â öåïè ïèòàíèÿ îáìîòêè óïðàâëåíèÿ, ìîæíî ðåêîìåíäîâàòü êîíòàêòîðû ÊÒ6000/3, â ñèëîâûõ öåïÿõ ãåíåðàòîðîâ è äâèãàòåëåé ïîñòîÿííîãî òîêà ïðèìåíÿþòñÿ êîíòàêòîðû ÊÏ7 è ÊÏ207, â ñóäîâûõ ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâàõ íàõîäÿò ïðèìåíåíèå êîíòàêòîðû ÊÌ2000, äëÿ ðàáîòû â ñèëîâûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïÿõ ïîñòîÿííîãî òîêà òåïëîâîçîâ øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ êîíòàêòîðû ñåðèè ÌÊ, äëÿ äèñòàíöèîííîãî âêëþ÷åíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïðèâîäîâ âûêëþ÷àòåëåé âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ è â óñòðîéñòâàõ ÀÏ èñïîëüçóþòñÿ êîíòàêòîðû ÌÊ220Á.  ðÿäå ñëó÷àåâ êîíòàêòîðû è ïóñêàòåëè ðåêîìåíäóþòñÿ äëÿ âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ ïðèåìíèêîâ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè áåç óêàçàíèÿ èõ òèïîâ (ïðè ýòîì îáÿçàòåëüíî óêàçûâàåòñÿ êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ). Ïðèìåðîì òàêèõ êîíòàêòîðîâ ÿâëÿþòñÿ êîíòàêòîðû ÊÒ6000, ÊÒ7000, ÊÒÏ6000, ÊÒ6000/2 è äð. Äëÿ îáúåêòîâ óïðàâëåíèÿ ñ âûñîêîé ñòåïåíüþ îòâåòñòâåííîñòè, à òàêæå äëÿ îáúåêòîâ, ðàáîòàþùèõ â ñïåöèàëüíûõ óñëîâèÿõ (âî âçðûâîîïàñíûõ ñðåäàõ, ñ ïîâûøåííîé òåìïåðàòóðîé è âëàæíîñòüþ, ñâûøå 1000 ìåòðîâ íàä óðîâíåì ìîðÿ, ñ âûñîêèì óðîâíåì âèáðàöèè è òðÿñêè è äð.) ðàçðàáàòûâàåòñÿ ñïåöèàëüíàÿ àïïàðàòóðà óïðàâëåíèÿ. Ïî íàçíà÷åíèþ ïóñêàòåëè âûïóñêàþòñÿ íåðåâåðñèâíûå (äëÿ óïðàâëåíèÿ ýëåêòðîäâèãàòåëÿìè ïðè íåèçìåííîì íàïðàâëåíèè âðàùåíèÿ) è ðåâåðñèâíûå (äëÿ óïðàâëåíèÿ ýëåêòðîäâèãàòåëÿìè ïðè ïåðåìåííûõ íàïðàâëåíèÿõ âðàùåíèÿ, ïðè÷åì â ðåâåðñèâíûõ ïóñêàòåëÿõ âîçìîæíî èñïîëíåíèå ñ ýëåêò-
Ïðàâèëüíûé è ðàöèîíàëüíûé âûáîð ïóñêîçàùèòíûõ àïïàðàòîâ äëÿ öåïåé óïðàâëåíèÿ ïðèåìíèêîâ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè (ýëåêòðîïå÷åé, ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïðèâîäîâ âûêëþ÷àòåëåé âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ, ýëåêòðîîñâåòèòåëüíîé àïïàðàòóðû, ýëåêòðè÷åñêèõ äâèãàòåëåé è ò. ä.) ÿâëÿåòñÿ îñíîâîïîëàãàþùèì ïðè ðàçðàáîòêå ñõåì óïðàâëåíèÿ è çàùèòû. Ðàçíîîáðàçèå ñõåì óïðàâëåíèÿ êàê ïî ìîùíîñòè, òàê è ïî ñòåïåíè îòâåòñòâåííîñòè, íàäåæíîñòè, ýêîíîìè÷íîñòè âûíóæäàåò èìåòü äåëî ñ òàêèì æå (èëè áîëüøèì) ðàçíîîáðàçèåì èñïîëíèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ïðàâèëüíûé âûáîð êîòîðûõ âî ìíîãîì îïðåäåëÿåò òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèå ïîêàçàòåëè îáúåêòà óïðàâëåíèÿ â öåëîì. Ñðåäè îñíîâíûõ ïîêàçàòåëåé, õàðàêòåðèçóþùèõ êà÷åñòâî èñïîëíèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ìîæíî âûäåëèòü: íàäåæíîñòü, ýêîíîìè÷íîñòü, äîñòàòî÷íûé ñðîê ñëóæáû, ìàëûå ìàññó è ãàáàðèòíûå ðàçìåðû, íåáîëüøèå ýêñïëóàòàöèîííûå çàòðàòû, íèçêóþ ñòîèìîñòü, âûñîêóþ òåõíîëîãè÷íîñòü è ò. ä. Âûáîð òåõ èëè èíûõ ïîêàçàòåëåé êà÷åñòâà (êàê ïðàâèëî, ïðîòèâîðå÷èâûõ) çàâèñèò îò îáúåêòà óïðàâëåíèÿ è òðåáîâàíèé, ïðåäúÿâëÿåìûõ ê íåìó. Ðàññìîòðèì êîíòàêòíûå èñïîëíèòåëüíûå ýëåìåíòû óïðàâëåíèÿ, íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûå êàê ïî êîëè÷åñòâó, òàê è ïî íîìåíêëàòóðå âûïóñêàåìûõ èçäåëèé – êîíòàêòîðû è ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè – è âûäåëèì ïàðàìåòðû, ïî êîòîðûì ïðîèçâîäèòñÿ èõ âûáîð. Êîíòàêòîðû èëè ïóñêàòåëè äîëæíû âûáèðàòüñÿ ïî ñëåäóþùèì îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì (ñì.ï.6.1.3): íàçíà÷åíèþ è îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ; ðîäó òîêà, êîëè÷åñòâó è èñïîëíåíèþ ãëàâíûõ è âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ; íîìèíàëüíîìó íàïðÿæåíèþ è òîêó ãëàâíîé öåïè; êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ; ðåæèìó ðàáîòû; êëèìàòè÷åñêîìó èñïîëíåíèþ è êàòåãîðèè ðàçìåùåíèÿ; ìåõàíè÷åñêîé è êîììóòàöèîííîé èçíîñîñòîéêîñòè; íîìèíàëüíîìó íàïðÿæåíèþ è ïîòðåáëÿåìîé ìîùíîñòè âêëþ÷àþùèõ êàòóøåê. 170
§ 6.3. Ìåòîäèêà âûáîðà êîíòàêòîâ è ìàãíèòíûõ ïóñêàòåëåé
ìåòðàì: òèïîèñïîëíåíèþ ðåëå; êîíñòðóêòèâíûì îñîáåííîñòÿì; íîìèíàëüíîìó òîêó íàãðåâàòåëüíîãî ýëåìåíòà (íàãðåâàòåëÿ); òîêó íåñðàáàòûâàíèÿ (óñòàâêè ïî òîêó) è äèàïàçîíó åãî èçìåíåíèÿ; âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ (ïðè 20%-íîì óâåëè÷åíèè òîêà ïî îòíîøåíèþ ê íîìèíàëüíîìó çíà÷åíèþ); âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ ïðè òîêàõ ïåðåãðóçêè (íàïðèìåð, ïðè ïóñêîâîì òîêå äâèãàòåëÿ). Ïî òèïîèñïîëíåíèþ òåïëîâûå ðåëå âûïóñêàþòñÿ îäíî-, äâóõ- è òðåõïîëþñíûå. Ñòåïåíü çàùèòû è êëèìàòè÷åñêîå èñïîëíåíèå ðåëå îïðåäåëÿþòñÿ ïóñêàòåëÿìè, â êîòîðûå îíè âñòðàèâàþòñÿ. Òåïëîâûå ðåëå èìåþò èëè â íèõ îòñóòñòâóåò òåìïåðàòóðíàÿ êîìïåíñàöèÿ, ðåãóëÿòîð óñòàâêè òîêà íåñðàáàòûâàíèÿ, ñàìîâîçâðàòà (äèñòàíöèîííîãî âîçâðàòà èëè ðó÷íîãî), âîçìîæíîñòè ñìåíÿåìîñòè íàãðåâàòåëüíîãî ýëåìåíòà, óñêîðåííîãî ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå ïðè îáðûâå ôàçû. Êîíñòðóêòèâíûå îñîáåííîñòè ðåëå îïðåäåëÿþòñÿ è êîëè÷åñòâîì êîììóòèðóþùèõ êîíòàêòîâ. Âûáîð òèïà òåïëîâîãî ðåëå, âñòðîåííîãî â ìàãíèòíûé ïóñêàòåëü, ïðîèçâîäèòñÿ èç óñëîâèÿ ðàâåíñòâà íîìèíàëüíîãî òîêà íàãðåâàòåëÿ è äâèãàòåëÿ [51]: Iíîì.íàãðåâ = Iíîì.äâ . (6.9)
ðè÷åñêîé áëîêèðîâêîé ëèáî ñ ýëåêòðè÷åñêîé è ìåõàíè÷åñêîé áëîêèðîâêàìè. Êðîìå òîãî, ïóñêàòåëè âûïîëíÿþòñÿ ñ âñòðîåííûìè â îáîëî÷êó êíîïêàìè óïðàâëåíèÿ ëèáî áåç íèõ. Íàçíà÷åíèå ïóñêàòåëÿ îïðåäåëÿåò íàëè÷èå â íåì òåïëîâîãî ðåëå. Ïóñêàòåëè, âûïîëíÿþùèå ôóíêöèè çàùèòû äâèãàòåëÿ îò ïåðåãðóçîê, âûçâàííûõ äëèòåëüíûì ïðîòåêàíèåì òîêîâ âûøå íîìèíàëüíûõ, êîìïëåêòóþòñÿ òåïëîâûìè ðåëå. Ïóñêàòåëü ìîæåò âûïóñêàòüñÿ áåç òåïëîâîãî ðåëå (íàïðèìåð, ñ ïîçèñòîðíîé çàùèòîé) ñ êíîïêîé óïðàâëåíèÿ â çàùèòíîé îáîëî÷êå. Òåïëîâûå ðåëå â ñîâîêóïíîñòè ñ ëèíåéíûìè êîíòàêòîðàìè (ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè) ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ çàùèòû äâèãàòåëåé, ðàáîòàþùèõ â ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå (ðàáî÷èé ïåðèîä ñîñòàâëÿåò íå ìåíåå 30 ìèí). Ïðèìåíåíèå òåïëîâûõ ðåëå äëÿ çàùèòû äâèãàòåëåé, ðàáîòàþùèõ â ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííûõ ðåæèìàõ, íåöåëåñîîáðàçíî ââèäó ÷óâñòâèòåëüíîñòè íàãðåâàòåëüíîãî ýëåìåíòà ê åãî òåïëîâîìó ñîñòîÿíèþ, îáóñëîâëåííîìó öèêëè÷åñêèì õàðàêòåðîì òîêîâîé íàãðóçêè, ÷òî èçìåíèò âðåìåííûå õàðàêòåðèñòèêè òåïëîâîãî ðåëå. Èñïîëüçîâàíèå òåïëîâûõ ðåëå ïðè ðàáîòå äâèãàòåëÿ â ïîâòîðíî-êðàòêîâðåìåííîì ðåæèìå, à òàêæå âáëèçè óñòðîéñòâ, èçëó÷àþùèõ äîïîëíèòåëüíîå òåïëî, ìîæåò ïðèâåñòè ê ëîæíûì ñðàáàòûâàíèÿì ðåëå. Âàæíûìè ïàðàìåòðàìè òåïëîâîãî ðåëå ÿâëÿþòñÿ: íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå ðåëå Uíîì; íîìèíàëüíûé òîê ðåëå Iíîì – íàèáîëüøèé òîê, äëèòåëüíîå ïðîòåêàíèå êîòîðîãî íå âûçûâàåò ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå; íîìèíàëüíûé òîê íàãðåâàòåëÿ Iíîì.íàãðåâ – íàèáîëüøèé òîê, ïðè äëèòåëüíîì ïðîòåêàíèè êîòîðîãî ÷åðåç ðåëå ñ äàííûì íàãðåâàòåëåì îíî íå ñðàáàòûâàåò. Åñëè ðåëå èìååò ñìåííûå íàãðåâàòåëè, òî ìèíèìàëüíûé íîìèíàëüíûé òîê ðåëå ðàâåí íàèáîëüøåìó èç íîìèíàëüíûõ òîêîâ íàãðåâàòåëåé, êîòîðûå ìîãóò áûòü óñòàíîâëåíû â äàííîì ðåëå; åñëè æå ðåëå âûïîëíåíî ñ ðåãóëÿòîðîì, òî çíà÷åíèÿ òîêîâ Iíîì è Iíîì.íàãðåâ ñîîòâåòñòâóþò ñðåäíåìó ïîëîæåíèþ ðåãóëÿòîðà. Íîìèíàëüíûé òîê óñòàâêè ðåëå Iíîì.óñò – íàèáîëüøèé äëèòåëüíûé òîê, êîòîðûé ïðè îïðåäåëåííîé íàñòðîéêå ðåëå íå âûçûâàåò åãî ñðàáàòûâàíèÿ. Îñíîâíîé õàðàêòåðèñòèêîé ðåëå ÿâëÿåòñÿ çàâèñèìîñòü âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå tñð îò êðàòíîñòè òîêà I, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç åãî íàãðåâàòåëüíûé ýëåìåíò ïî îòíîøåíèþ ê íîìèíàëüíîìó òîêó íàãðåâàòåëÿ Iíîì.íàãð. Âðåìÿ âîçâðàòà òåïëîâûõ ðåëå â ðàáî÷åå ñîñòîÿíèå (â ðåëå áåç ñàìîâîçâðàòà èëè áåç êíîïêè âîçâðàòà) íå ïðåâûøàåò 2–3 ìèí. Ïðè íàëè÷èè ñàìîâîçâðàòà è êíîïêè âîçâðàòà îíî ñîêðàùàåòñÿ äî 30–60 ñ. Òåïëîâûå ðåëå, âñòðàèâàåìûå â ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè, âûáèðàþòñÿ ïî ñëåäóþùèì îñíîâíûì ïàðà-
Ïóñêàòåëè ñåðèé ÏÌÀ è ÏÌÅ èìåþò âñòðîåííûå òåïëîâûå ðåëå òèïà ÐÒÒ, à ïóñêàòåëè ñåðèè ÏÌË – ðåëå òèïà ÐÒË. Ðåëå ÐÒÒ è ÐÒË âûïîëíåíû ñ òåìïåðàòóðíûì êîìïåíñàòîðîì, ÷òî ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî óìåíüøèòü âëèÿíèå òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû íà âðåìåííûå õàðàêòåðèñòèêè ðåëå, è ðåãóëÿòîðîì òîêà óñòàâêè (òîêà íåñðàáàòûâàíèÿ ðåëå). Çíàÿ ïðåäåëû ðåãóëèðîâàíèÿ òîêà íåñðàáàòûâàíèÿ, êîòîðûå èçìåíÿþòñÿ äëÿ òåïëîâîãî ðåëå ÐÒÒ â ïðåäåëàõ 0,85–1,15, à äëÿ ÐÒË – â ïðåäåëàõ 0,75–1,25 íîìèíàëüíîãî òîêà íàãðåâàòåëÿ, îïðåäåëÿþò äèàïàçîí èçìåíåíèÿ íîìèíàëüíîãî òîêà íàãðåâàòåëÿ Iíåñðàá.max ≥ Iíîì.íàãðåâ ≥ Iíåñðàá.min , (6.10) ãäå Iíåñðàá.min = (0,75 èëè 0,85)Iíîì.íàãðåâ; Iíåñðàá.max = = (1,15 èëè 1,25) Iíîì.íàãðåâ. Åñëè òåìïåðàòóðíàÿ êîìïåíñàöèÿ â ðåëå îòñóòñòâóåò, òî íåîáõîäèìî ó÷åñòü âëèÿíèå òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû íà âûáîð òîêà Iíîì.íàãðåâ, çíà÷åíèå êîòîðîãî óìåíüøèòñÿ: Iíîì.íàãðåâ υ = Iíîì.íàãðåâ 1 −
δ (υîêð − υíîì.îêð) 100 10
, (6.11)
ãäå δ – êîýôôèöèåíò èçìåíåíèÿ íîìèíàëüíîãî òîêà íàãðåâàòåëÿ íà êàæäûå 10 °C ðàçíîñòè (υîêð − υíîì.îêð),%. Êîýôôèöèåíò δ áåðåòñÿ èç ïàñïîðòà ðåëå; υíîì.îêð – íîìèíàëüíàÿ òåìïåðàòóðà 171
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
îêðóæàþùåé ñðåäû, °C. Ïðèíèìàåòñÿ υíîì.îêð = = 35 °C. Èç (6.11) ñ ó÷åòîì (6.9) îïðåäåëÿåòñÿ íîìèíàëüíûé òîê íàãðåâàòåëÿ, ïî êîòîðîìó è âûáèðàþòñÿ íàãðåâàòåëü, òèï è èñïîëíåíèå òåïëîâîãî ðåëå: Iíîì.íàãðåâ =
Iíîì.äâ δ (υîêð − υíîì.îêð) 1− 100 10
.
òîêîâûå ðåëå, ïðåäîõðàíèòåëè èëè àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè [51]. Âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ tñð âûáðàííîãî òåïëîâîãî ðåëå ïðè 20%-íîì óâåëè÷åíèè òîêà â îáìîòêå äâèãàòåëÿ, ò. å. ïðè Iñð = 1,2Iíîì.íàãðåâ, íå äîëæíî ïðåâûøàòü 20 ìèí. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ tñð ïîëüçóþòñÿ çàùèòíîé õàðàêòåðèñòèêîé ðåëå tñð = f (I ⁄ Iíîì.íàãðåâ). Ïðè ïóñêå äâèãàòåëÿ âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ tñð òåïëîâîãî ðåëå äîëæíî áûòü áîëüøå âðåìåíè ïóñêà tï íåíàãðóæåííîãî äâèãàòåëÿ, ò. å.
(6.12)
Åñëè ðåëå íàõîäèòñÿ âíå êîæóõà ïóñêàòåëÿ, òî Iíîì.íàãðåâ ïðèíèìàåòñÿ íà 15–20% áîëüøå ðàñ÷åòíîãî. Ïðè âêëþ÷åíèè íàãðåâàòåëüíîãî ýëåìåíòà âî âòîðè÷íóþ îáìîòêó òðàíñôîðìàòîðà òîêà â (6.12) âìåñòî Iíîì.äâ íåîáõîäèìî ïîäñòàâèòü îòíîøåíèå Iíîì.äâ Kò.ò
,
1,5tï ≥ tñð > tï .
(6.14)
Åñëè ýòî óñëîâèå íå âûïîëíÿåòñÿ, òî íåîáõîäèìî èçìåíèòü Iíîì.íàãðåâ â ïðåäåëàõ ðåãóëèðîâàíèÿ òîêà íåñðàáàòûâàíèÿ èëè çàìåíèòü òåïëîâîé íàãðåâàòåëüíûé ýëåìåíò. Ïîñëå âûáîðà òåïëîâîãî ðåëå äëÿ ìàãíèòíîãî ïóñêàòåëÿ ñòðîÿòñÿ çàùèòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ðåëå è íàãðóçî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà äâèãàòåëÿ è ïðîâåðÿåòñÿ ïðàâèëüíîñòü èõ ñîãëàñîâàíèÿ.
(6.13)
ãäå Kò.ò – êîýôôèöèåíò òðàíñôîðìàöèè òðàíñôîðìàòîðà òîêà. Äëÿ çàùèòû òåïëîâûõ ðåëå îò òîêîâ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ èñïîëüçóþòñÿ ìàêñèìàëüíûå
ÏÐÈÌÅÐ 1. ÂÛÁÎÐ ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÀ (ÌÀÃÍÈÒÍÎÃÎ ÏÓÑÊÀÒÅËß) ÄËß ÓÏÐÀÂËÅÍÈß È ÇÀÙÈÒÛ ÀÑÈÍÕÐÎÍÍÎÃÎ ÄÂÈÃÀÒÅËß ÑÅÐÈÈ 4À
Äëÿ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû îò ïðîäîëæèòåëüíûõ òîêîâ ïåðåãðóçêè àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ êîíòàêòîðû â ñî÷åòàíèè ñ òåïëîâûìè ðåëå èëè ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè, â êîòîðûõ êîíòàêòîð è ðåëå âìåñòå ñ êíîïêàìè óïðàâëåíèÿ ïîìåùåíû â çàùèòíûé êîæóõ è ÿâëÿþòñÿ àâòîíîìíûìè àïïàðàòàìè. Ïóñòü íåîáõîäèìî âûáðàòü êîíòàêòîð (ìàãíèòíûé ïóñêàòåëü) äëÿ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ 4ÀÐ132S4, ðàáîòàþùåãî â ïðîäîëæèòåëüíîì ðåæèìå. Ïî òèïó äâèãàòåëÿ ñîãëàñíî [74] îïðåäåëèì åãî ïàðàìåòðû:
Íîìèíàëüíàÿ ìîùíîñòü äâèãàòåëÿ Píîì Êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ ηíîì Êîýôôèöèåíò ìîùíîñòè cosϕ Íîìèíàëüíîå ëèíåéíîå íàïðÿæåíèå íà îáìîòêå ñòàòîðà Uíîì.ë Êîýôôèöèåíò êðàòíîñòè ïóñêîâîãî òîêà kI Âðåìÿ ïóñêà äâèãàòåëÿ tï
7,5 êÂò 87,5% 0,86 380  6,5 5ñ
Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû, ïî êîòîðûì ïðîèçâîäèòñÿ âûáîð, ñëåäóþùèå: íàçíà÷åíèå è îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ. Èç èçâåñòíûõ îñíîâíûõ òèïîâ êîíòàêòîðîâ è ìàãíèòíûõ ïóñêàòåëåé â äàííîì ñëó÷àå ìîãóò ïðèìåíÿòüñÿ: êîíòàêòîðû ÌÊ1,2; ÊÌ 2000; ÊÒ 6600; ÊÌ13; ÊÒ12Ð; ÌÊ3
Ðèñ. 6.4. Ñõåìà ïðÿìîãî ïóñêà è çàùèòû àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì (à), (á) – ïóñêîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà äâèãàòåëÿ (1) è çàùèòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà òåïëîâîãî ðåëå (2)
172
§ 6.3. Ìåòîäèêà âûáîðà êîíòàêòîâ è ìàãíèòíûõ ïóñêàòåëåé
êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ. Àïïàðàò äîëæåí ðàáîòàòü â îäíîé èç êàòåãîðèé ïðèìåíåíèÿ: ÀÑ-3 èëè ÀÑ-4; ðåæèì ðàáîòû. Ðåæèì ðàáîòû àïïàðàòà – ïðîäîëæèòåëüíûé ñ ÷àñòûìè ïðÿìûìè ïóñêàìè äâèãàòåëÿ; êëèìàòè÷åñêîå èñïîëíåíèå è êàòåãîðèÿ ðàçìåùåíèÿ. Àïïàðàò ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ýêñïëóàòàöèè â ñðåäå ñ óìåðåííûì êëèìàòîì (Ó) â êàòåãîðèè ðàçìåùåíèÿ – 3.  êà÷åñòâå òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé (ïîêàçàòåëåé êà÷åñòâà) âûáèðàåì êîììóòàöèîííóþ èçíîñîñòîéêîñòü (ýòîò ïîêàçàòåëü îñíîâíîé è åãî âåñ” – 0,7) è ìàññó àïïàðàòà (åãî âåñ” – 0,3). ” ”
ñ òåïëîâûìè ðåëå ñåðèè ÐÒÒ, ÐÒË, ÐÒÍ èëè ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè ñåðèé ÏÌÅ, ÏÌÀ, ÏÌË; ðîä òîêà, êîëè÷åñòâî è èñïîëíåíèå ãëàâíûõ è âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ. Ðîä òîêà – ïåðåìåííûé, ÷àñòîòà – 50 Ãö; ñîãëàñíî ñõåìå âêëþ÷åíèÿ äâèãàòåëÿ (ðèñ. 6.4,à) àïïàðàò äîëæåí èìåòü íå ìåíåå òðåõ çàìûêàþùèõñÿ ñèëîâûõ êîíòàêòîâ è îäíîãî çàìûêàþùåãîñÿ âñïîìîãàòåëüíîãî êîíòàêòà; íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå è òîê ñèëîâîé öåïè. Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå – 380 Â; íîìèíàëüíûé òîê íå äîëæåí áûòü íèæå íîìèíàëüíîãî òîêà äâèãàòåëÿ;
ÏÎÑËÅÄÎÂÀÒÅËÜÍÎÑÒÜ ÂÛÁÎÐÀ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
I0 = 6 ⋅ 22 = 132 À > Iï = 98,2 À ;
1. Ïðåäâàðèòåëüíûé ðàñ÷åò. Ïðåæäå ÷åì ïðîâåñòè âûáîð àïïàðàòà ïî îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì, íåîáõîäèìî ðàññ÷èòàòü íîìèíàëüíûé è ïóñêîâîé òîêè äâèãàòåëÿ [75]:
= 15,1 À .
êîòîðûé ìåíüøå ïóñêîâîãî òîêà äâèãàòåëÿ. Â ðåæèìå ðåäêèõ êîììóòàöèé òîê
Ïóñêîâîé òîê äâèãàòåëÿ (åãî äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå) (ñì.ðèñ. 6.3,á) Iï = kIIíîì.äâ = 6,5 ⋅ 15,1 = 98,2 À . Óäàðíûé ïóñêîâîé òîê (àìïëèòóäíîå çíà÷åíèå)
I0 = 8 ⋅ 10 = 80 À , òàêæå íèæå âîçíèêàþùåãî â öåïè óäàðíîãî ïóñêîâîãî òîêà äâèãàòåëÿ. Ïîýòîìó âûáðàííûå ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ ðàáîòû â êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-4, â äàííûõ óñëîâèÿõ íå ïðèãîäíû.
Ióä.ï = (1,2 ÷ 1,4)√ 2 Iï . Ïðèíèìàåì Ióä.ï = 1,3 ⋅ √ 2 Iï = 1,3 ⋅ √ 2 ⋅ 98,2 = 180,5 À . 2. Âûáîð àïïàðàòîâ ïî îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì.  íà÷àëå âûáèðàåì ìàãíèòíûé ïóñêàòåëü ñî âñòðîåííûì òåïëîâûì ðåëå ïî îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì äëÿ çàäàííîãî ñõåìíîãî ðåøåíèÿ (ðèñ. 6.4,à).  òàáë. 6.4 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû âûáîðà ìàãíèòíûõ ïóñêàòåëåé è íåêîòîðûå èõ òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû. Ïðîâåðèì âîçìîæíîñòü ðàáîòû âûáðàííûõ àïïàðàòîâ â êàòåãîðèÿõ ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-3 è ÀÑ-4.  êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-3 ìàãíèòíûé ïóñêàòåëü äîëæåí âêëþ÷àòü â íîðìàëüíîì ðåæèìå êîììóòàöèè òîê (ñì.ï.6.1.3) I0 = 6Ií.ð ≥ Iï ,
ÏÌË ÏÌË ÏÌË ÏÌË ÏÌË ÏÌË ÏÌË ÏÌË
à â ðåæèìå ðåäêèõ êîììóòàöèé I0 = 10Ií.ð ≥ Ióä.ï . Îáà óñëîâèÿ âûáðàííûìè ïóñêàòåëÿìè âûïîëíÿþòñÿ, òàê êàê 173
221002 222002 223002 272002 221002 222002 223002 272002
Âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ðåëå ïðè 6Iíîì, ñ
Òèï ïóñêàòåëÿ
Ñòåïåíü çàùèòû
Òàáëèöà 6.4. Ðåçóëüòàòû âûáîðà ìàãíèòíûõ ïóñêàòåëåé
Êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ
3
7,5 ⋅ 10 3 ⋅ 380 ⋅ 0,875 ⋅ 0,86 √
=
Íîìèíàëüíûé ðàáî÷èé òîê, À
=
Píîì 10
3 Uíîì.ë ηíîì cosϕ √
 êàòåãîðèè ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-4 ìàãíèòíûé ïóñêàòåëü äîëæåí îòêëþ÷àòü â íîðìàëüíîì ðåæèìå êîììóòàöèè òîê (ñì.ï.6.1.3) I0 = 6 ⋅ 10 = 60 À ,
Íîìèíàëüíûé òîê, À
Iíîì.äâ =
3
I0 = 10 ⋅ 22 = 220 À > Ióä.ï = 180,5 À .
25 25 25 25 25 25 25 25
22 22 22 22 10 10 10 10
ÀÑ-3 ÀÑ-3 ÀÑ-3 ÀÑ-3 ÀÑ-4 ÀÑ-4 ÀÑ-4 ÀÑ-4
IP54 IP54 IP54 IP54 IP54 IP54 IP54 IP54
4,5–9 4,5–9 4,5–9 4,5–8 4,5-9 4,5–9 4,5–9 4,5–9
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
 äàííîì ñëó÷àå äëÿ çàùèòû äâèãàòåëÿ îò ïåðåãðóçêè ïðèãîäíû òåïëîâûå ðåëå ñåðèè ÒÐÍ, òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû êîòîðûõ ïðèâåäåíû â òàáë. 6.6. Âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå ðåãóëèðóåòñÿ â äèàïàçîíå 3–25 ñ, ÷òî âïîëíå ïðèåìëåìî.
Òåïëîâûå ðåëå ñåðèè ÐÒË, âñòðîåííûå â ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè èìåþò ðåãóëèðóåìîå âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ tñð = 4,5–9 ñ, ÷òî ïðèåìëåìî â çàäàííûõ óñëîâèÿõ ïóñêà äâèãàòåëÿ (1,5tï ≥ tñð > tï). Íà ðèñ. 6.4,à ïðèâåäåíû ïóñêîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà äâèãàòåëÿ è çàùèòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà òåïëîâîãî ðåëå. Äëÿ ðåàëèçàöèè ñõåìû ïóñêà äâèãàòåëÿ ìîæíî èñïîëüçîâàòü êîíòàêòîð è äîïîëíèòåëüíîå òåïëîâîå ðåëå. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû êîíòàêòîðîâ, âûáðàííûõ íà òå æå èñõîäíûå äàííûå, ïðèâåäåíû â òàáë.6.5.
Èñïîëíåíèå ðåëå
Íîìèíàëüíûé òîê òåïëîâîãî ýëåìåíòà, À
Òèï íàãðåâàòåëüíîãî ýëåìåíòà
Ñïîñîá âîçâðàòà
Ñòåïåíü çàùèòû
Ïðåäåëû ðåãóëèðîâàíèÿ òîêà ïî îòíîøåíèþ ê íîìèíàëüíîìó, À
Êëèìàòè÷åñêîå èñïîëíåíèå
×èñëî âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ
Ñòåïåíü çàùèòû
Êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ
Òèï êîíòàêòîðà
Íîìèíàëüíûé òîê, À
Òàáëèöà 6.5. Ðåçóëüòàòû âûáîðà êîíòàêòîðîâ
Òèï òåïëîâîãî ðåëå
Òàáëèöà 6.6. Ðåçóëüòàòû âûáîðà òåïëîâûõ ðåëå
ÒÐÍ-25 ÒÐÍ-25 ÒÐÍ-25 ÒÐÍ-40 ÒÐÍ-40 ÒÐÍ-40
2 2 2 2 2 2
16 20 25 16 20 25
ÑÌÅÍ ÑÌÅÍ ÑÌÅÍ ÑÌÅÍ ÑÌÅÍ ÑÌÅÍ
ÐÓ× ÐÓ× ÐÓ× ÐÓ× ÐÓ× ÐÓ×
IP00 IP00 IP00 IP00 IP00 IP00
12–20 15–25 18,7–25 12–20 15–25 18,7–31,2
3. Âûáîð àïïàðàòîâ ïî òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèì êðèòåðèÿì. ÓÕË3 2ç-2ð IP00 ÀÑ-4 16 ÌÊ1-30Ó3À Ñîãëàñíî èñõîäíûì äàííûì â êà÷åñòâå òåõíèêîÓÕË3 2ç-2ð IP00 ÀÑ-4 16 ÌÊ1-30Ó3Á ýêîíîìè÷åñêèõ êðèòåðèåâ çàäàíû êîììóòàöèîííàÿ ÓÕË3 2ç-2ð IP00 ÀÑ-4 25 ÌÊ2-30Ó3À èçíîñîñòîéêîñòü (ñ âåñîì” ïàðàìåòðà – 0,7) ÓÕË3 2ç-2ð IP00 ÀÑ-4 25 ÌÊ2-30Ó3Á ” è ìàññà àïïàðàòà (ñ âåñîì” – 0,3). ÓÕË3 1ç-2ç; IP00 ÀÑ-4 16 ÊÒ6000/01 ” Ñ ó÷åòîì ýòèõ êðèòåðèåâ ïðîâåäåí îïòèìèçàöè3ç-3ð 1ç-0ð Ì; ÎÌ IP00 ÀÑ-3 25 ÊÌ 2311-7 îííûé ðàñ÷åò. Ëó÷øèìè (îïòèìàëüíûìè) àïïàðà2ç-0ð Ì; ÎÌ IP00 ÀÑ-3 25 ÊÌ 2311-8 òàìè ÿâëÿþòñÿ: ìàãíèòíûé ïóñêàòåëü ÏÌË 221002, 1ç-1ð Ì; ÎÌ IP00 ÀÑ-3 25 ÊÌ 2311-9 êîíòàêòîð ÌÊ2-30Ó3À è òåïëîâîå ðåëå ÒÐÍ-25. Âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ïî îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì è òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñÏðîâåðêà êîíòàêòîðîâ íà ðàáîòîñïîñîáíîñòü êèì ïîêàçàòåëÿì ïðîâîäèëñÿ íà ÏÝÂÌ ñ èñïîëüâ êàòåãîðèÿõ ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-3 è ÀÑ-4 ïîêàçàëà, çîâàíèåì áàç äàííûõ îòå÷åñòâåííûõ àïïàðàòîâ óï÷òî êîíòàêòîðû ÌÊ2-30 ìîãóò ðàáîòàòü â êàòåãîðèè ðàâëåíèÿ è çàùèòû è ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ áàçîé ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-4, êîíòàêòîðû ÊÌ 2311 – â êàòåäàííûõ Âûáîð 2.2”, ðàçðàáîòàííîé â ÌÝÈ [73]. ãîðèè ïðèìåíåíèÿ ÀÑ-3. ” Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 1. Ïî êàêèì îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì âûáèðàþò êîíòàêòîðû è ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè? 2. Êàêèå àâàðèéíûå ðåæèìû èìåþò ìåñòî â àñèíõðîííûõ äâèãàòåëÿõ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì? Ñïîñîáû çàùèòû îò íèõ. 3. ×òî òàêîå òîê íåñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ðåëå? 4. Êàê ïðîâåðÿåòñÿ ïðàâèëüíîñòü âûáîðà êîíòàêòîðà (ìàãíèòíîãî ïóñêàòåëÿ) â çàäàííîé êàòåãîðèè
èõ ïðèìåíåíèÿ (íà ïðèìåðå óïðàâëåíèÿ àñèíõðîííûì äâèãàòåëåì) ? 5. Êàê âûáèðàåòñÿ òåïëîâîå ðåëå èç óñëîâèÿ íîðìàëüíîãî ïóñêà àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì? 6. Êàêèå òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèå ïîêàçàòåëè àïïàðàòîâ èçâåñòíû? ×òî îíè õàðàêòåðèçóþò?
174
§ 6.4. Ìåòîäèêà âûáîðà àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé 6.4. ÌÅÒÎÄÈÊÀ ÂÛÁÎÐÀ ÀÂÒÎÌÀÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ ÄËß ÇÀÙÈÒÛ ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÖÅÏÅÉ È ÝËÅÊÒÐÎÓÑÒÀÍÎÂÎÊ
Îñíîâíûì ýëåìåíòîì âûêëþ÷àòåëÿ, êîòîðûé êîíòðîëèðóåò ñîñòîÿíèå öåïè è âûäàåò êîìàíäó íà îòêëþ÷åíèå ïðè íàëè÷èè íåíîðìàëüíûõ ðåæèìîâ, ÿâëÿåòñÿ âñòðîåííûé â íåãî ðàñöåïèòåëü. Ðàñöåïèòåëü âûïîëíÿåò ðîëü èçìåðèòåëüíîãî îðãàíà è â çàâèñèìîñòè îò åãî òèïà çàùèùàåò öåïü îò òîé èëè èíîé àâàðèéíîé ñèòóàöèè. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ðàñöåïèòåëè âûïîëíÿþò ôóíêöèè çàùèòû öåïè îò áîëüøèõ ïåðåãðóçîê ïî òîêó èëè îò ÊÇ. Òåïëîâûå ðàñöåïèòåëè ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ çàùèòû â îáëàñòè ïåðåãðóçîê, â 5÷7 ðàç ïðåâûøàþùèõ íîìèíàëüíûé òîê. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ðàñöåïèòåëè èìåþò øèðîêèé ñïåêòð âûïîëíÿåìûõ çàùèòíûõ ôóíêöèé (çàùèòà îò ÊÇ, ïåðåãðóçîê ïî òîêó) ñ áîëüøèìè âîçìîæíîñòÿìè ðåãóëèðîâêè. Ìèíèìàëüíûå è íóëåâûå ðàñöåïèòåëè âûïîëíÿþò çàùèòíûå ôóíêöèè îò ïîíèæåíèÿ íàïðÿæåíèÿ â ñåòè. Íàïðèìåð, ìèíèìàëüíûé ðàñöåïèòåëü îáåñïå÷èâàåò îòêëþ÷åíèå âûêëþ÷àòåëÿ ïðè íàïðÿæåíèè 70÷35% íîìèíàëüíîãî, à íóëåâîé ðàñöåïèòåëü – ïðè 35÷10% íîìèíàëüíîãî. Ìèíèìàëüíûå ðàñöåïèòåëè ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ äëÿ äèñòàíöèîííîãî îòêëþ÷åíèÿ àâòîìàòà. Íåçàâèñèìûå ðàñöåïèòåëè ñëóæàò äëÿ äèñòàíöèîííîãî óïðàâëåíèÿ (îòêëþ÷åíèÿ) àâòîìàòè÷åñêèì âûêëþ÷àòåëåì. Ñîâðåìåííûå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè èìåþò âñòðîåííûå ðàñöåïèòåëè, óñòàíàâëèâàåìûå çàâîäîì-èçãîòîâèòåëåì è ðàññ÷èòàííûå íà çàäàííûå íîìèíàëüíûå òîêè. Íîìèíàëüíûé òîê ðàñöåïèòåëÿ (Iíîì.ð) îòëè÷àåòñÿ îò íîìèíàëüíîãî òîêà âûêëþ÷àòåëÿ (Iíîì.à), íî íå ïðåâîñõîäèò åãî. Àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü ÀÊ63 íà íîìèíàëüíûé òîê 63 À ìîæåò áûòü óêîìïëåêòîâàí ðàñöåïèòåëÿìè, ðàññ÷èòàííûìè íà òîêè 0,63–63 À. Ïîýòîìó âûáîð âûêëþ÷àòåëÿ ïðîèçâîäèòñÿ ïî íîìèíàëüíîìó òîêó åãî ðàñöåïèòåëÿ. Âûêëþ÷àòåëè ñ ìàêñèìàëüíûì òîêîâûì ðàñöåïèòåëåì ñíàáæåíû îòñå÷êîé, êðàòíîñòü óñòàâêè êîòîðîé ïî îòíîøåíèþ ê íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ îòñòðàèâàåòñÿ îò ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîãî ïðåâûøåíèÿ òîêà íàä íîìèíàëüíûì çíà÷åíèåì â ïðîöåññå íîðìàëüíîé ðàáîòû ïîòðåáèòåëÿ. Äëÿ àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì îòñå÷êà âûêëþ÷àòåëÿ îòñòðàèâàåòñÿ îò óäàðíîãî ïóñêîâîãî òîêà äâèãàòåëÿ, íà 10÷20% ïðåâûøàÿ åãî çíà÷åíèå, ò. å.
Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ÿâëÿþòñÿ ñàìûìè ðàñïðîñòðàíåííûìè àïïàðàòàìè çàùèòû öåïåé è ïîòðåáèòåëåé îò àâàðèéíûõ ðåæèìîâ (ñì. § 4.4). Îíè òàêæå ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ íå÷àñòûõ âêëþ÷åíèé è îòêëþ÷åíèé òîêîâ íàãðóçêè (íîìèíàëüíûõ òîêîâ). Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ðåêîìåíäóåòñÿ âûáèðàòü ïî ñëåäóþùèì îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì (ñì.ï.6.1.3): íàçíà÷åíèþ, îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ è èñïîëíåíèþ; ðîäó òîêà è ÷èñëó ãëàâíûõ êîíòàêòîâ; òèïó ðàñöåïèòåëÿ, âñòðîåííîãî â âûêëþ÷àòåëü; íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ; êðàòíîñòè óñòàâêè òîêà îòñå÷êè ê íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ (äëÿ ìàêñèìàëüíî-òîêîâûõ ðàñöåïèòåëåé); íîìèíàëüíîé óñòàâêå íà òîê ñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ðàñöåïèòåëÿ (äëÿ òåïëîâûõ ðàñöåïèòåëåé); âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ðàñöåïèòåëÿ â ðåæèìå ïåðåãðóçêè; ïðåäåëüíîé êîììóòàöèîííîé ñïîñîáíîñòè âûêëþ÷àòåëÿ; òèïó ïðèñîåäèíåíèÿ ïîäâîäÿùèõ ïðîâîäíèêîâ; âèäó ïðèâîäà âûêëþ÷àòåëÿ; ñïîñîáó óñòàíîâêè âûêëþ÷àòåëÿ â íèçêîâîëüòíîå êîìïëåêòíîå óñòðîéñòâî; êëèìàòè÷åñêîìó èñïîëíåíèþ, êàòåãîðèè ðàçìåùåíèÿ è ñòåïåíè çàùèòû; ÷èñëó îáùèõ öèêëîâ êîììóòàöèè è ÷èñëó êîììóòàöèé ïîä íàãðóçêîé. Ðàçíîîáðàçèå òåõíè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé äåëàåò èõ âûáîð äîñòàòî÷íî ñëîæíûì è òðóäîåìêèì. Ïî èñïîëíåíèþ àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ðàçëè÷àþòñÿ íà íåòîêîîãðàíè÷èâàþùèå, òîêîîãðàíè÷èâàþùèå è ñåëåêòèâíûå [51]. Íåòîêîîãðàíè÷èâàþùèå âûêëþ÷àòåëè îòêëþ÷àþò öåïü, êîãäà êîðîòêîå çàìûêàíèå äîñòèãàåò óñòàíîâèâøåãîñÿ îæèäàåìîãî çíà÷åíèÿ. Òîêîîãðàíè÷èâàþùèå âûêëþ÷àòåëè îãðàíè÷èâàþò òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ ïóòåì áûñòðîãî ââåäåíèÿ â öåïü äîïîëíèòåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè è ïîñëåäóþùåãî áûñòðîãî îòêëþ÷åíèÿ êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Ïðè ýòîì òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ íå äîñòèãàåò îæèäàåìîãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ. Ïîäîáíûå âûêëþ÷àòåëè èìåþò ñïåöèàëüíóþ êîíòàêòíóþ ñèñòåìó è îòëè÷àþòñÿ ïîâûøåííûì áûñòðîäåéñòâèåì. Ñåëåêòèâíûå âûêëþ÷àòåëè ïîçâîëÿþò â ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè ðåãóëèðîâàòü òîê è âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ ìàêñèìàëüíîé òîêîâîé çàùèòû. Ýòî äàåò âîçìîæíîñòü îñóùåñòâèòü ñåëåêòèâíóþ (èçáèðàòåëüíóþ) çàùèòó ïîòðåáèòåëåé è öåïåé (ñì. § 4.4). Òîêîîãðàíè÷èâàþùèå è ñåëåêòèâíûå âûêëþ÷àòåëè ÿâëÿþòñÿ áîëåå ñëîæíûìè è äîðîãîñòîÿùèìè àïïàðàòàìè è èõ ïðèìåíåíèå äîëæíî áûòü òåõíè÷åñêè è ýêîíîìè÷åñêè îáîñíîâàíî.
I0 = (1,1 ÷ 1,2)Ióä.ï .
(6.15)
Ïðè ýòîì íîìèíàëüíàÿ îòñå÷êà àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ Iíîì.0 äîëæíà áûòü íå ìåíüøå I0, íî íå 175
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
Âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ðàñöåïèòåëÿ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ íàõîäèòñÿ èç åãî çàùèòíîé õàðàêòåðèñòèêè ïî òîêó ïåðåãðóçêè, äëèòåëüíî ïðîòåêàþùåìó â öåïè.  âûêëþ÷àòåëÿõ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ äâà òèïà ïðèñîåäèíåíèÿ: ïåðåäíåå è çàäíåå, à ñàìè âûêëþ÷àòåëè ðàñïîëàãàþòñÿ â ðàñïðåäåëèòåëüíîì óñòðîéñòâå â ñòàöèîíàðíîì èëè âûäâèæíîì èñïîëíåíèè. Âûêëþ÷àòåëè ìîãóò ñíàáæàòüñÿ ðó÷íûì èëè äâèãàòåëüíûì è ýëåêòðîìàãíèòíûì ïðèâîäàìè â çàâèñèìîñòè îò òèïà âûêëþ÷àòåëÿ è åãî íîìèíàëüíîãî òîêà. Îñòàëüíûå òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé ïîäðîáíî îïèñàíû â ï. 6.1.3.
äîëæíà ïðåâûøàòü ìèíèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ òîêà ÊÇ â öåïè.  êàòàëîãàõ íà àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè çíà÷åíèÿ îòñå÷êè ïðèâîäÿòñÿ â àáñîëþòíûõ èëè â îòíîñèòåëüíûõ (â êðàòíîñòÿõ ê íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ) çíà÷åíèÿõ. Íîìèíàëüíàÿ óñòàâêà íà òîê ñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ðàñöåïèòåëÿ âûêëþ÷àòåëÿ Iíîì.ò ðàâíà ñðåäíåìó çíà÷åíèþ ìåæäó òîêîì íåñðàáàòûâàíèÿ ðàñöåïèòåëÿ – 1,1Iíîì.ð è íîðìèðîâàííûì çíà÷åíèåì òîêà ñðàáàòûâàíèÿ – 1,45Iíîì.ð ò. å. Iíîì.ò = (1,1Iíîì.ð + 1,45Iíîì.ð) ⁄ 2 .
(6.16)
ÏÐÈÌÅÐ 2. ÂÛÁÎÐ ÀÂÒÎÌÀÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ Ñ Ó×ÅÒÎÌ ÑÅËÅÊÒÈÂÍÎÑÒÈ ÈÕ ÐÀÁÎÒÛ Ìîùíîñòü ïèòàþùåãî òðàíñôîðìàòîðà Ò1 Síîì 1000 êÂ.À Íàïðÿæåíèå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ Uê 5,5% Ñîîòíîøåíèå ñîïðîòèâëåíèé ïèòàþùåé ñèñòåìû è òðàíñôîðìàòîðà xc/xò 0,1 Äëèíà ñîåäèíèòåëüíîãî êàáåëÿ l2 100 ì l3 20 ì Ìàòåðèàë êàáåëÿ àëþìèíèé
Âûáðàòü àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ñ ìàêñèìàëüíûì òîêîâûì ðàñöåïèòåëåì (îòñå÷êîé) äëÿ ñåëåêòèâíîé çàùèòû öåïè ðàäèàëüíîé ñõåìû ïèòàíèÿ ýëåêòðîäâèãàòåëåé ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì (ñì.ðèñ. 6.2) ïðè âîçíèêíîâåíèè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ íà çàæèìàõ äâèãàòåëÿ Ì2, ó÷èòûâàÿ, ÷òî äâèãàòåëè â ñõåìå îäèíàêîâû (ñì.ïðèìåð 1). Ïàðàìåòðû ñõåìû ñëåäóþùèå:
ÏÎÑËÅÄÎÂÀÒÅËÜÍÎÑÒÜ ÂÛÁÎÐÀ ÀÏÏÀÐÀÒÎÂ
xê2 = xóä2 l2 = 0,061 ⋅ 100 = 6,1 ìÎì.
1. Ïðåäâàðèòåëüíûé ðàñ÷åò. Îïðåäåëÿþòñÿ ïàðàìåòðû íàãðóçêè, â äàííîì ñëó÷àå íîìèíàëüíûé è ïóñêîâîé òîêè äâèãàòåëÿ Ì2: Iíîì.äâ = 15,1 À; Iï = 98,2 À;
Àêòèâíîå è èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèÿ òðàíñôîðìàòîðà 6(10)/0,4 ê ìîùíîñòüþ 630 êÂ.À, íàïðÿæåíèåì ÊÇ – 5,5% ïðè ñîåäèíåíèè îáìîòîê òðåóãîëüíèê-çâåçäà ñ íåéòðàëüþ [68]:
Ióä.ï = 180,5 À .
rò = 2 ìÎì; xò = 8,6 ìÎì.
Îïðåäåëÿåòñÿ îæèäàåìûé òîê â öåïè ïðè òðåõôàçíîì êîðîòêîì çàìûêàíèè íà çàæèìàõ äâèãàòåëÿ â òî÷êå 1, íà ñáîðêå â òî÷êå 2 è íà çàæèìàõ ÊÒÏ â òî÷êå 3 (ñì.ðèñ. 6.2). Äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî âûáðàòü ñå÷åíèå ñîåäèíèòåëüíûõ êàáåëåé l2 è l3. Ñîãëàñíî [69] âûáèðàåì àëþìèíèåâûå òðåxæèëüíûå êàáåëè ñ ðåçèíîâîé èçîëÿöèåé, ïðîëîæåííûå â îäíîé òðóáêå. Èõ ñå÷åíèÿ, äëÿ ó÷àñòêà l2 = 2,5 ìì2, äëÿ l3 = 8 ìì2. Ïðè ýòîì óäåëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå êàáåëåé ñ àëþìèíèåâûìè æèëàìè ïðè òåìïåðàòóðå ïðîâîäíèêà 65 °C ñîñòàâëÿåò [68]: róä3 = 9,61 ìÎì ⁄ ì; xóä3 = 0,092 ìÎì/ì;
Ïðèíèìàÿ ïåðåõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå êîíòàêòîâ ðàâíûì 15 ìÎì íàõîäèì ñóììàðíûå àêòèâíîå è èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèÿ îò òðàíñôîðìàòîðà Ò1 äî ìåñòà ÊÇ (òî÷êå 1): rêç = rò + rê3 + rê2 + rïê = = 2 + 192,2 + 110 + 15 = 319,2 ìÎì ; xêç = xñ + xò + xê3 + xê2 = = 0,1. 8,6 + 8,6 + 1,84 + 6,1 = 17,4 ìÎì . Ìîäóëü ïîëíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äî ìåñòà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ ñîñòàâèò: zêç =
róä2 = 1,1 ìÎì ⁄ ì ; xóä2 = 0,061 ìÎì/ì. Àêòèâíîå è èíäóêòèâíîå ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå êàáåëåé: rê3 = róä3 l3 = 9,61 ⋅ 20 = 192,2 ìÎì; xê3 = xóä3 l3 = 0,0092 ⋅ 20 = 1,84 ìÎì; rê2 = róä2 l2 = 1,1 ⋅ 1000 = 110 ìÎì;
√ x 2êç + r 2êç
=
√ 17,42 + 319,22
= 319,7 ìÎì .
Òîê òðåõôàçíîãî êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â òî÷êå 1 ðàâåí: Uíîì.ë
380 = = 686 À. √3 zêç √ 3 ⋅ 319,7 ⋅ 10− 3 Òîê äâóõôàçíîãî êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â öåïÿõ ñ èçîëèðîâàííîé íåéòðàëüþ ðàâåí:
I (3) êç1 =
176
§ 6.4. Ìåòîäèêà âûáîðà àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé
ã) èç óñëîâèÿ íîðìàëüíîãî ïóñêà (ñàìîçàïóñêà) àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ
= 594 À.
Óäàðíûé òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ ióä1 = kóä√ 2 ⋅ I
(3) êç1
I (3) êç ⁄ Iï ≥ 2 – ïðè ëåãêîì ïóñêå äâèãàòåëÿ (tï ≤ 5 ñ);
= 1⋅√ 2 ⋅ 686 = 970 À ,
I (3) êç ⁄ Iï ≥ 3,5 – ïðè òÿæåëîì ïóñêå äâèãàòåëÿ (tï > 5 ñ). 3)  äàííîì ñëó÷àå I (êç1 ⁄ Iï = 686/98,2 = 7 è óñëîâèå ñàìîçàïóñêà äâèãàòåëÿ âûïîëíÿåòñÿ. Âûáðàííûé òàêèì îáðàçîì àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü îòíîñèòñÿ ê êëàññó íåòîêîîãðàíè÷èâàþùèõ âûêëþ÷àòåëåé, òðåõïîëþñíîãî èñïîëíåíèÿ, ñ ýëåêòðîìàãíèòûì ðàñöåïèòåëåì, ðó÷íûì ïðèâîäîì, ñòàöèîíàðíîãî èñïîëíåíèÿ.  òàáë. 6.7 ïðèâåäåíû òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû âûáðàííîãî àïïàðàòà.
ãäå kóä = 1 ïðè xêç / rêç = 0,05. Àíàëîãè÷íî îïðåäåëÿåì òîê òðåõôàçíîãî êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â òî÷êå 2 (ñì.ðèñ. 6.2): rêç = rò + rê2 + rïê = 2 + 110 + 15 = 127 ìÎì ; xêç = xñ + xò + xê2 = . = 0,1 8,6 + 8,6 + 6,1 = 15,56 ìÎì ; zêç =
√ 15,562 + 127 2
I (3) êç2 =
380
3 √
⋅ 128 ⋅ 10
−3
= 128 ìÎì ; = 1714 À;
Òàáëèöà 6.7. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû âûáðàííûõ âûêëþ÷àòåëåé
ióä2 = 1 ⋅ √ 2 ⋅ 1714 = 2424 À . Çíàÿ ìîùíîñòü ïèòàþùåãî òðàíñôîðìàòîðà è ñîîòíîøåíèå xñ ⁄ xò, îïðåäåëÿåì òîê òðåõôàçíîãî êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ íà çàæèìàõ ÊÒÏ â òî÷êå 3. Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóåì èçâåñòíûå çàâèñèìîñòè [68]. Ïîëó÷èì: 3) I (êç3 = 12000 À.
Ïðè ýòîì ó÷èòûâàåòñÿ rïê. 2. Âûáîð àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ Q4 (ñì. ðèñ. 6.2). Àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü áëèæàéøèé ê çàùèùàåìîìó îáúåêòó (àñèíõðîííîìó äâèãàòåëþ Ì2) âûáèðàåòñÿ: à) ïî íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ Iíîì.ð ≥ Iíîì.äâ = 15,1 À; á) èç óñëîâèÿ íåñðàáàòûâàíèÿ îòñå÷êè ïðè ïóñêå äâèãàòåëÿ. Íîìèíàëüíàÿ îòñå÷êà ðàñöåïèòåëÿ âûêëþ÷àòåëÿ Q4 Iíîì.î.4 ≥ I0 = (1,1 ÷ 1,2) Ióä.ï;
Ïðåäåëüíàÿ êîììóòàöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü, êÀ
−3
⋅ 319,7 ⋅ 10
Êðàòíîñòü óñòàâêè òîêà îòñå÷êè ê íîìèíàëüíîìó
380
2 √
Íîìèíàëüíûé òîê ðàñöåïèòåëÿ, À
=
Òèï âûêëþ÷àòåëÿ
Uíîì.ë 2 zêç √
Àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü
I (2) êç1 =
Q4
ÂÀ14-26-34
20
10
4,5
Q3
ÂÀ14-26-34
32
10
3
Q1
À3716Ô
160
3,9
15
3. Âûáîð àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ Q3 (ñì. ðèñ. 6.2). Âûáîð àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ, çàùèùàþùåãî ðàñïðåäåëèòåëüíîå óñòðîéñòâî ÐÓ1, ïðîâîäèòñÿ â ñëåäóþùåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè: à) ïî íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ
I0 = 1,1.180,5 = 198,6 À . Âûáèðàåòñÿ àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü, íîìèíàëüíàÿ îòñå÷êà êîòîðîãî ïðåâûøàåò 198,6 À, ëèáî êðàòíîñòü óñòàâêè òîêà îòñå÷êè ê íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ ïðåâûøàåò 198,6/Iíîì.ð. Ïîäîáíûì òðåáîâàíèÿì óäîâëåòâîðÿåò âûêëþ÷àòåëü ÂÀ14-26-34 ñ íîìèíàëüíûì òîêîì ðàñöåïèòåëÿ 20 À è íîìèíàëüíîé îòñå÷êîé íà 200 À (êðàòíîñòü óñòàâêè òîêà îòñå÷êè ê íîìèíàëüíîìó – 10); â) ïî ïðåäåëüíîé êîììóòàöèîííîé ñïîñîáíîñòè âûêëþ÷àòåëÿ, çíà÷åíèå êîòîðîãî äîëæíî áûòü íå ìåíüøå òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â òî÷êå 1 – 3) I (êç1 = 686 À. Âûáðàííûé âûêëþ÷àòåëü èìååò ïðåäåëüíóþ êîììóòàöèîííóþ ñïîñîáíîñòü, ðàâíóþ 4,5 êÀ;
Iíîì.ð ≥ Iíîì , ãäå Iíîì – íîìèíàëüíûé òîê â ëèíèè l2, Iíîì = 30,2 À. Âûáèðàåòñÿ âûêëþ÷àòåëü ñ íîìèíàëüíûì òîêîì ðàñöåïèòåëÿ Iíîì.ð = 32 À. á) ïî íîìèíàëüíîé îòñå÷êå ðàñöåïèòåëÿ àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ Q3 Iíîì.î3 ≥ kí.îIíîì.î4 , ãäå kí.î – êîýôôèöèåíò íàäåæíîñòè ñîãëàñîâàíèÿ, ïðèíèìàåòñÿ ðàâíûì 1,3÷1,5 èëè ðàññ÷èòûâàåòñÿ ñ ó÷åòîì ðàçáðîñîâ ñðàáàòûâàíèÿ îòñå÷åê (ñì.[70]). 177
Ãë. 6. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
 äàííîì ñëó÷àå I∑íîì ≈ 136 À. Âûáèðàåòñÿ âûêëþ÷àòåëü ñåðèè À3716Ô ñ íîìèíàëüíûì òîêîì ðàñöåïèòåëÿ Iíîì.ð = 160 À. á) ïî íîìèíàëüíîé îòñå÷êå ðàñöåïèòåëÿ àâòîìàòà Q1:
Òîê íîìèíàëüíîé îòñå÷êè ðàñöåïèòåëÿ âûêëþ÷àòåëÿ Q3 îïðåäåëÿåòñÿ Iíîì.î3 = 1,3. 200 = 260 À . Ïðè ýòîì êðàòíîñòü óñòàâêè òîêà îòñå÷êè ê íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ âûáèðàåòñÿ ðàâíîé 10. â) ïðîâåðÿåòñÿ âûêëþ÷àòåëü Q3 íà ñïîñîáíîñòü êîììóòèðîâàòü òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ â òî÷êå 2 3) = 1714 À. I (êç2 Òîê ïðåäåëüíîé êîììóòàöèîííîé ñïîñîáíîñòè âûáðàííîãî âûêëþ÷àòåëÿ ñîñòàâëÿåò 3 êÀ, ÷òî 3) . âûøå òîêà I (êç2  êà÷åñòâå âûêëþ÷àòåëÿ Q3 âûáèðàåòñÿ àíàëîãè÷íûé Q4 òèï àïïàðàòà, òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû êîòîðîãî ïðèâåäåíû â òàáë. 6.7. 4. Âûáîð àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ Q1 (ñì. ðèñ. 6.2). Âûêëþ÷àòåëü, ðàñïîëîæåííûé íà ÊÒÏ, çàùèùàåò ñèëîâîé òðàíñôîðìàòîð è ýíåðãîñèñòåìó è äîëæåí îòëè÷àòüñÿ âûñîêîé íàäåæíîñòüþ ðàáîòû. Êàê ïðàâèëî, ýòî ñåëåêòèâíûå âûêëþ÷àòåëè. Îíè âûáèðàþòñÿ: à) ïî íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ Iíîì.ð ≥ I∑íîì ,
Iíîì.î1 ≥ kí.îIíîì.î2 , ãäå Iíîì.î3 – íàèáîëüøèé èç òîêîâ ñðàáàòûâàíèÿ îòñå÷åê íèæåñòîÿùèõ âûêëþ÷àòåëåé, ò. å. ïðèíèìàåòñÿ: Iíîì.î1 ≥ 1,3 ⋅ 260 = 338 À . Êðàòíîñòü óñòàâêè òîêà îòñå÷êè ê íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ âûáèðàåì ðàâíîé 3,9. â) èç óñëîâèÿ îòêëþ÷åíèÿ òîêà òðåõôàçíîãî êî3) = 12000 À. ðîòêîãî çàìûêàíèÿ â òî÷êå 3 – I (êç3 Òîê ïðåäåëüíîé êîììóòàöèîííîé ñïîñîáíîñòè âûáðàííîãî âûêëþ÷àòåëÿ äîñòèãàåò 15 êÀ. Åñëè ñîãëàñîâàòü îòñå÷êè âñåõ âûêëþ÷àòåëåé â öåïè íå óäàñòñÿ, òî âûêëþ÷àòåëü íà ÊÒÏ âûáèðàåòñÿ ñåëåêòèâíûì ïî âðåìåíè. Ïðè ýòîì òîê ìãíîâåííîãî ñðàáàòûâàíèÿ òðåòüåé ñòóïåíè çàùèòû (âûêëþ÷àòåëÿ Q1) Iñ.ìãí äîëæåí ïðåâîñõîäèòü 3) I (êç3 â òî÷êå 3 [68]. Òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû âûáðàííîãî âûêëþ÷àòåëÿ ïðèâåäåíû â òàáë. 6.7.
ãäå I∑íîì – ñóììàðíûé òîê, ïðîòåêàþùèé â öåïè âûêëþ÷àòåëÿ Q1, ïðè îäíîâðåìåííîé ðàáîòå âñåõ äâèãàòåëåé.
ÏÐÈÌÅÐ 3. ÂÛÁÎÐ ÀÂÒÎÌÀÒÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËß ÄËß ÇÀÙÈÒÛ ÖÅÏÈ ÎÒ ÊÇ È ÏÅÐÅÃÐÓÇÊÈ Â ÀÑÈÍÕÐÎÍÍÎÌ ÄÂÈÃÀÒÅËÅ
Iíîì.ð ≥ Iíîì.äâ = 15,1 À .
Âûáðàòü àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü ñ ìàêñèìàëüíûì òîêîâûì è òåïëîâûì ðàñöåïèòåëÿìè â öåïè ïèòàíèÿ àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ 4À. Ïàðàìåòðû äâèãàòåëÿ, ýëåêòðè÷åñêîé öåïè, à òàêæå ðåçóëüòàòû èõ ïðåäâàðèòåëüíîãî ðàñ÷åòà ïðèâåäåíû â ïðèìåðàõ 1 è 2. Íåîáõîäèìî âûáðàòü àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü ñ ýëåêòðîìàãíèòíûì è òåïëîâûì ðàñöåïèòåëÿìè (ëèáî ñ êîìáèíèðîâàííûì ðàñöåïèòåëåì), îòâå÷àþùèé îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì è èìåþùèé íàèáîëüøóþ èçíîñîñòîéêîñòü (÷èñëî öèêëîâ êîììóòàöèè ïîä íàãðóçêîé) ñ âåñîâûì êîýôôèöèåíòîì ïîêàçàòåëÿ 0,8 è íàèìåíüøèé îáüåì ñ âåñîâûì êîýôôèöèåíòîì 0,2. Ïîñëåäîâàòåëüíîñòü âûáîðà àïïàðàòîâ ñëåäóþùàÿ. 1. Âûáèðàåì íåòîêîîãðàíè÷èâàþùèé óñòàíîâî÷íûé âûêëþ÷àòåëü ñ ðó÷íûì ïðèâîäîì, ñòàöèîíàðíîãî èñïîëíåíèÿ è ïåðåäíèì ïðèñîåäèíåíèåì ïðîâîäîâ. 2. Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå âûêëþ÷àòåëÿ 380 Â, ñ òðåìÿ ãëàâíûìè êîíòàêòàìè. 3. Íîìèíàëüíûé òîê êîìáèíèðîâàííîãî ðàñöåïèòåëÿ âûáèðàåòñÿ èç óñëîâèÿ
Âûáèðàåì âûêëþ÷àòåëü ñåðèè ÀÅ2026 ñ ýëåêòðîìàãíèòíûì è òåïëîâûì ðàñöåïèòåëÿìè íà Iíîì.ð = = 16 À. 4. Êðàòíîñòü óñòàâêè òîêà îòñå÷êè ê íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ äîëæíà íàõîäèòñÿ â ïðåäåëàõ 198,6 I
íîì.ð
≈ 12 ≤
I
íîì.î
I
íîì.ð
≤
686 I
≈ 43.
íîì.ð
Âûáðàííûé âûêëþ÷àòåëü èìååò îòñå÷êó ðàâíóþ 12, ÷òî óäîâëåòâîðÿåò çàäàííûì óñëîâèÿì. 5. Ïðåäåëüíàÿ êîììóòàöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü âûêëþ÷àòåëÿ äîëæíà ïðåâûøàòü òîê êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ íà çàæèìàõ äâèãàòåëÿ I (êç3) = = 686 À. Ïðåäåëüíàÿ êîììóòàöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü âûáðàííîãî âûêëþ÷àòåëÿ äîñòèãàåò 2 êÀ, ÷òî âûøå òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. 6. Òåïëîâîé ýëåìåíò êîìáèíèðîâàííîãî ðàñöåïèòåëÿ ïðîâåðÿåòñÿ ïî íîìèíàëüíîé óñòàâêå íà òîê ñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ðàñöåïèòåëÿ. Ïðåäâàðèòåëüíî îïðåäåëÿåòñÿ òîê ñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ðàñöåïèòåëÿ ñîãëàñíî (6.16): 178
§ 6.4. Ìåòîäèêà âûáîðà àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé
Iñò = ( 1,1. 16 + 1,45. 16 ) / 2 = 20,4 À è èùåòñÿ áëèæàéøåå íîðìèðîâàííîå çíà÷åíèå Iíò. Îïðåäåëÿþòñÿ ïðåäåëû åãî ðåãóëèðîâàíèÿ (îíè ñîñòàâëÿþò 0,9–1,15). Ïî çàùèòíîé õàðàêòåðèñòèêå àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ îïðåäåëÿåòñÿ âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ tñð òåïëîâîãî ðàñöåïèòåëÿ ïðè ïåðåãðóçêå è ïðîâåðÿåòñÿ óñëîâèå ñîãëàñîâàíèÿ íàãðóçî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ è çàùèòíîé õàðàêòåðèñòèêè âûêëþ÷àòåëÿ: 1,5tï ≥ tñð ≥ tï ; 7,5 ≥ 6 > 5 .  òàáë. 6.8 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû âûáîðà âûêëþ÷àòåëåé ïî îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì. 7. Îïðåäåëèì íàèëó÷øèé, ñ ó÷åòîì çàäàííûõ òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé è èõ âåñà”, ” àïïàðàò, èñïîëüçóÿ ðåçóëüòàòû âûáîðà ïî îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì.  òàáë. 6.8 âûêëþ÷àòåëè ðàçìåùåíû ïî ìåðå óõóäøåíèÿ èõ òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé. Íàèáîëüøåå ïðåäïî÷òåíèå ñëåäóåò îòäàòü àâòîìàòè÷åñêîìó âûêëþ÷àòåëþ ñåðèè ÀÅ2026, óäîâëåòâîðÿþùåìó âñåì çàäàííûì òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèì óñëîâèÿì è èìåþùåìó íàèáîëüøåå ÷èñëî öèêëîâ êîììóòàöèè ïîä íàãðóçêîé ïðè íàèìåíüøåì îáúåìå âûêëþ÷àòåëÿ.
Òèï âûêëþ÷àòåëÿ
Íîìèíàëüíûé òîê ðàñöåïèòåëÿ, À
Êðàòíîñòü óñòàâêè òîêà îòñå÷êè ê íîìèíàëüíîìó
Ïðåäåëüíàÿ êîììóòàöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü, êÀ
Íîìèíàëüíûé òîê âûêëþ÷àòåëÿ, À
Òàáëèöà 6.8. Ðåçóëüòàòû âûáîðà âûêëþ÷àòåëåé ïî òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì
ÀÅ2026 ÀÅ2046Ì ÀÅ2046 ÀÅ2053Ì ÀÅ2056Ì ÀÅ2063 ÀÅ2066
16 16 16 16 16 16 16
12 12 12 12 12 12 12
2 4,5 3 3,5 3,5 3,5 3,5
16 63 63 100 100 160 160
Âûáîð àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé â ðàññìîòðåííûõ ïðèìåðàõ ïðîâîäèëñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì áàç äàííûõ è ÑÓÁÄ Âûáîð 2.2” [73]. ”
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû 5. Êàê âûáèðàåòñÿ íîìèíàëüíàÿ óñòàâêà íà òîê ñðàáàòûâàíèÿ òåïëîâîãî ðàñöåïèòåëÿ âûêëþ÷àòåëÿ? 6. ×òî òàêîå ñåëåêòèâíîñòü âûêëþ÷àòåëåé ïî òîêó? Êàê îíà ðåàëèçóåòñÿ â ðàäèàëüíîé ñõåìå ýëåêòðîñíàáæåíèÿ ïîòðåáèòåëåé? 7. Êàê ïàðàìåòðû ñîåäèíèòåëüíîãî êàáåëÿ è çàùèòíîé àïïàðàòóðû âëèÿþò íà óñëîâèÿ ïðÿìîãî ïóñêà àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñ êîðîòêîçàìêíóòûì ðîòîðîì?
1. Ïî êàêèì îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïàðàìåòðàì âûáèðàþò àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè? 2. Êàêèå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ïî èñïîëíåíèþ Âàì èçâåñòíû? Èõ îòëè÷èòåëüíûå îñîáåííîñòè è íàçíà÷åíèå. 3. ×òî òàêîå íîìèíàëüíûé òîê ðàñöåïèòåëÿ? Êàê îí ñîîòíîñèòñÿ ñ íîìèíàëüíûì òîêîì âûêëþ÷àòåëÿ? 4. ×òî òàêîå îòñå÷êà ìàêñèìàëüíîãî ðàñöåïèòåëÿ òîêà? Êàê âûáèðàåòñÿ êðàòíîñòü óñòàâêè òîêà îòñå÷êè ê íîìèíàëüíîìó òîêó ðàñöåïèòåëÿ?
179
×àñòü âòîðàÿ ÑÈËÎÂÛÅ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ Ãëàâà ñåäüìàÿ ÑÈËÎÂÛÅ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÊËÞ×È 7.1. ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß ÎÁ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ÊËÞ×ÀÕ È ÁÅÇÄÓÃÎÂÎÉ ÊÎÌÌÓÒÀÖÈÈ 7.1.1. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÊËÞ×È
êî÷àñòîòíûå, èìïóëüñíûå è äð.), à òàêæå ïî êîììóòèðóåìîé ìîùíîñòè (ìàëîé ìîùíîñòè, ñðåäíåé ìîùíîñòè, áîëüøîé ìîùíîñòè). Ñèëîâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû êëàññèôèöèðóþòñÿ ïî ñòåïåíè óïðàâëÿåìîñòè, ò. å. âîçìîæíîñòè ïåðåâåñòè ïðèáîð èç ïðîâîäÿùåãî ñîñòîÿíèÿ â íåïðîâîäÿùåå è îáðàòíî, âîçäåéñòâóÿ íà íåãî ñèãíàëîì óïðàâëåíèÿ ìàëîé ìîùíîñòè. Ïî ñòåïåíè óïðàâëÿåìîñòè ñèëîâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû ðàçäåëÿþò íà äâå ãðóïïû: íå ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûå ïðèáîðû, êîòîðûå ìîæíî ïåðåâîäèòü â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå, íî íå íàîáîðîò, íàïðèìåð, øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííûå îáûêíîâåííûå òèðèñòîðû (óñëîâíî ê ýòîé ãðóïïå ìîæíî îòíåñòè òàêæå è äèîäû, ñîñòîÿíèå êîòîðûõ îïðåäåëÿåòñÿ ïîëÿðíîñòüþ ïðèëîæåííîãî ê íèì íàïðÿæåíèÿ); ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûå ïðèáîðû, êîòîðûå ìîæíî ïåðåâîäèòü â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå è îáðàòíî ñèãíàëîì óïðàâëåíèÿ (íàïðèìåð, òðàíçèñòîðû èëè çàïèðàåìûå òèðèñòîðû). Ñèãíàë óïðàâëåíèÿ ýëåêòðîííîãî êëþ÷à ôîðìèðóåòñÿ ýëåêòðîííûì óñòðîéñòâîì (ôîðìèðîâàòåëåì), âõîäÿùèì â ñîñòàâ ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ (ÑÓ) àïïàðàòà, ïðåîáðàçîâàòåëÿ èëè äðóãîãî óñòðîéñòâà, ñîäåðæàùåãî ýëåêòðîííûé êëþ÷. Òàêîå óñòðîéñòâî èìåíóþò îêîíå÷íûì êàñêàäîì ÑÓ èëè ôîðìèðîâàòåëåì èìïóëüñîâ, à â òåõíè÷åñêîé ëèòåðàòóðå åãî ÷àñòî íàçûâàþò äðàéâåðîì” (àíãë. driver). Îñíîâíàÿ ôóíêöèÿ ” äðàéâåðà çàêëþ÷àåòñÿ â ôîðìèðîâàíèè ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ, íåîáõîäèìîãî äëÿ âêëþ÷åíèÿ èëè âûêëþ÷åíèÿ êëþ÷à ïðè âîçäåéñòâèè èíôîðìàöèîííîãî ñèãíàëà ìàëîé ìîùíîñòè. Ôóíêöèîíàëüíî äðàéâåð àíàëîãè÷åí ïðèâîäó ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî êîììóòàöèîííîãî àïïàðàòà. Ñèëîâûå ïðèáîðû ðàçäåëÿþò òàêæå âíóòðè îòäåëüíûõ ãðóïï ïî îñíîâíûì ïàðàìåòðàì, íàïðèìåð, ïî çíà÷åíèþ è ïîëÿðíîñòè âûäåðæèâàåìûõ íàïðÿæåíèé èëè äîïóñòèìûì òîêàì è äðóãèì õàðàêòåðíûì ïðèçíàêàì.
 ýëåêòðîííûõ àïïàðàòàõ îñíîâíûì ýëåìåíòîì, óïðàâëÿþùèì ïîòîêîì ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè, ÿâëÿþòñÿ êîììóòèðóþùèå ýëåêòðè÷åñêèå ñòàòè÷åñêèå èëè áåñêîíòàêòíûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è. Ôóíêöèè áåñêîíòàêòíûõ êëþ÷åé â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðåèìóùåñòâåííî âûïîëíÿþò ñèëîâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû. Ïîíÿòèå ñè” ëîâîé” îáîçíà÷àåò, ÷òî îñóùåñòâëÿåòñÿ óïðàâëåíèå ïîòîêîì ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè â îòëè÷èå îò ìèêðîýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ â ñèñòåìàõ óïðàâëåíèÿ, ñâÿçè, îáðàáîòêè è ïðåäîñòàâëåíèÿ èíôîðìàöèè, îñíîâíàÿ çàäà÷à êîòîðûõ óïðàâëÿòü ïîòîêîì èíôîðìàöèè. Ê ñèëîâûì ïîëóïðîâîäíèêîâûì ïðèáîðàì îòíîñÿòñÿ ïðèáîðû ñ ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìûì ñðåäíèì òîêîì ñâûøå 10 À èëè èìïóëüñíûì òîêîì ñâûøå 100 À. Ñèëîâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû ðàáîòàþò â êà÷åñòâå ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé â äâóõ ÿâíî âûðàæåííûõ ñîñòîÿíèÿõ – âêëþ÷åííîì, ñîîòâåòñòâóþùåì âûñîêîé ïðîâîäèìîñòè, è âûêëþ÷åííîì, ñîîòâåòñòâóþùåì íèçêîé ïðîâîäèìîñòè.  ýòèõ ðåæèìàõ èõ âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè (ÂÀÕ) ïîäîáíû õàðàêòåðèñòèêàì íåëèíåéíûõ ýëåìåíòîâ ðåëåéíîãî òèïà. Ôèçè÷åñêîé îñíîâîé áîëüøèíñòâà òàêèõ ïðèáîðîâ ÿâëÿþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûå ñòðóêòóðû ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè ýëåêòðîííîé ïðîâîäèìîñòè. Óïðàâëåíèå ýëåêòðîííîé ïðîâîäèìîñòüþ ïîçâîëÿåò îñóùåñòâëÿòü áåçäóãîâóþ êîììóòàöèþ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé. Ñèëîâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû ìîæíî êëàññèôèöèðîâàòü ïî ðàçëè÷íûì ïðèçíàêàì: ïðèíöèïó äåéñòâèÿ, ïðèìåíåíèþ è äð. Ïî ïðèíöèïó äåéñòâèÿ ñèëîâûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû ðàçäåëÿþòñÿ íà òðè îñíîâíûõ âèäà (äèîäû, òðàíçèñòîðû, òèðèñòîðû) è ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ãðóïïû, îïðåäåëÿåìûå îñîáåííîñòÿìè êîíñòðóêòèâíîãî è òåõíîëîãè÷åñêîãî èñïîëíåíèÿ, õàðàêòåðîì ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ è äð.  êàæäîé ãðóïïå ïðèáîðû ìîãóò êëàññèôèöèðîâàòüñÿ ïî ðàáî÷åé ÷àñòîòå (íèçêî÷àñòîòíûå, âûñî180
§ 7.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ îá ýëåêòðîííûõ êëþ÷àõ è áåçäóãîâîé êîììóòàöèè 7.1.2. ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÐÅÆÈÌÛ ÐÀÁÎÒÛ ÊËÞ×ÅÉ
ìóòàöèè èç ñëåäóþùèõ ñîîòíîøåíèé (áåç ó÷åòà ïîòåðü ìîùíîñòè íà óïðàâëåíèå)
Ñòàòè÷åñêèì ðåæèìîì ðàáîòû êëþ÷à íàçûâàåòñÿ ðåæèì ðàáîòû â îäíîì èç ñîñòîÿíèé: â âûêëþ÷åííîì èëè âêëþ÷åííîì. Ýòîò ðåæèì íàñòóïàåò ïîñëå çàâåðøåíèÿ ïðîöåññîâ êîììóòàöèè. Îäíîé èç îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê ðàáîòû êëþ÷à â ñòàòè÷åñêèõ ðåæèìàõ ÿâëÿåòñÿ ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ.  ï.7.1.1 ââåäåíî ïîíÿòèå èäåàëüíîãî êëþ÷à è åãî ñòàòè÷åñêîé ÂÀÕ (ðèñ. 7.1). Ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ, ñîïóòñòâóþùèå ñîñòîÿíèÿì ïðîâîäèìîñòè ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ, âëèÿþò íà ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ, êîòîðûå ñóùåñòâåííî óñòóïàþò àíàëîãè÷íûì õàðàêòåðèñòèêàì ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êîíòàêòîâ. Âî-ïåðâûõ, ïîëóïðîâîäíèêîâûå êëþ÷åâûå ïðèáîðû îáëàäàþò îäíîñòîðîííåé ïðîâîäèìîñòüþ òîêà è, êàê ïðàâèëî, ñïîñîáíû áëîêèðîâàòü íàïðÿæåíèå îäíîé ïîëÿðíîñòè, èñêëþ÷àÿ îòäåëüíûå èíòåãðàëüíûå èëè ãèáðèäíûå ïðèáîðû, ñî÷åòàþùèå êà÷åñòâà ðàçëè÷íûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ýëåìåíòîâ. Âî-âòîðûõ, áîëüøèíñòâî ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êëþ÷åé â ñîñòîÿíèè âûñîêîé ïðîâîäèìîñòè èìåþò ïðÿìîå íàïðÿæåíèå íå ìåíåå 0,7–1,5 Â, îáóñëîâëåííîå êîíòàêòíîé ðàçíîñòüþ ïîòåíöèàëîâ íà ãðàíèöå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ñëîåâ ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè ïðîâîäèìîñòè. Êðîìå òîãî, ÷åðåç ïîëóïðîâîäíèêîâûå êëþ÷è â âûêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè ïðîäîëæàþò ïðîòåêàòü îñòàòî÷íûå òîêè, ìåõàíèçì âîçíèêíîâåíèÿ è çíà÷åíèå êîòîðûõ çàâèñÿò îò òèïà ïðèáîðà, òåìïåðàòóðû, ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ è äð. Íà ðèñ. 7.2,à ïðèâåäåíà îáîáùåííàÿ äëÿ îòäåëüíûõ âèäîâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ.  çàâèñèìîñòè îò âèäà ïðèáîðà ÂÀÕ ìîæåò áûòü ñ ðàçëè÷íîé ñòåïåíüþ òî÷íîñòè îïèñàíà ñîîòâåòñòâóþùèìè àíàëèòè÷åñêèìè ôóíêöèÿìè, èçìåíÿþùèìèñÿ ýêñïîíåíöèàëüíî. Ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ïîòåðè àêòèâíîé ìîùíîñòè íà èíòåðâàëàõ âêëþ÷åííîãî è (èëè) âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ ïðèáîðà. Ýòè âèäû ïîòåðü íàçûâàþò ñòàòè÷åñêèìè, è â îáùåì âèäå îíè ìîãóò áûòü îïðåäåëåíû ïî ÂÀÕ ïðè ïåðèîäè÷åñêîé êîì-
Psñò = Psâêë + Psâûêë =
+
1 T
t1
∫i
sâêë(t)usâêë(t)dt
+
t0
t2 1 i (t)usâûêë(t)dt, T sâûêë t1
∫
(7.1)
ãäå t0 è t1 – ìîìåíòû âðåìåíè, ñîîòâåòñòâóþùèå âêëþ÷åíèþ è âûêëþ÷åíèþ êëþ÷à; T = t2 – t0 – ïåðèîä ðàáîòû êëþ÷à; tâêë = t1 – t0, tâûêë = t2 – t1 – äëèòåëüíîñòè âêëþ÷åííîãî è âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèé ñîîòâåòñòâåííî.  (7.1) ïðåäåëû èíòåãðèðîâàíèÿ ïðèíèìàþòñÿ áåç ó÷åòà èíòåðâàëîâ äèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ∆t, êîòîðûå ïðîòåêàþò ïðè ïåðåõîäå ïðèáîðà èç âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ âî âêëþ÷åííîå è íàîáîðîò (ò. å. ∆t = 0). Äëÿ óïðîùåíèÿ àíàëèçà ïîòåðü ñòàòè÷åñêóþ ÂÀÕ êëþ÷åâîãî ýëåìåíòà îáû÷íî ïîäâåðãàþò êóñî÷íî-ëèíåéíîé àïïðîêñèìàöèè. Àïïðîêñèìèðîâàííàÿ ÂÀÕ ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ ñîñòîèò èç äâóõ ó÷àñòêîâ ïðÿìûõ: ïåðâûé ñîîòâåòñòâóåò íàïðÿæåíèþ ∆U, âòîðîé – ëèíåéíîé õàðàêòåðèñòèêå ìàëîãî ñîïðîòèâëåíèÿ Rïð (ðèñ. 7.2,á). ÂÀÕ îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðåäñòàâëÿåòñÿ ëèíåéíîé õàðàêòåðèñòèêîé áîëüøîãî ñîïðîòèâëåíèÿ Rîáð.  ýòîì ñëó÷àå (7.1) ïðèíèìàåò âèä Psñò =
t1 1 i (t)[∆U T sâêë t0
∫
+
Ðèñ. 7.1. Èäåàëüíûé êëþ÷: à – óñëîâíîå îáîçíà÷åíèå êëþ÷à; á – ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ
181
+ isâêë(t)Rïð ] dt +
t2 2 1 [usâûêë(t)] T Rîáð t1
∫
dt .
(7.2)
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Ðèñ. 7.2. Ïðèìåð ñòàòè÷åñêèõ ÂÀÕ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êëþ÷åé: à – òèïîâàÿ ÂÀÕ äèîäà; á – àïïðîêñèìèðîâàííàÿ ÂÀÕ äèîäà; â – ñõåìû çàìåùåíèÿ äèîäà ïðè ðàçëè÷íûõ íàïðÿæåíèÿõ US
âêëþ÷åííûì èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ ∆U ñ ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûì ðåçèñòîðîì Rïð, äëÿ îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ – us ðåçèñòîðîì Rîáð, à â äèàïàçîíå íàïðÿæåíèé 0 < us < ∆U êëþ÷ ñîîòâåòñòâóåò èäåàëüíîìó ðàçðûâó, òàê êàê òîê ÷åðåç íåãî ðàâåí íóëþ (ðèñ. 7.2,â).
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðè ïðèíÿòîé àïïðîêñèìàöèè ÂÀÕ êëþ÷ ïåðåõîäèò â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè ïðè us > ∆U.  ýòîì ñëó÷àå åìó ñîîòâåòñòâóþò äâå ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû. Äëÿ ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ ñ ìîìåíòà íàñòóïëåíèÿ ïðîâîäÿùåãî ñîñòîÿíèÿ âñòðå÷íî-
7.1.3. ÄÈÍÀÌÈ×ÅÑÊÈÅ ÐÅÆÈÌÛ ÐÀÁÎÒÛ ÊËÞ×ÅÉ
Äèíàìè÷åñêèìèðåæèìàìè íàçûâàþò ðåæèìû ðàáîòû êëþ÷åé â ïðîöåññå ïåðåõîäà èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå. Ïîýòîìó ïðîòåêàþùèå ïðè ýòîì ýëåêòðîìàãíèòíûå ïðîöåññû íàçûâàþòñÿ ïåðåõîäíûìè. Îäíîé èç âàæíûõ õàðàêòåðèñòèê êëþ÷à â äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ ÿâëÿåòñÿ äèíàìè÷åñêàÿ âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà êëþ÷à. Äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ – ýòî çàâèñèìîñòè íàïðÿæåíèÿ îò òîêà íà êëþ÷å ïðè ïåðåõîäå åãî èç âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ â âûêëþ÷åííîå è íàîáîðîò. Îáùåå âðåìÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ çàâèñèò îò áûñòðîäåéñòâèÿ êëþ÷à è ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç âàæíåéøèõ ïàðàìåòðîâ. Áûñòðîäåéñòâèå ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé ñóùåñòâåííî ïðåâûøàåò áûñòðîäåéñòâèå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êîììóòàöèîí-
íûõ àïïàðàòîâ. Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé áëèçêè ê èäåàëüíûì, ÷òî è îïðåäåëèëî êà÷åñòâåííî íîâûå âîçìîæíîñòè èìïóëüñíîãî óïðàâëåíèÿ ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêèì ïîòîêîì ïîñðåäñòâîì âûñîêî÷àñòîòíûõ ïåðåêëþ÷åíèé ïî îïðåäåëåííûì çàêîíàì. Ïðè ýòîì áåçäóãîâàÿ êîììóòàöèÿ, ïðèñóùàÿ ýëåêòðîííûì êëþ÷àì, ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü ïðàêòè÷åñêè íåîãðàíè÷åííûé ðåñóðñ èõ ðàáîòû â êëþ÷åâûõ ðåæèìàõ ïðè âûñîêîé ÷àñòîòå. Îäíàêî ðåàëèçàöèÿ ýòèõ âîçìîæíîñòåé çàâèñèò îò âûïîëíåíèÿ îïðåäåëåííûõ òðåáîâàíèé, ïðåäúÿâëÿåìûõ ê äèíàìè÷åñêèì ÂÀÕ è òùàòåëüíîãî ó÷åòà âñåõ ôàêòîðîâ, âëèÿþùèõ íà íèõ. 182
§ 7.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ îá ýëåêòðîííûõ êëþ÷àõ è áåçäóãîâîé êîììóòàöèè
Äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ çàâèñÿò îò âíóòðåííèõ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðîííîãî êëþ÷à è îò ïàðàìåòðîâ êîììóòèðóåìîé öåïè (ðàññìàòðèâàåìîé äàëåå â âèäå ýëåêòðè÷åñêèõ ñõåì çàìåùåíèÿ). Àíàëèòè÷åñêîå îïèñàíèå äèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, àäåêâàòíî ó÷èòûâàþùåå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ â ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðàõ, ïðåäñòàâëÿåò ñëîæíóþ çàäà÷ó. Ïîýòîìó ïðè àíàëèçå ïðîöåññîâ ïåðåêëþ÷åíèÿ â ýëåêòðîííûõ êëþ÷àõ èñïîëüçóþòñÿ óïðîùåííûå ìàòåìàòè÷åñêèå ìîäåëè, ïîçâîëÿþùèå âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ ïîëó÷àòü ðåçóëüòàòû ñ äîñòàòî÷íîé äëÿ ïðàêòè÷åñêèõ öåëåé òî÷íîñòüþ. Íàïðèìåð, îáùåïðèíÿòûì ÿâëÿåòñÿ ïðåäñòàâëåíèå ýëåêòðîííîãî êëþ÷à íà èíòåðâàëå âêëþ÷åíèÿ èñòî÷íèêîì ëèíåéíî ñïàäàþùåãî íàïðÿæåíèÿ, à íà èíòåðâàëå âûêëþ÷åíèÿ – èñòî÷íèêîì ëèíåéíî ñïàäàþùåãî òîêà. Äëèòåëüíîñòè ñïàäà íàïðÿæåíèÿ è òîêà äî íóëÿ ñîîòâåòñòâåííî ïðèíèìàþòñÿ ðàâíûìè âðåìåíàì âêëþ÷åíèÿ t ïâêë è âûêëþ÷åíèÿ t ïâûêë ýëåêòðîííîãî êëþ÷à. Ñëåäóåò ðàçëè÷àòü îáîçíà÷åíèÿ âðåìåíè tâêë è tâûêë äëÿ äèíàìè÷åñêèõ è ñòàòè÷åñêèõ ðåæèìîâ. Äëÿ ñòàòè÷åñêèõ ðåæèìîâ òàê îáîçíà÷àåòñÿ âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî êëþ÷ íàõîäèòñÿ â âêëþ÷åííîì èëè âûêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè, à äëÿ äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìîâ – âðåìÿ ïåðåõîäà èç âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ âî âêëþ÷åííîå è íàîáîðîò. Äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ us è òîêà is òàêîé ìîäåëè ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 7.3. Äîïóñêàÿ ëèíåéíîñòü èõ èçìåíåíèé, ñîîòâåòñòâóþùèå ýêâèâàëåíòíûì èñòî÷íèêàì, íàïðÿæåíèå è òîê ìîãóò áûòü âûðàæåíû
is(t) = Is(1 − t ⁄ t ïâûêë) ,
(7.3)
ãäå E è Is – óñòàíîâèâøèåñÿ çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ è òîêà äî êîììóòàöèè; t ïâêë è t ïâûêë – âðåìåíà âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ ýëåêòðîííîãî êëþ÷à. Î÷åâèäíî, ÷òî òîê êëþ÷à ïðè âêëþ÷åíèè è íàïðÿæåíèå íà íåì ïðè âûêëþ÷åíèè áóäóò õàðàêòåðèçîâàòü ðåàêöèþ êîììóòèðóåìîé ñõåìû íà èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ êëþ÷à. Ðàññìîòðèì ýòè ïðîöåññû áîëåå ïîäðîáíî íà ïðèìåðå êîììóòàöèè ýëåêòðîííûì êëþ÷îì ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ñ ðàçëè÷íûì õàðàêòåðîì ïàññèâíîé íàãðóçêè H (ðèñ. 7.4). Äëÿ ýòîãî âîñïîëüçóåìñÿ ìåòîäîì ýêâèâàëåíòíûõ èñòî÷íèêîâ, øèðîêî ïðèìåíÿåìûì ïðè àíàëèçå ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ, âîçíèêàþùèõ ïðè êîììóòàöèè â ëèíåéíûõ öåïÿõ [77]. Ñîãëàñíî ýòîìó ìåòîäó òîê, âîçíèêàþùèé â öåïè íàãðóçêè ïðè ïîäêëþ÷åíèè åå ê èñòî÷íèêó íàïðÿæåíèÿ E, ìîæíî îïðåäåëèòü êàê ðåàêöèþ ïàññèâíîé öåïè (íå ñîäåðæàùåé èñòî÷íèêîâ òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ) íà ïîäêëþ÷åíèå ýêâèâàëåíòíîãî èñòî÷íèêà, íàïðÿæåíèå êîòîðîãî Uýêâ íàïðàâëåíî âñòðå÷íî íàïðÿæåíèþ õîëîñòîãî õîäà (íàïðÿæåíèþ íà ðàçîìêíóòîì êëþ÷å äî íà÷àëà ìîìåíòà âêëþ÷åíèÿ ïðè t = t0), ò. å. Us0 = E (ðèñ. 7.5), ãäå Us0 – íàïðÿæåíèå íà êëþ÷å äî ìîìåíòà êîììóòàöèè. Íàïðÿæåíèå ýêâèâàëåíòíîãî èñòî÷íèêà îïðåäåëÿåòñÿ uýêâ(t) = Us0 − us(t) = E − us(t) , (7.4) ãäå us(t) – íàïðÿæåíèå íà êëþ÷å íà èíòåðâàëå âêëþ÷åíèÿ [ñì.(7.3)].  ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìå òîê is, âîçíèêàþùèé â íàãðóçêå H, ñîâïàäàåò ñ òîêîì êëþ÷à S.
us(t) = E (1 − t ⁄ t ïâêë) ;
Ðèñ. 7.3. Äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ è òîêà ñ ýêâèâàëåíòíûìè ñõåìàìè ïðè âêëþ÷åíèè (à) è âûêëþ÷åíèè (á)
183
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
ãäå Is0 – òîê, ïðîòåêàþùèé â öåïè äî íà÷àëà ìîìåíòà êîììóòàöèè (t = t0); is(t) – òîê â êëþ÷å íà èíòåðâàëå âûêëþ÷åíèÿ, îïðåäåëÿåìûé (7.3). Ñëåäîâàòåëüíî, íàïðÿæåíèå íà êëþ÷å ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî êàê íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå uí,
Ïåðåõîäíûé ïðîöåññ ïðè âûêëþ÷åíèè êëþ÷à ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê ðåàêöèÿ ïàññèâíîé öåïè íà âîçäåéñòâèå ýêâèâàëåíòíîãî èñòî÷íèêà òîêà (ðèñ. 7.6.) iýêâ(t) = Is0 − is(t) = Is − is(t) , (7.5)
Ðèñ. 7.4. Ñõåìû êîììóòàöèè ýëåêòðîííûì êëþ÷îì: à – îáùàÿ ñõåìà; á – àêòèâíàÿ íàãðóçêà; â – àêòèâíî-èíäóêòèâíàÿ íàãðóçêà; ã – àêòèâíî-åìêîñòíàÿ íàãðóçêà
Ðèñ 7.5. Âêëþ÷åíèå íàãðóçêè: à – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà äî ìîìåíòà âêëþ÷åíèÿ (t ≤ t0 ); á – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ïðè âêëþ÷åíèè (t ≥ t0 )
184
§ 7.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ îá ýëåêòðîííûõ êëþ÷àõ è áåçäóãîâîé êîììóòàöèè
ãäå fê – ÷àñòîòà êîììóòàöèè (ïåðèîäè÷åñêèõ âêëþ÷åíèé è îòêëþ÷åíèé êëþ÷à S). Îáùèå ïîòåðè àêòèâíîé ìîùíîñòè â êëþ÷å ðàâíû ñóììå ñòàòè÷åñêèõ è äèíàìè÷åñêèõ ïîòåðü, ò. å. Ps = Psñò + Psä . (7.8)
âîçíèêàþùåå ïîä âîçäåéñòâèåì òîêà iýêâ. Òàêèì îáðàçîì, çíàÿ ïàðàìåòðû íàãðóçêè è ó÷èòûâàÿ (7.3– 7.5), ìîãóò áûòü îïðåäåëåíû òîê is ïðè âêëþ÷åíèè è íàïðÿæåíèå us ïðè âûêëþ÷åíèè. Çàâèñèìîñòè òîêà îò íàïðÿæåíèÿ ïðè âêëþ÷åíèè è íàïðÿæåíèÿ îò òîêà ïðè âûêëþ÷åíèè íàçûâàþòñÿ äèíàìè÷åñêèìè âîëüò-àìïåðíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ýëåêòðîííîãî êëþ÷à â êîíêðåòíîé ñõåìå. Èíîãäà èõ òàêæå íàçûâàþò òðàåêòîðèÿìè ïåðåêëþ÷åíèÿ èëè òðàåêòîðèÿìè êîììóòàöèè. Çíà÷åíèÿ us è is ïîçâîëÿþò îïðåäåëèòü ýíåðãèþ, âûäåëÿåìóþ â êëþ÷å íà èíòåðâàëàõ êîììóòàöèè
Õàðàêòåð íàãðóçêè è åå ïàðàìåòðû áóäóò ñóùåñòâåííî âëèÿòü íà äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ êëþ÷à, à, ñëåäîâàòåëüíî, íà ïîòåðè ýíåðãèè â íåì ïðè êîììóòàöèè.  ïðîñòåéøåì ñëó÷àå êîììóòàöèè àêòèâíîé íàãðóçêè (ðèñ. 7.7) èçìåíåíèÿ òîêà is è íàïðÿæåíèÿ us îïèñûâàþòñÿ ëèíåéíûìè ñîîòíîøåíèÿìè. Ñîãëàñíî (7.3) ñ ó÷åòîì (7.4) òîê, âîçíèêàþùèé ïðè âêëþ÷åíèè, â ñõåìå 7.7,à ìîæíî ïðåäñòàâèòü â ñëåäóþùåì âèäå
t1
Wêîì =
∫ u (t)i (t) dt . s
s
(7.6)
t0
Ïðè ïåðèîäè÷åñêîé êîììóòàöèè ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ïîòåðü îáóñëîâëåíà ïåðåõîäíûìè êîììóòàöèîííûìè ïðîöåññàìè è ïîýòîìó íàçûâàåòñÿ äèíàìè÷åñêîé è îïðåäåëÿåòñÿ
is =
uýêâ
R
=
E − us R
=
ï
E − E(1 − t ⁄ t âêë ) R
=
Et ï
R t âêë
ãäå t ïâêë = t1 − t0 (ðèñ. 7.7,â).
Psä = Psä.âêë + Psä.âûêë = (Wêîì.âêë + Wêîì.âûêë)fê , (7.7)
Ðèñ. 7.6. Âûêëþ÷åíèå íàãðóçêè: à – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà äî ìîìåíòà âûêëþ÷åíèÿ (t ≤ t0); á – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ïðè âûêëþ÷åíèè (t > t0)
185
, (7.9)
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Ðèñ. 7.7. Âêëþ÷åíèå àêòèâíîé íàãðóçêè: à, á – ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû; â, ã, ä, å – äèàãðàììû èçìåíåíèÿ òîêîâ, íàïðÿæåíèé è ìãíîâåííîé ìîùíîñòè; æ – äèíàìè÷åñêàÿ ÂÀÕ êëþ÷à
us = E − isR . (7.11) Èç (7.11) ñëåäóåò, ÷òî âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ íå âëèÿåò íà äèíàìè÷åñêóþ ÂÀÕ ïðè àêòèâíîé íàãðóçêå. Èñïîëüçóÿ àíàëîãè÷íûé ïîäõîä, ìîæíî îïèñàòü äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû ïðè âûêëþ÷åíèè àêòèâíîé íàãðóçêè (ðèñ. 7.8).  ýòîì ñëó÷àå us = iýêâR = (Is − is(t))R =
Ñîîòâåòñòâåííî, ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ ìîùíîñòè ïðè êîììóòàöèè pê(t) = us(t)is(t) è ýíåðãèè Wê îïðåäåëÿþòñÿ pê(t) = us(t)is(t) = ï
tâêë
Wê =
2
E R
t ï t âêë
−
∫u (t)i (t)dt = E 6Rt s
s
t
2
(t âêë)2
2 ï âêë
ï
.
;
(7.10)
=
0
Èñêëþ÷àÿ âðåìÿ èç (7.3) è (7.9), ïîëó÷èì àíàëèòè÷åñêîå âûðàæåíèå äèíàìè÷åñêîé ÂÀÕ êëþ÷à ïðè âêëþ÷åíèè àêòèâíîé íàãðóçêè
E R
− E 1 − R
t R ï t âûêë
=E
t ï
t âûêë
. (7.12)
Äèíàìè÷åñêàÿ ÂÀÕ ïðè âûêëþ÷åíèè àêòèâíîé íàãðóçêè òàêæå ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíîé è îïèñûâàåòñÿ âûðàæåíèåì àíàëîãè÷íûì (7.11). 186
§ 7.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ îá ýëåêòðîííûõ êëþ÷àõ è áåçäóãîâîé êîììóòàöèè
Ðèñ. 7.8. Âûêëþ÷åíèå àêòèâíîé íàãðóçêè: à, á – ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû; â, ã, ä, å – äèàãðàììû èçìåíåíèÿ òîêîâ, íàïðÿæåíèé è ìãíîâåííîé ìîùíîñòè; æ – äèíàìè÷åñêàÿ ÂÀÕ êëþ÷à
Ïðîöåññû êîììóòàöèè íàãðóçêè, ñîäåðæàùåé ðåàêòèâíûå ýëåìåíòû, ïðîòåêàþò èíà÷å.  ýòèõ ñëó÷àÿõ çàêîíû èçìåíåíèÿ òîêà è íàïðÿæåíèÿ â ïåðåõîäíûõ ïðîöåññàõ íåèäåíòè÷íû.  îáùåì ñëó÷àå äëÿ àíàëèçà äèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â öåïè ñ ðåàêòèâíûìè ýëåìåíòàìè öåëåñîîáðàçíî âîñïîëüçîâàòüñÿ èíòåãðàëîì Äþàìåëÿ (èëè èíòåãðàëîì ñâåðòêè) [77]. Îäíàêî ïðè ðàññìàòðèâàåìûõ ôîðìàõ iýêâ è uýêâ (ðèñ. 7.7,â è ðèñ. 7.8,â) äëÿ íàõîæäåíèÿ us(t) è is(t), ïðîùå ïðåäñòàâèòü ýêâèâàëåíòíûå èñ-
Ðèñ. 7.9. Ãðàôè÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå ôóíêöèé ýêâèâàëåíòíûõ èñòî÷íèêîâ â âèäå ñóììû äâóõ ôóíêöèé
òî÷íèêè íàïðÿæåíèÿ è òîêà â âèäå èäåíòè÷íûõ, íî ðàçíîïîëÿðíûõ è ñìåùåííûõ âî âðåìåíè ôóíêöèé (ðèñ. 7.9). Òàêîå ïðåäñòàâëåíèå ñîîòâåòñòâóåò ïðèíöèïó ñóïåðïîçèöèè, òàê êàê ýêâèâàëåíòíûå öåïè ëèíåéíû.  ýòîì ñëó÷àå ðåàêöèÿ öåïè îïðåäåëÿåòñÿ íà èíòåðâàëå êîììóòàöèè (0 − t ïâêë ) è (0 − t ïâûêë ) âîç-
uýêâ = E
t ï tâêë
iýêâ = is ï t
tâûêë
; ,
(7.13)
à ïîñëå êîììóòàöèè ïðè t > t ïâêë èëè t > t ïâûêë âîçäåéñòâèåì ôóíêöèé
äåéñòâèåì ôóíêöèé 187
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Ðèñ. 7.10. Êîììóòàöèÿ àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè: à, á – ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ïðè âêëþ÷åíèè è äèàãðàììû èçìåíåíèÿ is, us, pê; â, ã – ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ïðè âûêëþ÷åíèè è äèàãðàììû èçìåíåíèÿ is, us, pê; ä, å – äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ êëþ÷à ïðè âêëþ÷åíèè è âûêëþ÷åíèè
uýêâ = E iýêâ = Is 0
t ï
t âêë
t t
ï âûêë
−E
ï
(t − t âêë)
− Is 0
ï
t âêë (t − t t
ï ) âûêë
ï
uýêâ(p) =
; .
iýêâ(p) =
(7.14)
E t
ï 2 âêëp
Isî ï
2
t âûêëp
;
(7.15)
,
ãäå p – îïåðàòîð Ëàïëàñà. Ñ ó÷åòîì èçëîæåííîãî ìåòîäà ðàñ÷åòà äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìîâ ðàññìîòðèì ïðîöåññ âêëþ÷åíèÿ àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè (ðèñ. 7.10,à,á). Èçîáðàæåíèå òîêà â öåïè íàãðóçêè íà èíòåðâàëå 0 < t < t ïâêë áóäåò èìåòü âèä
âûêë
Ó÷èòûâàÿ òèïîâîé õàðàêòåð äëÿ îïðåäåëåíèÿ òîêîâ è íàïðÿæåíèé â öåïè öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü îïåðàòîðíûé ìåòîä Ëàïëàñà.  ýòîì ñëó÷àå íà èíòåðâàëàõ êîììóòàöèè èçîáðàæåíèå ôóíêöèé âîçäåéñòâóþùèõ èñòî÷íèêîâ ïðèíèìàåò âèä 188
§ 7.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ îá ýëåêòðîííûõ êëþ÷àõ è áåçäóãîâîé êîììóòàöèè
is(p) =
uýêâ(p) R + pL
=
E ï
2
t âêë Lp (p + 1 ⁄ τ)
,
ìèðóÿ òîê, îïðåäåëåííûé èç (7.17), ñ èäåíòè÷íûì òîêîì, â êîòîðîì âðåìÿ t çàìåíåíî íà t − t ïâêë, ïîëó÷èì ïðè t > t ïâêë ï is = ïE t ïâêë − L e− t ⁄ τet âêë ⁄ τ − 1 . (7.18) R t R
(7.16)
ãäå τ = L ⁄ R. Ïåðåõîäÿ ê îðèãèíàëó is÷i(p) ïðè 0 < t < t ïâêë, ïîëó÷èì is =
E ï
Rt âêë
t −
L R
− t⁄τ
(1 − e
) .
âêë
Ìãíîâåííàÿ ìîùíîñòü íà èíòåðâàëå êîììóòàöèè 0 < t < t ïâêë ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà
(7.17)
Ïîñëå çàâåðøåíèÿ êîììóòàöèè äëÿ t > t ïâêë òîê is îïðåäåëèì êàê ñóììó òîêîâ (7.14). Äëÿ ýòîãî, ñóì-
pê(t) =
E
Rt
2 ï âêë
t −
t
2
ï
t âêë
−
L
R
1 − e− t ⁄ τ1 − t . (7.19) ï t
Ðèñ. 7.11. Êîììóòàöèÿ àêòèâíî-åìêîñòíîé íàãðóçêè: à, á – ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ïðè âêëþ÷åíèè è äèàãðàììû èçìåíåíèÿ is, us, pê; â, ã – ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ïðè âûêëþ÷åíèè è äèàãðàììû èçìåíåíèÿ is, us, pê; ä, å – äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ êëþ÷à ïðè âêëþ÷åíèè è âûêëþ÷åíèè
189
âêë
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Èíòåãðèðóÿ (7.19) â ïðåäåëàõ 0 < t < t ïâêë, ïîëó÷èì çíà÷åíèå ýíåðãèè, âûäåëÿþùåéñÿ â êëþ÷å ïðè êîììóòàöèè. Ñîãëàñíî (7.17), èíäóêòèâíîñòü â öåïè íàãðóçêè çàìåäëÿåò íàðàñòàíèå òîêà ïðè âêëþ÷åíèè è, ñëåäîâàòåëüíî, óìåíüøàåò çíà÷åíèÿ ìãíîâåííîé ìîùíîñòè è ýíåðãèè, âûäåëåííîé â êëþ÷å (ðèñ. 7.10,á). Ïðè ýòîì äèíàìè÷åñêàÿ ÂÀÕ êëþ÷à ñòàíîâèòñÿ ÿâíîçàâèñèìîé îò âðåìåíè tâêë (ðèñ. 7.10,ä) è îò ïàðàìåòðîâ êîììóòèðóåìîé öåïè. Ïðîöåññû, ïðîòåêàþùèå ïðè âûêëþ÷åíèè èíäóêòèâíîé íàãðóçêè (ðèñ. 7.10,â,ã), ìîãóò áûòü îïèñàíû ïî ýòîé æå ìåòîäèêå.  ýòîì ñëó÷àå çàäà÷à çàêëþ÷àåòñÿ â îïðåäåëåíèè ðåàêöèè íàãðóçêè íà âîçäåéñòâèå èñòî÷íèêà òîêà (ñì.ðèñ. 7.6,á), îïèñûâàåìîãî (7.15). Òîãäà èçîáðàæåíèå íàïðÿæåíèÿ us(p) íà êëþ÷å áóäåò èìåòü âèä us(p) = is(p)(R + pL) =
isL(1 ⁄ τ + p) ï
2
t âûêë p
ïîòåðü ìîùíîñòè ïðè âûêëþ÷åíèè (ðèñ. 7.10,ã). Äèíàìè÷åñêàÿ ÂÀÕ êëþ÷à ïðè âûêëþ÷åíèè çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ öåïè íàãðóçêè è çíà÷åíèÿ tâûêë (ðèñ. 7.10,å). Ó÷èòûâàÿ äóàëüíîñòü ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ â àêòèâíî-èíäóêòèâíîé è àêòèâíî-åìêîñòíîé öåïÿõ, íà îñíîâå (7.18) è (7.21) ìîæíî ïîëó÷èòü çàâèñèìîñòè, îïèñûâàþùèå ïðîöåññû êîììóòàöèè àêòèâíî-åìêîñòíîé íàãðóçêè (ðèñ. 7.11). Ñîîòâåòñòâåííî, ïðè âêëþ÷åíèè êëþ÷à â öåïè âîçíèêàåò âñïëåñê òîêà (Is > is), êîòîðûé íà èíòåðâàëå 0 < t < t ïâêë ìîæåò áûòü îïðåäåëåí is(t) =
isL ï
t âûêë
(t ⁄ τ + 1) .
(7.23)
is = E ⁄ R .
. (7.20)
Ïðè âûêëþ÷åíèè àêòèâíî-åìêîñòíîé öåïè, ñíîâà ó÷èòûâàÿ ïðèíöèï äóàëüíîñòè è ñîãëàñíî (7.17), íà èíòåðâàëå 0 < t < t ïâûêë ïîëó÷èì us(t) =
(7.21)
isR t
ï âûêë
ï
[t − RC (1 − e− tâûêë ⁄ RC)] ,
íà èíòåðâàëå t > t ïâûêë
ï âûêë
 ìîìåíò âðåìåíè t = t ïðîöåññ âûêëþ÷åíèÿ çàâåðøàåòñÿ, ÷òî ìîæíî ó÷åñòü ââåäåíèåì îòðèöàòåëüíîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà (ñì. ðèñ. 7.9). Òîãäà äëÿ t > t ïâûêë ïîëó÷èì us = isR = E .
+ 1.
íà èíòåðâàëå t > t ïâêë
Ïåðåõîäÿ ê îðèãèíàëó us÷us(p) è ïðèíèìàÿ t0 = 0, ïîëó÷èì ïðè 0 < t < t ïâûêë us(t) =
EC t ï t âêë RC
us(t) =
isR t
ï âûêë
ï
[t ïâûêë − RCe− t ⁄ RC(e tâûêë ⁄ RC − 1)] . (7.24)
Èç (7.23) è (7.24) ñëåäóåò, ÷òî èçìåíåíèå ìãíîâåííîé ìîùíîñòè ïðè êîììóòàöèè îïðåäåëÿåò çíà÷åíèå âûäåëÿþùåéñÿ ýíåðãèè, à òàêæå äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ êëþ÷à, êîòîðûå äëÿ àêòèâíî-åìêîñòíîé è àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçîê áóäóò èäåíòè÷íû ñ ó÷åòîì äóàëüíîñòè ýòèõ öåïåé.
(7.22)
Èç (7.21) âèäíî, ÷òî âûêëþ÷åíèå èíäóêòèâíîé íàãðóçêè ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ïåðåíàïðÿæåíèÿ íà êëþ÷å (us > E) è, ñëåäîâàòåëüíî, ê óâåëè÷åíèþ
7.1.4. ÎÁËÀÑÒÜ ÁÅÇÎÏÀÑÍÎÉ ÐÀÁÎÒÛ È ÇÀÙÈÒÀ ÊËÞ×ÅÉ
Îáëàñòü äîïóñòèìûõ çíà÷åíèé ýëåêòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ êëþ÷à, ïðè êîòîðûõ îí ìîæåò ðàáîòàòü áåç ïîâðåæäåíèÿ, íàçûâàåòñÿ îáëàñòüþ áåçîïàñíîé ðàáîòû (ÎÁÐ). Ýòà îáëàñòü îãðàíè÷èâàåòñÿ ïðåäåëüíûìè çíà÷åíèÿìè òîêà, íàïðÿæåíèÿ è äîïóñòèìîé ìîùíîñòè ïîòåðü êëþ÷à, êîòîðûå îïðåäåëÿþòñÿ ýëåêòðîííûìè è òåïëîâûìè ïðîöåññàìè, ïðîòåêàþùèìè â êîíêðåòíîì ïðèáîðå ñ ó÷åòîì óñëîâèé åãî ýêñïëóàòàöèè. Èíîãäà ýòó îáëàñòü íàçûâàþò îáëàñòüþ ìàêñèìàëüíûõ ðåæèìîâ. Ñóùåñòâóåò àíàëîãèÿ ÎÁÐ ýëåêòðîííîãî êëþ÷à è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî êîììóòàöèîííîãî àïïàðàòà, êîììóòàöèîííûå âîçìîæíîñòè êîòîðîãî òàêæå îãðàíè÷åíû äîïóñòèìûìè çíà÷åíèÿìè âîññòàíàâëèâàþùåãîñÿ íàïðÿæåíèÿ íà êîíòàêòàõ, óäàðíûõ òîêîâ, êîììóòèðóåìîé ìîùíîñòè è äð.
Îáùåïðèíÿòûì ÿâëÿåòñÿ ãðàôè÷åñêîå èçîáðàæåíèå ýòîé îáëàñòè â ïðÿìîóãîëüíûõ êîîðäèíàòàõ, ïî îñè îðäèíàò êîòîðûõ îòêëàäûâàåòñÿ îòíîñèòåëüíûé òîê i ∗s êëþ÷à, à ïî îñè àáñöèññ – îòíîñèòåëüíîå íàïðÿæåíèå u ∗s . Ïðè ýòîì ÷àñòî èñïîëüçóåòñÿ ëîãàðèôìè÷åñêèé ìàñøòàá. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî Ps max > ps = usis . (7.25) Òîãäà ïîñëå äåëåíèÿ ïîëó÷åííîãî ðàâåíñòâà íà Ps max = Us maxIs max ãðàíèöà ÎÁÐ, îïðåäåëÿåìàÿ äîïóñòèìîé ìîùíîñòüþ ïîòåðü ïðè ëîãàðèôìè÷åñêîì ìàñøòàáå, áóäåò ëèíåéíîé çàâèñèìîñòüþ lg i ∗s = lg p ∗s − lg u ∗s . (7.26)
Äîïóñòèìàÿ ìîùíîñòü ïîòåðü Ps max â ïðèáîðå îïðåäåëÿåòñÿ äîïóñòèìîé òåìïåðàòóðîé åãî ñòðóê190
§ 7.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ îá ýëåêòðîííûõ êëþ÷àõ è áåçäóãîâîé êîììóòàöèè
íèÿõ (íà ðèñ. 7.12 ýòà ãðàíèöà ïîêàçàíà øòðèõîâîé ëèíèåé). Îáëàñòü äîïóñòèìûõ çíà÷åíèé ïàðàìåòðîâ ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ êëþ÷îì õàðàêòåðèçóåòñÿ ÎÁÐ ïî óïðàâëåíèþ, íî èñïîëüçóåòñÿ ðåæå. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî îáåñïå÷åíèå ñîîòâåòñòâèÿ ÎÁÐ âûõîäíûõ ïàðàìåòðîâ êëþ÷åé è èõ ðåàëüíûõ äèíàìè÷åñêèõ ÂÀÕ ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì ôàêòîðîì, îïðåäåëÿþùèì ýíåðãåòè÷åñêèå ïîêàçàòåëè è íàäåæíîñòü ñèëîâîãî ýëåêòðîííîãî óñòðîéñòâà â öåëîì. Ïî îïðåäåëåíèþ ÎÁÐ ìãíîâåííûå çíà÷åíèÿ us è is êëþ÷à â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè âî âñåõ ðåæèìàõ ðàáîòû, âêëþ÷àÿ ïðîöåññ êîììóòàöèè, íå äîëæíû âûõîäèòü èç îáëàñòè ÎÁÐ. Ýòî çíà÷èò, ÷òî ñòàòè÷åñêèå è äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ êëþ÷à, ò. å. çàâèñèìîñòè òîêà is îò íàïðÿæåíèÿ us, äîëæíû íàõîäèòüñÿ âíóòðè ÎÁÐ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå íàäåæíàÿ ðàáîòà êëþ÷åâîãî ïðèáîðà íå ãàðàíòèðóåòñÿ. Íî äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ êëþ÷à çàâèñÿò îò ïàðàìåòðîâ êîììóòèðóåìîé öåïè (ñì.ï.7.1.3). Íàëè÷èå åìêîñòåé â êîììóòèðóåìîé öåïè ìîæåò ïðèâîäèòü ê ñóùåñòâåííîìó âñïëåñêó òîêà ïðè âêëþ÷åíèè, à èíäóêòèâíîñòè – ê âñïëåñêó íàïðÿæåíèÿ ïðè âûêëþ÷åíèè. Ïîýòîìó äëÿ íàäåæíîé ðàáîòû êëþ÷à íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü ñîîòâåòñòâèå äèíàìè÷åñêîé ÂÀÕ è ÎÁÐ. Îäíàêî ïðàêòè÷åñêè îáåñïå÷èòü ïîëíîå èõ ñîîòâåòñòâèå ñëîæíî áåç ïðèíÿòèÿ ñïåöèàëüíûõ ìåð çàùèòû ïðèáîðà. Íàïðèìåð, äëÿ çàùèòû ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ âêëþ÷àþò äîïîëíèòåëüíûå ýëåêòðè÷åñêèå ýëåìåíòû, â ÷àñòíîñòè, êîíäåíñàòîðû è ðåàê-
òóðû, ñ ó÷åòîì åå òåïëîâûõ ñîïðîòèâëåíèé è òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû. Íà ðèñ. 7.12 ïðåäñòàâëåíà ÎÁÐ êëþ÷à, îãðàíè÷åííàÿ äîïóñòèìûìè çíà÷åíèÿìè Is, Us è Ps. Îáëàñòü áåçîïàñíîé ðàáîòû îãðàíè÷åíà òðåìÿ ëèíåéíûìè ó÷àñòêàìè: àá – ïðåäåëüíûì çíà÷åíèåì òîêà Is max, áâ – ïðåäåëüíîé ìîùíîñòüþ ïîòåðü Ps max è âã – ïðåäåëüíûì çíà÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ Us max.  çàâèñèìîñòè îò òèïà êëþ÷åâîãî ïðèáîðà êîëè÷åñòâî è õàðàêòåð îãðàíè÷åíèé ìîãóò èçìåíÿòüñÿ è ïîÿâëÿòüñÿ äîïîëíèòåëüíûå ó÷àñòêè ãðàíèöû ÎÁÐ ñ áîëåå ñëîæíûìè àíàëèòè÷åñêèìè çàâèñèìîñòÿìè òîêà è íàïðÿæåíèÿ. Êðîìå òîãî, ãðàíèöû ÎÁÐ çàâèñÿò îò äëèòåëüíîñòè âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ è ÷àñòîòû êîììóòàöèè êëþ÷à. Íàïðèìåð, ãðàíèöà ÎÁÐ ïðè ðåäêèõ èìïóëüñàõ âêëþ÷åíèÿ áóäåò ïðîõîäèòü âûøå ãðàíèöû ïðè äëèòåëüíûõ âêëþ÷å-
Ðèñ. 7.12. Îáëàñòü áåçîïàñíîé ðàáîòû êëþ÷à
Ðèñ. 7.13. Öåïü ôîðìèðîâàíèÿ òðàåêòîðèè ïåðåêëþ÷åíèÿ: à, á – ÖÔÒÏ äëÿ âûêëþ÷åíèÿ è âêëþ÷åíèÿ; â, ã – èçìåíåíèå òðàåêòîðèè ïåðåêëþ÷åíèÿ
191
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
ðîñòü íàðàñòàíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà êëþ÷å â ïðîöåññå êîììóòàöèè, à èíäóêòèâíîñòü – çíà÷åíèå è ñêîðîñòü èçìåíåíèÿ êîììóòèðóåìîãî òîêà. Ïðè ýòîì ðåàêòèâíûå ýëåìåíòû ïîãëîùàþò ýíåðãèþ çà âðåìÿ êîììóòàöèè. Ýòà ýíåðãèÿ ðàññåèâàåòñÿ â àêòèâíûõ ýëåìåíòàõ ÖÔÒÏ (äèññèïàòèâíûå ÖÔÒÏ), ëèáî âîçâðàùàåòñÿ â èñòî÷íèê èëè öåïü íàãðóçêè (íå äèññèïàòèâíûå ÖÔÒÏ). Íà ðèñ. 7.13,à,á ïðåäñòàâëåíû óïðîùåííûå ñõåìû ÖÔÒÏ. Ñõåìà íà ðèñ. 7.13,à ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ òðåáóåìîé ÂÀÕ êëþ÷à ïðè âûêëþ÷åíèè àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè. Ñîîòâåòñòâóþùèå äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ êëþ÷à â ñõåìå ñ ÖÔÒÏ è áåç íåå ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 7.13,á,ã. Îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ ÖÔÒÏ ñ áîëåå ñëîæíîé ñõåìîòåõíèêîé, ÷òî ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èâàòü òðåáóåìûå ÂÀÕ êàê ïðè âêëþ÷åíèè, òàê è ïðè âûêëþ÷åíèè. Ïîäðîáíåå òàêèå ÖÔÒÏ áóäóò ðàññìîòðåíû ïðè èçó÷åíèè âîïðîñîâ çàùèòû êîíêðåòíûõ òèïîâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ.
òîðû, îáåñïå÷èâàþùèå ñîîòâåòñòâèå äèíàìè÷åñêèõ ÂÀÕ êëþ÷à è åãî ÎÁÐ. Òàê êàê äèíàìè÷åñêàÿ ÂÀÕ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òðàåêòîðèþ ïåðåêëþ÷åíèÿ êëþ÷à â êîîðäèíàòàõ is è us, òî âêëþ÷åíèå äîïîëíèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ â öåëÿõ èçìåíåíèÿ äèíàìè÷åñêîé ÂÀÕ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ôîðìèðîâàíèå æåëàåìîé (â ñîîòâåòñòâèè ñ ÎÁÐ) òðàåêòîðèè ïåðåêëþ÷åíèÿ. Ñîâîêóïíîñòü ââåäåííûõ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ òðàåêòîðèè ïåðåêëþ÷åíèÿ ýëåìåíòîâ ìîæíî íàçâàòü öåïüþ ôîðìèðîâàíèÿ òðàåêòîðèè ïåðåêëþ÷åíèÿ (ÖÔÒÏ).  òåõíè÷åñêîé ëèòåðàòóðå ÖÔÒÏ ÷àñòî íàçûâàþò ñíàááåð (àíãë. snubber). Ïî ñóùåñòâó ÖÔÒÏ ÿâëÿåòñÿ óñòðîéñòâîì çàùèòû êëþ÷à â äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ è åå ôóíêöèè áëèçêè ôóíêöèÿì äóãîãàñèòåëüíîé ñèñòåìû â ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ àïïàðàòàõ. Ñõåìîòåõíèêà ÖÔÒÏ îïðåäåëÿåòñÿ òèïîì ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ïðèáîðà, à òàêæå òîïîëîãèåé è ïàðàìåòðàìè êîììóòèðóåìîé öåïè. Îñíîâîé ÖÔÒÏ ÿâëÿþòñÿ ðåàêòèâíûå ýëåìåíòû åìêîñòíîãî èëè èíäóêòèâíîãî õàðàêòåðà. Ýòî îáóñëîâëåíî òåì, ÷òî êîíäåíñàòîð ñïîñîáåí îãðàíè÷èâàòü çíà÷åíèå è ñêî-
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è ïðè âûêëþ÷åíèè àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè â öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà. Ïîñòðîèòü çàâèñèìîñòü ýòèõ âåëè÷èí îò âðåìåíè âûêëþ÷åíèÿ tâûêë ïðè Rí = 1 Îì, Lí = 15 ìÃí è U0 = 100 Â. 4. Êîíäåíñàòîð åìêîñòüþ C, çàðÿæåííûé äî íàïðÿæåíèÿ UC = 100 Â, ðàçðÿæàåòñÿ íà ðåçèñòîð ñîïðîòèâëåíèåì R = 100 Îì, âêëþ÷àåìûé êëþ÷îì S ñ âðåìåíåì âêëþ÷åíèÿ tâêë = 10 ìêñ (íàïðÿæåíèå êëþ÷à èçìåíÿåòñÿ ïî ëèíåéíîìó çàêîíó). Ñîñòàâèòü áàëàíñ ýíåðãèè öåïè çà âðåìÿ ïîëíîãî ðàçðÿäà êîíäåíñàòîðà ñ ó÷åòîì äèíàìè÷åñêèõ ïîòåðü â êëþ÷å. Ñòàòè÷åñêèìè ïîòåðÿìè ïðåíåáðå÷ü.
1. Îïðåäåëèòü ñòàòè÷åñêèå ïîòåðè â êëþ÷åâîì ýëåìåíòå, êîììóòèðóþùåì àêòèâíóþ íàãðóçêó Rí = = 1 Îì â öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà ñ íàïðÿæåíèåì U0 = 12 Â. ×àñòîòà êîììóòàöèè (ïåðèîäè÷åñêîãî èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ êëþ÷à) f = 100 Ãö. Ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ êëþ÷à (ñì. ðèñ. 7.2,á) èìååò ïàðàìåòðû: ∆Us = 2 Â; Rïð = 0,1 Îì; Rîáð = 50 êÎì. 2. Çàïèñàòü â îáùåì âèäå èçìåíåíèå òîêà is âî âðåìåíè ïðè âêëþ÷åíèè ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ êîíäåíñàòîðà Cí è ðåçèñòîðà Rí â öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà ñ íàïðÿæåíèåì U0. 3. Îöåíèòü âëèÿíèå áûñòðîäåéñòâèÿ êëþ÷à íà ïåðåíàïðÿæåíèÿ è ïîòåðè ìîùíîñòè â êëþ÷å
7.2. ÑÈËÎÂÛÅ ÄÈÎÄÛ 7.2.1. ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎ-ÄÛÐÎ×ÍÛÉ ÏÅÐÅÕÎÄ
 îñíîâå ïðèíöèïà äåéñòâèÿ áîëüøèíñòâà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ ëåæàò ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû, âîçíèêàþùèå íà ãðàíèöå ìåæäó äâóìÿ îáëàñòÿìè ïîëóïðîâîäíèêà ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè ýëåêòðè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè – ýëåêòðîííîé (n-òèïà) è äûðî÷íîé (p-òèïà).  îáëàñòè n-òèïà ïðåîáëàäàþò ýëåêòðîíû, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ, â p-îáëàñòè òàêîâûìè ÿâëÿþòñÿ ïîëîæèòåëüíûå çàðÿäû (äûðêè). Ãðàíèöà ìåæäó äâóìÿ îáëàñòÿìè ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè ïðîâîäèìîñòè íàçûâàåòñÿ p-n-ïåðåõîäîì. 192
Ïðè îòñóòñòâèè âíåøíåãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, â ðåçóëüòàòå äèôôóçèè è ðåêîìáèíàöèè îñíîâíûõ íîñèòåëåé, êîíöåíòðàöèÿ ïîäâèæíûõ íîñèòåëåé íà ãðàíèöå p-n-ïåðåõîäà óìåíüøàåòñÿ è â ïîãðàíè÷íîé îáëàñòè îáðàçóþòñÿ íåñêîìïåíñèðîâàííûå çàðÿäû èîíîâ: ïîëîæèòåëüíûå ñî ñòîðîíû n-îáëàñòè è îòðèöàòåëüíûå ñî ñòîðîíû p-îáëàñòè (ðèñ. 7.14,a). Ïîãðàíè÷íûé ñëîé, îáúåäèíåííûé ïîäâèæíûìè íîñèòåëÿìè, ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðè÷åñêè íåéòðàëüíûì ïðè îòñóòñòâèè âíåøíåãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ.  òî æå âðåìÿ íà ãðàíèöå ñëîåâ âîçíèêàåò îáëàñòü
§ 7.2. Ñèëîâûå äèîäû
ïðîñòðàíñòâåííîãî çàðÿäà (ÎÏÇ). Ýòî ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ âíóòðåííåãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ íàïðÿæåííîñòüþ E (ðèñ. 7.14,á), íàïðàâëåíèå êîòîðîãî ïðåïÿòñòâóåò äàëüíåéøåé äèôôóçèè ïîäâèæíûõ íîñèòåëåé èç îäíîé îáëàñòè â äðóãóþ. Èíà÷å, íàëè÷èå ïîëÿ íàïðÿæåííîñòüþ E ïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ ïîòåíöèàëüíîãî áàðüåðà (ðèñ. 7.14,â) èëè êîíòàêòíîé ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ, ïðåïÿòñòâóþùåé ïðîõîæäåíèþ ýëåêòðîíîâ èç n-îáëàñòè â p-îáëàñòü è äûðîê â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè. Òàêîå ñîñòîÿíèå ïîëóïðîâîäíèêà ïðè îòñóòñòâèè âíåøíåãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ íàçûâàåòñÿ ðàâíîâåñíûì.
Ðèñ. 7.14. Ýëåêòðîííî-äûðî÷íûé ïåðåõîä: à – ñòðóêòóðà; á, â – äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ â îáëàñòè ïðîñòðàíñòâåííîãî çàðÿäà
è ïîòåíöèàëà
7.2.2. ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÂÎËÜÒ-ÀÌÏÅÐÍÛÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÄÈÎÄÀ
òè, à ìèíóñ – ê n-îáëàñòè), íàïðÿæåííîñòü ïîòåíöèàëüíîãî áàðüåðà â ÎÏÇ ñíèæàåòñÿ (ðèñ. 7.15,â).  ðåçóëüòàòå ïîä âîçäåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ âíåøíåãî èñòî÷íèêà ÷åðåç äèîä íà÷íåò ïðîòåêàòü òîê iF, íàçûâàåìûé òàêæå ïðÿìûì. Çàâèñèìîñòü ýòîãî òîêà îò ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ èìååò âèä iF = I0eUF ⁄ ϕò − 1 , (7.27)
Ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð ñ îäíîñòîðîííåé ïðîâîäèìîñòüþ íàçûâàåòñÿ äèîäîì (ðèñ. 7.15,à). Ïî àíàëîãèè ñ ýëåêòðîëàìïîâûì äèîäîì âûâîä èç p-îáëàñòè íàçûâàþò àíîäîì, à èç n-îáëàñòè – êàòîäîì. Åñëè ê äèîäó ïîäêëþ÷èòü âíåøíèé èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ UR ìèíóñîì ê àíîäó, à ïëþñîì ê êàòîäó (íàïðÿæåíèå ñ òàêîé ïîëÿðíîñòüþ îòíîñèòåëüíî p-n-ïåðåõîäà íàçûâàþò îáðàòíûì), òî çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ ïîòåíöèàëüíîãî áàðüåðà â ÎÏÇ âîçðàñòåò (ðèñ. 7.15,á). Ñîñòîÿíèå òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ íîñèòåëåé çàðÿäà ïîëóïðîâîäíèêà íàðóøàåòñÿ è ÷åðåç äèîä íà÷íåò ïðîòåêàòü íåáîëüøîé îáðàòíûé òîê iR, îáóñëîâëåííûé íåîñíîâíûìè íîñèòåëÿìè. Ýòîò òîê ñëàáî çàâèñèò îò îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ UR è ñ åãî óâåëè÷åíèåì ïðèáëèæàåòñÿ ê ïîñòîÿííîìó çíà÷åíèþ iR = I0, ñîîòâåòñòâóþùåìó òàê íàçûâàåìîìó òåïëîâîìó òîêó. Óâåëè÷åíèå îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ ñâåðõ îïðåäåëåííîãî çíà÷åíèÿ âûçûâàåò ðåçêîå óâåëè÷åíèå ýëåêòðè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè äèîäà – ïðîáîé.  çàâèñèìîñòè îò õàðàêòåðà ïðîòåêàþùèõ ïðè ýòîì ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ðàçëè÷àþò ëàâèííûé ïðîáîé è òóííåëüíûé ïðîáîé (ïðîáîé Çåíåðà). Åñëè ýòè ïðîöåññû íå áóäóò îãðàíè÷åíû âî âðåìåíè èëè ïî òîêó, ïðîèñõîäèò òåïëîâîé ïðîáîé äèîäà ñ ðàçðóøåíèåì åãî ñòðóêòóðû. Ïðè ïîäêëþ÷åíèè ê äèîäó âíåøíåãî èñòî÷íèêà ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ UF (ïëþñ èñòî÷íèêà ê p-îáëàñ-
ãäå I0 – îáðàòíûé òîê äèîäà, âîçíèêàþùèé ïðè ïîäêëþ÷åíèè ê íåìó îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ; ϕò – òåïëîâîé ïîòåíöèàë, çàâèñÿùèé îò òåìïåðàòóðû (ϕò ≈ 0,26 Â). Ïðè ìàëûõ çíà÷åíèÿõ ϕò è óñëîâèè UF >> ϕò ìîæíî ïðåíåáðå÷ü åäèíèöåé â (7.27). Çàâèñèìîñòü òîêà iF îò íàïðÿæåíèÿ UF áóäåò ýêñïîíåíöèàëüíà. Ôóíêöèîíàëüíî äèîä ìîæíî ñ÷èòàòü íåóïðàâëÿåìûì ýëåêòðîííûì êëþ÷îì ñ îäíîñòîðîííåé ïðîâîäèìîñòüþ. Äèîä íàõîäèòñÿ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè (çàìêíóòûé êëþ÷) åñëè ê íåìó ïðèëîæåíî ïðÿìîå íàïðÿæåíèå. Ïðÿìîé òîê äèîäà iF îïðåäåëÿåòñÿ ïàðàìåòðàìè âíåøíèõ öåïåé è íàïðÿæåíèå íà åãî âûâîäàõ ìàëî. Åñëè ê äèîäó ïðèëîæåíî îáðàòíîå íàïðÿæåíèå, òî îí íàõîäèòñÿ â íåïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè (ðàçîìêíóòûé êëþ÷), è åãî òîê èìååò íåáîëüøîå çíà÷åíèå. Íàïðÿæåíèå íà âûâîäàõ äèîäà îïðåäåëÿåòñÿ ïàðàìåòðàìè âíåøíèõ öåïåé.  èäåàëèçèðîâàííîì âèäå äèîä ìîæíî ðàñ193
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Ðèñ. 7.15. Ïîäêëþ÷åíèå äèîäà ê âíåøíåé öåïè: à – îáîçíà÷åíèå äèîäà; á – ïîäêëþ÷åíèå íàïðÿæåíèÿ îáðàòíîé ïîëÿðíîñòè; â – ïîäêëþ÷åíèå íàïðÿæåíèÿ ïðÿìîé ïîëÿðíîñòè; ã – èäåàëüíàÿ ÂÀÕ äèîäà
ñìàòðèâàòü êàê êëþ÷, êîòîðûé ìîæåò íàõîäèòñÿ â äâóõ ñîñòîÿíèÿõ: âêëþ÷åííîì, êîãäà ÷åðåç íåãî ïðîòåêàåò ïðÿìîé òîê iF è âûêëþ÷åííîì, êîãäà îí áëîêèðóåò íàïðÿæåíèå, íå ïðîâîäÿ òîê (ðèñ. 7.15,ã). Ðåàëüíàÿ ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ äèîäà ïðè ïîäêëþ÷åíèè ê íåìó èñòî÷íèêà ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíà ýêñïîíåíòîé, à ïðè ïîäêëþ÷åíèè èñòî÷íèêà îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ – ó÷àñòêîì ïîñòîÿííîãî òîêà ñî çíà÷åíèåì I0 âïëîòü äî íàñòóïëåíèÿ ïðîáîÿ ïðè óâåëè÷åíèè îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ äî ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ UBR (ðèñ. 7.16,à). Äëÿ ðàñ÷åòîâ ðåæèìîâ ðàáîòû äèîäîâ ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ àïïðîêñèìèðóåòñÿ ðàçëè÷íûìè ôóíêöèÿìè (ðèñ. 7.16,á). Ïðè ýòîì äëÿ õàðàêòåðèñòèê ñèëîâûõ äèîäîâ çíà÷åíèÿìè îáðàòíûõ òîêîâ ÷àñòî ïðåíåáðåãàþò. Ïðè àíàëèçå ðåàëüíîé (íå àïïðîêñèìèðîâàííîé) ñòàòè÷åñêîé ÂÀÕ, ïðèíÿòî ðàçëè÷àòü ñîïðîòèâëå-
íèå äèîäà ïîñòîÿííîìó òîêó è äèíàìè÷åñêîå – ïåðåìåííîìó òîêó. Ïåðâîå îïðåäåëÿåòñÿ êàê îòíîøåíèå íàïðÿæåíèÿ àíîä-êàòîä ê ïîñòîÿííîìó òîêó, íàïðèìåð â òî÷êå à (ðèñ. 7.16,à), ò. å. (rS)à = Uà ⁄ Ià, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò êîòàíãåíñó óãëà α,
îáðàçóåìîãî ïðÿìîé, ïðîâåäåííîé èç íà÷àëà êîîðäèíàò â òî÷êó a. Äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå (äèôôåðåíöèàëüíîå) – ñîïðîòèâëåíèå ïåðåìåííîìó òîêó â îïðåäåëåííîé òî÷êå ÂÀÕ, íàïðèìåð à íà ðèñ. 7.16,a. Ïðè ýòîì îáû÷íî ïðåäïîëàãàåòñÿ ìàëàÿ àìïëèòóäà ýòîãî òîêà, ïîçâîëÿþùàÿ ëèíåàðèçîâàòü õàðàêòåðèñòèêó äèîäà, ïðåäñòàâèâ äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå â âèäå ïðîèçâîäíîé â òî÷êå à rò = dUF ⁄ diF ïðè iF = IÀ. Èíà÷å ýòî ñîïðîòèâëåíèå ìîæíî ó÷åñòü óãëîì íàêëîíà êàñàòåëüíîé β â òî÷êå à (rò = 1 ⁄ tg β). Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî áîëåå ïðàâèëü-
194
§ 7.2. Ñèëîâûå äèîäû
Ðèñ. 7.16. Ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ äèîäà: à – ðåàëüíàÿ ÂÀÕ; á – àïïðîêñèìèðîâàííàÿ ÂÀÕ
íî ýòî ñîïðîòèâëåíèå íàçûâàòü êâàçèäèíàìè÷åñ” êèì”, òàê êàê îíî ñîîòâåòñòâóåò íèçêî÷àñòîòíûì
èçìåíåíèÿì òîêà, ïðè êîòîðûõ íå ó÷èòûâàþòñÿ ÷àñòîòíûå ñâîéñòâà äèîäà.
7.2.3. ÄÈÍÀÌÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÄÈÎÄÎÂ
Âûêëþ÷åíèå äèîäà. Âûêëþ÷åíèå äèîäà ïðîèñõîäèò ïðè ïîäà÷å îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ íà âêëþ÷åííûé äèîä, ïî êîòîðîìó ïðîòåêàåò ïðÿìîé òîê IF.  ðåçóëüòàòå òîê â äèîäå íà÷èíàåò ñïàäàòü äî íóëÿ ñî ñêîðîñòüþ, îïðåäåëÿåìîé èíäóêòèâíîñòüþ L â êîíòóðå öåïè ïîäêëþ÷åííîãî èñòî÷íèêà îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ. Äî ïîäêëþ÷åíèÿ èñòî÷íèêà îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ â ìîìåíò âðåìåíè t =t0 äèîä íàõîäèëñÿ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè è â íåì áûë íàêîïëåí èçáûòî÷íûé çàðÿä íîñèòåëåé. Íà÷èíàÿ ñ ìîìåíòà âðåìåíè t = t0, òîê â äèîäå íà÷èíàåò óáûâàòü ñî ñêîðîñòüþ diF ⁄ dt, à èçáûòî÷íûé çàðÿä
 ï. 7.1.3 ïðè ðàññìîòðåíèè äèíàìè÷åñêèõ ÂÀÕ ýëåêòðîííûå êëþ÷è ïðåäñòàâëÿëèñü ãåíåðàòîðàìè ëèíåéíî ñïàäàþùåãî íàïðÿæåíèÿ (ïðè âêëþ÷åíèè) è ëèíåéíî ñïàäàþùåãî òîêà (ïðè âûêëþ÷åíèè). Ðåàëüíûå äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû â äèîäàõ èìåþò îñîáåííîñòè, êîòîðûå èíîãäà, â ÷àñòíîñòè, ïðè ðàáîòå íà âûñîêèõ ÷àñòîòàõ, ñëåäóåò ó÷èòûâàòü. Ïîýòîìó ðàññìîòðèì äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè äèîäà ïðè âêëþ÷åíèè è âûêëþ÷åíèè áîëåå ïîäðîáíî. Âêëþ÷åíèå äèîäà. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè äèîä âûêëþ÷åí ïîä âîçäåéñòâèåì îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ UR è ïîñëåäîâàòåëüíî ñ äèîäîì âêëþ÷åíà èíäóêòèâíîñòü L, îãðàíè÷èâàþùàÿ ñêîðîñòü íàðàñòàíèÿ òîêà ïðè åãî âêëþ÷åíèè.  ýòîì ñîñòîÿíèè p-n-ïåðåõîä äèîäà ìîæíî õàðàêòåðèçîâàòü íåêîòîðîé åìêîñòüþ, íàçûâàåìîé áàðüåðíîé è çàðÿæåííîé â ïîëÿðíîñòè, ñîîòâåòñòâóþùåé îáðàòíîìó íàïðÿæåíèþ. Ïðè ïîäà÷å íà äèîä ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ â ìîìåíò t = t0 íà÷èíàåòñÿ ïðîöåññ âêëþ÷åíèÿ äèîäà (ðèñ. 7.17). Ïåðâûé ýòàï õàðàêòåðèçóåòñÿ ðàçðÿäîì áàðüåðíîé åìêîñòè è ðîñòîì òîêà ñî ñêîðîñòüþ, îãðàíè÷åííîé ãëàâíûì îáðàçîì èíäóêòèâíîñòüþ L. Âêëþ÷åíèå çàêàí÷èâàåòñÿ, êîãäà íàïðÿæåíèå àíîä-êàòîä äèîäà ïðèíèìàåò óñòàíîâèâøååñÿ çíà÷åíèå, ñîîòâåòñòâóþùåå ïðÿìîìó òîêó (t = t1). Ïðè âûñîêîé ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ ïðÿìîãî òîêà di /dt (êðèâàÿ 1 íà ðèñ. 7.17) èç-çà íàëè÷èÿ ñîáñòâåííîé èíäóêòèâíîñòè âûâîäîâ äèîäà âîçìîæíî íåêîòîðîå ïðåâûøåíèå ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå íàä óñòàíîâèâøèìñÿ çíà÷åíèåì. Ïðè ñíèæåíèè ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ ïðÿìîãî òîêà (êðèâàÿ 2) âñïëåñê ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ îòñóòñòâóåò, îáùåå âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ è ïðîöåññ çàâåðøàåòñÿ â ìîìåíò âðåìåíè t = t2.
Ðèñ. 7.17. Äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ äèîäà ïðè âêëþ÷åíèè
195
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Ðèñ. 7.18. Äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ äèîäà ïðè âûêëþ÷åíèè
òîê ñïàäàåò äî óñòàíîâèâøåãîñÿ çíà÷åíèÿ, êîãäà diRR ⁄ dt = 0, à îáðàòíîå íàïðÿæåíèå UR ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íàïðÿæåíèþ èñòî÷íèêà E. Çàðÿä îáðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ QRR ñîîòâåòñòâóåò íà ðèñ. 7.18 ïëîùàäè, îãðàíè÷åííîé ìãíîâåííûìè çíà÷åíèÿìè îáðàòíîãî òîêà. Ïðèáëèæåííî îöåíèòü ñâÿçü ìåæäó çíà÷åíèÿìè QRR, IRRM, tRR è ñêîðîñòüþ diRR/dt ìîæíî àïïðîêñèìèðóÿ îáëàñòü ïðîòåêàíèÿ îáðàòíîãî òîêà òðåóãîëüíèêîì, ïðåíåáðåãàÿ èíòåðâàëîì ñïàäà îáðàòíîãî òîêà t2 –t3. Ýòè ñîîòíîøåíèÿ èìåþò âèä:
äèîäà ðàññàñûâàòüñÿ (ñì.ðèñ. 7.18).  ìîìåíò âðåìåíè t = t1 òîê ïðîõîäèò ÷åðåç íóëü è ÷åðåç äèîä íà÷èíàåò ïðîòåêàòü îáðàòíûé òîê iRR.  ìîìåíò âðåìåíè t = t2 çàêàí÷èâàåòñÿ ïðîöåññ ðàññàñûâàíèÿ èçáûòî÷íîãî çàðÿäà è äèîä âîññòàíàâëèâàåò ñâîè çàïèðàþùèå ñâîéñòâà, áëîêèðóÿ ïðîòåêàíèå îáðàòíîãî òîêà iRR. Âñëåäñòâèå ýòîãî òîê íà÷èíàåò ñïàäàòü ñî ñêîðîñòüþ, çàâèñÿùåé îò òèïà äèîäà (íà ðèñ. 7.18 êðèâàÿ 1 ñîîòâåòñòâóåò ïëàâíîìó óìåíüøåíèþ îáðàòíîãî òîêà, à êðèâàÿ 2 – ðåçêîìó). Ñïàä îáðàòíîãî òîêà èç-çà íàëè÷èÿ èíäóêòèâíîñòè L â öåïè êîììóòàöèè âûçûâàåò ïîÿâëåíèå ïåðåíàïðÿæåíèé íà âûêëþ÷àþùåìñÿ äèîäå. Êîãäà îáðàòíûé òîê óìåíüøèòñÿ äî 1/4 ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ IRRM, ïðîöåññ âîññòàíîâëåíèÿ çàïèðàþùèõ ñâîéñòâ äèîäà ïðèíÿòî ñ÷èòàòü çàêîí÷åííûì (ìîìåíò âðåìåíè t = t3). Èíòåðâàë âðåìåíè tRR = t3 − t1 – âðåìÿ îáðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ äèîäà. Äàëåå îáðàòíûé
QRR ≈ IRRM =
2
tRR diRR ; 2 dt
di √ 2QRR dt
RR
.
(7.28)
Äëÿ áîëåå òî÷íûõ ðàñ÷åòîâ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïàðàìåòðû ñòðóêòóðû êîíêðåòíîãî òèïà äèîäà [78]. 196
§ 7.2. Ñèëîâûå äèîäû 7.2.4. ÇÀÙÈÒÀ ÑÈËÎÂÛÕ ÄÈÎÄÎÂ
Íàèáîëåå õàðàêòåðíûìè ïðè÷èíàìè âûõîäà äèîäà èç ñòðîÿ ÿâëÿþòñÿ âûñîêàÿ ñêîðîñòü íàðàñòàíèÿ ïðÿìîãî òîêà diF ⁄ dt ïðè åãî âêëþ÷åíèè è ïåðåíàïðÿæåíèÿ ïðè âûêëþ÷åíèè. Ïðè âûñîêèõ çíà÷åíèÿõ diF ⁄ dt ìîãóò âîçíèêàòü íåðàâíîìåðíàÿ êîíöåíòðàöèÿ íîñèòåëåé çàðÿäà â ñòðóêòóðå äèîäà è, êàê ñëåäñòâèå ýòîãî, ëîêàëüíûå ïåðåãðåâû ñ ïîñëåäóþùèì ïîâðåæäåíèåì ñòðóêòóðû. Îñíîâíîé ïðè÷èíîé âûñîêèõ çíà÷åíèé diF ⁄ dt ÿâëÿåòñÿ ìàëàÿ èíäóêòèâíîñòü â êîíòóðå, ñîäåðæàùåì èñòî÷íèê ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ è âêëþ÷åííûé äèîä. Äëÿ ñíèæåíèÿ çíà÷åíèé diF ⁄ dt îáû÷íî âêëþ÷àþò ïîñëåäîâàòåëüíî ñ äèîäîì ëèíåéíûé ðåàêòîð ñ èíäóêòèâíîñòüþ, îãðàíè÷èâàþùåé ñêîðîñòü íàðàñòàíèÿ òîêà.  ðÿäå ñëó÷àåâ îêàçûâàåòñÿ öåëåñîîáðàçíûì âêëþ÷àòü íàñûùàþùèåñÿ ðåàêòîðû, êîòîðûå äî íàñòóïëåíèÿ ìîìåíòà íàñûùåíèÿ îãðàíè÷èâàþò òîê äèîäà äî òîêà íàìàãíè÷èâàíèÿ. Ïîñëå çàâåðøåíèÿ âêëþ÷åíèÿ äèîäà ðåàêòîð íàñûùàåòñÿ è ïðîèñõîäèò äàëüíåéøèé ðîñò òîêà â äèîäå è ðåàêòîðå äî óñòàíîâèâøåãîñÿ çíà÷åíèÿ. Ïðèìåíåíèå íàñûùàþùåãîñÿ ðåàêòîðà ïîçâîëÿåò çàùèòèòü äèîä îò âûñîêèõ ñêîðîñòåé èçìåíåíèÿ òîêà diF ⁄ dt íà ïåðâîì ýòàïå âêëþ÷åíèÿ, êîãäà ýòî íàèáîëåå îïàñíî äëÿ äèîäà. Âîçíèêíîâåíèå ïåðåíàïðÿæåíèé ïðè âûêëþ÷åíèè äèîäà ðàññìîòðèì â ñõåìå, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 7.19,à. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â èíäóêòèâíîñòè íàãðóçêè Lí íàêîïëåíà ýíåðãèÿ, âûçûâàþùàÿ ïðè âûêëþ÷åííîì êëþ÷å S ïðîòåêàíèå ÷åðåç äèîä VD2 ïðÿìîãî òîêà Ií. Ïðè ïîâòîðíîì âêëþ÷åíèè êëþ÷à S â ìîìåíò âðåìåíè t = t0 òîê â äèîäå íà÷èíàåò
WR =
1 2
L [(Ií + IRRM)2 − I 2í] .
(7.29)
Ïðè Rs = 0 ïåðåõîäíûé ïðîöåññ áóäåò êîëåáàòåëüíûì è íåçàòóõàþùèì. Ïðèáëèæåííî ìîæíî îöåíèòü åìêîñòü Cs èç óñëîâèÿ ïîãëîùåíèÿ åé èçáûòî÷íîé ýíåðãèè è îãðàíè÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ äèîäà äî äîïóñòèìîãî çíà÷åíèÿ UBR Cs =
2WR 2
U BR
.
(7.30)
Ðåçèñòîð Rs äåìïôèðóåò êîëåáàíèÿ íàïðÿæåíèÿ UCs, ÷àñòè÷íî ðàññåèâàÿ ýíåðãèþ ðåàêòîðà Ls. Îñòàòî÷íàÿ ýíåðãèÿ â êîíäåíñàòîðå îïðåäåëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì E è ðàâíà CsE2/2. Íà ðèñ. 7.19,â ïðåäñòàâëåíû äèàãðàììû îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå ïðè ðàçíûõ ñîîòíîøå-
ñïàäàòü ñî ñêîðîñòüþ di ⁄ dt = − E ⁄ Ls.  ìîìåíò âðåìåíè t = t1 ÷åðåç äèîä íà÷èíàåò ïðîòåêàòü îáðàòíûé
òîê è â ìîìåíò âðåìåíè t = t2 ïðîèñõîäèò ðåçêîå
âîññòàíîâëåíèå çàïèðàþùèõ ñâîéñòâ äèîäà. Ýòîò ïðîöåññ óñëîâíî ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ðàçìûêàíèå êëþ÷à S0, âêëþ÷åííîãî ìåæäó óçëàìè à è á. Ðåçèñòîð Rs è êîíäåíñàòîð Cs ÿâëÿþòñÿ ýëåìåíòàìè, îãðàíè÷èâàþùèìè ïåðåíàïðÿæåíèÿ íà äèîäå. Èíà÷å, ýòî ýëåìåíòû ÖÔÒÏ (ñì.ï.7.1.4), äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ÎÁÐ äèîäà. Ïðè èõ îòñóòñòâèè äèíàìè÷åñêèé ïåðåõîäíûé ïðîöåññ, ñâÿçàííûé ñ ðàçìûêàíèåì êëþ÷à S0, âûçâàë áû ïðè áëîêèðîâàíèè îáðàòíîãî òîêà íåäîïóñòèìî áîëüøîé ñêà÷îê íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå. Ýëåìåíòû Rs è Cs ïîãëîùàþò ýíåðãèþ, íàêîï-
ëåííóþ â èíäóêòèâíîñòè Ls, îãðàíè÷èâàÿ ïåðåíàïðÿæåíèÿ. Çíà÷åíèå ýòîé ýíåðãèè ïðè äîïóùåíèÿõ íåèçìåííîñòè òîêà Ií ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî
Ðèñ. 7.19. Äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû ïðè âêëþ÷åíèè è âûêëþ÷åíèè äèîäà: à – ýëåêòðè÷åñêàÿ ñõåìà; á – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà; â – äèàãðàììû òîêîâ è íàïðÿæåíèÿ
197
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
îòëè÷àòüñÿ îò ðàññìîòðåííîé êîëè÷åñòâîì ýëåìåíòîâ è òîïîëîãèåé. Äëÿ çàùèòû äèîäîâ îò âûõîäà èç ñòðîÿ ïðè òîêîâûõ ïåðåãðóçêàõ â àâàðèéíûõ ðåæèìàõ èñïîëüçóþò ñïåöèàëüíûå áûñòðîäåéñòâóþùèå ïðåäîõðàíèòåëè ñ ïëàâêîé âñòàâêîé èëè æèäêîìåòàëëè÷åñêèå ïðåäîõðàíèòåëè [79].
íèÿõ çíà÷åíèé Rs è Cs (1 – êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ; 2 – àïåðèîäè÷åñêè çàòóõàþùèé). Íà ïðàêòèêå íàõîæäåíèå ðàöèîíàëüíîãî ñîîòíîøåíèÿ çíà÷åíèé Rs è Cs ÿâëÿåòñÿ òèïè÷íîé îïòèìèçàöèîííîé çàäà÷åé.  çàâèñèìîñòè îò êîíêðåòíûõ óñëîâèé èñïîëüçîâàíèÿ ñõåìû ÖÔÒÏ äëÿ çàùèòû äèîäîâ ìîãóò
7.2.5. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÒÈÏÛ ÑÈËÎÂÛÕ ÄÈÎÄÎÂ
50 (60) Ãö. Ïðÿìîå ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà äèîäàõ ýòîé ãðóïïû äîñòèãàåò 2,5–3  â ïðèáîðàõ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ. Ìîùíûå äèîäû âûïóñêàþòñÿ â ðàçëè÷íûõ êîðïóñàõ. Íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè äâà âèäà èñïîëíåíèÿ: øòûðåâîé è òàáëåòî÷íûé (ðèñ. 7.20). Áûñòðîâîññòàíàâëèâàþùèåñÿ äèîäû. Ïðè ïðîèçâîäñòâå ýòîé ãðóïïû äèîäîâ èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå òåõíîëîãè÷åñêèå ìåòîäû, óìåíüøàþùèå âðåìÿ îáðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ.  ÷àñòíîñòè, ïðèìåíÿåòñÿ ëåãèðîâàíèå êðåìíèÿ ìåòîäîì äèôôóçèè çî-
Ïî îñíîâíûì ïàðàìåòðàì è íàçíà÷åíèþ äèîäû ïðèíÿòî ðàçäåëÿòü íà òðè ãðóïïû: îáùåãî íàçíà÷åíèÿ, áûñòðîâîññòàíàâëèâàþùèåñÿ è äèîäû Øîòòêè. Äèîäû îáùåãî íàçíà÷åíèÿ. Ýòà ãðóïïà äèîäîâ îòëè÷àåòñÿ âûñîêèìè çíà÷åíèÿìè îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ (îò 50  äî 5 êÂ) è ïðÿìîãî òîêà (îò 10 À äî 5 êÀ). Ìàññèâíàÿ ñòðóêòóðà äèîäîâ óõóäøàåò èõ áûñòðîäåéñòâèå. Ïîýòîìó âðåìÿ îáðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ äèîäîâ îáû÷íî íàõîäèòñÿ â äèàïàçîíå 25–100 ìêñ, ÷òî îãðàíè÷èâàåò èõ èñïîëüçîâàíèå â öåïÿõ ñ ÷àñòîòîé âûøå 1 êÃö. Êàê ïðàâèëî, îíè ðàáîòàþò â ïðîìûøëåííûõ ñåòÿõ ñ ÷àñòîòîé
Ðèñ. 7.20. Êîíñòðóêöèè äèîäîâ: à – øòûðåâàÿ; á – òàáëåòî÷íàÿ; â – äëÿ ïîâåðõíîñòíîãî ìîíòàæà
198
§ 7.3. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
èìååò ìåñòî îòðèöàòåëüíûé çàðÿä, à ñî ñòîðîíû ïîëóïðîâîäíèêà – ïîëîæèòåëüíûé. Îñîáåííîñòüþ äèîäîâ Øîòòêè ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ïðÿìîé òîê îáóñëîâëåí äâèæåíèåì òîëüêî îñíîâíûõ íîñèòåëåé – ýëåêòðîíîâ. Äèîäû Øîòòêè, òàêèì îáðàçîì, ÿâëÿþòñÿ óíèïîëÿðíûìè ïðèáîðàìè ñ îäíèì òèïîì îñíîâíûõ íîñèòåëåé. Îòñóòñòâèå íàêîïëåíèÿ íåîñíîâíûõ íîñèòåëåé ñóùåñòâåííî óìåíüøàåò èíåðöèîííîñòü äèîäîâ Øîòòêè. Âðåìÿ âîññòàíîâëåíèÿ ñîñòàâëÿåò îáû÷íî íå áîëåå 0,3 ìêñ, ïàäåíèå ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ ïðèìåðíî 0,3 Â. Çíà÷åíèÿ îáðàòíûõ òîêîâ â ýòèõ äèîäàõ íà 2-3 ïîðÿäêà âûøå, ÷åì â äèîäàõ ñ p-n-ïåðåõîäîì. Äèàïàçîí ïðåäåëüíûõ îáðàòíûõ íàïðÿæåíèé îáû÷íî îãðàíè÷èâàåòñÿ 100 Â. Äèîäû Øîòòêè èñïîëüçóþòñÿ â âûñîêî÷àñòîòíûõ è èìïóëüñíûõ öåïÿõ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ. Äèîäû Øîòòêè âûïîëíÿþòñÿ â êåðàìè÷åñêèõ èëè ïëàñòìàññîâûõ êîðïóñàõ ñ ìåòàëëè÷åñêèì òåïëîîòâîäÿùèì îñíîâàíèåì.
ëîòà èëè ïëàòèíû. Áëàãîäàðÿ ýòîìó óäàåòñÿ ñíèçèòü âðåìÿ îáðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ äî 3–5 ìêñ. Îäíàêî ïðè ýòîì ñíèæàþòñÿ äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ ïðÿìîãî òîêà è îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ. Äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ òîêà ñîñòàâëÿþò îò 10 À äî 1 êÀ, îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ – îò 50  äî 3 êÂ. Íàèáîëåå áûñòðîäåéñòâóþùèå äèîäû íà íàïðÿæåíèå äî 400  è òîêîì 50 À èìåþò âðåìÿ îáðàòíîãî âîññòàíîâëåíèÿ 0,1–0,5 ìêñ. Òàêèå äèîäû ìîæíî èñïîëüçîâàòü â èìïóëüñíûõ è âûñîêî÷àñòîòíûõ öåïÿõ ñ ÷àñòîòàìè 10 êÃö è âûøå. Êîíñòðóêöèè äèîäîâ ýòîé ãðóïïû ïîäîáíû êîíñòðóêöèÿì äèîäîâ îáùåãî íàçíà÷åíèÿ. Äèîäû Øîòòêè. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ äèîäîâ Øîòòêè îñíîâàí íà ñâîéñòâàõ îáëàñòè ïåðåõîäà ìåæäó ìåòàëëîì è ïîëóïðîâîäíèêîâûì ìàòåðèàëîì. Äëÿ ñèëîâûõ äèîäîâ â êà÷åñòâå ïîëóïðîâîäíèêà èñïîëüçóåòñÿ îáåäíåííûé ñëîé êðåìíèÿ n-òèïà. Ïðè ýòîì â îáëàñòè ïåðåõîäà ñî ñòîðîíû ìåòàëëà
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 4. Ïðè âêëþ÷åíèè äèîäà ïî óñëîâèÿì, ñîîòâåòñòâóþùèì ï.3, äëÿ óìåíüøåíèÿ âûäåëÿåìîé ýíåðãèè ïîñëåäîâàòåëüíî ñ äèîäîì âêëþ÷åí ðåàêòîð èíäóêòèâíîñòüþ Ls. Îïðåäåëèòü èíäóêòèâíîñòü, îáåñïå÷èâàþùóþ óìåíüøåíèå ýíåðãèè â òðè ðàçà. 5.  ñõåìå íà ðèñ. 7.19,à ðàññ÷èòàòü ïðèáëèæåííî, èñïîëüçóÿ (7.30), åìêîñòü Cs, îãðàíè÷èâàþùóþ ïåðåíàïðÿæåíèÿ äî 1 ê ïðè ñëåäóþùèõ ïàðàìåòðàõ ñõåìû: íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ E = 500 Â, èíäóêòèâíîñòü îáåñïå÷èâàåò ñêîðîñòü ñïàäà òîêà â äèîäå VD2 diVD ⁄ dt = 100À/ìêñ, âðåìÿ ïðîòåêàíèÿ îáðàòíîãî òîêà trr = 10 ìêñ, òîê íàãðóçêè Ií = 1000 À. 6.  êàêèõ ñëó÷àÿõ ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü áûñòðîäåéñòâóþùèå äèîäû?
1. Îïðåäåëèòü ñòàòè÷åñêèå ïîòåðè â äèîäå ïðè âîçäåéñòâèè íàïðÿæåíèÿ ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû ñ àìïëèòóäîé E = 100 Â. Ñõåìà âêëþ÷åíèÿ äèîäà ñîîòâåòñòâóåò îäíîïîëóïåðèîäíîìó âûïðÿìèòåëþ ñ àêòèâíîé íàãðóçêîé R = 0,5 Îì. Ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ äèîäà àïïðîêñèìèðóåòñÿ èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ ∆U0 = 2  ñ âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì Rïð = 0,1 Îì. Îáðàòíûé òîê äèîäà ðàâåí íóëþ. 2. Êàê âëèÿåò ÷àñòîòà ïåðèîäè÷åñêèõ âêëþ÷åíèé è âûêëþ÷åíèé äèîäà íà åãî äèíàìè÷åñêèå ïîòåðè? 3. Îïðåäåëèòü ýíåðãèþ, âûäåëÿåìóþ â äèîäå ïðè âêëþ÷åíèè â öåïü ñ íàïðÿæåíèåì E = 600  è ñîïðîòèâëåíèåì R = 1 Îì. Âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ äèîäà tâêë = 100 ìêñ. Èñïîëüçîâàòü ìîäåëü äèîäà ñ ëèíåéíî ñïàäàþùèì íàïðÿæåíèåì íà èíòåðâàëå âêëþ÷åíèÿ.
7.3. ÑÈËÎÂÛÅ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÛ 7.3.1. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÊËÀÑÑÛ ÑÈËÎÂÛÕ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÎÂ
Òðàíçèñòîðîì íàçûâàþò ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð, ñîäåðæàùèé äâà èëè áîëåå p-n-ïåðåõîäîâ è ñïîñîáíûé ðàáîòàòü êàê â óñèëèòåëüíûõ, òàê è â êëþ÷åâûõ ðåæèìàõ.  ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ àïïàðàòàõ òðàíçèñòîðû èñïîëüçóþòñÿ â êà÷åñòâå ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûõ êëþ÷åé.  çàâèñèìîñòè îò ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ òðàíçèñòîð ìîæåò íàõîäèòñÿ â çàêðûòîì (íèçêàÿ ïðîâîäèìîñòü) èëè â îòêðûòîì (âûñîêàÿ ïðîâîäèìîñòü) ñîñòîÿíèè.  çàêðûòîì ñîñòîÿíèè òðàíçèñòîð ñïîñîáåí âûäåðæèâàòü ïðÿ-
ìîå íàïðÿæåíèå, îïðåäåëÿåìîå âíåøíèìè öåïÿìè, ïðè ýòîì òîê òðàíçèñòîðà èìååò íåáîëüøîå çíà÷åíèå.  îòêðûòîì ñîñòîÿíèè òðàíçèñòîð ïðîâîäèò ïðÿìîé òîê, îïðåäåëÿåìûé âíåøíèìè öåïÿìè, ïðè ýòîì íàïðÿæåíèå ìåæäó ñèëîâûìè âûâîäàìè òðàíçèñòîðà ìàëî. Òðàíçèñòîðû íå ñïîñîáíû ïðîâîäèòü òîê â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè è íå âûäåðæèâàþò îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, èäåàëèçèðîâàííàÿ ÂÀÕ òðàíçèñòîðà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äâå ïðÿìûå ëèíèè: ïðÿìîãî òîêà (âêëþ÷åííîå ñîñòîÿ199
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Êàæäûé èç ñëîåâ èìååò âûâîäû äëÿ ñîåäèíåíèÿ ñ âíåøíèìè èñòî÷íèêàìè íàïðÿæåíèÿ. Ðàññìîòðèì áîëåå ïîäðîáíî ïðîöåññû, âîçíèêàþùèå ïðè ïîäêëþ÷åíèè èñòî÷íèêîâ íàïðÿæåíèÿ ê òðàíçèñòîðó n-p-n-òèïà. Ïîäà÷à ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ íà ýìèòòåðíûé p-n-ïåðåõîä (UEB > 0) è îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ (UCB < 0) íà êîëëåêòîðíûé ñîîòâåòñòâóþò íîðìàëüíîìó âêëþ÷åíèþ òðàíçèñòîðà, êîòîðîå îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ â ñèëîâîé ýëåêòðîíèêå. Ïðè òàêîé ñõåìå âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð ýìèòòåðíîãî ïåðåõîäà óìåíüøàåòñÿ, à êîëëåêòîðíîãî – óâåëè÷èâàåòñÿ.  ðåçóëüòàòå íà÷èíàåò ïðîèñõîäèòü èíæåêöèÿ ýëåêòðîíîâ èç ýìèòòåðà â áàçó è äûðîê èç áàçû â ýìèòòåð. Áîëüøàÿ ÷àñòü ýëåêòðîíîâ äîñòèãàåò êîëëåêòîðíîãî ïåðåõîäà è ïîä âîçäåéñòâèåì ïîëÿ îáðàòíîãî ñìåùåíèÿ âòÿãèâàåòñÿ â ñëîé êîëëåêòîðà. Òàêèì îáðàçîì ôîðìèðóþòñÿ òîêè ýìèòòåðà iE è êîëëåêòîðà iC. Ðàçíîñòüþ ýòèõ òîêîâ ñîçäàåòñÿ òîê áàçû iB. iE = iC + iB . (7.31)
íèå) è ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ (âûêëþ÷åííîå ñîñòîÿíèå) (ðèñ. 7.21), ïðè÷åì ñîñòîÿíèå òðàíçèñòîðà çàâèñèò òîëüêî îò ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ. Ïî ïðèíöèïó äåéñòâèÿ ðàçëè÷àþò îñíîâíûå êëàññû ñèëîâûõ òðàíçèñòîðîâ: áèïîëÿðíûå; ïîëåâûå, ñðåäè êîòîðûõ íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè òðàíçèñòîðû òèïà ìåòàëëîêñèä-ïîëóïðîâîäíèê (ÌÎÏ) (àíãë. MOSFET – metal oxide semiconductor field effect transistor); ïîëåâûå ñ óïðàâëÿþùèì p-n-ïåðåõîäîì èëè òðàíçèñòîðû ñî ñòàòè÷åñêîé èíäóêöèåé (ÑÈÒ) (àíãë. SIT – static induction transistor); áèïîëÿðíûå òðàíçèñòîðû ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì (ÁÒÈÇ) (àíãë. IGBT – insulated gate bipolar transistor). Áèïîëÿðíûå òðàíçèñòîðû. Áèïîëÿðíûå òðàíçèñòîðû ñîñòîÿò èç òðåõ ñëîåâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìàòåðèàëîâ ñ ðàçëè÷íûì òèïîì ïðîâîäèìîñòè.  çàâèñèìîñòè îò ïîðÿäêà ÷åðåäîâàíèÿ ñëîåâ ñòðóêòóðû ðàçëè÷àþò òðàíçèñòîðû p-n-p- è n-p-n-òèïîâ (ðèñ. 7.22). Ñðåäè ñèëîâûõ òðàíçèñòîðîâ áîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èë n-p-n-òèï. Ñðåäíèé ñëîé ñòðóêòóðû íàçûâàþò áàçîé (B), âíåøíèé ñëîé, èíæåêòèðóþùèé (âíåäðÿþùèé) íîñèòåëè – ýìèòòåðîì (E), ñîáèðàþùèé íîñèòåëè – êîëëåêòîðîì (C).
Èç ïðèíöèïà äåéñòâèÿ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ ñëåäóåò, ÷òî òîêè ýìèòòåðà è êîëëåêòîðà çàâèñÿò îò çíà÷åíèÿ òîêà áàçû, êîòîðûé â ñõåìàõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé ÿâëÿåòñÿ òîêîì óïðàâëåíèÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, áèïîëÿðíûå òðàíçèñòîðû ìîãóò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê ýëåêòðîííûå êëþ÷è, êîòîðûå óïðàâëÿþòñÿ òîêîì. Áèïîëÿðíûå òðàíçèñòîðû ñ òîêîì 50 À è áîëåå îáû÷íî ðàññ÷èòàíû íà íàïðÿæåíèå ìåíåå 600  è ÷àñòîòó êîììóòàöèè äî 20 êÃö. ÌÎÏ-òðàíçèñòîðû. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ òðàíçèñòîðîâ îñíîâàí íà èçìåíåíèè ýëåêòðè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè íà ãðàíèöå äèýëåêòðèêà è ïîëóïðîâîäíèêà ïîä âîçäåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ.  êà÷åñòâå äèýëåêòðèêà îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ îêñèäû, íàïðèìåð, äèîêñèä êðåìíèÿ SiO2.
Ðèñ. 7.21. ÂÀÕ èäåàëüíîãî òðàíçèñòîðíîãî êëþ÷à
Ðèñ. 7.22. Ñòðóêòóðû è ñèìâîëû áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ: à – n-p-n-òèïà; á – p-n-p-òèïà
200
§ 7.3. Ñèëîâûå òðàíçèñòîðû
Ðèñ. 7.23. Ñòðóêòóðà ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà
Ðèñ. 7.24. Ñòðóêòóðû è ñèìâîëû ÌÎÏ òðàíçèñòîðîâ ñ ïðîâîäÿùèì êàíàëîì n-òèïà: à – ñ èíäóöèðîâàííûì êàíàëîì; á – ñî âñòðîåííûì êàíàëîì
Ïðèíöèï óïðàâëåíèÿ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîì ìîæíî ðàññìîòðåòü íà ïðèìåðå ñòðóêòóðû, ñîñòîÿùåé èç ñëîåâ ìåòàëëà, äèýëåêòðèêà è ïîëóïðîâîäíèêà ñ ïðîâîäèìîñòüþ p-òèïà (ðèñ. 7.23). Åñëè ê ýòîé ñòðóêòóðå ïîäêëþ÷àòü èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ E, ïîëîæèòåëüíûì âûâîäîì ê ìåòàëëó, òî äûðêè ïîëóïðîâîäíèêà áóäóò ïåðåìåùàòüñÿ â íàïðàâëåíèè îòðèöàòåëüíîãî ïîòåíöèàëà âíåøíåãî èñòî÷íèêà, îáåäíÿÿ îñíîâíûìè íîñèòåëÿìè ñëîé ïîëóïðîâîäíèêà, ãðàíè÷àùèé ñ äèýëåêòðèêîì. Ïðè èçìåíåíèè ïîëÿðíîñòè íàïðÿæåíèÿ âíåøíåãî èñòî÷íèêà áóäåò ïðîèñõîäèòü ïðîöåññ îáîãàùåíèÿ äûðêàìè ýòîãî ïîâåðõíîñòíîãî ñëîÿ. Ïðè îïðåäåëåííîì íàïðÿæåíèè âíåøíåãî èñòî÷íèêà âáëèçè ãðàíèöû ñ äèýëåêòðèêîì ìîæåò áûòü îáðàçîâàí òîíêèé ñëîé, â êîòîðîì ýëåêòðîíû ïðåîáëàäàþò íàä äûðêàìè, ò. å. â ïîëóïðîâîäíèêå ïîÿâèòñÿ ñëîé ñ èíâåðñíûì
òèïîì ïðîâîäèìîñòè n-òèïà. Ýòîò èíäóöèðîâàííûé ñëîé íàçûâàþò êàíàëîì. Åãî ýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîâîäèìîñòü (à, ñëåäîâàòåëüíî, ñîïðîòèâëåíèå) çàâèñèò îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ âíåøíåãî èñòî÷íèêà. Íà ýòîì ïðèíöèïå îñíîâàíà ðàáîòà ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ. Ðàçëè÷àþò äâà òèïà ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ: ñ èíäóöèðîâàííûì è âñòðîåííûì êàíàëàìè. Îáà òèïà èìåþò âûâîäû èç ñòðóêòóðû òðàíçèñòîðîâ: ñòîê (D), èñòîê (S), çàòâîð (G), à òàêæå âûâîä îò ïîäëîæêè (B), ñîåäèíÿåìîé îáû÷íî ñ èñòîêîì.  çàâèñèìîñòè îò òèïà ýëåêòðè÷åñêîé ïðîâîäèìîñòè êàíàëà ðàçëè÷àþò òðàíçèñòîðû ñ n- è p-òèïàìè êàíàëîâ. Íà ðèñ. 7.24 èçîáðàæåíû ñòðóêòóðû è ñèìâîëû ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ ñ êàíàëàìè n-òèïà. Äëÿ ïîíèæåíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ îáëàñòåé, ñîåäèíåííûõ ñ âûâîäàìè òðàíçèñòîðà, èõ âûïîëíÿþò ñ ïîâûøåííûì ñîäåð201
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå. Äëÿ óïðàâëåíèÿ ýòèì òîêîì íà çàòâîð ìîæåò ïîäàâàòüñÿ íàïðÿæåíèå êàê áîëüøå íóëÿ äëÿ îáîãàùåíèÿ êàíàëà, òàê è ìåíüøå íóëÿ äëÿ åãî îáåäíåíèÿ íîñèòåëÿìè. Ïðèíöèïèàëüíûì îòëè÷èåì ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ îò áèïîëÿðíûõ ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îíè óïðàâëÿþòñÿ íàïðÿæåíèåì (ïîëåì, ñîçäàâàåìûì ýòèì íàïðÿæåíèåì), à íå òîêîì. Îñíîâíûå ïðîöåññû â ÌÎÏ-òðàíçèñòîðàõ îáóñëîâëåíû îäíèì òèïîì íîñèòåëåé, ÷òî ïîâûøàåò èõ áûñòðîäåéñòâèå. Ïîýòîìó ÌÎÏ-òðàíçèñòîðû íàçûâàþòñÿ òàêæå óíèïîëÿðíûìè òðàíçèñòîðàìè. Äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ êîììóòèðóåìûõ òîêîâ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ ñèëüíî çàâèñÿò îò íàïðÿæåíèÿ. Íàïðèìåð, ïðè òîêàõ äî 50 À äîïóñòèìîå íàïðÿæåíèå îáû÷íî íå ïðåâûøàåò 500 Â, ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäÿùåãî êàíàëà (RDSon) ïðèìåðíî 0,5 Îì, ÷àñòîòà êîììóòàöèè íå ïðåâûøàåò 100 êÃö. ÑÈÒ-òðàíçèñòîðû. Ýòî ðàçíîâèäíîñòü ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ ñ óïðàâëÿþùèì p-n-ïåðåõîäîì. ÑÈÒòðàíçèñòîðû âûïîëíÿþòñÿ ñ êîðîòêèì âåðòèêàëüíûì êàíàëîì, îòäåëåííûì îò óïðàâëÿþùåé öåïè
æàíèåì íîñèòåëåé. Òàêèå ñëîè îáîçíà÷àþò äîïîëíèòåëüíûì âåðõíèì èíäåêñîì, íàïðèìåð, n+ -òèïà.  ÌÎÏ-òðàíçèñòîðàõ ñ èíäóöèðîâàííûì êàíàëîì ïðîâîäÿùàÿ îáëàñòü îáðàçóåòñÿ òîëüêî ïðè ïîäà÷å íàïðÿæåíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåé ïîëÿðíîñòè íà óïðàâëÿþùèé çàòâîð îòíîñèòåëüíî îáúåäèíåííûõ âûâîäîâ èñòîêà è ïîäëîæêè, ò. å. îíè ðàáîòàþò â ðåæèìå îáîãàùåíèÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò óïðàâëÿòü òîêîì ñòîêà.  òðàíçèñòîðàõ ñî âñòðîåííûì êàíàëîì òîê â öåïè ñòîê – èñòîê ïðîòåêàåò è ïðè îòñóòñòâèè
Ðèñ. 7.25. Ñòðóêòóðà (âåðòèêàëüíûé ñðåç) è ñèìâîë ÑÈÒ òðàíçèñòîðà
Ðèñ. 7.26. Ñòðóêòóðà (à), ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà (á) è ñèìâîë (â) áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì
202
§ 7.3. Ñèëîâûå òðàíçèñòîðû
ëÿðíîãî è ïîëåâîãî òðàíçèñòîðîâ ïðèâåëî ê ñîçäàíèþ ÁÒÈÇ-òðàíçèñòîðîâ. Îí èìååò íèçêèå ïîòåðè ìîùíîñòè âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè ïîäîáíî áèïîëÿðíîìó òðàíçèñòîðó è âûñîêîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå öåïè óïðàâëåíèÿ, õàðàêòåðíîå äëÿ ïîëåâûõ. Íà ðèñ. 7.26 ïðåäñòàâëåíû óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðà, ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà è ñèìâîë ÁÒÈÇ ñ êàíàëîì n-òèïà. Ýòà ñòðóêòóðà âî ìíîãîì ïîäîáíà ñòðóêòóðå ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ðàçíèöà çàêëþ÷àåòñÿ â íàëè÷èè íèæíåãî ñëîÿ ñ ïðîâîäèìîñòüþ p+-òèïà, êîòîðûé ïðèäàåò ÁÒÈÇ ñâîéñòâà áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Ñòðóêòóðå ÁÒÈÇ ñîîòâåòñòâóåò ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà, èçîáðàæåííàÿ íà ðèñ. 7.26,á. Âûõîäíàÿ öåïü íà ýòîé ñõåìå ïðåäñòàâëåíà òðàíçèñòîðîì p-n-p-òèïà, à äîïîëíèòåëüíîìó p-nïåðåõîäó ñîîòâåòñòâóåò òðàíçèñòîð n-p-n-òèïà. Ïðè îòñóòñòâèè íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå òðàíçèñòîð çàêðûò. Âêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà ñ êàíàëîì n-òèïà îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîäà÷åé ïîëîæèòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîð îòíîñèòåëüíî èñòîêà (ýìèòòåðà). Êîììóòèðóåìûå íàïðÿæåíèÿ ÁÒÈÇ, âûïîëíåííûõ íà îñíîâå ñîâðåìåííûõ ýëåêòðîííûõ òåõíîëîãèé, äîñòèãàþò 3–5 êÀ. Ïðè ýòîì ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà â çàâèñèìîñòè îò ìîùíîñòè òðàíçèñòîðà íàõîäèòñÿ â äèàïàçîíå 20–100 êÃö.
p-n-ïåðåõîäîì. Íà ðèñ. 7.25 ïîêàçàíà óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðà ÑÈÒ-òðàíçèñòîðà. Ïðè îòñóòñòâèè íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå ñîïðîòèâëåíèå êàíàëà ÑÈÒòðàíçèñòîðà ìèíèìàëüíî è îí íàõîäèòñÿ â íîð” ìàëüíîì” îòêðûòîì (âêëþ÷åííîì) ñîñòîÿíèè. Ïðè ïîäà÷å íà çàòâîð ïîëîæèòåëüíîãî îòíîñèòåëüíî èñòîêà ïîòåíöèàëà òîëùèíà êàíàëà óìåíüøàåòñÿ è åãî ñîïðîòèâëåíèå óâåëè÷èâàåòñÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò óïðàâëÿòü òîêîì â öåïè ñòîê–èñòîê.  ÑÈÒ-òðàíçèñòîðå p-n-ïåðåõîä ñìåùåí â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè è óïðàâëåíèå ïîëåì ïîçâîëÿåò èçìåíÿòü çàðÿä áàðüåðíîé åìêîñòè ýòîãî ïåðåõîäà ñ î÷åíü ìàëûì ïîòðåáëåíèåì ìîùíîñòè. Ìàëîå ðàññòîÿíèå îò èñòîêà äî çàòâîðà áëàãîäàðÿ âåðòèêàëüíîìó êàíàëó ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü ñîïðîòèâëåíèÿ è ïàðàçèòíûå” åìêîñòè ìåæäó âûâî” äàìè òðàíçèñòîðà. Ýòî äàåò âîçìîæíîñòü ïîâûñèòü åãî áûñòðîäåéñòâèå è ìîùíîñòü ïðè ìíîãîêàíàëüíîì èñïîëíåíèè. Ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà ÑÈÒ-òðàíçèñòîðîâ îáû÷íî îãðàíè÷èâàåòñÿ 100 êÃö ïðè íàïðÿæåíèÿõ êîììóòèðóåìîé öåïè äî 1200 Â. Âåðõíèé ïðåäåë äèàïàçîíà êîììóòèðóåìûõ òîêîâ äîñòèãàåò íåñêîëüêî ñîò àìïåð. ÁÒÈÇ-òðàíçèñòîðû. Ñòðåìëåíèå îáúåäèíèòü â îäíîì òðàíçèñòîðå ïîëîæèòåëüíûå ñâîéñòâà áèïî-
7.3.2. ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÂÀÕ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÎÂ
çèñòîðà, ò. å. òîê êîëëåêòîðà è íàïðÿæåíèå òðàíçèñòîðà. Ðàçëè÷àþò òðè îñíîâíûå ñòàòè÷åñêèå ðåæèìà ðàáîòû òðàíçèñòîðà: àêòèâíûé, íàñûùåíèÿ è îòñå÷êè (íà ðèñ. 7.28 ýòèì ðåæèìàì ñîîòâåòñòâóþò îáëàñòè B, A è C). Ïðè èñïîëüçîâàíèè òðàíçèñòîðà â êëþ÷åâûõ ñõåìàõ îí ðàáîòàåò â äâóõ ðåæèìàõ – íàñûùåíèÿ (âêëþ÷åííîå ñîñòîÿíèå) è îòñå÷êè (âûêëþ÷åííîå ñîñòîÿíèå).  ðåæèìå îòñå÷êè ïåðåõîäû òðàíçèñòîðà ñìåùåíû â îáðàòíûõ íàïðàâëåíèÿõ ò. å. uBE ≤ 0 ; uBC ≤ 0 (n−p−n) ; (7.32) uBE ≥ 0 ; uBC ≥ 0 (p−n−p) .
Ñèëîâûå òðàíçèñòîðû ÿâëÿþòñÿ ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûìè ïðèáîðàìè, êîòîðûå ìîãóò áûòü ïðåäñòàâëåíû â âèäå ÷åòûðåõïîëþñíèêîâ ñ âõîäíûìè, âûõîäíûìè è ïðîõîäíûìè (ïåðåäàòî÷íûìè) õàðàêòåðèñòèêàìè.  ýëåêòðîííûõ àïïàðàòàõ ñèëîâûå áèïîëÿðíûå òðàíçèñòîðû îáû÷íî âêëþ÷àþòñÿ ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì, à ïîëåâûå – ñ îáùèì èñòîêîì. Íà ðèñ. 7.27 ïðåäñòàâëåíà ñõåìà áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà, âêëþ÷åííîãî ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì, íàãðóçêîé Rí è ñîïðîòèâëåíèåì Ró â öåïè óïðàâëåíèÿ ñ èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ uó. Âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêîé â ýòîé ñõåìå îáû÷íî ÿâëÿåòñÿ çàâèñèìîñòü òîêà êîëëåêòîðà iC îò íàïðÿæåíèÿ uCE, à âõîäíîé – òîêà áàçû iB îò íàïðÿæåíèÿ uBE. Ñîîòâåòñòâåííî ïåðåäàòî÷íûìè õàðàêòåðèñòèêàìè áóäóò çàâèñèìîñòè iC = f (iB) èëè uCE = f (iB) ñ ó÷åòîì êîíêðåòíîãî çíà÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè Rí. Ñòàòè÷åñêèå âûõîäíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðè ðàçíûõ çíà÷åíèÿõ òîêà áàçû ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 7.28.  ýòîé æå ñèñòåìå êîîðäèíàò äàíî çåðêàëüíîå îòîáðàæåíèå ëèíåéíîé íàãðóçî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè, îïðåäåëÿåìîé ñîïðîòèâëåíèåì Rí. Ïåðåñå÷åíèå âûõîäíîé õàðàêòåðèñòèêè (äëÿ îïðåäåëåííîãî òîêà áàçû) ñ íàãðóçî÷íîé îïðåäåëÿåò ðåæèì ðàáîòû òðàí-
Ðèñ. 7.27. Òðàíçèñòîðíûé êëþ÷ ñ îáùèì ýìèòòåðîì
203
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
iE = iC + iB ; iC = βiB + (β + 1)IC0 ≈ βiB ; iC = αiE + IC0 ≈ αiE ;
(7.34)
α = β ⁄ (β + 1) , ãäå β – êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî òîêó â ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì; α – êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî òîêó â ñõåìå ñ îáùåé áàçîé; IC0 – òåïëîâîé òîê êîëëåêòîðíîãî ïåðåõîäà. Â îáëàñòè íàñûùåíèÿ îáà p-n-ïåðåõîäà ñìåùåíû â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè, ò. å. uBE > 0 ; uBC > 0 (n−p−n) ; (7.35) uBE < 0 ; uBC < 0 (p−n−p) . Â ýòîì ðåæèìå ñïðàâåäëèâû ñîîòíîøåíèÿ IB sat = Ií ⁄ β ;
Ðèñ. 7.28. Âûõîäíûå ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà
S = iB ⁄ IB sat ;
(7.36)
Ií ≈ E ⁄ Rí ,
Ðèñ. 7.29. Çàâèñèìîñòü ñòàòè÷åñêîãî êîýôôèöèåíòà ïåðåäà÷è ïî òîêó áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà îò òîêà êîëëåêòîðà è òåìïåðàòóðû êðèñòàëëà
Ðèñ. 7.30. Âõîäíûå ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà
 àêòèâíîì ðåæèìå ýìèòòåðíûé ïåðåõîä ñìåùåí â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè, à êîëëåêòîðíûé – â îáðàòíîì uBE > 0 ; uBC < 0 (n−p−n) ; (7.33) uBE < 0 ; uBC > 0 (p−n−p) .  ñòàòè÷åñêîì àêòèâíîì ðåæèìå ïàðàìåòðû òðàíçèñòîðà ñâÿçàíû ñëåäóþùèìè ñîîòíîøåíèÿìè: 204
ãäå IB sat – ãðàíè÷íîå çíà÷åíèå òîêà áàçû ïðè êîòîðîì íàñòóïàåò íàñûùåíèå; S – êîýôôèöèåíò íàñûùåíèÿ (S ≥ 1); Ií, E – òîê íàãðóçêè è íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ ñîîòâåòñòâåííî. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî íà êîýôôèöèåíò β ñèëüíî âëèÿåò òåìïåðàòóðà è òîê êîëëåêòîðà. Ïðè óâåëè÷åíèè òåìïåðàòóðû òðàíçèñòîðà çíà÷åíèå β ìîæåò âîçðàñòàòü â íåñêîëüêî ðàç.  îáëàñòè ìàëûõ è áîëüøèõ çíà÷åíèé òîêà IC (ðèñ. 7.29) β îáû÷íî óìåíüøàåòñÿ. Çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà S íå îêàçûâàåò ñèëüíîãî âëèÿíèÿ íà ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ. Ïðè óâåëè÷åíèè S íåçíà÷èòåëüíî ñíèæàåòñÿ ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà îòêðûòîì òðàíçèñòîðå. Îäíàêî â äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ êîýôôèöèåíò S ñóùåñòâåííî âëèÿåò íà áûñòðîäåéñòâèå ïåðåêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå. Òèïè÷íûå âõîäíûå ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ iB = f (uBE) ïðèâåäåíû íà ðèñ. 7.30.  ðàñ÷åòàõ ÂÀÕ àïïðîêñèìèðóåòñÿ êóñî÷íî-ëèíåéíîé õàðàêòåðèñòèêîé. Çåðêàëüíàÿ ÂÀÕ íàãðóçêè, õàðàêòåðèçóþùàÿ îáùåå ýêâèâàëåíòíîå ñîïðîòèâëåíèå öåïè, ñîåäèíÿþùåé èñòî÷íèê óïðàâëåíèÿ òîêîì áàçû Uó è âûâîä áàçû RB, ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü òîê áàçû. Åãî çíà÷åíèå ñîîòâåòñòâóåò òî÷êå ïåðåñå÷åíèÿ ÂÀÕ ïåðåõîäà ýìèòòåð-áàçà è çåðêàëüíîé õàðàêòåðèñòèêè ýêâèâàëåíòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, â ýëåêòðîííûõ àïïàðàòàõ áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð èñïîëüçóåòñÿ êàê ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûé êëþ÷. Êàê ïðàâèëî, îí âêëþ÷àåòñÿ â öåïü íàãðóçêè ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì è óïðàâëÿåòñÿ òîêîì áàçû iB.
§ 7.3. Ñèëîâûå òðàíçèñòîðû
 òðàíçèñòîðå ñ èíäóöèðîâàííûì êàíàëîì òîê iD óâåëè÷èâàåòñÿ, åñëè çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ uGS ñòàíîâèòñÿ áîëüøå îïðåäåëåííîãî ïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ Uth, è íà÷èíàåò îáðàçîâûâàòüñÿ ýëåêòðîïðîâîäÿùèé êàíàë. Äàëåå ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ uGS è, ñëåäîâàòåëüíî, îáîãàùåíèÿ åãî êàíàëà òîê iD ðàñòåò. Ïðè âñòðîåííîì êàíàëå ÌÎÏ-òðàíçèñòîð ìîæåò ðàáîòàòü êàê â ðåæèìå îáîãàùåíèÿ, òàê è îáåäíåíèÿ êàíàëà íîñèòåëÿìè ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ. Êîãäà íàïðÿæåíèå UGS = 0, ÷åðåç òðàíçèñòîð ñî âñòðîåííûì êàíàëîì ïðîòåêàåò îïðåäåëåííûé òîê ñòîêà iD, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò îòêðûòîìó (âêëþ÷åííîìó) ñîñòîÿíèþ. Åñëè uGS > 0, òî ïðîèñõîäèò îáîãàùåíèå êàíàëà è òîê iD ðàñòåò, à ïðè uGS < 0, óìåíüøàåòñÿ èç-çà îáåäíåíèÿ êàíàëà. Ñóùåñòâóåò îïðåäåëåííîå îòðèöàòåëüíîå çíà÷åíèå UGS = Uth (äëÿ òðàíçèñòîðîâ ñ êàíàëîì n-òèïà), ïðè êîòîðîì òîê iD ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íóëþ.
Åñëè iB = 0, òî òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè íèçêîé ïðîâîäèìîñòè (ñîñòîÿíèå îòñå÷êè, çîíà C íà ðèñ. 7.28), åñëè iB > IB sat (1.36), òî òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè âûñîêîé ïðîâîäèìîñòè (ñîñòîÿíèå íàñûùåíèÿ, çîíà A íà ðèñ. 7.28). ÌÎÏ-òðàíçèñòîð ñ êàíàëîì n-òèïà , âêëþ÷åííûé ïî ñõåìå ñ îáùèì èñòîêîì ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 7.31. Óïðàâëåíèå òðàíçèñòîðîì îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîäà÷åé íàïðÿæåíèÿ uGS íà åãî çàòâîð. Î÷åíü âûñîêîå âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ äåëàåò ïðàêòè÷åñêè íåöåëåñîîáðàçíûì èñïîëüçîâàíèå âõîäíîé ÂÀÕ, àíàëîãè÷íîé ÂÀÕ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Ïîýòîìó ÷àñòî ïðè ðàñ÷åòàõ ðåæèìîâ ðàáîòû ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ èñïîëüçóþò ïðîõîäíûå ÂÀÕ, ñâÿçûâàþùèå íàïðÿæåíèå uGS ñ òîêîì ñòîêà iD. Õàðàêòåð ïðîõîäíûõ ÂÀÕ çàâèñèò îò òèïà ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà. Íà ðèñ. 7.32 ïðåäñòàâëåíû ïðîõîäíûå ÂÀÕ äëÿ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà ñ èíäóöèðîâàííûì (1) è âñòðîåííûì (2) êàíàëàìè n-òèïà.
Ðèñ. 7.32. Ñòàòè÷åñêèå ïðîõîäíûå ÂÀÕ ÌÎÏ òðàíçèñòîðà ñ êàíàëîì n-òèïà
Ðèñ. 7.31. Ñõåìà âêëþ÷åíèÿ ÌÎÏ òðàíçèñòîðà ñ êàíàëîì n-òèïà
Ðèñ. 7.33. Ñòàòè÷åñêèå âûõîäíûå ÂÀÕ è íàãðóçî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêè ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà
205
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Ñòàòè÷åñêèå âûõîäíûå ÂÀÕ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà ñ èíäóöèðîâàííûì êàíàëîì ïðèâåäåíû íà ðèñ. 7.33.  ýòèõ õàðàêòåðèñòèêàõ èìååòñÿ êðóòîé ó÷àñòîê, ñîîòâåòñòâóþùèé ðåçêîìó óâåëè÷åíèþ òîêà iD ïðè óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ ñòîêà uDS. Äàëåå ðîñò òîêà iD çàìåäëÿåòñÿ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ïîëîãèì ó÷àñòêàì ÂÀÕ. Ýòî ïðîèñõîäèò èç-çà îáåäíåíèÿ êàíàëà ïîä âîçäåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ uDS. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî âûõîäíûå ÂÀÕ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà è áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðîâ ñõîäíû. Ïðèíöèïèàëüíîå îòëè÷èå çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî áèïîëÿðíûå óïðàâëÿþòñÿ òîêîì áàçû, à ÌÎÏ-òðàíçèñòîðû – íàïðÿæåíèåì. Êðîìå òîãî, êðóòûå ó÷àñòêè ÂÀÕ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ èìåþò áîëåå ëèíåéíûé õàðàêòåð, ñîîòâåòñòâóþùèé ðåçèñòîðíîìó ñîïðîòèâëåíèþ. Ïîýòîìó â îáëàñòè êðóòûõ ó÷àñòêîâ, ÂÀÕ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ àïïðîêñèìèðóåòñÿ ïîñòîÿííûì àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì RDSon =
∆UDS ID
.
Ðèñ. 7.34. Ñòàòè÷åñêèå âûõîäíûå ÂÀÕ ÑÈÒ-òðàíçèñòîðà
(7.37)
Îáëàñòü ÂÀÕ ñ êðóòûìè ó÷àñòêàìè ñîîòâåòñòâóåò îòêðûòîìó ñîñòîÿíèþ òðàíçèñòîðà. Çàêðûòîå ñîñòîÿíèå íàñòóïàåò ïðè uGS < Uth, êîãäà òîê iD óìåíüøàåòñÿ äî íåêîòîðîãî ìàëîãî îñòàòî÷íîãî çíà÷åíèÿ. Ýòîò ðåæèì íàçûâàåòñÿ ðåæèìîì îòñå÷êè. Ïîëîãèå ó÷àñòêè ÂÀÕ ñîîòâåòñòâóþò àêòèâíîìó ðåæèìó. Ãðàíèöà ïåðåõîäà èç àêòèâíîãî ñîñòîÿíèÿ â ïîëíîñòüþ îòêðûòîå ñîñòîÿíèå îïðåäåëÿåòñÿ ãåîìåòðè÷åñêèì ìåñòîì òî÷åê ñ íàïðÿæåíèåì îïðåäåëÿåìûì ñîîòíîøåíèåì UDS sat = | UGS − Uth |. (7.38) Íà ðèñ. 7.33 òàêæå ïðåäñòàâëåíî çåðêàëüíîå îòîáðàæåíèå íàãðóçî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè, çàâèñÿùåé îò ñîïðîòèâëåíèÿ Rí. Òî÷êè ïåðåñå÷åíèÿ ÂÀÕ è íàãðóçî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè îïðåäåëÿþò ðåæèì ðàáîòû òðàíçèñòîðà, ò. å. çíà÷åíèÿ òîêà iD è íàïðÿæåíèÿ uDS.  êëþ÷åâîì ðåæèìå ðàáîòû ýòè çíà÷åíèÿ íàõîäÿòñÿ íà ãðàíèöàõ îáëàñòåé ïîëíîñòüþ îòêðûòîãî ñîñòîÿíèÿ (òî÷êà à) èëè îòñå÷êè (òî÷êà á). Ïðè ïîñòðîåíèè ÂÀÕ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ ñî âñòðîåííûì êàíàëîì íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü, ÷òî íàïðÿæåíèå íà çàòâîðå â ðåæèìå îòñå÷êè èìååò ðàçíûé çíàê â çàâèñèìîñòè îò òèïà ïðîâîäèìîñòè êàíàëà. ÑÈÒ-òðàíçèñòîðû ÿâëÿþòñÿ ïîëåâûìè òðàíçèñòîðàìè è óïðàâëÿþòñÿ íàïðÿæåíèåì. Ãëàâíûì îòëè÷èåì ñòàòè÷åñêèõ ÂÀÕ ÑÈÒ-òðàíçèñòîðîâ ÿâëÿåòñÿ ïðàêòè÷åñêîå îòñóòñòâèå ïîëîãîãî ó÷àñòêà ÂÀÕ. Íà ðèñ. 7.34 ïðåäñòàâëåíî ñåìåéñòâî âûõîäíûõ ÂÀÕ ÑÈÒ-òðàíçèñòîðà. Ïðè íóëåâîì íàïðÿæåíèè íà çàòâîðå uGS òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â îòêðûòîì ñîñòîÿíèè è ñ óâåëè÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ uDS òîê iD óâåëè÷èâàåòñÿ áåç îãðàíè÷åíèÿ õàðàêòåðíîãî äëÿ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ, ÂÀÕ êîòîðûõ èìåþò ïîëîãèé ó÷àñòîê. Óïðàâëåíèå òðàíçèñòîðîì îñóùåñòâëÿåòñÿ 206
Ðèñ. 7.35. Ñòàòè÷åñêèå âûõîäíûå ÂÀÕ ÁÒÈÇ òðàíçèñòîðà
ïîäà÷åé îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ íà óïðàâëÿþùèé p-n-ïåðåõîä, ÷òî ïðèâîäèò ê îáåäíåíèþ êàíàëà òðàíçèñòîðà íîñèòåëÿìè ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ. Ïðè îïðåäåëåííîì çíà÷åíèè óïðàâëÿþùåãî íàïðÿæåíèÿ òðàíçèñòîð ïåðåõîäèò â ðåæèì îòñå÷êè. Çàïèðàþùåå íàïðÿæåíèå uGS îïðåäåëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì uDS.  ðåçóëüòàòå ñ ðîñòîì íàïðÿæåíèÿ uGS ÂÀÕ ñäâèãàþòñÿ âïðàâî. Îòñóòñòâèå ïîëîãèõ ó÷àñòêîâ â ÂÀÕ ñâèäåòåëüñòâóþò î íèçêîì âûõîäíîì ñîïðîòèâëåíèè ÑÈÒ-òðàíçèñòîðà â øèðîêîì äèàïàçîíå ðàáî÷èõ òîêîâ.  òî æå âðåìÿ â ïîëíîñòüþ îòêðûòîì ñîñòîÿíèè ñîïðîòèâëåíèå ÑÈÒ-òðàíçèñòîðà âåëèêî ïî ñðàâíåíèþ ñ ñîïðîòèâëåíèåì îòêðûòîãî ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà. Âûõîäíûå ÂÀÕ òðàíçèñòîðà ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì (ÁÒÈÇ) ïîäîáíû ÂÀÕ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ çà èñêëþ÷åíèåì òîãî, ÷òî óïðàâëåíèå âûõîäíûì òîêîì iC îñóùåñòâëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì uGE, à íå òîêîì áàçû (ðèñ. 7.35). Êðîìå òîãî, ÁÒÈÇ ñïîñîáíû âûäåðæèâàòü â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè áåç ïðîáîÿ çíà÷èòåëüíîå îáðàòíîå íàïðÿæåíèå [80].
§ 7.3. Ñèëîâûå òðàíçèñòîðû 7.3.3. ÁÛÑÒÐÎÄÅÉÑÒÂÈÅ ÑÈËÎÂÛÕ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÎÂ
÷àå ðàññìàòðèâàþòñÿ ïðîöåññû, îáóñëîâëèâàþùèå áûñòðîäåéñòâèå áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ êàê êëþ÷åâûõ ïðèáîðîâ. Äëÿ êà÷åñòâåííîé îöåíêè ïðèíèìàåòñÿ äîïóùåíèå îá àêòèâíîì õàðàêòåðå íàãðóçêè. Âêëþ÷åíèå áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî òðàíçèñòîð ïðè t < t0 íàõîäèòñÿ â ðåæèìå
Ïåðåõîä òðàíçèñòîðà èç âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ âî âêëþ÷åííîå è íàîáîðîò ïðîèñõîäèò íå ìãíîâåííî, à â òå÷åíèå îïðåäåëåííîãî äëÿ êàæäîãî òèïà òðàíçèñòîðà âðåìåíè. Èíåðöèîííîñòü ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ îáóñëîâëåíà èíåðöèîííîñòüþ ïðîöåññîâ èçìåíåíèÿ íîñèòåëåé ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ â ñòðóêòóðå òðàíçèñòîðà è íàëè÷èåì â íåé âíóòðåííèõ (ñîáñòâåííûõ) åìêîñòåé. Íà ðèñ. 7.36,à ïðåäñòàâëåíà ñõåìà çàìåùåíèÿ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà, ó÷èòûâàþùàÿ åìêîñòè, èìåíóåìûå èíîãäà ïàðàçèòíûìè”. ”  §7.1 áûëî ïîêàçàíî, ÷òî íà äèíàìè÷åñêèå ðåæèìû ðàáîòû êëþ÷åé âëèÿþò êàê èõ ñîáñòâåííîå áûñòðîäåéñòâèå, òàê è ïàðàìåòðû âíåøíåé öåïè, â êîòîðîé ïðîèñõîäèò êîììóòàöèÿ.  äàííîì ñëó-
îòñå÷êè (âûêëþ÷åí), è â ìîìåíò âðåìåíè t = t0 (ðèñ.
7.37,á) â áàçó òðàíçèñòîðà îò èñòî÷íèêà òîêà óïðàâëåíèÿ ïîñòóïàåò èìïóëüñ òîêà ñ èäåàëüíî êðóòûì ôðîíòîì è çíà÷åíèåì IB > IB sat, ãäå IB sat – ãðàíè÷íîå çíà÷åíèå òîêà áàçû ïðè íàãðóçêå êîëëåêòîðà Rí. Òàê êàê íàïðÿæåíèå íà âõîäíîé åìêîñòè CBE íå ìîæåò èçìåíèòüñÿ ñêà÷êîì, íà÷èíàåòñÿ ïðîöåññ
Ðèñ. 7.36. Äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû â áèïîëÿðíîì òðàíçèñòîðå: à – ñõåìà çàìåùåíèÿ; á – äèàãðàììû ïðîöåññîâ
207
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
åå çàðÿäà äî íàïðÿæåíèÿ UBE sat ≈ 0,5 ÷ 0,6 Â (äëÿ
ñòóïëåíèþ ðåæèìà íàñûùåíèÿ. Ïðè ýòîì äàëüíåéøèé ðîñò òîêà êîëëåêòîðà IC ïðàêòè÷åñêè ïðåêðàùàåòñÿ, à íàêîïëåíèå èçáûòî÷íîãî çàðÿäà ∆Q â áàçå áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ äî ìîìåíòà âðåìåíè t = t3. Ýòîò çàðÿä çàâèñèò îò êîýôôèöèåíòà íàñûùåíèÿ S
êðåìíèåâûõ òðàíçèñòîðîâ), ïðè êîòîðîì íà÷èíàåòñÿ óâåëè÷åíèå òîêà áàçû íåïîñðåäñòâåííî â ñòðóêòóðå òðàíçèñòîðà. Ýòîò èíòåðâàë âðåìåíè (t0 − t1), íàçûâàåìûé çàäåðæêîé íà âêëþ÷åíèå, ìîæåò áûòü îïðåäåëåí tdon = t1 − t0 ≈
CBEUBE sat IB
.
∆Q = τBIB sat (S − 1) .
(7.41)
Ïðè IB >>IB sat âðåìÿ íàðàñòàíèÿ òîêà êîëëåêòîðà IC, íàçûâàåìîå òàêæå ôðîíòîì âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà tri, ìîæíî ïðèáëèæåííî îïðåäåëèòü
(7.39)
Ïðè t = t1 íà÷èíàåòñÿ ïðîöåññ íàêîïëåíèÿ ñóììàðíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà â áàçå, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò àêòèâíîìó ðåæèìó ðàáîòû òðàíçèñòîðà. Õàðàêòåðèñòèêà ýòîãî ïðîöåññà èìååò ýêñïîíåíöèàëüíûé õàðàêòåð [81] Q (t) ≈ τBIB 1 − e− t ⁄ τB , (7.40)
tri = t2 − t1 ≈ τB ⁄ S .
(7.42)
Îáùåå âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ ton òðàíçèñòîðà áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ ton = tdon + tri .
ãäå τB = β ⁄ (2πfãð); fãð – ãðàíè÷íàÿ ÷àñòîòà òðàíçèñòîðà â ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì.  ìîìåíò âðåìåíè t = t2 çàðÿä Q äîñòèãàåò ãðàíè÷íîãî çíà÷åíèÿ Qsat, ñîîòâåòñòâóþùåãî íà-
(7.43)
Åñëè ó÷åñòü èíåðöèîííîñòü, ñîçäàâàåìóþ âûõîäíîé åìêîñòüþ òðàíçèñòîðà CCB, îêîí÷àòåëüíûé ñïàä íàïðÿæåíèÿ UCE áóäåò ïðîèñõîäèòü íåñêîëüêî ïîçæå.
Ðèñ. 7.37. Äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû â ÌÎÏ òðàíçèñòîðå: à – ñõåìà çàìåùåíèÿ; á – äèàãðàììû ïðîöåññîâ
208
§ 7.3. Ñèëîâûå òðàíçèñòîðû
Ciss ≈ CGD + CGS .
Âûêëþ÷åíèå áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â ìîìåíò âðåìåíè t = t4 â áàçó íàñûùåííîãî òðàíçèñòîðà ïîñòóïàåò îòðèöàòåëüíûé (çàïèðàþùèé) èìïóëüñ òîêà – IB2. Ïîä âîçäåéñòâèåì ýòîãî òîêà íà÷íåòñÿ èíòåíñèâíîå ðàññàñûâàíèå èçáûòî÷íîãî çàðÿäà ∆Q äî çíà÷åíèÿ ñóììàðíîãî çàðÿäà Q = Qsat.  ýòîò ìîìåíò âðåìåíè (t = t5) òðàíçèñòîð íà÷èíàåò âûõîäèòü èç íàñûùåíèÿ. Îáùåå âðåìÿ ðàññàñûâàíèÿ èçáûòî÷íîãî çàðÿäà ñîîòâåòñòâóåò âðåìåíè çàäåðæêè íà âûêëþ÷åíèå tdoff. Ïðè IB2 >>IB1 >> IB sat ýòà çàäåðæêà ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà tdoff ≈ τBIB1 ⁄ IB2 . (7.44)
Ïðè äîñòèæåíèè íàïðÿæåíèåì íà çàòâîðå òðàíçèñòîðà ïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ Utí â ìîìåíò âðåìåíè (t = t1) òðàíçèñòîð âûõîäèò èç ðåæèìà îòñå÷êè, è íà÷èíàåòñÿ ñïàä íàïðÿæåíèÿ ñòîê – èñòîê UDS. Èíòåðâàë âðåìåíè t1 – t0 ñîîòâåòñòâóåò âðåìåíè çàäåðæêè íà âêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà tdon. Äàëüíåéøee óâåëè÷åíèå íàïðÿæåíèÿ UGS ïðèâîäèò òðàíçèñòîð â ìîìåíò âðåìåíè t = t2 â îòêðûòîå ñîñòîÿíèå. Ýòîò èíòåðâàë âðåìåíè ñîîòâåòñòâóåò ôðîíòó âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà tri. Îáùåå âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ ton = tdon + tri. Î÷åâèäíî, ÷òî ïðè âêëþ÷åíèè ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà ãëàâíûì ôàêòîðîì, îïðåäåëÿþùèì áûñòðîäåéñòâèå òðàíçèñòîðà, áóäåò ñêîðîñòü çàðÿäà âõîäíîé åìêîñòè Ciss. Ýòà ñêîðîñòü, â ñâîþ î÷åðåäü, áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ ïàðàìåòðàìè èñòî÷íèêà ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ. Ïîýòîìó â öåëÿõ ïîâûøåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ ÷àñòî èñïîëüçóþò ôîðñèðîâàííîå âêëþ÷åíèå ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà îò èñòî÷íèêà òîêà íà íà÷àëüíîì èíòåðâàëå âêëþ÷åíèÿ ñ ïîñëåäóþùèì ïîääåðæàíèåì íåîáõîäèìîãî ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ îò èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ ìàëîé ìîùíîñòè (ñì. § 9.6). Âûêëþ÷åíèå ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà. Ïðè ñêà÷êîîáðàçíîì èçìåíåíèè ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ äî íóëÿ â ìîìåíò âðåìåíè t = t3 íà÷èíàåòñÿ âûêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà (ðèñ. 7.37,á). Âíà÷àëå òàêæå áóäåò èìåòü ìåñòî èíòåðâàë çàäåðæêè t3 – t4, ïîêà íàïðÿæåíèå íà çàòâîðå íå äîñòèãíåò ãðàíè÷íîãî çíà÷åíèÿ Uth, ïðè êîòîðîì òðàíçèñòîð ïåðåõîäèò â àêòèâíûé ðåæèì. Äàëüíåéøèé ñïàä íàïðÿæåíèÿ íà çàòâîðå â ìîìåíò âðåìåíè t = t5 ïðèâîäèò òðàíçèñòîð â ðåæèì îòñå÷êè, ò. å. â âûêëþ÷åííîå ñîñòîÿíèå. Èíòåðâàë âðåìåíè t4 – t5 ñîîòâåòñòâóåò ôðîíòó âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà, îáùåå âðåìÿ êîòîðîãî toff = tdoff + + tfi. Íà äëèòåëüíîñòü íàðàñòàíèÿ íàïðÿæåíèÿ USD ìîãóò îêàçûâàòü çàìåòíîå âëèÿíèå âûõîäíàÿ åìêîñòü òðàíçèñòîðà CDS è ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè Rí. Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ÑÈÒ- è ÌÎÏòðàíçèñòîðîâ âî ìíîãîì ñõîäíû. Ðàçëè÷èå îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèÿìè ìåæýëåêòðîäíûõ åìêîñòåé. Äëÿ ÑÈÒ-òðàíçèñòîðîâ õàðàêòåðíû ìàëàÿ äëèíà ïðîâî-
Äëèòåëüíîñòü ñïàäà òîêà êîëëåêòîðà äî íàñòóïëåíèÿ ðåæèìà îòñå÷êè, ò. å. äëèòåëüíîñòü ôðîíòà âûêëþ÷åíèÿ ïðèáëèæåííî îïðåäåëÿåòñÿ [81] tfi ≈ τB
Isat IB
.
(7.46)
(7.45)
Îáùåå âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà toff = = tdoff + tfi. Âîññòàíîâëåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ UCE çàêîí÷èòñÿ íåñêîëüêî ïîçäíåå ìîìåíòà, êîãäà òîê IC ñòàíåò ðàâíûì íóëþ èç-çà íàëè÷èÿ ñîáñòâåííîé âûõîäíîé åìêîñòè òðàíçèñòîðà. Èç ïðèâåäåííûõ ñîîòíîøåíèé ñëåäóåò, ÷òî íà áûñòðîäåéñòâèå áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå îêàçûâàþò êîýôôèöèåíò íàñûùåíèÿ S è òîêè óïðàâëåíèÿ, ïîñòóïàþùèå â áàçó. Âêëþ÷åíèå ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà. Îòñóòñòâèå ÿâëåíèé íàêîïëåíèÿ è ðàññàñûâàíèÿ íîñèòåëåé îáóñëîâëèâàåò âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå âñåõ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ. Îäíàêî èç-çà êîíñòðóêòèâíûõ îñîáåííîñòåé çíà÷åíèÿ ñîáñòâåííûõ ìåæýëåêòðîäíûõ åìêîñòåé â ýòèõ òðàíçèñòîðàõ áîëüøå ÷åì ó áèïîëÿðíûõ. Íà ðèñ. 7.37,à ïðèâåäåíà ñõåìà çàìåùåíèÿ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà, ó÷èòûâàþùàÿ åãî ìåæýëåêòðîäíûå åìêîñòè. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ÌÎÏ-òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè îòñå÷êè (çàêðûò).  ìîìåíò âðåìåíè t = t0 (ðèñ. 7.37,á) íà åãî çàòâîð ïîäàåòñÿ ñèãíàë óïðàâëåíèÿ îò èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ Uó ñ âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì Ró.  ðåçóëüòàòå íà÷èíàåòñÿ çàðÿä âõîäíîé åìêîñòè, êîòîðàÿ ïðè Ró >> Rí ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà
Ðèñ. 7.38. Ñèëîâîé òðàíçèñòîð â êîðïóñå äëÿ ïîâåðõíîñòíîãî ìîíòàæà
209
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
èç ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ. Äîëãîå âðåìÿ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðû èçãîòîâëÿëèñü íà íåçíà÷èòåëüíûå ìîùíîñòè è ïðèìåíÿëèñü òîëüêî â èíôîðìàöèîííîé ýëåêòðîíèêå. Ñåé÷àñ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðû øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ â ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ. Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ ÿâëÿþòñÿ áîëüøèå ïîòåðè ìîùíîñòè îò ïðîòåêàíèÿ ïðÿìîãî òîêà. Çíà÷åíèå ýòèõ ïîòåðü îïðåäåëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèåì òðàíçèñòîðà â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè Rdson. Ïîñëåäíåå çíà÷èòåëüíî âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì ìàêñèìàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ òðàíçèñòîðà. Ïîýòîìó ÌÎÏ-òðàíçèñòîðû îáû÷íî èñïîëüçóþò â äèàïàçîíå íèçêèõ íàïðÿæåíèé, îãðàíè÷åííîì óðîâíåì 500–600 Â. Ïîñëåäíåå âðåìÿ ëèäèðóþùåå ïîëîæåíèå â îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ çàíèìàþò ÁÒÈÇ, ñî÷åòàþùèå â ñåáå äîñòîèíñòâà áèïîëÿðíûõ è ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ.  áëèæàéøåì áóäóùåì ïî ïðîãíîçàì âåäóùèõ ïðîèçâîäèòåëåé ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ ÁÒÈÇ ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ âûòåñíèò äðóãèå òèïû ïðèáîðîâ. Ïðåäåëüíàÿ ìîùíîñòü ÑÈÒ-òðàíçèñòîðîâ ñðàâíèòåëüíî íåâåëèêà, ïîýòîìó íåñìîòðÿ íà èõ äîñòîèíñòâà øèðîêîãî ïðèìåíåíèÿ â ñèëîâîé ýëåêòðîíèêå îíè íå íàøëè. Êîíñòðóêòèâíî ÁÒÈÇ èçãîòîâëÿþòñÿ êàê â ìåòàëëè÷åñêèõ, òàê è â ïëàñòìàññîâûõ êîðïóñàõ (ðèñ. 7.38). Íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûì èñïîëíåíèåì òðàíçèñòîðà ÿâëÿåòñÿ êîðïóñ äëÿ ïîâåðõíîñòíîãî ìîíòàæà.
äÿùåãî êàíàëà è íèçêîå çíà÷åíèå åìêîñòè çàòâîðèñòîê CGS, ÷òî ïîâûøàåò áûñòðîäåéñòâèå ýòèõ ïðèáîðîâ. Áûñòðîäåéñòâèå ÁÒÈÇ îïðåäåëÿåòñÿ â çíà÷èòåëüíîé ìåðå òåì, ÷òî îíè ñî÷åòàþò ñâîéñòâà áèïîëÿðíûõ è ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ.  íà÷àëå âêëþ÷åíèÿ ïåðåõîäíûå ïðîöåññû ÁÒÈÇ- è ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ ñõîäíû. Íà êîíå÷íîì èíòåðâàëå â ïåðåõîäíîì ïðîöåññå ÁÒÈÇ íà÷èíàþò ïðåîáëàäàòü ñâîéñòâà áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà. Ýòî ïðèâîäèò ê çàòÿãèâàíèþ ñïàäà íàïðÿæåíèÿ êîëëåêòîð-ýìèòòåð, òàê êàê ïåðåõîä áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà èç àêòèâíîãî ðåæèìà â íàñûùåííûé ïðîèñõîäèò áîëåå ìåäëåííî. Ïðè âûêëþ÷åíèè õàðàêòåð ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà âíà÷àëå ñõîäåí ñ õàðàêòåðîì ïðîöåññà â ïîëåâîì òðàíçèñòîðå, à íà êîíå÷íîì èíòåðâàëå – â áèïîëÿðíîì èç-çà íàêîïëåíèÿ èçáûòî÷íûõ çàðÿäîâ â îäíîé èç îáëàñòåé åãî ñòðóêòóðû. Ïðèâåäåííûå âûøå ñòàòè÷åñêèå è äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè îáóñëîâëèâàþò îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ðàçëè÷íûõ òèïîâ òðàíçèñòîðîâ â ñîâðåìåííûõ ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ. Òðàäèöèîííî ïðèìåíÿëñÿ áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð, îñíîâíîé íåäîñòàòîê êîòîðîãî çàêëþ÷àëñÿ â ïîòðåáëåíèè çíà÷èòåëüíîãî òîêà áàçû, ÷òî òðåáîâàëî ìîùíîãî îêîíå÷íîãî êàñêàäà óïðàâëåíèÿ (äðàéâåðà) è ïðèâîäèëî ê ñíèæåíèþ ÊÏÄ óñòðîéñòâà â öåëîì. Çàòåì ïîÿâèëèñü ïîëåâûå òðàíçèñòîðû áîëåå áûñòðîäåéñòâóþùèå è ïîòðåáëÿþùèå íåáîëüøèå ìîùíîñòè
7.3.4. ÎÁÅÑÏÅ×ÅÍÈÅ ÁÅÇÎÏÀÑÍÎÉ ÐÀÁÎÒÛ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÎÂ
÷åñêàÿ íåîäíîðîäíîñòü ñòðóêòóðû. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ôîðñèðîâàíèå âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðîâ ñïîñîáñòâóåò âîçíèêíîâåíèþ ïðîáîÿ è ñîîòâåòñòâåííî ïîâûøàåò êðóòèçíó ó÷àñòêà CD [81].  èìïóëüñíûõ ðåæèìàõ ðàáîòû ãðàíèöû ÎÁÐ ðàñøèðÿþòñÿ. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ èíåðöèîííîñòüþ òåïëîâûõ ïðîöåññîâ, âûçûâàþùèõ ïåðåãðåâ ñòðóêòóðû òðàíçèñòîðîâ. Îãðàíè÷åíèÿìè, îïðåäåëÿþùèìè ÎÁÐ ïîëåâûõ è, â ÷àñòíîñòè, ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ, ÿâëÿþòñÿ: ìàêñèìàëüíûå äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ òîêà ñòîêà IDmax è íàïðÿæåíèÿ ñòîê-èñòîê UBR, à òàêæå äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ ðàññåèâàåìîé ìîùíîñòè, îïðåäåëÿåìûå ñîïðîòèâëåíèåì òðàíçèñòîðà â îòêðûòîì ñîñòîÿíèè RDSon è íàïðÿæåíèåì ñòîê-èñòîê USD (íà ðèñ. 7.39,á ó÷àñòîê BC). Òàê æå êàê è äëÿ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ, ãðàíèöû ÎÁÐ äëÿ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ â èìïóëüñíûõ ðåæèìàõ ðàñøèðÿþòñÿ. Ïîëîæèòåëüíîé îñîáåííîñòüþ ÎÁÐ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ ÿâëÿåòñÿ îòñóòñòâèå îãðàíè÷åíèé, ñâÿçàííûõ ñî âòîðè÷íûì ïðîáîåì, êîòîðûé â ýòîì êëàññå òðàíçèñòîðîâ íå âîçíèêàåò.
Ãëàâíûì óñëîâèåì íàäåæíîé ðàáîòû òðàíçèñòîðîâ ÿâëÿåòñÿ îáåñïå÷åíèå ñîîòâåòñòâèÿ ÎÁÐ òðàíçèñòîðîâ êàê ñòàòè÷åñêèõ, òàê è äèíàìè÷åñêèõ âîëüò-àìïåðíûõ èõ õàðàêòåðèñòèê, îïðåäåëÿåìûõ êîíêðåòíûìè óñëîâèÿìè ðàáîòû (ñì. § 7.1). ÎÁÐ ñèëîâûõ òðàíçèñòîðîâ. Íà ðèñ. 7.39,à ïðåäñòàâëåíû ÎÁÐ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà ïðè ïîñòîÿííîì è èìïóëüñíîì òîêàõ ðàçëè÷íîé äëèòåëüíîñòè. Ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå òîêà êîëëåêòîðà ICmax è ñîîòâåòñòâóþùèé åìó ó÷àñòîê À ÿâëÿþòñÿ ïðåäåëüíûìè çíà÷åíèÿìè äëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà. Ó÷àñòîê ÂÑ ñîîòâåòñòâóåò îãðàíè÷åíèþ íà ðàññåèâàåìóþ ìîùíîñòü âíóòðè ïðèáîðà (ñì. § 7.1). Ó÷àñòîê DE ñîîòâåòñòâóåò ìàêñèìàëüíîìó äîïóñòèìîìó çíà÷åíèþ íàïðÿæåíèÿ êîëëåêòîð-ýìèòòåð UBR òðàíçèñòîðà, ïðåâûøåíèå êîòîðîãî ïðèâîäèò ê ïðîáîþ ñòðóêòóðû è âûõîäó òðàíçèñòîðà èç ñòðîÿ. Îãðàíè÷åíèå íà ó÷àñòêå CD îïðåäåëÿåòñÿ ÿâëåíèåì âòîðè÷íîãî ïðîáîÿ. Ïîä âòîðè÷íûì ïðîáîåì ïîíèìàþò âûõîä èç ñòðîÿ ïîä âîçäåéñòâèåì ëîêàëüíûõ ïåðåãðåâîâ îòäåëüíûõ îáëàñòåé ñòðóêòóðû. Ïðè÷èíîé òàêèõ ïåðåãðåâîâ ÿâëÿåòñÿ îáû÷íî òåõíîëîãè210
§ 7.3. Ñèëîâûå òðàíçèñòîðû
Ðèñ. 7.39. ÎÁÐ òðàíçèñòîðîâ: à – áèïîëÿðíîãî; á – ÌÎÏ; â – ÁÒÈÇ
Äëÿ ÁÒÈÇ-òðàíçèñòîðîâ ñóùåñòâóþò ÎÁÐ êàê äëÿ ïðÿìîãî UCEF, òàê è äëÿ îáðàòíîãî UCER íàïðÿæåíèé (ðèñ. 7.39,â). Äëÿ ïðÿìûõ íàïðÿæåíèé ÎÁÐ èìååò ñõîäñòâà êàê ñ ÎÁÐ áèïîëÿðíîãî, òàê è ñ ÎÁÐ ïîëåâîãî òðàíçèñòîðîâ. Ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå òîêà ICmax îãðàíè÷èâàåòñÿ óñëîâèåì ïåðåõîäà òðàíçèñòîðà â àêòèâíûé ðåæèì ñ ïîâûøåííûì âûäåëåíèåì ìîùíîñòè.
Çàùèòà òðàíçèñòîðîâ â äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ ðàáîòû. Äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ òðàíçèñòîðîâ çàâèñÿò îò êîììóòèðóåìîé íàãðóçêè (ñì. ï. 7.1.3). Íàïðèìåð, âûêëþ÷åíèå àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè âûçûâàåò ïåðåíàïðÿæåíèÿ íà êëþ÷åâîì ýëåìåíòå. Ýòè ïåðåíàïðÿæåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè Ldi/dt, âîçíèêàþùåé â èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íàãðóçêè ïðè ñïàäàíèè òîêà ií äî íóëÿ. Íà 211
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
ïîñòåïåííî çàòóõàÿ äî íóëÿ ñ ïîñòîÿííîé âðåìåíè τí = Lí ⁄ Rí. Ïðè ýòîì ýíåðãèÿ, íàêîïëåííàÿ â èíäóêòèâíîñòè Lí, áóäåò ðàññåèâàòüñÿ â àêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íàãðóçêè Rí. Àíàëîãè÷íûé ïðèíöèï îãðàíè÷åíèÿ ïåðåíàïðÿæåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ â ñõåìå íà ðèñ. 7.40,á. Ðàçíèöà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî âêëþ÷åíèå ñòàáèëèòðîíà VD â îòëè÷èå îò äèîäà ïðîèñõîäèò ïðè îïðåäåëåííîì íàïðÿæåíèè UÑÒ, êîòîðîå ñîîòâåòñòâóåò ïåðåíàïðÿæåíèþ íà òðàíçèñòîðíîì êëþ÷å S.  ñõåìå íà ðèñ. 7.40,â ïðè âûêëþ÷åíèè êëþ÷à òîê íàãðóçêè ïåðåõîäèò â êîíäåíñàòîð ñ åìêîñòüþ Cs ÷åðåç äèîä VD, çàðÿæàÿ åãî äî îïðåäåëåííîãî íàïðÿæåíèÿ. Ïðåíåáðåãàÿ ïîòå-
ðèñ. 7.40 ïðèâåäåíû òèïîâûå ñõåìû, ïîçâîëÿþùèå èñêëþ÷èòü èëè îãðàíè÷èòü ïåðåíàïðÿæåíèÿ ïðè êîììóòàöèè àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè. Ýëåìåíòû ñõåìû, ñíèæàþùèå ïåðåíàïðÿæåíèÿ, ìîãóò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê ïðîñòåéøèå ÖÔÒÏ (ñì. ï. 7.1.4).  ñõåìå íà ðèñ. 7.40,à ïðè âûêëþ÷åíèè òðàíçèñòîðíîãî êëþ÷à S ïîä âîçäåéñòâèåì ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè (UL = Ldi ⁄ dt) âêëþ÷àåòñÿ äèîä VD.  ðåçóëüòàòå íàïðÿæåíèå íà êëþ÷å Us ñòàíîâèòñÿ ïðè äîïóùåíèè èäåàëüíîñòè äèîäà ðàâíûì íàïðÿæåíèþ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ E. Ïîñëå âûêëþ÷åíèÿ êëþ÷à S òîê ií áóäåò çàìûêàòüñÿ â öåïè Rí − Lí – VD,
Ðèñ. 7.40. ÖÔÒÏ íà âêëþ÷åíèå àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè: à – íà îñíîâå îáðàòíîãî äèîäà; á – íà îñíîâå ñòàáèëèòðîíà; â – íà îñíîâå êîíäåíñàòîðà; ã – íà îñíîâå òðàíñôîðìàòîðíîé ñâÿçè
212
§ 7.3. Ñèëîâûå òðàíçèñòîðû
ðÿìè ýíåðãèè â ðåçèñòîðå Rí ìîæíî ïðèáëèæåííî îïðåäåëèòü íàïðÿæåíèå äèîäà
√
L
UCs ≈ Ií
í
C
s
.
ïèòàíèÿ. Ïåðåíàïðÿæåíèÿ è ðåêóïåðèðóåìûé òîê îïðåäåëÿþòñÿ ñîîòíîøåíèåì ÷èñëà âèòêîâ N1 è N2, à òàêæå êîýôôèöèåíòîì ìàãíèòíîé ñâÿçè ìåæäó öåïÿìè íàãðóçêè è ðåêóïåðàöèè ýíåðãèè. Ïðè êîììóòàöèè ñ ïîâûøåííîé ÷àñòîòîé âàæíî íå òîëüêî îáåñïå÷èòü ñîîòâåòñòâèå äèíàìè÷åñêîé ÂÀÕ è ÎÁÐ, íî è óìåíüøèòü ìîùíîñòü, âûäåëÿåìóþ â òðàíçèñòîðíîì êëþ÷å íà èíòåðâàëå âûêëþ÷åíèÿ. Ýòî äàåò âîçìîæíîñòü â öåëîì óìåíüøèòü äèíàìè÷åñêèå ïîòåðè â òðàíçèñòîðå. Äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìî ñôîðìèðîâàòü æåëàåìóþ òðàåêòîðèþ ïåðåêëþ÷åíèÿ ïîñðåäñòâîì ïîäêëþ÷åíèÿ ê òðàíçèñòîðó ñîîòâåòñòâóþùåé ÖÔÒÏ (ñì. ï.7.1.4). Íà ðèñ. 7.41 ïðåäñòàâëåíà ñõåìà òðàíçèñòîðà ñ ÖÔÒÏ äëÿ óìåíüøåíèÿ ïîòåðü ïðè âûêëþ÷åíèè è âðåìåí-
(7.47)
Âûðàæåíèå (7.47) ñîîòâåòñòâóåò ïîëíîìó ïåðåõîäó ýíåðãèè, íàêîïëåííîé â èíäóêòèâíîñòè LíI 2í ⁄ 2, â åìêîñòíóþ ýíåðãèþ CsU 2Cs ⁄ 2. Îãðàíè÷åíèå ïåðåíàïðÿæåíèÿ â ñõåìå íà ðèñ. 7.40,ã ïðîèñõîäèò ïîñðåäñòâîì ââåäåíèÿ äîïîëíèòåëüíîé öåïè ñ äèîäîì VD, èìåþùåé òðàíñôîðìàòîðíóþ ñâÿçü ñ íàãðóçêîé. Ïðè âûêëþ÷åíèè êëþ÷à S â îáìîòêå íàâîäèòñÿ ÝÄÑ, ïîä âîçäåéñòâèåì êîòîðîé âêëþ÷àåòñÿ äèîä VD è ýíåðãèÿ, íàêîïëåííàÿ â èíäóêòèâíîñòè Lí íà÷èíàåò ðåêóïåðèðîâàòüñÿ â èñòî÷íèê
Ðèñ. 7.41. ÖÔÒÏ íà âûêëþ÷åíèå íà îñíîâå åìêîñòíîãî ýëåìåíòà: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêà, íàïðÿæåíèÿ è ìãíîâåííîé ìîùíîñòè ïðè Cs = 0; â – äèàãðàììû òîêà, íàïðÿæåíèÿ è ìãíîâåííîé ìîùíîñòè ïðè íåäîñòàòî÷íîé åìêîñòè Cs; ã – äèàãðàììû òîêà, íàïðÿæåíèÿ è ìãíîâåííîé ìîùíîñòè ïðè äîñòàòî÷íî áîëüøîé åìêîñòè Cs
213
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
íèå ðåçèñòîðà Rs äîëæíî îáåñïå÷èâàòü çà âðåìÿ âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ òðàíçèñòîðà ïîëíûé ðàçðÿä êîíäåíñàòîðà Cs. Îáû÷íî ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ìèíèìèçèðóþò ñóììàðíóþ ìîùíîñòü, âûäåëÿåìóþ â òðàíçèñòîðå è ðåçèñòîðå Rs. Äëÿ ýòîãî ðàññ÷èòûâàþò îïòèìàëüíûå çíà÷åíèÿ Rs è Cs [81].
íûå äèàãðàììû òîêà is, íàïðÿæåíèÿ us è ìãíîâåííîé ìîùíîñòè ps, âûäåëÿåìîé â òðàíçèñòîðå ïðè ðàçíûõ çíà÷åíèÿõ åìêîñòè Cs. Èç äèàãðàìì âèäíî, ÷òî óâåëè÷åíèå Cs âåäåò ê çàòÿãèâàíèþ íàðàñòàíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå è óìåíüøåíèþ âûäåëÿåìîé â òðàíçèñòîðå ïðè âûêëþ÷åíèè ýíåðãèè tâûêë
Ws =
∫ Ps dt. Íàêîïëåííàÿ â êîíäåíñàòîðå ýíåðãèÿ
Ïðè âêëþ÷åíèè òðàíçèñòîðà âîçíèêàþò íåäîïóñòèìûå äëÿ òðàíçèñòîðà ïåðåãðóçêè ïî òîêó, êîòîðûå íåîáõîäèìî îãðàíè÷èâàòü â ñîîòâåòñòâèè ñ ÎÁÐ. Âûñîêèå çíà÷åíèÿ ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ òîêà â òðàíçèñòîðå diC ⁄ dt ïðèâîäÿò ê ðîñòó äèíàìè-
0
â äàííîé ñõåìå ðàññåèâàåòñÿ â ðåçèñòîðå Rs ïðè âêëþ÷åíèè òðàíçèñòîðíîãî êëþ÷à S. Ñîïðîòèâëå-
Ðèñ. 7.42. ÖÔÒÏ íà âêëþ÷åíèå: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêà, íàïðÿæåíèÿ è ìãíîâåííîé ìîùíîñòè ïðè Ls = 0; â – äèàãðàììû òîêà, íàïðÿæåíèÿ è ìãíîâåííîé ìîùíîñòè ïðè íåäîñòàòî÷íîé èíäóêòèâíîñòè Ls; ã – äèàãðàììû òîêà, íàïðÿæåíèÿ è ìãíîâåííîé ìîùíîñòè ïðè äîñòàòî÷íî áîëüøîé èíäóêòèâíîñòè Ls
214
§ 7.4. Òèðèñòîðû
Ðèñ. 7.44. ÖÔÒÏ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà íà îñíîâå RC-öåïè
Ðèñ. 7.43. Ïðèìåð ñõåìû ÖÔÒÏ íà âêëþ÷åíèå è âûêëþ÷åíèå
òîðîâ ñâÿçàí ñ ïåðèîäè÷åñêîé åãî êîììóòàöèåé, òî èñïîëüçóþò ñõåìû ÖÔÒÏ, ôîðìèðóþùèå íåîáõîäèìûå òðàåêòîðèè êàê ïðè âêëþ÷åíèè, òàê è âûêëþ÷åíèè (ðèñ. 7.43). Ñóùåñòâóåò áîëüøîå ðàçíîîáðàçèå ñõåì ÖÔÒÏ äëÿ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ.  îòëè÷èå îò áèïîëÿðíûõ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðû íå èìåþò îãðàíè÷åíèé â ÎÁÐ, ñâÿçàííûõ ñ âòîðè÷íûì ïðîáîåì. Êðîìå òîãî, âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè ýòè òðàíçèñòîðû õàðàêòåðèçóþòñÿ áîëüøèìè çíà÷åíèÿìè ýêâèâàëåíòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ Rs. Îáëàñòü áåçîïàñíîé ðàáîòû ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ â èìïóëüñíûõ ðåæèìàõ èìååò ïðÿìîóãîëüíóþ ôîðìó, ÷òî îáëåã÷àåò çàäà÷ó èõ çàùèòû. Ïðè âûêëþ÷åíèè àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè äëÿ âûâîäà ýíåðãèè, íàêîïëåííîé â èíäóêòèâíîì ñîïðîòèâëåíèè, èñïîëüçóþò òå æå ñïîñîáû, ÷òî è äëÿ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ (ñì. ðèñ. 7.40). Îäíàêî äëÿ ñíÿòèÿ ïåðåíàïðÿæåíèé, îáóñëîâëåííûõ ìàëûìè çíà÷åíèÿìè ïàðàçèòíûõ” èíäóêòèâíîñòåé ìîíòàæà è â òî æå ” âðåìÿ âûñîêèìè çíà÷åíèÿìè dií ⁄ dt, èñïîëüçóþò RC-öåïè, ïîäêëþ÷åííûå ïàðàëëåëüíî òðàíçèñòîðó (ðèñ. 7.44), êîòîðûìè, êàê ïðàâèëî, è îãðàíè÷èâàþòñÿ. Äëÿ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì ðåêîìåíäóþòñÿ òàêèå æå ÖÔÒÏ, êàê è äëÿ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ [81].
÷åñêèõ ïîòåðü ïðè ïåðèîäè÷åñêîì âêëþ÷åíèè òðàíçèñòîðà. Äëÿ ñíèæåíèÿ çíà÷åíèÿ diC ⁄ dt èñïîëüçóþò ÖÔÒÏ, ñîñòîÿùóþ èç ðåàêòîðà Ls, ñîåäèíåííîãî ïîñëåäîâàòåëüíî ñ òðàíçèñòîðîì. Ïîäîáíàÿ ÖÔÒÏ ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ îãðàíè÷åíèÿ òîêîâûõ ïåðåãðóçîê ïðè âêëþ÷åíèè ñ åìêîñòíîé íàãðóçêîé è â ñõåìå ñ îáðàòíûì äèîäîì VD (ðèñ. 7.42,à). Íàïðèìåð, åñëè ê ìîìåíòó î÷åðåäíîãî âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà òîê â íàãðóçêå ií, à ñëåäîâàòåëüíî, è â äèîäå VD áûë îòëè÷åí îò íóëÿ, òî ïðè îòñóòñòâèè èíäóêòèâíîñòè Ls â òðàíçèñòîðíîì êëþ÷å S âîçíèêíåò ñêà÷îê òîêà ïðè åãî âêëþ÷åíèè. Ýòî ïðîèçîéäåò â ðåçóëüòàòå âûêëþ÷åíèÿ äèîäà è ïåðåõîäà òîêà íàãðóçêè ií â òðàíçèñòîð. Ïðè äîïóùåíèè èäåàëüíîñòè äèîäà VD ýòîò ïðîöåññ ïðîèçîéäåò ìãíîâåííî â íà÷àëå âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà. Íà ðèñ. 7.42,á,â,ã ïðèâåäåíû äèàãðàììû òîêà is, íàïðÿæåíèÿ Us è ìîùíîñòè Ps ïðè ðàçíûõ çíà÷åíèÿõ Ls. Èç äèàãðàìì âèäíî, ÷òî ñ ðîñòîì èíäóêòèâíîñòè Ls ïîòåðè â òðàíçèñòîðíîì êëþ÷å S ïðè âêëþ÷åíèè óìåíüøàþòñÿ. Îäíàêî ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå ýíåðãèè, íàêàïëèâàåìîé â èíäóêòèâíîñòè Ls. Äëÿ âûâîäà ýòîé ýíåðãèè ê ìîìåíòó î÷åðåäíîãî âûêëþ÷åíèÿ ÖÔÒÏ äîëæíà èìåòü äîïîëíèòåëüíûå ýëåìåíòû.  ÷àñòíîñòè, äëÿ ýòîé öåëè ìîæíî èñïîëüçîâàòü äîïîëíèòåëüíûé ðåçèñòîð Rs è äèîä VDs. Òàê êàê îáû÷íî êëþ÷åâîé ðåæèì ðàáîòû òðàíçèñ-
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 1. Êàêèå îñíîâíûå ðàçëè÷èÿ áèïîëÿðíûõ è ïîëåâûõ òðàíçèñòîðîâ ñëåäóåò ó÷èòûâàòü ïðè èñïîëüçîâàíèè èõ â êà÷åñòâå ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé? 2. Ïîÿñíèòå îñíîâíûå ñïîñîáû îãðàíè÷åíèÿ ïåðåíàïðÿæåíèé íà òðàíçèñòîðàõ ïðè âûêëþ÷åíèè àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè.
3. Îïðåäåëèòü âðåìÿ ïðîòåêàíèÿ òîêà â îáðàòíîì äèîäå VD (ñì.ðèñ. 7.40,à) ïðè âêëþ÷åíèè òðàíçèñòîðà. Èñõîäíûå äàííûå ñëåäóþùèå: íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ E = 60 Â, Rí = 10 Îì, Lí = 100 ìêÃí, âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà è âêëþ÷åíèÿ îáðàòíîãî äèîäà ðàâíî íóëþ, 215
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
ñîîòâåòñòâåííî, ÷àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèé òðàíçèñòîðà èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå fs = 1êÃö, èçìåíåíèå òîêà òðàíçèñòîðà ïðè âûêëþ÷åíèè è íàïðÿæåíèÿ ïðè âêëþ÷åíèè ñ÷èòàòü ëèíåéíûì, ïîòåðÿìè ýíåðãèè â ðåçèñòîðå Rí íà èíòåðâàëàõ êîììóòàöèè ïðåíåáðå÷ü. 5. Êàê èçìåíÿòñÿ äèíàìè÷åñêèå ïîòåðè è èõ ñîñòàâëÿþùèå ïðè âêëþ÷åíèè è âûêëþ÷åíèè, åñëè â çàäà÷å ï.4 ïàðàëëåëüíî òðàíçèñòîðó VT ïîäêëþ÷èòü êîíäåíñàòîð åìêîñòüþ C = 0,01 ìêÔ?
äèîä âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè ïðåäñòàâëÿåòñÿ ýêâèâàëåíòíûì èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ ∆U = 2 Â. 4. Ðàññ÷èòàòü äèíàìè÷åñêèå ïîòåðè â òðàíçèñòîðå, âêëþ÷åííîì ïî ñõåìå, ïðåäñòàâëåííîé íà ðèñ. 7.40,à ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ E = 60 Â, Rí = 10 Îì, Lí = 10 ìêÃí, âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ îáðàòíîãî äèîäà VD ðàâíû íóëþ, âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà ðàâíû 10 è 20 ìêñ
7.4. ÒÈÐÈÑÒÎÐÛ 7.4.1. ÏÐÈÍÖÈÏ ÄÅÉÑÒÂÈß ÎÁÛ×ÍÎÃÎ ÒÈÐÈÑÒÎÐÀ
Îáû÷íûé òèðèñòîð ÿâëÿåòñÿ ñèëîâûì ýëåêòðîííûì íå ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûì êëþ÷îì. Ïîýòîìó èíîãäà â òåõíè÷åñêîé ëèòåðàòóðå åãî íàçûâàþò îäíîîïåðàöèîííûì òèðèñòîðîì, êîòîðûé ìîæåò ñèãíàëîì óïðàâëåíèÿ ïåðåâîäèòüñÿ òîëüêî â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå, ò. å. âêëþ÷àòüñÿ. Äëÿ åãî âûêëþ÷åíèÿ íåîáõîäèìî ïðèíèìàòü ñïåöèàëüíûå ìåðû, îáåñïå÷èâàþùèå ñïàäàíèå ïðÿìîãî òîêà äî íóëÿ. Òèðèñòîð èìååò ÷åòûðåõñëîéíóþ p-n-p-n-ñòðóêòóðó ñ òðåìÿ âûâîäàìè: àíîä (A), êàòîä (C) è óïðàâëÿþùèé ýëåêòðîä (G) (ðèñ. 7.45). Ñòðóêòóðó òèðèñòîðà ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå äâóõ ñîåäèíåííûõ òðåõñëîéíûõ ñòðóêòóð: p-n-p è n-p-n, ýêâèâàëåíòíûõ áèïîëÿðíûì òðàíçèñòîðàì.  ýòîì ñëó÷àå àíîäíûé òîê òèðèñòîðà iA ìîæåò áûòü âûðàæåí ÷åðåç îáðàòíûå òîêè (òåïëîâûå òîêè êîëëåêòîðíûõ ïåðåõîäîâ) ýêâèâàëåíòíûõ òðàíçèñòîðîâ VT1 è VT2 iA =
I
CO1
+I
CO2
+αi
2G
1 − (α + α ) 1
,
êîýôôèöèåíòû ïåðåäà÷è ïî òîêó ýêâèâàëåíòíûõ òðàíçèñòîðîâ â ñõåìå ñ îáùåé áàçîé. Èç (7.48) âèäíî, ÷òî ïðè α1 + α2 = 1, òîê iA âîçðàñòàåò ëàâèíîîáðàçíî. Òàêîé ïðîöåññ, êàê âèäíî èç ñõåìû íà ðèñ. 7.45,ã, âîçíèêàåò áëàãîäàðÿ ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè ìåæäó òîêîì êîëëåêòîðà iC1 òðàíçèñòîðà VT1 è òîêîì áàçû iB2 òðàíçèñòîðà VT2. Êðîìå òîãî, êîýôôèöèåíòû óñèëåíèÿ α1 è α2 òàêæå ñóùåñòâåííî âîçðàñòàþò ñ òîêàìè ýìèòòåðîâ ýêâèâàëåíòíûõ òðàíçèñòîðîâ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò âíóòðåííåé ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè. Óâåëè÷åíèå òîêà óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðà iG ïðèâîäèò ê âêëþ÷åíèþ òðàíçèñòîðà VT2 è, ñîîòâåòñòâåííî, ê óâåëè÷åíèþ òîêà áàçû òðàíçèñòîðà VT1 è åãî âêëþ÷åíèþ. Áëàãîäàðÿ ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè ìåæäó ýòèìè ýêâèâàëåíòíûìè òðàíçèñòîðàìè âêëþ÷åíèå òèðèñòîðà íà÷èíàåò ëàâèíîîáðàçíî ðàçâèâàòüñÿ äî ñîñòîÿíèÿ, êîãäà òîê îãðàíè÷åí ñîïðîòèâëåíèåì íàãðóçêè. Àíàëèçèðóÿ ïðîöåññû â ñõåìå ñ ýêâèâàëåíòíûìè òðàíçèñòîðàìè, ìîæíî óáåäèòüñÿ â òîì, ÷òî åñëè ïðîèçîøëî âêëþ÷åíèå òèðèñòîðà (ïðîòåêàåò òîê àíîäà iA), òî ïðåêðàùåíèå ïðîòåêàíèÿ òîêà óïðàâ-
(7.48)
2
ãäå ICO1 è ICO2 – îáðàòíûå òîêè êîëëåêòîðíûõ ïåðåõîäîâ òðàíçèñòîðîâ VT1 è VT2 ñîîòâåòñòâåííî; iG – òîê óïðàâëÿþùåãî ýëåêòðîäà òèðèñòîðà; α1, α2 –
Ðèñ. 7.45. Îáû÷íûé òèðèñòîð: à – îáîçíà÷åíèå; á – ñòðóêòóðà; â – ïðåäñòàâëåíèå â âèäå äâóõ òðåõñëîéíûõ ñòðóêòóð; ã – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ
216
§ 7.4. Òèðèñòîðû
ïóëüñà òîêà óïðàâëåíèÿ iG. Òàêèì îáðàçîì òèðèñòîð ñïîñîáåí âûäåðæèâàòü êàê ïðÿìîå òàê è îáðàòíîå íàïðÿæåíèå, íå ïåðåõîäÿ â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå. Òèðèñòîð ïðîâîäèò ïðÿìîé òîê ïðè ïîäà÷å íà íåãî ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ è èìïóëüñà òîêà óïðàâëåíèÿ è âûêëþ÷àåòñÿ ïîñëå ñïàäàíèÿ ïðÿìîãî òîêà äî íóëÿ è âîññòàíîâëåíèÿ çàïèðàþùåé ñïîñîáíîñòè.
ëÿþùåãî ýëåêòðîäà iG íå ïðèâåäåò ê âûêëþ÷åíèþ ñõåìû. Ýòî ñâÿçàíî ñ íàëè÷èåì âíóòðåííåé îáðàòíîé ñâÿçè. Åñëè òîê àíîäà iA ïî êàêèì-ëèáî âíåøíèì ïðè÷èíàì ñïàäàåò äî íóëÿ è âíóòðåííèå åìêîñòè ýêâèâàëåíòíûõ òðàíçèñòîðîâ ðàçðÿæàþòñÿ, òî ñõåìà íå ïåðåéäåò â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå ïðè ïðèëîæåíèè ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ àíîä-êàòîä áåç ïîäà÷è èì-
7.4.2. ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÂÀÕ ÒÈÐÈÑÒÎÐÀ
Èäåàëèçèðîâàííûé êëþ÷, ýêâèâàëåíòíûé òèðèñòîðó, èìååò ñòàòè÷åñêóþ ÂÀÕ (ðèñ. 7.46). Òèðèñòîðíûé êëþ÷ ìîæåò ïðîâîäèòü òîê â îäíîì íàïðàâëåíèè, à â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè ìîæåò âûäåðæèâàòü êàê ïðÿìîå, òàê è îáðàòíîå íàïðÿæåíèå. Ðàññìîòðèì áîëåå ïîäðîáíî ðåàëüíûå ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ îáû÷íîãî òèðèñòîðà – âûõîäíûå è âõîäíûå. Íà ðèñ. 7.47,á ïðåäñòàâëåíî ñåìåéñòâî âûõîäíûõ ñòàòè÷åñêèõ ÂÀÕ ïðè ðàçíûõ çíà÷åíèÿõ òîêà óïðàâëåíèÿ iG. Ïðåäåëüíîå ïðÿìîå íàïðÿæåíèå, êîòîðîå
Ðèñ. 7.46. ÂÀÕ èäåàëüíîãî òèðèñòîðà
Ðèñ. 7.47. Õàðàêòåðèñòèêè òèðèñòîðà: à – ñõåìà âêëþ÷åíèÿ; á – âûõîäíàÿ ÂÀÕ; â – âõîäíàÿ ÂÀÕ
217
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
ìîæåò ñîîòâåòñòâîâàòü íåîáðàòèìîìó ïðîöåññó èëè ïðîöåññó ëàâèííîãî ïðîáîÿ ñòàáèëèòðîíà. Ñòàòè÷åñêèå âõîäíûå ÂÀÕ, õàðàêòåðèçóþùèå ïàðàìåòðû óïðàâëåíèÿ îáû÷íîãî òèðèñòîðà, ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 7.47,â. Ñåìåéñòâî ÂÀÕ ðàñïîëîæåíî â îáëàñòè, îãðàíè÷åííîé åå çíà÷åíèÿìè ïðè ìàêñèìàëüíî 1 è ìèíèìàëüíî 2 äîïóñòèìûõ ðàáî÷èõ òåìïåðàòóðàõ òèðèñòîðà. Çàøòðèõîâàííàÿ îáëàñòü îãðàíè÷åíà ìèíèìàëüíûìè çíà÷åíèÿìè òîêà è íàïðÿæåíèÿ öåïè óïðàâëåíèÿ, ãàðàíòèðóþùèìè âêëþ÷åíèå òèðèñòîðà. Ñóùåñòâóþò òàêæå îãðàíè÷åíèÿ íà ìàêñèìàëüíî äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ òîêà iG max, íàïðÿæåíèÿ UGC max è ìîùíîñòè PG max. Îãðàíè÷åíèÿ ìîùíîñòè çàâèñÿò îò äëèòåëüíîñòè ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ. Íàãðóçî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà äîëæíà âûáèðàòüñÿ ñ ó÷åòîì óêàçàííûõ îãðàíè÷åíèé (íàïðèìåð, ïðÿìàÿ 3 íà ðèñ. 7.47,â).
âûäåðæèâàåòñÿ òèðèñòîðîì áåç åãî âêëþ÷åíèÿ, èìååò ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ïðè iG = 0. Ïðè óâåëè÷åíèè òîêà iG ïðÿìîå íàïðÿæåíèå, âûäåðæèâàåìîå òèðèñòîðîì, ñíèæàåòñÿ. Âêëþ÷åííîìó ñîñòîÿíèþ òèðèñòîðà ñîîòâåòñòâóåò âåòâü II, âûêëþ÷åííîìó – âåòâü I, ïðîöåññó âêëþ÷åíèÿ – âåòâü III. Óäåðæèâàþùèé òîê IÍ ðàâåí ìèíèìàëüíîìó äîïóñòèìîìó çíà÷åíèþ ïðÿìîãî òîêà iA, ïðè êîòîðîì òèðèñòîð îñòàåòñÿ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè.  îòêðûòîì ñîñòîÿíèè òèðèñòîð òàêæå õàðàêòåðèçóåòñÿ çíà÷åíèåì ïðÿìîãî ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ ∆UAC min . Çàâèñèìîñòü òîêà óòå÷êè îò îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 7.47,á (âåòâü IV). Ïðè ïðåâûøåíèè îáðàòíûì íàïðÿæåíèåì çíà÷åíèÿ UBO íà÷èíàåòñÿ ðåçêîå âîçðàñòàíèå îáðàòíîãî òîêà, ñâÿçàííîå ñ ïðîáîåì òèðèñòîðà. Õàðàêòåð ïðîáîÿ
7.4.3. ÄÈÍÀÌÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ
÷åíèÿ ñîñòîèò èç âðåìåíè çàäåðæêè tgd è âðåìåíè íàðàñòàíèÿ òîêà òèðèñòîðà iA(t). Âðåìÿ çàäåðæêè îïðåäåëÿåòñÿ îò ìîìåíòà âðåìåíè t = t0 ïîäà÷è èìïóëüñà òîêà óïðàâëåíèÿ iG (íà ðèñ. 7.48 ýòîò
Âêëþ÷åíèå îáû÷íîãî òèðèñòîðà îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîäà÷åé èìïóëüñà òîêà â öåïü óïðàâëåíèÿ. Íà ðèñ. 7.48 ïîêàçàíû âðåìåííûå äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ òèðèñòîðà ïðè åãî âêëþ÷åíèè. Âðåìÿ âêëþ-
Ðèñ. 7.48. Äèàãðàììû ïðîöåññîâ âêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà
218
§ 7.4. Òèðèñòîðû
 íà÷àëå ïðÿìîé òîê ñíèæàåòñÿ ñ îïðåäåëåííîé ïàðàìåòðàìè êîììóòèðóåìîé öåïè ñêîðîñòüþ diA ⁄ dt äî íóëÿ. Çàòåì èäåò ïðîöåññ îáðàòíîãî âîñ-
èìïóëüñ èìååò èäåàëüíî êðóòîé ôðîíò) äî íà÷àëà ñïàäà íàïðÿæåíèÿ àíîä–êàòîä òèðèñòîðà uAC (t) íà 10% íà÷àëüíîãî çíà÷åíèÿ. Íàðàñòàíèå òîêà òèðèñòîðà iA(t) çàêàí÷èâàåòñÿ â ìîìåíò âðåìåíè t = t2, êîãäà íàïðÿæåíèå uAC (t) ñïàäåò äî 10% íà÷àëüíîãî çíà÷åíèÿ, à òîê iA(t) äîñòèãíåò 90% óñòàíîâèâøåãîñÿ çíà÷åíèÿ. Íà äëèòåëüíîñòü ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå îêàçûâàþò õàðàêòåð íàãðóçêè (àêòèâíûé, èíäóêòèâíûé è ïð.), àìïëèòóäà è ñêîðîñòü íàðàñòàíèÿ èìïóëüñà òîêà óïðàâëåíèÿ iG, òåìïåðàòóðà, íàïðÿæåíèå è òîê íàãðóçêè.  öåïè, ñîäåðæàùåé òèðèñòîð, íå äîëæíî âîçíèêàòü íåäîïóñòèìûõ çíà÷åíèé ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ duAC (t) ⁄ dt, ïðè êîòîðûõ ìîæåò ïðîèñõîäèòü íåñàíêöèîíèðîâàííîå âêëþ÷åíèå òèðèñòîðà ïðè îòñóòñòâèè ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ è ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ òîêà diA ⁄ dt, êîòîðûå óêàçûâàþòñÿ â ïàñïîðòíûõ äàííûõ êîíêðåòíûõ òèïîâ òèðèñòîðîâ.  òî æå âðåìÿ êðóòèçíà ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ äîëæíà áûòü âûñîêîé. Ïðîöåññû âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà è äèîäà âî ìíîãîì ïîäîáíû. Íà ðèñ. 7.49 ïðåäñòàâëåíû âðåìåííûå äèàãðàììû âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà ïîä âîçäåéñòâèåì îáðàòíîãî íàïðÿæåíèÿ uACR(t) è ïîñëåäó-
ñòàíîâëåíèÿ â òå÷åíèå âðåìåíè tRR, êîãäà ïðîòåêàåò îáðàòíûé òîê âîññòàíîâëåíèÿ iRR. Äàëåå ïðîèñõîäèò ðåêîìáèíàöèÿ èçáûòî÷íûõ íîñèòåëåé â òå÷åíèå âðåìåíè tS. Âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ tq = tRR + tS. Ïî èñòå÷åíèè ýòîãî âðåìåíè òèðèñòîð âíîâü ñïîñîáåí âûäåðæèâàòü â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè ïðÿìîå íàïðÿæåíèå, íàðàñòàþùåå ñî ñêîðîñòüþ duF ⁄ dt, íå ïðåâûøàþùåå äîïóñòèìîå çíà÷åíèå. Íà âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ tq âëèÿþò òåìïåðàòóðà, íàïðÿæåíèå, ñêîðîñòè ñïàäà ïðÿìîãî òîêà è íàðàñòàíèÿ ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ è äð. Ñðåäè ñïîñîáîâ âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðîâ ïðèíÿòî ðàçëè÷àòü åñòåñòâåííîå âûêëþ÷åíèå (èëè åñòåñòâåííóþ êîììóòàöèþ) è ïðèíóäèòåëüíîå (ïðèíóäèòåëüíóþ èëè èñêóññòâåííóþ êîììóòàöèþ). Åñòåñòâåííàÿ êîììóòàöèÿ ïðîèñõîäèò ïîä âîçäåéñòâèåì ïåðåìåííîãî, îáû÷íî ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ â ìîìåíò ñïàäàíèÿ òîêà äî íóëÿ. Åñòåñòâåííàÿ êîììóòàöèÿ øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ â ðåãóëÿòîðàõ ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ è âûïðÿìèòåëÿõ. Ñïîñîáû ïðèíóäèòåëüíîé êîììóòàöèè âåñüìà ðàçíîîáðàçíû. Íàèáîëåå õàðàêòåðíûå èç íèõ ñëåäóþùèå:
þùèì ïðèëîæåíèåì ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ uACF (t).
Ðèñ. 7.49. Äèàãðàììû ïðîöåññîâ âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà
219
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Ðèñ. 7.50. Ñïîñîáû êîììóòàöèè òèðèñòîðîâ: à – ïîñðåäñòâîì ïîäêëþ÷åíèÿ çàðÿæåííîãî êîíäåíñàòîðà; á – ïîñðåäñòâîì êîëåáàòåëüíîãî ðàçðÿäà LC-êîíòóðà; â – çà ñ÷åò êîëåáàòåëüíîãî õàðàêòåðà íàãðóçêè
ïîäêëþ÷åíèå ïðåäâàðèòåëüíî çàðÿæåííîãî êîíäåíñàòîðà (ðèñ. 7.50,à), ïîäêëþ÷åíèå LC-öåïè ñ ïðåäâàðèòåëüíî çàðÿæåííûì êîíäåíñàòîðîì (ðèñ. 7.50,á) è èñïîëüçîâàíèå êîëåáàòåëüíîãî õàðàêòåðà ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà â öåïè íàãðóçêè (ðèñ. 7.50,â). Ïðè êîììóòàöèè ïî ñõåìå íà ðèñ. 7.50,à ïîäêëþ÷åíèå êîììóòèðóþùåãî êîíäåíñàòîðà, íàïðèìåð äðóãèì âñïîìîãàòåëüíûì òèðèñòîðîì, âûçûâàåò åãî ðàçðÿä íà ïðîâîäÿùèé îñíîâíîé òèðèñòîð. Òàê êàê ðàçðÿä-
íûé òîê êîíäåíñàòîðà íàïðàâëåí âñòðå÷íî ïðÿìîìó òîêó òèðèñòîðà, ïîñëåäíèé ñíèæàåòñÿ äî íóëÿ è òèðèñòîð âûêëþ÷àåòñÿ. Èíòåðâàë âðåìåíè ìåæäó íà÷àëîì ðàçðÿäà êîíäåíñàòîðà è èçìåíåíèåì íà íåì ïîëÿðíîñòè íàïðÿæåíèÿ ïîä âîçäåéñòâèåì âíåøíèõ èñòî÷íèêîâ íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà äîëæåí ñîîòâåòñòâîâàòü âðåìåíè âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà tq.  ñõåìå íà ðèñ. 7.50,á ïîäêëþ÷åíèå LC-êîíòóðà âûçûâàåò êîëåáàòåëüíûé ðàçðÿä êîììóòèðóþùåãî 220
§ 7.4. Òèðèñòîðû
ïðîòåêàåò òîê êîíòóðà, ê òèðèñòîðó VS áóäåò ïðèëîæåíî îáðàòíîå íàïðÿæåíèå, ðàâíîå ïàäåíèþ íàïðÿæåíèÿ íà îòêðûòîì äèîäå. Ýòîò èíòåðâàë âðåìåíè äîëæåí ñîîòâåòñòâîâàòü âðåìåíè âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà tq.  ñõåìå íà ðèñ. 7.50,â âêëþ÷åíèå òèðèñòîðà VS íà êîìïëåêñíóþ RLC-íàãðóçêó âûçîâåò ïåðåõîäíûé ïðîöåññ. Ïðè îïðåäåëåííûõ ïàðàìåòðàõ íàãðóçêè ýòîò ïðîöåññ ìîæåò èìåòü êîëåáàòåëüíûé õàðàêòåð ñ èçìåíåíèåì ïîëÿðíîñòè òîêà íàãðóçêè ií.  ýòîì ñëó÷àå ïîñëå âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà VS ïðîèñõîäèò âêëþ÷åíèå äèîäà VD, êîòîðûé íà÷èíàåò ïðîâîäèòü òîê ïðîòèâîïîëîæíîé ïîëÿðíîñòè. Âðåìÿ ïðîâîäÿùåãî ñîñòîÿíèÿ äèîäà, êàê è â ñõåìå íà ðèñ. 7.50,á, äîëæíî ñîîòâåòñòâîâàòü âðåìåíè âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà tq. Èíîãäà ýòîò ñïîñîá êîììóòàöèè íàçûâàþò êâàçèåñòåñòâåííûì, òàê êàê îí ñâÿçàí ñ èçìåíåíèåì ïîëÿðíîñòè òîêà íàãðóçêè. Òèðèñòîðû ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå ìîùíûìè ýëåêòðîííûìè êëþ÷àìè, ñïîñîáíûìè êîììóòèðîâàòü öåïè ñ íàïðÿæåíèåì äî 10 ê è òîêàìè äî 5 êÀ, à ÷àñòîòà ìîùíûõ ïðèáîðîâ îáû÷íî íå ïðåâûøàåò 1 êÃö. Êîíñòðóêòèâíîå èñïîëíåíèå òèðèñòîðîâ (ðèñ. 7.51) è ñèëîâûõ äèîäîâ ñõîäíû.
Ðèñ. 7.51. Êîíñòðóêöèè òèðèñòîðîâ: à – òàáëåòî÷íàÿ; á – øòûðüåâàÿ
êîíäåíñàòîðà Cê. Ïðè ýòîì â íà÷àëå ðàçðÿäíûé òîê ïðîòåêàåò ÷åðåç òèðèñòîð âñòðå÷íî åãî ïðÿìîìó òîêó, êîãäà îíè ñòàíîâÿòñÿ ðàâíûìè, òèðèñòîð âûêëþ÷àåòñÿ. Äàëåå òîê LC-êîíòóðà ïåðåõîäèò èç òèðèñòîðà VS â äèîä VD. Ïîêà ÷åðåç äèîä VD
7.4.4. ÇÀÏÈÐÀÅÌÛÅ ÒÈÐÈÑÒÎÐÛ
òîêà äî íóëÿ. Ýòî âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ îãðàíè÷èâàåò è óñëîæíÿåò èñïîëüçîâàíèå òèðèñòîðîâ. Äëÿ óñòðàíåíèÿ ýòîãî íåäîñòàòêà ñîçäàíû òèðèñòîðû, çàïèðàåìûå ñèãíàëîì ïî óïðàâëÿþùåìó ýëåêòðîäó. Òàêèå òèðèñòîðû íàçûâàþò çàïèðàåìûìè (àíãë. GTO – Gate turn-off thyristor) èëè äâóõîïåðàöèîííûìè. Çàïèðàåìûå òèðèñòîðû (ÇÒ) (ðèñ. 7.52,à)
Îáû÷íûå èëè òðàäèöèîííûå òèðèñòîðû ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå ìîùíûìè ýëåêòðîííûìè êëþ÷àìè, èñïîëüçóåìûìè äëÿ êîììóòàöèè âûñîêîâîëüòíûõ è ñèëüíîòî÷íûõ öåïåé. Îäíàêî îíè èìåþò ñóùåñòâåííûé íåäîñòàòîê – íåïîëíóþ óïðàâëÿåìîñòü, êîòîðàÿ ïðîÿâëÿåòñÿ â òîì, ÷òî äëÿ èõ âûêëþ÷åíèÿ íåîáõîäèìî ñîçäàòü óñëîâèÿ ñíèæåíèÿ ïðÿìîãî
Ðèñ. 7.52. Òèïû òèðèñòîðîâ: à – çàïèðàåìûé òèðèñòîð; á – äèíèñòîð; â – äèîä-òèðèñòîð; ã – ñèìèñòîð; ä – ôîòîòèðèñòîð
221
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
ÇÒ õàðàêòåðíû çíà÷èòåëüíûå ïàäåíèÿ ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ âûêëþ÷åíèÿ ÇÒ íåîáõîäèìî ïîäàòü â öåïü óïðàâëÿþùåãî ýëåêòðîäà ìîùíûé èìïóëüñ îòðèöàòåëüíîãî òîêà (ïðèìåðíî 1:5 ïî îòíîøåíèþ ê çíà÷åíèþ ïðÿìîãî âûêëþ÷àåìîãî òîêà), íî êîðîòêîé äëèòåëüíîñòè (10–100 ìêñ). Çàïèðàåìûå òèðèñòîðû èìåþò áîëåå íèçêèå çíà÷åíèÿ ïðåäåëüíûõ íàïðÿæåíèé è òîêîâ (ïðèìåðíî íà 20–30%) ïî ñðàâíåíèþ ñ îáû÷íûìè òèðèñòîðàìè.
èìåþò ÷åòûðåõñëîéíóþ p-n-p-n ñòðóêòóðó, íî â òî æå âðåìÿ îáëàäàþò ðÿäîì ñóùåñòâåííûõ êîíñòðóêòèâíûõ îñîáåííîñòåé, ïðèäàþùèõ èì ïðèíöèïèàëüíî îòëè÷íîå îò òðàäèöèîííûõ òèðèñòîðîâ ñâîéñòâî ïîëíîé óïðàâëÿåìîñòè. Ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ çàïèðàåìûõ òèðèñòîðîâ â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè èäåíòè÷íà ÂÀÕ îáû÷íûõ òèðèñòîðîâ. Îäíàêî áëîêèðîâàòü áîëüøèå îáðàòíûå íàïðÿæåíèÿ ÇÒ îáû÷íî íå ñïîñîáåí è ÷àñòî ñîåäèíÿåòñÿ ñî âñòðå÷íîïàðàëëåëüíî âêëþ÷åííûì äèîäîì. Êðîìå òîãî, äëÿ
7.4.5. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÒÈÏÛ ÒÈÐÈÑÒÎÐÎÂ
ùåìó ýëåêòðîäó, íàïðèìåð, íà îñíîâå êîìáèíàöèè ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà ñ òèðèñòîðîì; òèðèñòîðûäèîäû, êîòîðûå ýêâèâàëåíòíû òèðèñòîðàì ñî âñòðå÷íî-ïàðàëëåëüíî âêëþ÷åííûì äèîäîì (ðèñ. 7.52,â); ñèììåòðè÷íûå òèðèñòîðû èëè ñèìèñòîðû (àíãë. TRIAC), êîòîðûå ýêâèâàëåíòíû äâóì âñòðå÷íî-âêëþ÷åííûì òèðèñòîðàì (ðèñ. 7.52,ã); îïòîòèðèñòîðû, óïðàâëÿåìûå ñâåòîâûì ïîòîêîì (ðèñ. 7.52,ä) è äð. [82, 83].
Êðîìå ÇÒ ðàçðàáîòàíû ðàçëè÷íûå òèïû òèðèñòîðîâ, îòëè÷àþùèåñÿ áûñòðîäåéñòâèåì, ïðîöåññàìè óïðàâëåíèÿ, íàïðàâëåíèåì òîêîâ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè è äð. Ñðåäè íèõ ñëåäóåò îòìåòèòü: äèîäíûå òèðèñòîðû (äèíèñòîðû), âêëþ÷àåìûå èìïóëüñîì ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ (ðèñ. 7.52,á); áûñòðîäåéñòâóþùèå èíâåðòîðíûå òèðèñòîðû (âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ 5–50 ìêñ); òèðèñòîðû ñ ïîëåâûì óïðàâëåíèåì ïî óïðàâëÿþ-
7.4.6. ÇÀÙÈÒÀ ÒÈÐÈÑÒÎÐÎÂ
Òèðèñòîðû ÿâëÿþòñÿ ïðèáîðàìè êðèòè÷íûìè ê ñêîðîñòÿì íàðàñòàíèÿ ïðÿìîãî òîêà diA ⁄ dt è ïðÿìîãî íàïðÿæåíèÿ duAC ⁄ dt. Òèðèñòîðàì, êàê è äèîäàì, ïðèñóùå ÿâëåíèå ïðîòåêàíèÿ îáðàòíîãî òîêà âîññòàíîâëåíèÿ iRR, ðåçêîå ñïàäàíèå êîòîðîãî äî íóëÿ óñóãóáëÿåò âîçìîæíîñòü âîçíèêíîâåíèÿ ïåðåíàïðÿæåíèé ñ âûñîêèì çíà÷åíèåì duAC ⁄ dt. Òàêèå ïåðåíàïðÿæåíèÿ ÿâëÿþòñÿ ñëåäñòâèåì ðåçêîãî ïðåêðàùåíèÿ òîêà â èíäóêòèâíûõ ýëåìåíòàõ ñõåìû, âêëþ÷àÿ ìàëûå èíäóêòèâíîñòè ìîíòàæà, ðàññåÿíèÿ òðàíñôîðìàòîðîâ è äð. Ïîýòîìó äëÿ çàùèòû òèðèñòîðîâ îáû÷íî èñïîëüçóþò ðàçëè÷íûå ñõåìû ÖÔÒÏ, êîòîðûå â äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ îñóùåñòâëÿþò çàùèòó îò íåäîïóñòèìûõ çíà÷åíèé diA ⁄ dt è duAC ⁄ dt. Äëÿ çàùèòû îò âûñîêèõ çíà÷åíèé diA ⁄ dt â öåïÿõ ñ íèçêèì ïîëíûì ñîïðîòèâëåíèåì îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííûé ðåàêòîð ñ èíäóêòèâíîñòüþ Ls èëè íàñûùàþùèéñÿ ðåàêòîð (ñì.ï.7.1.4). Îäíàêî â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ âíóòðåííåå èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå èñòî÷íèêîâ íàïðÿæåíèÿ, âõîäÿùèõ â öåïü âêëþ÷åííîãî òèðèñòîðà, îêàçûâàåòñÿ äîñòàòî÷íûì, ÷òîáû íå ââîäèòü äîïîëíèòåëüíûå èíäóêòèâíîñòè. Ïîýòîìó íà ïðàêòèêå ÷àùå âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü â ÖÔÒÏ,
Ðèñ. 7.53. Òèïîâàÿ ñõåìà çàùèòû òèðèñòîðà
ñíèæàþùèõ óðîâåíü è ñêîðîñòü ïåðåíàïðÿæåíèé ïðè âûêëþ÷åíèè òèðèñòîðà. Äëÿ ýòîé öåëè îáû÷íî èñïîëüçóþò RC-öåïè, ïîäêëþ÷àåìûå ïàðàëëåëüíî òèðèñòîðó (ðèñ. 7.53). Ñóùåñòâóþò ðàçëè÷íûå ñõåìîòåõíè÷åñêèå ìîäèôèêàöèè RC-öåïåé è ìåòîäèêè ðàñ÷åòà èõ ïàðàìåòðîâ äëÿ ðàçíûõ óñëîâèé èñïîëüçîâàíèÿ òèðèñòîðîâ [81]. Äëÿ çàïèðàåìûõ òèðèñòîðîâ ðåêîìåíäóåòñÿ èñïîëüçîâàíèå ÖÔÒÏ, àíàëîãè÷íûõ ïî ñõåìîòåõíèêå ÖÔÒÏ òðàíçèñòîðîâ. 222
§ 7.4. Òèðèñòîðû
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è ïðÿæåíèå íà òèðèñòîðå ñïàäàåò ïî ëèíåéíîìó çàêîíó. 4. Îïðåäåëèòü ïîòåðè ìîùíîñòè â òèðèñòîðå, ïåðèîäè÷åñêè âêëþ÷àåìîì â öåïè ïåðåìåííîãî òîêà ñ àêòèâíîé íàãðóçêîé Rí. Èñõîäíûå äàííûå ñëåäóþùèå: äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà ïåðåìåííîãî òîêà Uc = 220 Â, ôîðìà íàïðÿæåíèÿ – ñèíóñîèäàëüíàÿ, ñîïðîòèâëåíèå Rí = 1 Îì.  ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè òèðèñòîð ýêâèâàëåíòåí èñòî÷íèêó ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ ñ ∆U = 2  è âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì Rïð = 0,1 Îì. Âêëþ÷åíèå òèðèñòîðà ïðîèñõîäèò îäèí ðàç â ìîìåíò ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ. Âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ ðàâíî íóëþ. 5. Êàêèå òðåáîâàíèÿ ïðåäúÿâëÿþòñÿ ê èìïóëüñàì óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðîâ?
1. Êàêèå óñëîâèÿ íåîáõîäèìî ñîçäàòü äëÿ ïåðåõîäà òèðèñòîðà â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå? 2. Îïðåäåëèòü åìêîñòü êîììóòèðóþùåãî êîíäåíñàòîðà, çàðÿæåííîãî äî íàïðÿæåíèÿ UC = 300  äëÿ âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà, ïðîâîäÿùåãî òîê íàãðóçêè Ií = 100 À. Ïðè ðàñ÷åòå ñ÷èòàòü òîê íàãðóçêè íà èíòåðâàëå âûêëþ÷åíèÿ ïîñòîÿííûì. 3. Òèðèñòîð ïîäêëþ÷àåò èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ ê öåïè, ñîñòîÿùåé èç ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ ðåçèñòîðà ñîïðîòèâëåíèåì Rí è ðåàêòîðà èíäóêòèâíîñòüþ Lí. Îïðåäåëèòü ýíåðãèþ, âûäåëÿåìóþ â òèðèñòîðå ïðè åãî âêëþ÷åíèè, äëÿ ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ E = 1000 Â, ñîïðîòèâëåíèå Rí = 10 Îì, èíäóêòèâíîñòü Lí = 10 ìÃí, âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà 50 ìêñ. Íà èíòåðâàëå âêëþ÷åíèÿ íà-
7.5. ÌÎÄÓËÈ ÑÈËÎÂÛÕ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ÊËÞ×ÅÉ 7.5.1. ÏÎÑËÅÄÎÂÀÒÅËÜÍÎÅ È ÏÀÐÀËËÅËÜÍÎÅ ÑÎÅÄÈÍÅÍÈÅ ÊËÞ×ÅÂÛÕ ÝËÅÌÅÍÒÎÂ
ÂÀÕ ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ äèîäîâ, íàõîäÿùèõñÿ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè (ðèñ. 7.54,á), ÷òî ñíèæàåò äîïóñòèìûé óðîâåíü ñóììàðíîãî òîêà äèîäîâ. Ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñîåäèíåíèè äèîäîâ ìîæåò âîçíèêàòü íåðàâíîìåðíîñòü â ðàñïðåäåëåíèè îáðàòíûõ íàïðÿæåíèé ìåæäó äèîäàìè (ðèñ. 7.55) èç-çà ðàçëè÷èÿ ñòàòè÷åñêèõ ÂÀÕ äèîäîâ íà ó÷àñòêàõ, ñîîòâåòñòâóþùèõ îáðàòíîìó íàïðÿæåíèþ. Äîñòèæåíèå ðàâíîìåðíûõ ðàñïðåäåëåíèé òîêîâ èëè íàïðÿæåíèÿ çà ñ÷åò ïîäáîðà êëþ÷åé ñ ìàëîðàçëè÷àþùèìèñÿ ÂÀÕ ÿâëÿåòñÿ ýêîíîìè÷åñêè íåöåëåñîîáðàçíûì è ïîýòîìó îáû÷íî íå èñïîëüçóåòñÿ.
Íà ïðàêòèêå íåðåäêî âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü ïàðàëëåëüíîãî èëè ïîñëåäîâàòåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ îäíîòèïíûõ êëþ÷åé. Îáû÷íî ïðè÷èíîé ýòîìó ÿâëÿåòñÿ ïîòðåáíîñòü â ïîâûøåíèè êîììóòèðóåìûõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé èëè ïîâûøåíèè íàäåæíîñòè ñõåìû ïîñðåäñòâîì ðåçåðâèðîâàíèÿ ñèëîâûõ êëþ÷åé. Ðàññìîòðèì ýòè âîïðîñû íà ïðèìåðå ñîåäèíåíèÿ ïðîñòåéøèõ âèäîâ êëþ÷åé – äèîäîâ. Ïðè ïàðàëëåëüíîì ñîåäèíåíèè (ðèñ. 7.54,à) ìîæåò âîçíèêàòü íåðàâíîìåðíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ òîêîâ ìåæäó îòäåëüíûìè äèîäàìè â óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ êàæäîãî èç äèîäîâ. Ïðè÷èíîé ýòîìó ÿâëÿåòñÿ íåèäåíòè÷íîñòü ñòàòè÷åñêèõ
Ðèñ. 7.54. Ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå äèîäîâ:
223
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Ðèñ. 7.55. Ïîñëåäîâàòåëüíîå ñîåäèíåíèå äèîäîâ: à – ñõåìà; á – ÂÀÕ äèîäîâ
Ðèñ. 7.56. Âûðàâíèâàþùèå öåïè äëÿ: à – ïàðàëëåëüíîãî âêëþ÷åíèÿ â ñòàòè÷åñêîì ðåæèìå; á – ïîñëåäîâàòåëüíîãî âêëþ÷åíèÿ â ñòàòè÷åñêîì ðåæèìå; â – ïîñëåäîâàòåëüíîãî âêëþ÷åíèÿ â äèíàìè÷åñêîì ðåæèìå; ã – ïàðàëëåëüíîãî âêëþ÷åíèÿ â äèíàìè÷åñêîì ðåæèìå
ÌÄÑ ðåàêòîðîâ äîëæíû áûòü íàïðàâëåíû òàê, ÷òîáû ïðè ðàâíûõ òîêàõ â íèõ íå âîçíèêàëè ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè. Íàïðèìåð, äëÿ äâóõ äèîäîâ ýòî ñîîòâåòñòâóåò äâóõîáìîòî÷íûì ðåàêòîðàì ñî âñòðå÷íîâêëþ÷åííûìè îáìîòêàìè ñ ðàâíûì ÷èñëîì âèòêîâ. Ïîäîáíûå ìåòîäû èñïîëüçóþòñÿ ïðè ñîåäèíåíèè äðóãèõ êëþ÷åé: òèðèñòîðîâ, òðàíçèñòîðîâ è äð. Îäíàêî äëÿ îòäåëüíûõ âèäîâ êëþ÷åé, íàïðèìåð äëÿ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ, îáåñïå÷åíèå ðàâíîìåðíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ òîêîâ ïðè ïàðàëëåëüíîì ñîåäèíåíèè äîñòèãàåòñÿ áåç ââåäåíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ ñîïðîòèâëåíèé. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî îíè îáëàäàþò ïîëîæèòåëüíûì òåìïåðàòóðíûì êîýôôèöèåíòîì ñîïðîòèâëåíèé âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè RDSon. Ïîýòîìó ïåðåãðóçêà ïî òîêó îäíîãî èç òðàí-
Áîëåå ïðîñòûì è äåøåâûì ìåòîäîì ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå äîïîëíèòåëüíûõ âûðàâíèâàþùèõ ðåçèñòîðîâ. Äëÿ âûðàâíèâàíèÿ òîêîâ èñïîëüçóþòñÿ íèçêîîìíûå ðåçèñòîðû, âêëþ÷åííûå ïîñëåäîâàòåëüíî ñ äèîäàìè (ðèñ. 7.56,à). Ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñîåäèíåíèè èñïîëüçóþò âûñîêîîìíûå ðåçèñòîðû, ïîäêëþ÷åííûå ïàðàëëåëüíî äèîäàì (ðèñ. 7.56,á). Îäíàêî èñïîëüçîâàíèå ðåçèñòîðîâ êàê ïðè ïàðàëëåëüíîì, òàê è ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñîåäèíåíèè ïðèâîäèò ê äîïîëíèòåëüíûì ïîòåðÿì ìîùíîñòè. Êðîìå òîãî ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûå ðåçèñòîðû óâåëè÷èâàþò îáðàòíûå òîêè è ñíèæàþò áëîêèðóþùóþ ñïîñîáíîñòü äèîäîâ. Íåðàâíîìåðíîñòü â ðàñïðåäåëåíèè òîêîâ è íàïðÿæåíèé âîçíèêàåò òàêæå â äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ ïåðåêëþ÷åíèÿ äèîäîâ èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå. Äëÿ óñòðàíåíèÿ òàêèõ ÿâëåíèé èñïîëüçóþò RC-öåïè äëÿ ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ äèîäîâ (ðèñ. 7.56,â) è ââîäÿò ìàãíèòíî-ñâÿçàííûå ðåàêòîðû (ðèñ. 7.56,ã) ïðè ïàðàëëåëüíîì ñîåäèíåíèè.
çèñòîðîâ ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ åãî íàãðåâà è, ñëåäîâàòåëüíî, ñîïðîòèâëåíèÿ RDSon, ÷òî àâòîìàòè-
÷åñêè ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ òîêà ïåðåãðóæåííîãî òðàíçèñòîðà. 224
§ 7.5. Ìîäóëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé 7.5.2. ÒÈÏÎÂÛÅ ÑÕÅÌÛ ÌÎÄÓËÅÉ ÊËÞ×ÅÉ
Äëÿ óëó÷øåíèÿ òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ – ïðåîáðàçîâàòåëåé, ðåãóëÿòîðîâ è äðóãèõ øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ èíòåãðàöèÿ ñèëîâûõ êëþ÷åé, ñîåäèíåííûõ, êàê ïðàâèëî, ïî òèïîâûì, íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì ñõåìàì. Èíòåãðèðîâàííûå îòäåëüíûå ïðèáîðû â îäíîì, îáû÷íî ïëàñòìàññîâîì êîðïóñå ñ òåïëîîòâîäÿùèì îñíîâàíèåì íàçûâàþòñÿ ìîäóëÿìè. Ìåòàëëè÷åñêîå îñíîâàíèå äëÿ îòâîäà òåïëà îòäåëÿåòñÿ îò òîêîïðîâîäÿùèõ ýëåìåíòîâ ñïåöèàëüíûì ýëåêòðîèçîëÿöèîííûì ñëîåì. Ýòîò ñëîé, ñ îäíîé ñòîðîíû, îáåñïå÷èâàåò íåîáõîäèìóþ ýëåêòðè÷åñêóþ èçîëÿöèþ èíòåãðèðîâàííûõ ýëåìåíòîâ, ñ äðóãîé – õîðîøóþ òåïëîïðîâîäíîñòü ìåæäó òîêîïðîâîäÿùèìè ýëåìåíòàìè è ìåòàëëè÷åñêèì îñíîâàíèåì äëÿ îòâîäà òåïëà èç ìîäóëÿ. Òèïîâûå ñõåìû ñîåäèíåíèÿ ýëåìåíòîâ â ìîäóëÿõ îáû÷íî ñîîòâåòñòâóþò òèïîâûì ñõåìàì ïðåîáðàçîâàíèÿ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè (íàïðè-
ìåð, îäíîôàçíûå è òðåõôàçíûå ìîñòîâûå ñõåìû âûïðÿìèòåëåé è èíâåðòîðîâ, ñõåìû äâóõòàêòíûõ êëþ÷åâûõ ðåãóëÿòîðîâ è äð.). Íà ðèñ. 7.57 èçîáðàæåíû òèïîâûå ïðèíöèïèàëüíûå ñõåìû äèîäíûõ, òèðèñòîðíûõ è äèîäíî-òèðèñòîðíûõ ìîäóëåé. Àíàëîãè÷íûå ñõåìû èñïîëüçóþò è â òðàíçèñòîðíûõ ìîäóëÿõ. Íà îñíîâå ïîñëåäîâàòåëüíîãî è ïàðàëëåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ òðàíçèñòîðîâ ñîçäàþòñÿ ìîäóëè êëþ÷åé ñ äâóíàïðàâëåííîé ïðîâîäèìîñòüþ òîêà, ñïîñîáíûõ âûäåðæèâàòü êàê îáðàòíîå, òàê è ïðÿìîå íàïðÿæåíèå â çàêðûòîì ñîñòîÿíèè äëÿ öåïåé ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî òîêà (ðèñ. 7.58). Ñîçäàíèå øèðîêîé ãàììû ìîäóëåé çíà÷èòåëüíî ñîêðàùàåò çàòðàòû íà ðàçðàáîòêó è ïðîèçâîäñòâî ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ. Íà ðèñ. 7.59 ïîêàçàíà èíòåãðàëüíàÿ îäíîêàñêàäíàÿ ñõåìà Äàðëèíãòîíà ñî âñòðå÷íîâêëþ÷åííûì äèîäîì, âêëþ÷åííûì ïàðàëëåëüíî îñíîâíîìó ñèëîâîìó òðàíçèñòîðó. Ïðè ýòîì îáùèé êîýôôèöèåíò
Ðèñ. 7.57. Ïðèìåðû ñõåì ñèëîâûõ ìîäóëåé: à – äèîäíûå; á – òèðèñòîðíûå; â – äèîäíî-òèðèñòîðíûå
Ðèñ. 7.58. Èäåàëüíûå ÂÀÕ ñèëîâûõ ìîäóëåé: à – îäíîïðîâîäíûé êëþ÷, áëîêèðóþùèé îáðàòíîå íàïðÿæåíèå; á – äâóïðîâîäíûé êëþ÷, íå áëîêèðóþùèé îáðàòíîå íàïðÿæåíèå; â – äâóïðîâîäíûé êëþ÷, áëîêèðóþùèé îáðàòíîå íàïðÿæåíèå
225
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
óñèëåíèÿ ïî òîêó ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì ïðîèçâåäåíèþ êîýôôèöèåíòîâ òðàíçèñòîðîâ, âõîäÿùèõ â êàñêàä, ò. å. ìîæåò âîçðàñòàòü íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ. Îäíàêî îäíîâðåìåííî ñíèæàåòñÿ áûñòðîäåéñòâèå ìîäóëÿ â öåëîì, è ðàñòåò íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî áîëüøèíñòâî ñèëüíîòî÷íûõ òðàíçèñòîðîâ ÿâëÿþòñÿ ìîäóëÿìè ñ ïàðàëëåëüíûì ñîåäèíåíèåì áåñêîðïóñíûõ îäèíî÷íûõ òðàíçèñòîðîâ. Îñîáåííî øèðîêî òàêàÿ èíòåãðàöèÿ èñïîëüçóåòñÿ ïðè ñîçäàíèè ñèëüíîòî÷íûõ ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ. Êîíñòðóêòèâíî ñèëîâûå ìîäóëè, êàê ïðàâèëî, âûïîëíÿþòñÿ â êîðïóñàõ, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ ïîâåðõíîñòíîãî ìîíòàæà (ðèñ. 7.60).
Ðèñ. 7.59. Ñîñòàâíîé òðàíçèñòîð ïî ñõåìå Äàðëèíãòîíà ñ îáðàòíûì äèîäîì
Ðèñ. 7.60. Êîíñòðóêòèâíîå èñïîëíåíèå ñèëîâûõ ìîäóëåé: à – òðåõôàçíûé òðàíçèñòîðíûé ìîäóëü; á – äâóõêëþ÷åâîé òðàíçèñòîðíûé ìîäóëü; â – òèðèñòîðíûé ìîäóëü 7.5.3. ÐÀÇÓÌÍÛÅ” ÈÍÒÅÃÐÀËÜÍÛÅ ÑÕÅÌÛ ”
Ðàçâèòèå âûñîêèõ òåõíîëîãèé â îáëàñòè ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè ïðèâåëî â êîíöå 80-õ ãîäîâ ê ñîçäàíèþ íîâîé ýëåìåíòíîé áàçû, ïîëó÷èâøåé íàçâàíèå ðàçóìíûå” ñèëîâûå èíòåãðàëüíûå ñõåìû (Smart ”
Power Integrated Circuits ) èëè èíòåëëåêòóàëüíûõ” ” ñèëîâûõ èíòåãðàëüíûõ ñõåì (ÈÑÈÑ). Ýòîò òåðìèí ïîëó÷èë øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå â ëèòåðàòóðå è áóäåò èñïîëüçîâàòüñÿ ïðè äàëüíåéøåì èçëîæå226
§ 7.5. Ìîäóëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé
êî ìîíîêðèñòàëüíûå ÈÑÈÑ áîëåå êîìïàêòíû è íàäåæíû. Îñíîâîé ìîíîêðèñòàëüíûõ ÈÑÈÑ ñòàëè ÌÎÏ-ñòðóêòóðû.  êà÷åñòâå ñèëîâûõ êëþ÷åé â òàêèõ ìîäóëÿõ ïîëó÷èëè ðàñïðîñòðàíåíèå ñèëîâûå ÌÎÏ-òðàíçèñòîðû è òðàíçèñòîðû ñ èçîëèðîâàííûì çàòâîðîì (ÁÒÈÇ). Îñíîâíûìè ïðåèìóùåñòâàìè êëþ÷åé ýòîãî òèïà ÿâëÿþòñÿ ìàëàÿ ìîùíîñòü óïðàâëåíèÿ è âûñîêàÿ ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà. Íà îñíîâå ÌÎÏ-òåõíîëîãèé, îáåñïå÷èâàþùèõ âûñîêóþ ïëîòíîñòü èíòåãðàöèè ýëåìåíòîâ â êðèñòàëëå, íàïðèìåð, çà ñ÷åò äâîéíîé äèôôóçèè, â êðèñòàëëå ðåàëèçóþòñÿ ëîãè÷åñêèå ñõåìû è àíàëîãîâûå ñõåìû óïðàâëåíèÿ.  íàèáîëåå îáùåì ñëó÷àå ìîäóëü ÈÑÈÑ âêëþ÷àåòñÿ ìåæäó èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ è íàãðóçêîé ñ õàðàêòåðíûìè ôóíêöèîíàëüíûìè ýëåìåíòàìè (ñì.ðèñ. 7.61). Ôóíêöèîíàëüíûå óçëû óïðàâëåíèÿ, â ÷àñòíîñòè, ëîãè÷åñêèå ñõåìû, ãåíåðàòîðû èìïóëüñîâ, êîìïàðàòîðû è äðóãèå îáû÷íî èìåþò ãàëüâàíè÷åñêóþ
íèè. Ïî ñóùåñòâó ÈÑÈÑ ÿâëÿþòñÿ ýëåêòðîííûìè ìîäóëÿìè, îáúåäèíÿþùèìè â îäíîì êðèñòàëëå (èëè êîðïóñå) êàê ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êîìïîíåíòû, íàïðèìåð ñèëîâûå òðàíçèñòîðû, òàê è ñõåìû èõ óïðàâëåíèÿ, çàùèòû, äèàãíîñòèêè ñîñòîÿíèÿ ìîäóëÿ, à òàêæå ðàçëè÷íûå èíòåðôåéñû, ïîçâîëÿþùèå îáåñïå÷èòü ôóíêöèîíèðîâàíèå ìîäóëÿ â ñèñòåìå ñ ó÷åòîì îáìåíà èíôîðìàöèåé è êîíòðîëÿ áîëåå âûñîêîãî óðîâíÿ. ÈÑÈÑ ìîæíî îïðåäåëèòü êàê óñòðîéñòâî, ôóíêöèîíàëüíî è êîíñòðóêòèâíî îáúåäèíÿþùåå ýëåìåíòû ñèëîâîé è èíôîðìàöèîííîé ýëåêòðîíèêè íà îñíîâå âûñîêèõ òåõíîëîãèé èõ èíòåãðàöèè. Ìîäóëè ÈÑÈÑ ìîãóò ñîçäàâàòüñÿ êàê â îäíîì êðèñòàëëå, òàê è ïîñðåäñòâîì îáúåäèíåíèÿ ýëåìåíòîâ â îäíîì êîðïóñå ïî ãèáðèäíîé òåõíîëîãèè. Ìîíîêðèñòàëüíûå ÈÑÈÑ, âûïîëíåííûå â îäíîì êðèñòàëëå, èìåþò ñëîæíóþ òåõíîëîãèþ ïðîèçâîäñòâà ïî ñðàâíåíèþ ñ ãèáðèäíûìè ìîäóëÿìè. Îäíà-
Ðèñ. 7.61. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ÈÑÈÑ
Ðèñ. 7.62. Òðàíñôîðìàòîðíàÿ ðàçâÿçêà öåïåé â ÈÑÈÑ
227
Ãë. 7. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
Áîëüøèíñòâî ñîâðåìåííûõ ÈÑÈÑ èìåþò ñîáñòâåííóþ çàùèòó ñèëîâûõ êëþ÷åé ïî òîêó, íàïðÿæåíèþ è òåìïåðàòóðå. Îñíîâîé òàêîé çàùèòû ÿâëÿþòñÿ äàò÷èêè, êîíòðîëèðóþùèå ýòè ïàðàìåòðû. Èñïîëüçîâàíèå òðàäèöèîííûõ ìåòîäîâ èçìåðåíèÿ ñ íåïîñðåäñòâåííûì âêëþ÷åíèåì äàò÷èêîâ â ñèëîâûå öåïè, íàïðèìåð, äîïîëíèòåëüíûõ ñîïðîòèâëåíèé â ñèëîâûå öåïè, èìååò ðÿä íåäîñòàòêîâ, â ÷àñòíîñòè, äîïîëíèòåëüíûå ïîòåðè ìîùíîñòè è äð. Ïîýòîìó äëÿ ýòèõ öåëåé èñïîëüçóþò ìåòîäû, îñíîâàííûå íà èçìåðåíèè êîñâåííûõ ïàðàìåòðîâ. Íàïðèìåð, òîê íàãðóçêè ìîæåò áûòü îïðåäåëåí ïî íàïðÿæåíèþ òðàíçèñòîðà âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè. Ñ ýòîé öåëüþ â êà÷åñòâå äàò÷èêîâ èñïîëüçóþò ìàëîìîùíûå èçìåðèòåëüíûå òðàíçèñòîðû, âêëþ÷àåìûå òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ìèíèìèçèðîâàòü ïîòåðè ìîùíîñòè ïðè èçìåðåíèè è îáåñïå÷èòü ìàêñèìàëüíîå áûñòðîäåéñòâèå çàùèòû. Ñèãíàëû ðàçëè÷íûõ äàò÷èêîâ ñðàâíèâàþòñÿ ñ äîïóñòèìûìè (ýòàëîííûìè) çíà÷åíèÿìè. Ðåçóëüòèðóþùèå ñèãíàëû ýòèõ èçìåðåíèé îáû÷íî ñóììèðóþòñÿ è ïîñòóïàþò â òðèããåðíûé ýëåìåíò, ñðàáàòûâàíèå êîòîðîãî áëîêèðóåò ïîñòóïëåíèå èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ íà ñèëîâûå òðàíçèñòîðû. Îäíîâðåìåííî èíôîðìàöèÿ îá àâàðèè ìîæåò ïîñòóïàòü ÷åðåç èíòåðôåéñ âî âíåøíèå óïðàâëÿþùèå óñòðîéñòâà. ×àñòî âíåøíèå óïðàâëÿþùèå óñòðîéñòâà ñîäåðæàò ìèêðîïðîöåññîðíóþ ñèñòåìó, îáðàáàòûâàþùóþ ïîñòóïàåìóþ èíôîðìàöèþ è âûäàþùóþ ñîîòâåòñòâóþùèå êîìàíäû â áîëüøîå êîëè÷åñòâî ÈÑÈÑ ñ ðàçëè÷íûìè ôóíêöèÿìè. Ïîäîáíûå ñèñòåìû èñïîëüçóþòñÿ â íåêîòîðûõ àâòîìîáèëÿõ.
ðàçâÿçêó îò öåïåé ñèëîâûõ êëþ÷åé. Òàêàÿ ðàçâÿçêà ÷àñòî íåîáõîäèìà äëÿ íîðìàëüíîãî ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñèñòåìû ñ ÈÑÈÑ, òàê êàê èõ âûõîäíûå öåïè ñâÿçàíû ñ ñèëîâîé ÷àñòüþ îáúåêòà óïðàâëåíèÿ, íàïðèìåð, àñèíõðîííûì äâèãàòåëåì.  òî æå âðåìÿ öåïè óïðàâëåíèÿ ÈÑÈÑ ÿâëÿþòñÿ íèçêîâîëüòíûìè è ìàëîìîùíûìè ñõåìàìè ñ ðàçâåòâëåííîé òîïîëîãèåé, íå äîïóñêàþùèå âîçäåéñòâèÿ ñóùåñòâåííûõ ïîìåõ ñî ñòîðîíû ñèëîâûõ öåïåé. Äëÿ ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè îáû÷íî èñïîëüçóþò òðàíñôîðìàòîðíóþ èëè îïòîýëåêòðîííóþ ðàçâÿçêó. Íà ðèñ. 7.62 ïðåäñòàâëåí âàðèàíò ñòðóêòóðíîé ñõåìû îñíîâíûõ êîìïîíåíòîâ ÈÑÈÑ è ôóíêöèîíàëüíûõ óçëîâ åå ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ, âêëþ÷åííûõ ñî ñòîðîíû ïåðâè÷íûõ îáìîòîê ðàçäåëèòåëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ. Ïðèìåð èñïîëüçîâàíèÿ îïòîýëåêòðîííîé ðàçâÿçêè ïîêàçàí íà ðèñ. 7.63, ãäå ïðåäñòàâëåíà ñõåìà ñòàòè÷åñêîãî ðåëå, âûïîëíåííîãî â âèäå ÈÑÈÑ [84]. Ðàçâÿçêà ïîñðåäñòâîì òðàíñôîðìàòîðà ÿâëÿåòñÿ âåñüìà ýôôåêòèâíîé è ìàëîêðèòè÷íîé ê íàïðÿæåíèÿì è ìîùíîñòè ðàçâÿçûâàåìûõ öåïåé. Îäíàêî åå ðåàëèçàöèÿ ñâÿçàíà ñ óñëîæíåíèåì êîíñòðóêöèè ìîäóëÿ ÈÑÈÑ è ìîæåò çíà÷èòåëüíî ïîâëèÿòü íà åãî òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèå ïîêàçàòåëè. Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì îïòîýëåêòðîííîé ðàçâÿçêè ÿâëÿåòñÿ îòðèöàòåëüíîå âëèÿíèå ïàðàçèòíîé” ” åìêîñòè ìåæäó ýëåìåíòàìè îïòîïàðû, ÷òî ìîæåò îêàçàòüñÿ ñóùåñòâåííûì ïðè âîçäåéñòâèè âûñîêî÷àñòîòíûõ ïîìåõ. Äðàéâåðû ÈÑÈÑ îáû÷íî âûïîëíÿþòñÿ íà îñíîâå ÌÎÏ-òðàíçèñòîðîâ â ñîîòâåòñòâèè ñ îáùåïðèíÿòîé ñõåìîòåõíèêîé äëÿ êîíêðåòíûõ òèïîâ ñèëîâûõ êëþ÷åé îêîíå÷íîãî êàñêàäà ìîäóëÿ.
Ðèñ. 7.63. Îïòîýëåêòðîííàÿ ðàçâÿçêà öåïåé â ÈÑÈÑ
228
§ 7.5. Ìîäóëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé
÷åñêóþ ýôôåêòèâíîñòü ñîäåðæàùèõ èõ ñèñòåì. Òàêîé, íàèáîëåå îáøèðíîé, îáëàñòüþ ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîïðèâîä. Îñíîâíûìè ïðåèìóùåñòâàìè ïðèìåíåíèÿ ÈÑÈÑ ÿâëÿþòñÿ: óëó÷øåíèå ìàññîãàáàðèòíûõ ïîêàçàòåëåé óïðàâëÿþùèõ óñòðîéñòâ, ìèíèìèçàöèÿ ìîíòàæíûõ ñîåäèíåíèé, ïðîãðàììíîå èçìåíåíèå ôóíêöèé è âûñîêèå òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè.
Îäíàêî â îòäåëüíûõ ñëó÷àÿõ âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü, ÷òîáû ÈÑÈÑ ñîäåðæàëà ñîáñòâåííûé ìèêðîïðîöåññîð, îáåñïå÷èâàþùèé óïðàâëåíèå ñèëîâûìè êëþ÷àìè ïî îïðåäåëåííîìó çàêîíó, è äèàãíîñòèðîâàëà åãî ñîñòîÿíèå ïðè âîçíèêíîâåíèè íåèñïðàâíîñòè. Ìèêðîïðîöåññîðíûå ÈÑÈÑ íàõîäÿò ïðèìåíåíèå â ñàìûõ ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ òåõíèêè è ñóùåñòâåííî ïîâûøàþò òåõíèêî-ýêîíîìè-
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è J = 20 À, äîïóñòèìûé ðàçáðîñ òîêîâ ìåæäó òðàíçèñòîðàìè ∆I = 2 À. 4. Äâà ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ òðàíçèñòîðà, ðàáîòàþùèõ â ðåæèìå êëþ÷åé, âêëþ÷àþòñÿ íà îáùóþ àêòèâíóþ íàãðóçêó (ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì) ñîïðîòèâëåíèåì Rí = 10 Îì è íàïðÿæåíèåì èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ E = 12 Â. Ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ òðàíçèñòîðîâ èäåíòè÷íû. Îïðåäåëèòü ìàêñèìàëüíûé òîê òðàíçèñòîðîâ â äèíàìè÷åñêîì ðåæèìå ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ îäíîãî òðàíçèñòîðà ton1 = 1 ìêñ, äðóãîãî ton2 = 1,5 ìêñ. Çíà÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ íà âêëþ÷åííûõ òðàíçèñòîðàõ â óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå ïðåíåáðå÷ü. Íà èíòåðâàëàõ âêëþ÷åíèÿ ïðèíÿòü äëÿ òðàíçèñòîðîâ ìîäåëü ãåíåðàòîðà ëèíåéíî ñïàäàþùåãî òîêà. 5. Êàêèå ïðåèìóùåñòâà äàåò èñïîëüçîâàíèå ÈÑÈÑ ïðè ñîçäàíèè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ ïî ñðàâíåíèþ ñ òðàäèöèîííîé òåõíîëîãèåé ïðèìåíåíèÿ äèñêðåòíûõ ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ?
1. Äëÿ êàêèõ öåëåé èñïîëüçóåòñÿ ïàðàëëåëüíîå èëè ïîñëåäîâàòåëüíîå ñîåäèíåíèå ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ? 2. Ê äâóì ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûì äèîäàì ïðèëîæåíî îáðàòíîå íàïðÿæåíèå UR = 1 êÂ. Îïðåäåëèòü ñîïðîòèâëåíèå âûðàâíèâàþùèõ ðåçèñòîðîâ, ïðè êîòîðûõ ðàçíèöà íàïðÿæåíèé îòäåëüíûõ äèîäîâ íå áóäåò ïðåâûøàòü 100 Â, åñëè îáðàòíûå âåòâè ñòàòè÷åñêèõ ÂÀÕ äèîäîâ àïïðîêñèìèðóþòñÿ ñëåäóþùèìè ñîïðîòèâëåíèÿìè: RR = 100 êÎì, RR = 75 êÎì. 3. ×åðåç ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûå òðàíçèñòîðû, íàõîäÿùèåñÿ âî âêëþ÷åííîì íàñûùåííîì ñîñòîÿíèè, ïðîòåêàþò òîêè IC1 è IC2. Îïðåäåëèòü ñîïðîòèâëåíèå ñèììåòðèðóþùèõ ðåçèñòîðîâ ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ âêëþ÷åííûõ òðàíçèñòîðîâ àïïðîêñèìèðóþòñÿ ñîïðîòèâëåíèÿìè Râêë1 = 0,3 Îì, Râêë2 = 0,5 Îì, òðàíçèñòîðû ïîäêëþ÷åíû ê îáùåìó èñòî÷íèêó òîêà
229
Ãëàâà âîñüìàÿ ÏÀÑÑÈÂÍÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ È ÎÕËÀÄÈÒÅËÈ ÑÈËÎÂÛÕ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ÏÐÈÁÎÐΠöåïåé. Ðåàêòîðû ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè ýëåìåíòàìè ôèëüòðîâ, êîììóòèðóþùèõ êîíòóðîâ è ïðîìåæóòî÷íûõ íàêîïèòåëåé ýëåêòðîýíåðãèè. Êîíäåíñàòîðû èñïîëüçóþòñÿ â ôèëüòðàõ ïåðåìåííîãî è ïîñòîÿííîãî òîêîâ, à òàêæå â ïðîìåæóòî÷íûõ íàêîïèòåëÿõ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè. Îáùåé õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ ïðèìåíåíèÿ ïàññèâíûõ êîìïîíåíòîâ â ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îíè ðàáîòàþò â óñëîâèÿõ âîçäåéñòâèÿ òîêîâ è íàïðÿæåíèé íåñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû è ïîâûøåííûõ ÷àñòîò. Ýòè îáñòîÿòåëüñòâà íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïðè âûáîðå èëè ïðîåêòèðîâàíèè. Êðîìå ïàññèâíûõ êîìïîíåíòîâ â äàííîé ãëàâå òàêæå ðàññìàòðèâàþòñÿ òåïëîâûå ðåæèìû ðàáîòû ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé è èõ îõëàäèòåëè (òåïëîîòâîäû), êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ êîíñòðóêòèâíûìè ýëåìåíòàìè, îïðåäåëÿþùèìè íàäåæíóþ ðàáîòó ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé è èõ òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêóþ ýôôåêòèâíîñòü.
Ïàññèâíûìè êîìïîíåíòàìè â ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ öåïÿõ íàçûâàþò òðàíñôîðìàòîðû, ðåàêòîðû, êîíäåíñàòîðû, ðåçèñòîðû, âàðèñòîðû è äðóãèå ýëåìåíòû, ôóíêöèîíèðîâàíèå êîòîðûõ íå ñâÿçàíî ñ èñïîëüçîâàíèåì äîïîëíèòåëüíûõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ è íå ñîäåðæàùèõ òàêîâûõ âíóòðè ñåáÿ. Îäíàêî â ñîâðåìåííîé ëèòåðàòóðå ïîíÿòèå ïàññèâ” íûå êîìïîíåíòû” èñïîëüçóåòñÿ, ÷òîáû ïîä÷åðêíóòü èõ îòëè÷èå îò ñèëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ, êîòîðûå íåïîñðåäñòâåííî óïðàâëÿþò ïîòîêîì ýëåêòðîýíåðãèè, è ÿâëÿþòñÿ àêòèâíûìè êîìïîíåíòàìè.  ãëàâå êðàòêî ðàññìàòðèâàþòñÿ îñîáåííîñòè ïðèìåíåíèÿ îñíîâíûõ ïàññèâíûõ êîìïîíåíòîâ ñèëîâûõ öåïåé ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ. Ýòè êîìïîíåíòû ïðèñóòñòâóþò ïðàêòè÷åñêè âî âñåõ ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ, âûïîëíÿÿ ðàçëè÷íûå ôóíêöèè. Òðàíñôîðìàòîðû ñîãëàñîâûâàþò óðîâíè íàïðÿæåíèé è îáåñïå÷èâàþò ãàëüâàíè÷åñêóþ ðàçâÿçêó
8.1. ÂËÈßÍÈÅ ÏÎÂÛØÅÍÍÎÉ ×ÀÑÒÎÒÛ È ÍÅÑÈÍÓÑÎÈÄÀËÜÍÎÑÒÈ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß ÍÀ ÐÀÁÎÒÓ ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÍÎ-ÐÅÀÊÒÎÐÍÎÃÎ ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈß
Ïîòåðè â ìàãíèòîïðîâîäå. Ïîòåðè â ìàãíèòîïðîâîäå îáóñëîâëåíû ðàçëè÷íûìè ôèçè÷åñêèìè ïðîöåññàìè è â îáùåì ñëó÷àå ìîãóò áûòü îïðåäåëåíû êàê ñóììà ïîòåðü íà ãèñòåðåçèñ, îò âèõðåâûõ òîêîâ, ìàãíèòíîé âÿçêîñòè è äîïîëíèòåëüíûõ ïîòåðü. Òî÷íûé ðàñ÷åò îòäåëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ îêàçûâàåòñÿ áîëåå ñëîæíîé çàäà÷åé, ÷åì ðàñ÷åò ïîëíûõ ïîòåðü ñ èñïîëüçîâàíèåì ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ, ïîëó÷åííûõ ïðè âîçäåéñòâèè ñèíóñîèäàëüíûì ïîëåì. Íàïðèìåð, ìîæíî ó÷èòûâàòü óäåëüíûå ïîòåðè P, Âò/ñì3 â ìàãíèòîïðîâîäå ñëåäóþùèì îáðàçîì [86] P′=
β f α Bm ∗ ∗ f Bm
= P0 f αB βm ,
çíà÷åíèÿìè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ êîýôôèöèåíòîâ.  ÷àñòíîñòè, äëÿ ðàñ÷åòà ïîòåðü èñïîëüçóþò áîëåå ïðîñòîå è îáùåå ñîîòíîøåíèå P ′ = Af ⁄2B 2m , 3
(8.2)
ãäå A – ýêñïåðèìåíòàëüíûé êîýôôèöèåíò, ó÷èòûâàþùèé ðàçëè÷íûå ôàêòîðû, à òàêæå õàðàêòåð ïîòåðü â çàâèñèìîñòè îò ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà [87]. Ïðè âîçäåéñòâèè ïåðèîäè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé íåñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû ïîòåðè â ìàãíèòîïðîâîäå óâåëè÷èâàþòñÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ ïîòåðÿìè ïðè âîçäåéñòâèè ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ ñ ÷àñòîòîé, ðàâíîé îñíîâíîé ÷àñòîòå íåñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ. Ýòî îáóñëîâëåíî íàëè÷èåì âûñîêî÷àñòîòíûõ ñîñòàâëÿþùèõ â ÷àñòîòíîì ñïåêòðå íåñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ. Âëèÿíèå âûñøèõ ãàðìîíèê íà ïîòåðè â ìàãíèòîïðîâîäå ìîæåò áûòü ó÷òåíî ñóììèðîâàíèåì ïîòåðü, îïðåäåëåííûõ äëÿ êàæäîé ãàðìîíè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé îòäåëüíî, ò. å.
(8.1)
ãäå f – ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà; f ∗ – áàçîâàÿ ÷àñòîòà, ðàâíàÿ 1000 Ãö; B ∗m – áàçîâàÿ èíäóêöèÿ, ðàâíàÿ 1 Òë; P0, α, β – ýêñïåðèìåíòàëüíûå êîýôôèöèåíòû. Äëÿ ìàòåðèàëîâ ìàãíèòîïðîâîäîâ êîýôôèöèåíò α > 1 è ñîãëàñíî (8.1) ïðè óâåëè÷åíèè ðàáî÷åé ÷àñòîòû ïîòåðè â ìàãíèòîïðîâîäå óâåëè÷èâàþòñÿ.  ñòàëüíûõ ìàãíèòîïðîâîäàõ ïðè ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ ïðåîáëàäàþò ïîòåðè íà âèõðåâûå òîêè, à â ôåððèòàõ – ïîòåðè íà ãèñòåðåçèñ. Ýòî ðàçëè÷èå â ïðèðîäå ïîòåðü ìîæåò áûòü ó÷òåíî ðàçíûìè
P′=
n
∑Pn ,
(8.3)
1
ãäå Pn – ìîùíîñòü ñîñòàâëÿþùåé. 230
ïîòåðü n-é ãàðìîíè÷åñêîé
§ 8.1. Ýëåêòðîìàãíèòíûå êîìïîíåíòû
Äëÿ îïðåäåëåíèÿ çíà÷åíèé Pn ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ ñîîòíîøåíèåì (8.2). Ïðè ýòîì ãàðìîíè÷åñêèå ñîñòàâëÿþùèå íàïðÿæåíèÿ íàõîäÿòñÿ èç ðàçëîæåíèÿ íåñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ â ðÿä Ôóðüå. Äëÿ ïðàêòè÷åñêèõ çàäà÷ ïðè îöåíêå ïîòåðü äîñòàòî÷íî îãðàíè÷èòüñÿ ó÷åòîì íåñêîëüêèõ íàèáîëåå ÿâíî âûðàæåííûõ âûñøèõ ãàðìîíèê. Åñëè âîçäåéñòâóþùåå íà òðàíñôîðìàòîð íàïðÿæåíèå ñîäåðæèò ïîñòîÿííóþ ñîñòàâëÿþùóþ, òî ïðîèñõîäèò ïðîöåññ åãî ïîäìàãíè÷èâàíèÿ è ñìåùåíèÿ ðàáî÷èõ çíà÷åíèé èíäóêöèè â ìàãíèòîïðîâîäå.  êà÷åñòâå ïðèìåðà, ïîÿñíÿþùåãî ýòî ÿâëåíèå, ðàññìîòðèì ïðîöåññû â ìàãíèòîïðîâîäå ïðè îäíîïîëÿðíîì íàìàãíè÷èâàíèè. Òàêîé ðåæèì ðàáîòû õàðàêòåðåí äëÿ èìïóëüñíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ. Äëÿ óïðîùåíèÿ çàäà÷è áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ïåðèîä ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ áîëüøå âðåìåíè ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ â èìïóëüñíîì òðàíñôîðìàòîðå, à åãî èíäóêòèâíîñòü ðàññåÿíèÿ è àêòèâíûå ñîïðîòèâëåíèÿ îáìîòîê ðàâíû íóëþ. Íà ðèñ. 8.1 èçîáðàæåí ãåíåðàòîð èìïóëüñíûõ íàïðÿæåíèé êîòîðûé ìîæíî ïðåäñòàâèòü èäåàëüíûì èñòî÷íèêîì ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ E ñ êëþ÷åâûì ýëåìåíòîì S, îáåñïå÷èâàþùèì ïåðèîäè÷åñêîå åãî ïîäêëþ÷åíèå ê ïåðâè÷íîé îáìîòêå òðàíñôîðìàòîðà T (ðèñ. 8.1,à). Î÷åâèäíî, ÷òî âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå èìïóëüñíîãî ãåíåðàòîðà èçìåíÿåòñÿ îò 0 (êëþ÷ S çàìêíóò) äî ∞ (êëþ÷ S ðàçîìêíóò). Íà ðèñ. 8.1,á ïðåäñòàâëåíà âðåìåííàÿ äèàãðàììà èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà ïåðâè÷íîé îáìîòêå U1. Ïðè çàìûêàíèè êëþ÷à S íà÷èíàåòñÿ èçìåíåíèå èíäóêöèè â ìàãíèòîïðîâîäå òðàíñôîðìàòîðà. Âî âðåìÿ çàìêíóòîãî ñîñòîÿíèÿ êëþ÷à S ê ïåðâè÷íîé îáìîòêå ñ ÷èñëîì âèòêîâ N1 áóäåò ïðèëîæåíî íàïðÿæåíèå E, ÷òî ýêâèâàëåíòíî âîçäåéñòâèþ èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ñ àìïëèòóäîé E è äëèòåëüíîñòüþ tè. Ïðèíèìàÿ äîïóùåíèÿ îá îòñóòñòâèè â òðàíñôîðìàòîðå ïîòîêîâ ðàññåÿíèÿ, ïàðàçèòíûõ” åìêîñò” íûõ ñâÿçåé è ðàâåíñòâå íóëþ àêòèâíûõ ñîïðîòèâëåíèé îáìîòîê, ýêâèâàëåíòíóþ ñõåìó çàìåùåíèÿ ìîæíî ïðåäñòàâèòü â óïðîùåííîì âèäå (ðèñ. 8.2,à). Íà ðèñ. 8.2,á èçîáðàæåíû äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ íà âòîðè÷íîé îáìîòêå ïðèâåäåííîãî ê ïåðâè÷íîé U2′ è èíäóêöèè ìàãíèòîïðîâîäà, â ïåðåõîäíîì ïðîöåññå ïðè óñëîâèè ÷òî â íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè ñåðäå÷íèê áûë ïîëíîñòüþ ðàçìàãíè÷åí.  ýòîé ñõåìå òðàíñôîðìàòîð çàìåíåí íåëèíåéíûì ñîïðîòèâëåíèåì zµ è òîêîì íàìàãíè÷èâàíèÿ iµ, à íàãðóçêà – ïðèâåäåííûì ê ïåðâè÷íîé îáìîòêå ñîïðîòèâëåíèåì Rí′ = Rí(N1 ⁄ N2). Ïîä âîçäåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ E çà âðåìÿ t = tè ñðåäíåå çíà÷åíèå èíäóêöèè â ìàãíèòîïðîâîäå èçìåíèòñÿ íà ∆Bñð ∆Bñð =
Etè N1Sì
,
(8.4)
Ðèñ. 8.1. Èìïóëüñíûé òðàíñôîðìàòîð: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììà íà ïåðâè÷íîé îáìîòêå
íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 8.2. Ïðîöåññû íàìàãíè÷èâàíèÿ â èìïóëüñíîì òðàíñôîðìàòîðå: à – ñõåìà çàìåùåíèÿ; á – äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ è èíäóêöèè
231
Ãë. 8. Ïàññèâíûå êîìïîíåíòû è îõëàäèòåëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ
ãäå Sì – ñå÷åíèå ìàãíèòîïðîâîäà. Íà ðèñ. 8.3 äèàãðàììà ïðîöåññà èçìåíåíèÿ èíäóêöèè ïîä âîçäåéñòâèåì ïåðâîãî èìïóëüñà íàïðÿæåíèÿ ñîîòâåòñòâóåò ïåðåìåùåíèþ êðèâîé íà÷àëüíîãî íàìàãíè÷èâàíèÿ èç òî÷êè 0 â òî÷êó A1. Ïðè ðàçìûêàíèè êëþ÷à S, âûçûâàþùèì îòêëþ÷åíèå èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ E îò òðàíñôîðìàòîðà, íà÷èíàåòñÿ ðàçìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòîïðîâîäà. Ïðè ýòîì òîê íàìàãíè÷èâàíèÿ ñ ó÷åòîì ïðèíÿòûõ äîïóùåíèé áóäåò ñïàäàòü äî íóëÿ â êîíòóðå, îáðàçîâàííîì ñîïðîòèâëåíèåì Zµ è íàãðóçêîé Rí. Ïîëàãàÿ äëèòåëüíîñòü ðàçîìêíóòîãî ñîñòîÿíèÿ êëþ÷à áîëüøåé, ÷åì âðåìÿ ñïàäàíèÿ òîêà iµ äî íóëÿ, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî äî ìîìåíòà î÷åðåäíîãî çàìûêàíèÿ êëþ÷à S èíäóêöèÿ B èçìåíèòñÿ ïî êðèâîé ÷àñòè÷íîãî öèêëà ðàçìàãíè÷èâàíèÿ èç òî÷êè A1 â òî÷êó 0 1. Çàòåì, íà÷èíàÿ ñ ìîìåíòà î÷åðåäíîãî çàìûêàíèÿ êëþ÷à S, ñíîâà íà÷íåòñÿ ïðîöåññ íàìàãíè÷èâàíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà, íî óæå èç òî÷êè 0 1. Ïðè íåèçìåííûõ E è tè âåëè÷èíà ∆Bñð îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé (8.4).  ðåçóëüòàòå ïåðèîäè÷åñêîãî èìïóëüñíîãî âîçäåéñòâèÿ áóäåò ïîñòîÿííî ïðîèñõîäèòü ñìåùåíèå íà÷àëüíîãî çíà÷åíèÿ èíäóêöèè èç òî÷êè 0 äî íåêîòîðîãî çíà÷åíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùåãî íà ðèñ. 8.3 òî÷êå 0ê. Äàëüíåéøåå äåéñòâèå èìïóëüñîâ áóäåò âûçûâàòü ïåðåìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòîïðîâîäà ïî ÷àñòíîìó öèêëó èç òî÷êè 0ê â òî÷êó Aê è îáðàòíî.  óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå ∆Bñð = Bàê − B0ê ,
Ðèñ. 8.3. Äèàãðàììà íàìàãíè÷èâàíèÿ èìïóëüñíîãî òðàíñôîðìàòîðà íà êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ
÷èâàíèÿ òàêæå ñóùåñòâåííî èçìåíèòñÿ, åñëè èñòî÷íèê èìïóëüñíîãî íàïðÿæåíèÿ áóäåò èìåòü âûñîêîå âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå è ïî ñâîèì ñâîéñòâàì ïðèáëèçèòñÿ ê èñòî÷íèêó èìïóëüñíîãî òîêà. Ïîòåðè â îáìîòêàõ. Íàïðÿæåíèÿ è òîêè ïîâûøåííîé ÷àñòîòû, â òîì ÷èñëå è îáóñëîâëåííûå íåñèíóñîèäàëüíîñòüþ èõ ôîðì, âûçûâàþò äîïîëíèòåëüíûå ïîòåðè ìîùíîñòè íå òîëüêî â ìàãíèòîïðîâîäàõ, íî è â îáìîòêàõ òðàíñôîðìàòîðîâ è ðåàêòîðîâ. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ ïîâåðõíîñòíûì ýôôåêòîì è ÿâëåíèÿìè âûòåñíåíèÿ òîêà â ïðîâîäíèêàõ ïîä âîçäåéñòâèåì ìàãíèòíûõ ïîëåé.  ðåçóëüòàòå àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäíèêà ïðè ïåðåìåííîì òîêå ñòàíîâèòñÿ áîëüøå ñîïðîòèâëåíèÿ R0 ïðè ïîñòîÿííîì òîêå. Óâåëè÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ ïåðåìåííîìó òîêó â ýòèõ ñëó÷àÿõ ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì óìåíüøåíèÿ ïðîâîäÿùåé ÷àñòè ïëîùàäè ñå÷åíèÿ ïðîâîäíèêà, ò. å. óìåíüøåíèåì ýôôåêòèâíîãî ñå÷åíèÿ. Ïðè ïîâåðõíîñòíîì ýôôåêòå ïðîèñõîäèò âûòåñíåíèå òîêà â ðàäèàëüíîì íàïðàâëåíèè. ßâëåíèå âûòåñíåíèÿ òîêà òàêæå ïðîèñõîäèò îò âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé ñîñåäíèõ ïðîâîäíèêîâ.  ðåçóëüòàòå òàêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ òîêè âûòåñíÿþòñÿ â íàïðàâëåíèÿõ, çàâèñÿùèõ îò êîíñòðóêöèè îáìîòîê è èõ ðàñïîëîæåíèÿ íà ìàãíèòîïðîâîäå.  îáùåì ñëó÷àå òàêîå âûòåñíåíèå òîêà ïðîèñõîäèò êàê â ðàäèàëüíîì, òàê è îñåâîì íàïðàâëåíèÿõ. Äîáàâî÷íûå ïîòåðè â îáìîòêå ïðè ïåðåìåííîì òîêå ó÷èòûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì Käîá R~ = KäîáR0 . (8.6)
(8.5)
ãäå ∆Bñð – èíäóêöèÿ, îïðåäåëÿåìàÿ èç (8.4); Bàê , B0ê – èíäóêöèè â ìàãíèòîïðîâîäå â êîíöå è íà÷àëå î÷åðåäíîãî èìïóëüñà ñîîòâåòñòâåííî. Ïðè ïîñòîÿííûõ ñîñòàâëÿþùèõ íàìàãíè÷èâàíèÿ òîêîâ, ïðåâûøàþùèõ ïåðåìåííóþ ñîñòàâëÿþùóþ, ÷àñòè÷íûé öèêë ñìåùàåòñÿ âïðàâî îò îñè îðäèíàò, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ÷àñòíîìó öèêëó ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ íà áîëåå ïîëîãîì ó÷àñòêå êðèâîé íàìàãíè÷èâàíèÿ, ò. å. ñ ìåíüøèìè çíà÷åíèÿìè ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè â äèíàìè÷åñêîì ðåæèìå.  ýòîé ñâÿçè ñ ðîñòîì ïîäìàãíè÷èâàíèÿ óìåíüøàåòñÿ ýêâèâàëåíòíîå óñðåäíåííîå çíà÷åíèå äèíàìè÷åñêîé èíäóêòèâíîñòè íàìàãíè÷èâàíèÿ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðîöåññ ïîäìàãíè÷èâàíèÿ ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ è ðåæèìîâ ðàáîòû ñõåìû, ñîäåðæàùåé òðàíñôîðìàòîð èëè ðåàêòîð.  ÷àñòíîñòè, íà ïåðâè÷íóþ îáìîòêó òðàíñôîðìàòîðà ìîæíî ïîäàâàòü èìïóëüñû îò èñòî÷íèêà èìïóëüñíîãî íàïðÿæåíèÿ, èìåþùåãî íèçêîå âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå êàê ïðè íàëè÷èè èìïóëüñà, òàê è ïðè åãî îòñóòñòâèè.  ýòîì ñëó÷àå ïåðåõîäíûé ïðîöåññ íàìàãíè÷èâàíèÿ îòëè÷àåòñÿ îò ðàññìîòðåííîãî äëÿ ñõåìû ñ êëþ÷îì S. Ïðîöåññ íàìàãíè232
§ 8.2. Âëèÿíèå ôîðìû è ÷àñòîòû íàïðÿæåíèÿ íà ðàáîòó êîíäåíñàòîðà
Ðèñ. 8.4. Ñõåìà çàìåùåíèÿ òðàíñôîðìàòîðà ñ ó÷åòîì ïàðàçèòíûõ èíäóêòèâíîñòåé è åìêîñòåé
Çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà ðàññ÷èòûâàþò äëÿ êàæäîé êîíêðåòíîé êîíñòðóêöèè ñ ó÷åòîì ÷àñòîòû âîçäåéñòâóþùåãî òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ. Ïðè íåñèíóñîèäàëüíûõ ôîðìàõ òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ äîáàâî÷íûå ïîòåðè êàæäîé ãàðìîíè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé, îïðåäåëÿåìîé èç ðàçëîæåíèÿ â ðÿä Ôóðüå. Ýòè ïîòåðè ìîãóò áûòü ó÷òåíû ýêâèâàëåíòíûì çíà÷åíèåì êîýôôèöèåíòà Käîá n
Käîá =
2
∑ (I nKäîán) 1
i
2
,
(8.7)
ãäå Käîán – êîýôôèöèåíò, ó÷èòûâàþùèé ïîòåðè íà ÷àñòîòå n-é ãàðìîíèêè; I, In – äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ ïîëíîãî òîêà è åãî ãàðìîíè÷åñêèõ ñîñòàâëÿþùèõ ñîîòâåòñòâåííî. Ñ ðîñòîì ÷àñòîòû óâåëè÷èâàåòñÿ âëèÿíèå òàê íàçûâàåìûõ ïàðàçèòíûõ” ïàðàìåòðîâ ðåàêòîðíî” òðàíñôîðìàòîðíîãî îáîðóäîâàíèÿ – èíäóêòèâíîñòåé ðàññåÿíèÿ, ìåæâèòêîâûõ è ìåæîáìîòî÷íûõ åìêîñòåé è äð. Ïîýòîìó ïðèõîäèòñÿ óñëîæíÿòü ñõåìû çàìåùåíèÿ òðàíñôîðìàòîðîâ è ðåàêòîðîâ, èñïîëüçóåìûå ïðè ïðîåêòèðîâàíèè. Íà ðèñ. 8.4 ïðåäñòàâëåíà ñõåìà òðàíñôîðìàòîðà íà ïîâûøåííîé ÷àñòîòå, ó÷èòûâàþùàÿ âëèÿíèå èíäóêòèâíîñòåé ðàññåÿíèÿ ïåðâè÷íîé Ls1 è âòîðè÷íîé Ls2 îáìîòîê, åìêîñòíóþ ñâÿçü ìåæäó îáìîòêàìè C12 è âõîäíóþ è âûõîäíóþ åìêîñòè C1 è C2. Î÷åâèäíî, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ áóäåò ïðîèñõîäèòü ñóùåñòâåííîå èñêàæåíèå òðàíñôîðìèðóåìîãî íàïðÿæåíèÿ â çàâèñèìîñòè îò ïàðàìåòðîâ ñõåìû. Ýòî, â ñâîþ î÷åðåäü, îêàçûâàåò îòðèöàòåëüíîå âëèÿíèå íà ðåæèìû ðàáîòû ñèëîâîãî ýëåêòðîííîãî óñòðîéñòâà è åãî ýíåðãåòè÷åñêèå ïîêàçàòåëè – ÊÏÄ, óäåëüíûé îáúåì è äð.  îòäåëüíûõ ñëó÷àÿõ ïàðàçèòíûå” ïàðàìåòðû ” ìîãóò ðàöèîíàëüíî èñïîëüçîâàòüñÿ è òåì ñàìûì 233
áûòü ïåðåâåäåíû â ðàçðÿä ôóíêöèîíàëüíî ïîëåçíûõ. Íàïðèìåð, èíäóêòèâíîñòü ðàññåÿíèÿ ìîæåò ðàáîòàòü êàê òîêîîãðàíè÷èâàþùèé ýëåìåíò íà ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ ïðè êîðîòêèõ çàìûêàíèÿõ â öåïè íàãðóçêè. Ïîâûøåíèå ðàáî÷èõ ÷àñòîò îñëîæíÿåò çàäà÷ó ïî îáåñïå÷åíèþ ýëåêòðîìàãíèòíîé ñîâìåñòèìîñòè òðàíñôîðìàòîðîâ è ðåàêòîðîâ ñ äðóãèìè ýëåìåíòàìè ñõåìû è êîíñòðóêöèþ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ. Îñîáåííî çàòðóäíÿåòñÿ ðåøåíèå ýòîé çàäà÷è äëÿ ðåàêòîðîâ.  ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ ðåàêòîðû âûïîëíÿþò ðàçëè÷íûå ôóíêöèè: ôèëüòðàöèè, íàêîïëåíèÿ ýíåðãèè, ôîðìèðîâàíèÿ òîêà êîììóòàöèè äëÿ âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðîâ, êîìïåíñàöèè ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè è äð. Îáùèì ïðèçíàêîì áîëüøèíñòâà òàêèõ ðåàêòîðîâ ÿâëÿþòñÿ íåáîëüøèå çíà÷åíèÿ èíäóêòèâíîñòè, ìàëî èçìåíÿþùèåñÿ â øèðîêîì äèàïàçîíå òîêîâ íàìàãíè÷èâàíèÿ, ò. å. èíäóêòèâíîñòü äîëæíà áûòü áëèçêà ê ëèíåéíîé. Äëÿ âûïîëíåíèÿ ýòèõ òðåáîâàíèé ìàãíèòîïðîâîäû èçãîòîâëÿþò ñ âîçäóøíûìè çàçîðàìè. Íàëè÷èå íåìàãíèòíîãî çàçîðà ïðèâîäèò ê ñóùåñòâåííîìó âîçðàñòàíèþ ïîòîêîâ âûïó÷èâàíèÿ. Ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå, ñîçäàâàåìîå ýòèìè ïîòîêàìè, èíäóöèðóåò â ìîíòàæå ñõåìû òîêè è íàïðÿæåíèÿ, âûçûâàþùèå íàðóøåíèå íîðìàëüíîãî ôóíêöèîíèðîâàíèÿ åå ýëåìåíòîâ. Âëèÿíèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé óñèëèâàåòñÿ ñ ðîñòîì ðàáî÷èõ ÷àñòîò ðåàêòîðîâ. Ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå íà ïîâûøåííîé ÷àñòîòå ìîæåò âûçûâàòü íå òîëüêî ñáîè â ðàáîòå ýëåìåíòîâ ñõåìû, íî è ïðåâûøåíèå äîïóñòèìîé òåìïåðàòóðû ýëåìåíòîâ ìåòàëëè÷åñêèõ êîíñòðóêöèé, ïîïàâøèõ â çîíó âëèÿíèÿ ïîëÿ ïîâûøåííîé ÷àñòîòû. Òàêîå ïðåâûøåíèå òåìïåðàòóðû âîçíèêàåò âñëåäñòâèå äîïîëíèòåëüíûõ ïîòåðü ìîùíîñòè, îáðàçóþùèõñÿ îò âèõðåâûõ òîêîâ, îáóñëîâëåííûõ âîçäåéñòâèåì ïåðåìåííîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ. Äëÿ èñêëþ÷åíèÿ ýòèõ íåæåëàòåëüíûõ ÿâëåíèé ñëåäóåò óìåíüøàòü ïîòîêè âûïó÷èâàíèÿ, ñîõðàíÿÿ ëèíåéíîñòü èíäóêòèâíîñòè. Ýòà çàäà÷à ìîæåò ðåøàòüñÿ ðàçëè÷íûìè ñïîñîáàìè.  ÷àñòíîñòè, ìîæíî èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà ìàòåðèàëû ñ íèçêèì çíà÷åíèåì ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè µ â øèðîêîì äèàïàçîíå çíà÷åíèé íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ê òàêèì ìàòåðèàëàì îòíîñÿòñÿ àëüñèôåðû. Ïðè î÷åíü íèçêèõ çíà÷åíèÿõ èíäóêòèâíîñòè ðåàêòîðà öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü âîçäóøíûå ðåàêòîðû áåç ìàãíèòîïðîâîäîâ. Îäíàêî äëÿ ñíèæåíèÿ íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ñîçäàâàåìîãî ýòèìè ðåàêòîðàìè, ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü êîíñòðóêöèè, ìàêñèìàëüíî çàìûêàþùèå ìàãíèòíûé ïîòîê íåïîñðåäñòâåííî â ðåàêòîðå. Ðàöèîíàëüíûìè ÿâëÿþòñÿ òîðîèäàëüíûå êîíñòðóêöèè ñ ðàâíîìåðíûì ðàñïðåäåëåíèåì âèòêîâ ïî âñåé îêðóæíîñòè ðåàêòîðà.
Ãë. 8. Ïàññèâíûå êîìïîíåíòû è îõëàäèòåëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è òðàíñôîðìàöèè òðàíñôîðìàòîðà Kòð = 1; ýêâèâàëåíòíàÿ èíäóêòèâíîñòü ðàññåÿíèÿ ïåðâè÷íîé è âòîðè÷íîé îáìîòîê Lsýêâ = 100 ìêÃí. 3. Êàê èçìåíèòñÿ èíäóêöèÿ ∆Bñð â ìàãíèòîïðîâîäå òðàíñôîðìàòîðà ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: íà âõîä òðàíñôîðìàòîðà ïîñòóïàåò èìïóëüñ ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû ñ àìïëèòóäîé Um = 10  è äëèòåëüíîñòüþ tè = 100 ìêñ; ÷èñëî âèòêîâ ïåðâè÷íîé îáìîòêè N1 = 100; ñå÷åíèå çàìêíóòîãî ìàãíèòîïðîâîäà S = 2 ñì2. 4. Èñïîëüçóÿ ñîîòíîøåíèÿ (8.2) è (8.3), îöåíèòå óâåëè÷åíèå ïîòåðü â ìàãíèòîïðîâîäå ïðè çàìåíå â ïîñòóïàþùåì íà âõîä òðàíñôîðìàòîðà ïåðèîäè÷åñêîãî ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ ñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû íà íàïðÿæåíèå ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû, íî ñ òåì æå çíà÷åíèåì àìïëèòóäû.
1.  ÷åì ïðèíöèïèàëüíîå ðàçëè÷èå ìåæäó ñòàòè÷åñêèìè è äèíàìè÷åñêèìè ïåòëÿìè ãèñòåðåçèñà, õàðàêòåðèçóþùèìè ìàòåðèàë ìàãíèòîïðîâîäà? Êðèâàÿ íà÷àëüíîãî íàìàãíè÷èâàíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà àïïðîêñèìèðîâàíà äâóìÿ ëèíåéíûìè îòðåçêàìè: íà÷àëüíûì è äðóãèì, ñîîòâåòñòâóþùèì íàñûùåíèþ. Óãîë ìåæäó ýòèìè îòðåçêàìè ðàâåí 135°. Âî ñêîëüêî ðàç èçìåíèòñÿ îòíîñèòåëüíàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü µ ìàãíèòîïðîâîäà ïðè ïåðåõîäå íà ó÷àñòîê íàñûùåíèÿ? 2. Íà âõîä èìïóëüñíîãî òðàíñôîðìàòîðà, íàãðóæåííîãî íà àêòèâíóþ íàãðóçêó Rí = 10 Îì ïîñòóïàåò èìïóëüñ ñ èäåàëüíî êðóòûì ïåðåäíèì ôðîíòîì. Çàïèøèòå óðàâíåíèå äëÿ ôðîíòà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: àìïëèòóäà èìïëüñà Um = 10 Â; êîýôôèöèåíò
8.2. ÂËÈßÍÈÅ ÔÎÐÌÛ È ×ÀÑÒÎÒÛ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß ÍÀ ÐÀÁÎÒÓ ÊÎÍÄÅÍÑÀÒÎÐÀ
Êîíäåíñàòîðû ïåðåìåííîãî òîêà âûïîëíÿþò ñëåäóþùèå îñíîâíûå ôóíêöèè â ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ àïïàðàòàõ: êîìïåíñèðóþò ðåàêòèâíóþ ìîùíîñòü íà ÷àñòîòå îñíîâíîé ãàðìîíèêè ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ; íàêàïëèâàþò ýíåðãèþ äëÿ ïðèíóäèòåëüíîé êîììóòàöèè òèðèñòîðîâ; ôîðìèðóþò òðàåêòîðèè ïåðåêëþ÷åíèÿ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé â ñîñòàâå ÖÔÒÏ; ôèëüòðóþò âûñøèå ãàðìîíèêè òîêà è íàïðÿæåíèÿ â ñèëîâûõ öåïÿõ ïåðåìåííîãî òîêà.  êîìïåíñàòîðàõ è ðåãóëÿòîðàõ ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè êîíäåíñàòîðû îáû÷íî ðàáîòàþò ïðè ñèíóñîèäàëüíûõ íàïðÿæåíèÿõ íà ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòå.  ýòîì ñëó÷àå èõ ïðèìåíåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ îáùåïðèíÿòûìè ïðàâèëàìè ýêñïëóàòàöèè ýëåêòðîòåõíè÷åñêîãî ñèëîâîãî îáîðóäîâàíèÿ.  òî æå âðåìÿ ñóùåñòâóþò ñõåìû êîìïåíñàòîðîâ ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè, â êîòîðûõ ïåðèîäè÷åñêàÿ êîììóòàöèÿ ñèëîâûõ êëþ÷åé âûçûâàåò ïðîòåêàíèå âûñøèõ ãàðìîíèê òîêà.  òàêèõ ñõåìàõ ïðè ðàñ÷åòå è âûáîðå òèïîâ êîíäåíñàòîðîâ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü âëèÿíèå âûñøèõ ãàðìîíèê òîêà. Êîììóòèðóþùèå êîíäåíñàòîðû, êàê ïðàâèëî, ðàáîòàþò â ðåæèìàõ áûñòðûõ ïåðåçàðÿäîâ èç îäíîé ïîëÿðíîñòè â äðóãóþ â ïðîöåññå êîììóòàöèè òèðèñòîðîâ. Òàêèå ðåæèìû ðàáîòû ïðèâîäÿò ê âîçäåéñòâèþ íà êîíäåíñàòîð èìïóëüñíûõ òîêîâ ñ äîñòàòî÷íî êðóòûìè ôðîíòàìè èìïóëüñîâ. Ôîðìà íàïðÿæåíèÿ ïðè ýòîì ïðèáëèæàåòñÿ ê òðàïåöåèäàëüíîé. Íà ðèñ. 8.5 ïðèâåäåíû äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ ïðè êîììóòàöèè. Êîíäåíñàòîðû
â ñîñòàâå ÖÔÒÏ èìåþò ìåíüøóþ åìêîñòü, ÷åì êîììóòèðóþùèå, íî îáû÷íî ðàáîòàþò â äèàïàçîíå áîëåå âûñîêèõ ÷àñòîò, ñîîòâåòñòâóþùèõ ñïåêòðàëüíîìó ñîñòàâó íàïðÿæåíèé â ïðîöåññàõ ïåðåêëþ÷åíèÿ. Ïðè ýòîì îíè èìåþò ñëàáóþ çàâèñèìîñòü îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ îò ÷àñòîòû.  ÷àñòíîñòè, èõ êîíñòðóêöèÿ äîëæíà îáåñïå÷èâàòü ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå èíäóêòèâíîñòè, êîòîðàÿ ìîæåò îêàçûâàòü îòðèöàòåëüíîå âëèÿíèå íà ïåðåõîäíûå ïðîöåññû ïðè âûêëþ÷åíèè êëþ÷åé.  êîíäåíñàòîðàõ ôèëüòðîâ âûñøèõ ãàðìîíèê òàêæå ïðîòåêàþò íåñèíóñîèäàëüíûå òîêè, ñïåêòðàëüíûé ñîñòàâ êîòîðûõ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïðè âûáîðå òèïà è ïàðàìåòðîâ êîíäåíñàòîðîâ. Íåñèíóñîèäàëüíûå òîêè è íàïðÿæåíèÿ ïðèâîäÿò ê ðîñòó ïîòåðü ìîùíîñòè â êîíäåíñàòîðå, à òàêæå èçìåíåíèþ ðÿäà âàæíåéøèõ ïàðàìåòðîâ.
Ðèñ. 8.5. Äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ ïðè êîììóòàöèè êîíäåíñàòîðà
234
§ 8.2. Âëèÿíèå ôîðìû è ÷àñòîòû íàïðÿæåíèÿ íà ðàáîòó êîíäåíñàòîðà
ïðèâîäèò ê íåîáõîäèìîñòè ñíèæåíèÿ äîïóñòèìûõ äåéñòâóþùèõ çíà÷åíèé íàïðÿæåíèé íà êîíäåíñàòîðå ñ ðîñòîì ÷àñòîòû. Òèïè÷íàÿ çàâèñèìîñòü äîïóñòèìîãî äåéñòâóþùåãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ ñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû íà êîíäåíñàòîðå ïåðåìåííîãî òîêà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 8.6 [89].  çàâèñèìîñòè îò ÷àñòîòû è ôîðìû íàïðÿæåíèÿ ïðè âûáîðå òðåáóåìîãî òèïà êîíäåíñàòîðà ìîæåò ïðåîáëàäàòü òîò èëè èíîé îãðàíè÷èâàþùèé ôàêòîð. Íàïðèìåð, ïðè òðàïåöåèäàëüíîé ôîðìå íàïðÿæåíèÿ êîíäåíñàòîðà ïðè íèçêèõ ÷àñòîòàõ è ìàëîé äëèòåëüíîñòè ôðîíòîâ îãðàíè÷èâàþùèì ôàêòîðîì ÿâëÿåòñÿ àìïëèòóäíîå çíà÷åíèå èìïóëüñíîãî òîêà, à ïðè ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ (ñâûøå 1 êÃö) – äîïîëíèòåëüíàÿ ìîùíîñòü ïîòåðü.  êà÷åñòâå îãðàíè÷èâàþùåãî ôàêòîðà ïðè âûáîðå êîíäåíñàòîðà âûñòóïàåò òàêæå åãî êðàòêîâðåìåííàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü, â ñîîòâåòñòâèè ñ êîòîðîé íîðìèðóþòñÿ çíà÷åíèÿ íîìèíàëüíûõ íàïðÿæåíèé. Äîïóñòèìîå äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ ìîæåò òàêæå âûáèðàòüñÿ èç óñëîâèÿ îãðàíè÷åíèÿ ìîùíîñòè ÷àñòè÷íîãî ðàçðÿäà, èñõîäÿ èç îãðàíè÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé òåìïåðàòóðû ïðè ïîñòîÿíñòâå ïîòåðü. Ïîñêîëüêó ðåàêòèâíàÿ ìîùíîñòü êîíäåíñàòîðà ïåðåìåííîãî òîêà íåïîñðåäñòâåííî çàâèñèò îò ÷àñòîòû, óäåëüíûå ïîêàçàòåëè êîíäåíñàòîðîâ (îòíîøåíèå ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè ê îáúåìó, ìàññå èëè äðóãîìó ïàðàìåòðó) òàêæå ÿâëÿþòñÿ ôóíêöèÿìè ÷àñòîòû. Íà ðèñ. 8.7 ïðèâåäåíû çàâèñèìîñòè óäåëüíîé ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè íåêîòîðûõ ñîâðåìåííûõ òèïîâ êîíäåíñàòîðîâ ïåðåìåííîãî òîêà îò ÷àñòîòû. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî äëÿ êîíêðåòíîãî òèïà êîíäåíñàòîðà ñóùåñòâóåò îïòèìàëüíàÿ ÷àñòîòà ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ, ïðè êîòîðîé åãî îáúåì áóäåò ìèíèìàëüíûì. Ýëåêòðîëèòè÷åñêèå êîíäåíñàòîðû ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè ýëåìåíòàìè ôèëüòðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà.  ðàáî÷åì ðåæèìå êîíäåíñàòîðû íàõîäÿòñÿ ïîä ïîñòîÿííûì âîçäåéñòâèåì êàê ïîñòîÿííîé, òàê è ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèÿ. Îáû÷íî â òåõíè÷åñêèõ óñëîâèÿõ íà ýëåêòðîëèòè÷åñêèå êîí-
Èçâåñòíî, ÷òî ïðè ñèíóñîèäàëüíîì íàïðÿæåíèè ïîòåðè â êîíäåíñàòîðå ïðîïîðöèîíàëüíû òàíãåíñó óãëà ïîòåðü â äèýëåêòðèêå (tg δ). Ïðè ýòîì â ðàñ÷åòàõ ÷àñòî ïðèíèìàþò ýòî çíà÷åíèå íåèçìåííûì, â òî âðåìÿ êàê íà íåãî âëèÿþò ðàçëè÷íûå óñëîâèÿ ýêñïëóàòàöèè è â çíà÷èòåëüíîé ìåðå – ÷àñòîòà ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ. Çàâèñèìîñòü tg δ îò ÷àñòîòû íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïðè âûáîðå êîíäåíñàòîðîâ, ðàáîòàþùèõ ïðè íåñèíóñîèäàëüíûõ íàïðÿæåíèÿõ. Ïðèâîäèìûå â òåõíè÷åñêèõ óñëîâèÿõ çàâèñèìîñòè tg δ îò ÷àñòîòû ïîçâîëÿþò ó÷åñòü äîïîëíèòåëüíûå ïîòåðè ìîùíîñòè ïðè âîçäåéñòâèè íàïðÿæåíèé ïîâûøåííîé ÷àñòîòû. Òèïîâûå çàâèñèìîñòè tg δ îò ÷àñòîòû äëÿ êîíäåíñàòîðîâ íåïîëÿðíîãî òèïà ïîêàçûâàþò ñëàáîå èçìåíåíèå tg δ îò ÷àñòîòû â äèàïàçîíå îò 50 äî 1000 Ãö è çíà÷èòåëüíîå âîçðàñòàíèå ïðèìåðíî â 10 ðàç ïðè óâåëè÷åíèè ÷àñòîòû îò 1000 äî 10 000 Ãö. Èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû â ìåíüøåé ìåðå âëèÿåò íà tg δ äëÿ òàêèõ òèïîâ êîíäåíñàòîðîâ.  öåëîì æå òî÷íàÿ îöåíêà ïîòåðü â êîíäåíñàòîðàõ íà ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ äàæå ïðè ñèíóñîèäàëüíîì íàïðÿæåíèè ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íî ñëîæíîé çàäà÷åé. Åùå áîëåå ñëîæíîé çàäà÷åé ÿâëÿåòñÿ îöåíêà ïîòåðü â êîíäåíñàòîðå ïðè íåñèíóñîèäàëüíûõ òîêàõ è íàïðÿæåíèÿõ. Ñðåäè èçâåñòíûõ ìåòîäîâ ñëåäóåò âûäåëèòü íàèáîëåå îáùèé, íî âåñüìà ïðèáëèæåííûé, îñíîâàííûé íà ÷àñòîòíîì àíàëèçå íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà. Ïðè ðàñ÷åòàõ ýòèì ìåòîäîì ïîòåðè ìîùíîñòè â êîíäåíñàòîðå îò êàæäîé ãàðìîíèêè ïðèëîæåííîãî ê íåìó íàïðÿæåíèÿ ñóììèðóþòñÿ n
Pc = Cω1∑ nU 2ntg δn ,
(8.8)
n=1
ãäå n – íîìåð ãàðìîíè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé íàïðÿæåíèÿ; ω1 – óãëîâàÿ ÷àñòîòà 1-é ãàðìîíèêè íàïðÿæåíèÿ; Un – äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ n-é ãàðìîíèêè; tg δn – òàíãåíñ óãëà ïîòåðü íà ÷àñòîòå n-îé ãàðìîíèêè. Èñïîëüçóÿ ìåòîäû ãàðìîíè÷åñêîãî àíàëèçà, íàïðèìåð, ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå, ìîæíî îïðåäåëèòü íàèáîëåå ñóùåñòâåííûå ãàðìîíèêè â íåñèíóñîèäàëüíîì íàïðÿæåíèè è îöåíèòü ïî (8.8) ïîòåðè ìîùíîñòè. Àíàëîãè÷íûå ìåòîäû ìîæíî ïðèìåíèòü ïðè çàäàííîé ôîðìå íåñèíóñîèäàëüíîãî òîêà êîíäåíñàòîðà. Óâåëè÷åíèå ïîòåðü àêòèâíîé ìîùíîñòè ïðèâîäèò ê íåîáõîäèìîñòè ñíèæàòü ïðè ïîâûøåíèè ÷àñòîòû äîïóñòèìîå äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå. Óâåëè÷åíèå äåéñòâóþùèõ çíà÷åíèé òîêîâ âûñøèõ ãàðìîíèê ñîçäàåò îïàñíîñòü âûõîäà èç ñòðîÿ êîíòàêòíûõ âûâîäîâ è äðóãèõ ýëåìåíòîâ êîíñòðóêöèè êîíäåíñàòîðà, ÷òî òàêæå
Ðèñ. 8.6. Çàâèñèìîñòü àìïëèòóäû äîïóñòèìîãî íàïðÿæåíèÿ êîíäåíñàòîðà îò ÷àñòîòû
235
Ãë. 8. Ïàññèâíûå êîìïîíåíòû è îõëàäèòåëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ
äåíñàòîðû â êà÷åñòâå îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ êðîìå çíà÷åíèé åìêîñòè óêàçûâàþòñÿ íîìèíàëüíîå çíà÷åíèå ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé è äîïóñòèìîå çíà÷åíèå ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé ñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû ÷àñòîòîé f = 50 Ãö. Îäíàêî ïðè áîëåå âûñîêèõ ÷àñòîòàõ ñëåäóåò ó÷èòûâàòü è äðóãèå ôàêòîðû, âûçûâàþùèå óìåíüøåíèå ïðîâîäèìîñòè êîíäåíñàòîðà êàê ýëåìåíòà â öåëîì è, êàê ñëåäñòâèå, ñíèæåíèå åãî ôèëüòðóþùåé ñïîñîáíîñòè [89]. Òàê, ïðè ñèíóñîèäàëüíîì òîêå ôèëüòðóþùàÿ ñïîñîáíîñòü îïðåäåëÿåòñÿ ïîëíûì ñîïðîòèâëåíèåì êîíäåíñàòîðà Zc, êîòîðîå ñîîòâåòñòâóåò ñõåìå çàìåùåíèÿ, ïðåäñòàâëåííîé íà ðèñ. 8.8,a, ãäå Cä – åìêîñòü, îáóñëîâëåííàÿ äèýëåêòðèêîì; rä, rý – àêòèâíûå ñîïðîòèâëåíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå ïîòåðÿì â äèýëåêòðèêå è ýëåêòðîëèòå; Lý – ýêâèâàëåíòíàÿ èíäóêòèâíîñòü ñåêöèè è âûâîäîâ. Ñîãëàñíî ñõåìå çàìåùåíèÿ ïðè ÷àñòîòå f Zc =
√ r 2S + (1 ⁄ 2πfCý)2
rS = rä + rý; Cý =
Ðèñ. 8.7. Çàâèñèìîñòü óäåëüíîé ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè êîíäåíñàòîðîâ îò ÷àñòîòû
;
Cä 1 − (f ⁄ f0)
2
,
(8.9)
ãäå f0 =
1 √ LýCä 2π
.
Ïðè ðàñ÷åòàõ íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü çàâèñèìîñòè ïàðàìåòðîâ ñõåìû çàìåùåíèÿ îò ðàçëè÷íûõ ôàêòîðîâ. Çíà÷åíèå Cä çàâèñèò îò òèïà êîíäåíñàòîðà, åãî ïàðàìåòðîâ è ÷àñòîòû. Èíäóêòèâíîñòü Lý ÿâëÿåòñÿ ñòàáèëüíîé âåëè÷èíîé. Òàíãåíñ óãëà ïîòåðü è äðóãèå ïàðàìåòðû èìåþò ÷àñòîòíóþ, âðåìåííóþ è òåìïåðàòóðíóþ çàâèñèìîñòè. Êðîìå òîãî, ñóùåñòâóþò òåõíîëîãè÷åñêèå ðàçáðîñû ïàðàìåòðîâ, íîñÿùèõ îáû÷íî ñëó÷àéíûé õàðàêòåð. Ó÷èòûâàÿ âëèÿíèå óêàçàííûõ ôàêòîðîâ íà ïðîâîäèìîñòü êîíäåíñàòîðîâ, îöåíêó è ñîïîñòàâëåíèå èõ óäåëüíûõ ïîêàçàòåëåé ïðè ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ ñëåäóåò ïðîèçâîäèòü ïî òàê íàçûâàåìîìó ýôôåêòèâíîìó çíà÷åíèþ åìêîñòè Cýô = 1 ⁄ (2πf Zc) .
Ðèñ. 8.8. Ñõåìû çàìåùåíèÿ ýëåêòðîëèòè÷åñêîãî êîíäåíñàòîðà íà ïîâûøåííîé ÷àñòîòå (à) è çàâèñèìîñòü îòíîñèòåëüíîãî çíà÷åíèÿ ïîëíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ îò ÷àñòîòû êîíäåíñàòîðà Ê50-20 (á)
çàííûõ ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü êîíäåíñàòîðû ñ îðãàíè÷åñêèì èëè êåðàìè÷åñêèì äèýëåêòðèêîì. Åñëè ôîðìà ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç êîíäåíñàòîð òîêà îòëè÷íà îò ñèíóñîèäû, òî ýôôåêòèâíîñòü ôèëüòðàöèè êîíäåíñàòîðà òàêæå èçìåíÿåòñÿ. Íàïðèìåð, ïðè áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ di ⁄ dt ñîñòàâëÿþùèå ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ íà âûâîäàõ êîíäåíñàòîðà, îáóñëîâëåííûå èíäóêòèâíîñòüþ Lý, âîçðàñòàþò è ìîãóò çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàòü ïåðåìåííóþ ñîñòàâëÿþùóþ íàïðÿæåíèÿ ñîáñòâåííî íà åìêîñòè Cä. Ïðè âîçäåéñòâèè íà êîíäåíñàòîðû ïóëüñàöèé íàïðÿæåíèÿ íåñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû èõ ôèëüòðóþùèå è íàãðóçî÷íûå ñïîñîáíîñòè èçìåíÿþòñÿ îò ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà ýòèõ ïóëüñàöèé. Ïîýòîìó íà íåêîòîðûå òèïû îêñèäíî-ýëåêòðîëèòè÷åñêèõ êîíäåíñàòîðîâ êðîìå óêàçàííûõ âûøå ÷àñòîòíûõ çàâè-
(8.10)
Íà ðèñ. 8,8,á â êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü îòíîñèòåëüíîãî çíà÷åíèÿ Z ∗c îò ÷àñòîòû êîíäåíñàòîðîâ Ê50-20 ïðè òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû 25 °Ñ. Øòðèõîâîé ëèíèåé ïîêàçàíà ÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà èäåàëüíîãî êîíäåíñàòîðà (Lý = rS = 0). Èç ïðèâåäåííûõ çàâèñèìîñòåé ñëåäóåò, ÷òî ôèëüòðóþùàÿ ñïîñîáíîñòü êîíäåíñàòîðîâ Ê50-20 íà÷èíàåò ñíèæàòüñÿ ïðè ÷àñòîòàõ ñâûøå 10 êÃö, à ïðè ÷àñòîòàõ áîëåå 20 êÃö ïðèìåíåíèå èõ ñòàíîâèòñÿ íåöåëåñîîáðàçíûì. Ïðè ÷àñòîòàõ âûøå óêà236
§ 8.2. Âëèÿíèå ôîðìû è ÷àñòîòû íàïðÿæåíèÿ íà ðàáîòó êîíäåíñàòîðà
ó÷èòûâàòü îñíîâíûå, ïðåîáëàäàþùèå ãàðìîíèêè â ïóëüñàöèè íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå, èñïîëüçóÿ äëÿ ðàñ÷åòîâ ïðèíöèï íàëîæåíèÿ. Ïîëó÷åííûå äàííûå ñëåäóåò óòî÷íÿòü ýêñïåðèìåíòàëüíî, â ÷àñòíîñòè, èçìåðÿÿ äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ òîêîâ (ïðè ïîìîùè òåðìîàìïåðìåòðîâ), à òàêæå òåìïåðàòóðó êîðïóñà êîíäåíñàòîðà è îêðóæàþùåé ñðåäû.
ñèìîñòåé â òåõíè÷åñêèõ óñëîâèÿõ èíîãäà ïðèâîäÿòñÿ íîìîãðàììû, ïîçâîëÿþùèå îïðåäåëèòü äîïóñòèìóþ àìïëèòóäó íàïðÿæåíèÿ êîíêðåòíîé íåñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû, íàïðèìåð òðàïåöåèäàëüíîé, â ôóíêöèè ÷àñòîòû. Äëÿ ïðåäâàðèòåëüíûõ îöåíîê íà ýòàïàõ ïðîåêòèðîâàíèÿ ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðû äîñòàòî÷íî
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è f1 = 400 Ãö; àêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ â ñõåìå çàìåùåíèÿ rS = 0,1 Îì; åìêîñòíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ â ñõåìå çàìåùåíèÿ Ñä = 1 ìêÔ. 4. Êàê èçìåíèòñÿ ýêâèâàëåíòíàÿ åìêîñòü êîíäåíñàòîðà ñ ïîñëåäîâàòåëüíîé ñõåìîé çàìåùåíèÿ ïðè èçìåíåíèè ÷àñòîòû ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ îò 1 äî 10 êÃö ïðè ñëåäóþùèõ ïàðàìåòðàõ ñõåìû çàìåùåíèÿ: rS = 0,1 Îì; Lý = 5 ìêÃí; Cä = 1000 ìêÔ? 5. Êàê èçìåíèòñÿ êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è LCôèëüòðà â öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà íà ÷àñòîòå f = 1000 Ãö, åñëè ïîä âîçäåéñòâèåì òåìïåðàòóðû ýêâèâàëåíòíàÿ åìêîñòü êîíäåíñàòîðà óìåíüøèòñÿ â 2 ðàçà?
1. Êàê è ïî÷åìó âëèÿåò ìàòåðèàë äèýëåêòðèêà íà åìêîñòü êîíäåíñàòîðà? 2. Îïðåäåëèòü ðåàêòèâíûå ìîùíîñòè êîíäåíñàòîðà ïðè ñèíóñîèäàëüíîé è ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìå íàïðÿæåíèÿ ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ UC = 220 Â; ÷àñòîòà íàïðÿæåíèÿ f = 50 Ãö; åìêîñòü êîíäåíñàòîðà C = 1 ìêÔ. 3. Îïðåäåëèòü ïîòåðè àêòèâíîé ìîùíîñòè â êîíäåíñàòîðå, èñïîëüçóÿ ïîñëåäîâàòåëüíóþ ñõåìó çàìåùåíèÿ ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå, ïðèëîæåííîå ê êîíäåíñàòîðó, èìååò ïðÿìîóãîëüíóþ ôîðìó ñ àìïëèòóäîé Um = 100 Â; ÷àñòîòà îñíîâíîé ãàðìîíèêè
8.3. ÒÅÏËÎÎÒÂÎÄ Â ÑÈËÎÂÛÕ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ÏÐÈÁÎÐÀÕ 8.3.1. ÒÅÏËÎÂÛÅ ÐÅÆÈÌÛ ÐÀÁÎÒÛ ÑÈËÎÂÛÕ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ÊËÞ×ÅÉ
ÿâëÿåòñÿ ñëîæíîé ïîëåâîé íåëèíåéíîé çàäà÷åé, ðåøåíèå êîòîðîé òðåáóåò èñïîëüçîâàíèÿ ñïåöèàëüíûõ àíàëèòè÷åñêèõ è âû÷èñëèòåëüíûõ ìåòîäîâ.  öåëÿõ óïðîùåíèÿ áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî òåïëîâûå ïðîöåññû â ïðèáîðå àíàëîãè÷íû ýëåêòðè÷åñêèì ïðîöåññàì, ïðîòåêàþùèì â ëèíåéíîé öåïè ñî ñîñðåäîòî÷åííûìè ïàðàìåòðàìè. Òîãäà â óñòàíîâèâøåìñÿ òåïëîâîì ðåæèìå, ïîëàãàÿ ïîòåðè ìîùíîñòè â ïðèáîðå ïîñòîÿííûìè è ðàâíûìè ñðåäíåìó çíà÷åíèþ ìîæíî ñîñòàâèòü ñõåìó çàìåùåíèÿ (ðèñ. 8.9), ãäå ìîùíîñòü ïîòåðü Pï ñîîòâåòñòâóåò òîêó, à çíà÷åíèÿ òåìïåðàòóðû â ðàçëè÷íûõ ÷àñòÿõ ïðèáîðà Ti – ïîòåíöèàëàì íàïðÿæåíèÿ. Ïî àíàëîãèè ñ çàêîíîì Îìà ýòè ïàðàìåòðû ñâÿçàíû ñ ñîïðîòèâëåíèÿìè öåïè Ri.  ñõåìå çàìåùåíèÿ âûáðàíû ñëåäóþùèå òåïëîâûå ñîïðîòèâëåíèÿ, êàê íàèáîëåå çíà÷èìûå: Rj-c – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó ïîëóïðîâîäíèêîâûì êðèñòàëëîì è êîðïóñîì ïðèáîðà [°C/Âò]; Rc-s – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó êîðïóñîì ïðèáîðà è îõëàäèòåëåì; Rs-a – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó îõëàäèòåëåì è îêðóæàþùåé ñðåäîé. Ñîîòâåòñòâåííî óñðåäíåííàÿ òåìïåðàòóðà êðèñòàëëà – Tj, êîðïóñà ïðèáîðà – Tc, îõëàäèòåëÿ – Ts
Ïðè ðàáîòå ñèëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ – äèîäîâ, òðàíçèñòîðîâ, òèðèñòîðîâ è äðóãèõ â êëþ÷åâûõ ðåæèìàõ â èõ âíóòðåííèõ ñòðóêòóðàõ ïðîèñõîäèò âûäåëåíèå àêòèâíîé ìîùíîñòè, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ ìîùíîñòüþ ïîòåðü â êëþ÷åâîì ýëåìåíòå. Îáùèå ïîòåðè â êëþ÷åâîì ýëåìåíòå ïðè ðàáîòå â ïåðèîäè÷åñêîì èìïóëüñíîì ðåæèìå ïðèíÿòî ðàçäåëÿòü íà ñòàòè÷åñêèå è äèíàìè÷åñêèå (ñì. ï. 7.1.3.). Ýòè ïîòåðè ïðèâîäÿò ê íàãðåâó ïîëóïðîâîäíèêîâîé ñòðóêòóðû ïðèáîðà. Ïðåâûøåíèå ýòîé òåìïåðàòóðû ñâåðõ äîïóñòèìîãî çíà÷åíèÿ äëÿ äàííîãî ïðèáîðà ïðèâîäèò ê âûõîäó åãî èç ñòðîÿ. Ïîýòîìó íàäåæíàÿ ðàáîòà ïðèáîðà îïðåäåëÿåòñÿ íå òîëüêî ýëåêòðè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè, íî è òåìïåðàòóðîé âíóòðåííåé ñòðóêòóðû. Äëÿ ñíèæåíèÿ ýòîé òåìïåðàòóðû ïðèíèìàþò ìåðû êàê äëÿ ñíèæåíèÿ ìîùíîñòè ïîòåðü, â ÷àñòíîñòè äèíàìè÷åñêèõ, òàê è èñïîëüçóþò ðàçëè÷íûå ñïîñîáû îòâîäà òåïëà îò ïðèáîðà, ò. å. åãî îõëàæäåíèÿ. Îáû÷íî äëÿ ýòîé öåëè èñïîëüçóþò ìåòàëëè÷åñêèå òåïëîîòâîäÿùèå ðàäèàòîðû ðàçëè÷íîé ôîðìû. Ðàññìîòðèì òåïëîâûå ðåæèìû ðàáîòû ïðèáîðà, èñïîëüçóÿ àíàëîãèþ òåïëîâûõ è ýëåêòðè÷åñêèõ ïðîöåññîâ íà ïðèìåðå óïðîùåííûõ ñõåì çàìåùåíèÿ.  îáùåì ñëó÷àå àíàëèç òåïëîâûõ ïðîöåññîâ 237
Ãë. 8. Ïàññèâíûå êîìïîíåíòû è îõëàäèòåëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ
Ðèñ. 8.9. Ñõåìà çàìåùåíèÿ òåïëîïðîâîäÿùåé ñèñòåìû ïîëóïðîâîäíèêîâûé êðèñòàëë – êîðïóñ ïðèáîðà – îõëàäèòåëü
ê âûõîäó åãî èç ñòðîÿ. Äëÿ îöåíêè òåìïåðàòóðíîãî ðåæèìà â ïåðåõîäíûõ ïðîöåññàõ ïðè èìïóëüñíîì âûäåëåíèè ìîùíîñòè ïîòåðü ìîæíî èñïîëüçîâàòü ñëåäóþùóþ ìåòîäèêó ïðèáëèæåííîãî àíàëèçà [81]. Íà ðèñ. 8.10 ïðåäñòàâëåíû äèàãðàììû èìïóëüñîâ ïîòåðü ìîùíîñòè ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû è ñîîòâåòñòâóþùåãî èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû â êðèñòàëëå ïðèáîðà. Ïðÿìîóãîëüíàÿ ôîðìà èìïóëüñîâ âûáðàíà äëÿ óïðîùåíèÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è.  ïåðâîì ïðèáëèæåíèè èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû âíóòðè ïðèáîðà ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî ÷åðåç ïåðåõîäíîå òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå Z(t)
è îêðóæàþùåé ñðåäû – Ta. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïîä îêðóæàþùåé ñðåäîé ïîíèìàåòñÿ ñðåäà, â êîòîðîé íàõîäèòñÿ îõëàäèòåëü, à íå àïïàðàò.  ÷àñòíîñòè, åñëè àïïàðàò êîíñòðóêòèâíî âûïîëíåí â âèäå ìåòàëëè÷åñêîãî øêàôà èëè áëîêà, âíóòðè êîòîðîãî ðàñïîëîæåíû êëþ÷åâûå ýëåìåíòû ñ îõëàäèòåëåì, òî òåìïåðàòóðà âíóòðè øêàôà ìîæåò çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàòü òåìïåðàòóðó âíåøíåé îêðóæàþùåé ñðåäû. Ñîãëàñíî ñõåìå íà ðèñ. 8.9 òåìïåðàòóðó êðèñòàëëà ïðèáîðà ìîæíî îïðåäåëèòü Tj = Pï(Rj−c + Rc−s + Rs−a) + Ta .
(8.11)
Èç (8.11) âèäíû îñíîâíûå ïóòè ñíèæåíèÿ óñðåäíåííîãî çíà÷åíèÿ òåìïåðàòóðû êðèñòàëëà. Ðåàëüíî çíà÷åíèÿ ýòîé òåìïåðàòóðû áóäóò ðàçëè÷àòüñÿ â ñòðóêòóðå êðèñòàëëà. Îáû÷íî íàèáîëüøèå çíà÷åíèÿ èìåþò îáëàñòè p-n ïåðåõîäîâ.  çàâèñèìîñòè îò ñîîòíîøåíèé òåïëîâûõ ñîïðîòèâëåíèé, çíà÷åíèé ìîùíîñòè ïîòåðü òåìè èëè èíûìè ñîñòàâëÿþùèìè â ñõåìå çàìåùåíèÿ ìîæíî ïðåíåáðå÷ü èëè ïðè íåîáõîäèìîñòè äîïîëíèòü åå äðóãèìè ýëåìåíòàìè, íàïðèìåð, ó÷åñòü òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó êîðïóñîì è ñðåäîé, âêëþ÷èâ ïàðàëëåëüíî òåïëîâûì ñîïðîòèâëåíèÿì Rc-s è Rs-a òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå êîðïóñ–ñðåäà Rc-a. Îäíàêî áîëåå ñòðîãèé àíàëèç ðàñïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóð ñâÿçàí ñ ðåøåíèåì çàäà÷è ïî îïðåäåëåíèþ òåïëîâîãî ïîëÿ âî âñåõ êîìïîíåíòàõ íå òîëüêî êëþ÷åâîãî ýëåìåíòà, íî è àïïàðàòà â öåëîì.  èìïóëüñíûõ ðåæèìàõ ðàáîòû ïîòåðè ìîùíîñòè â êëþ÷àõ òàêæå èìåþò èìïóëüñíûé õàðàêòåð. Ïðè âûñîêèõ çíà÷åíèÿõ ñêâàæíîñòè èìïóëüñîâ ìîùíîñòè íà íèçêèõ ÷àñòîòàõ òåìïåðàòóðà êðèñòàëëà ïðèáîðîâ òîæå íà÷èíàåò êîëåáàòüñÿ, çíà÷èòåëüíî îòëè÷àÿñü îò ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ. Ýòè ÿâëåíèÿ âîçíèêàþò èç-çà èíåðöèîííîñòè ïðîöåññîâ òåïëîîòäà÷è. Ïðè îïðåäåëåííûõ ïàðàìåòðàõ èìïóëüñîâ ìãíîâåííîå çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû âíóòðè ïðèáîðà ìîæåò ïðåâûøàòü äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ è ïðèâåñòè
Z(t) = Rj−c1 − e− t ⁄ τT ,
(8.12)
ãäå Rj-c – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó êðèñòàëëîì è êîðïóñîì ïðèáîðà â óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå; τT – òåïëîâàÿ ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè ïðèáîðà. Ïàðàìåòðû Rj-c è τT îïðåäåëÿþòñÿ èç íîðìèðîâàííûõ ïåðåõîäíûõ õàðàêòåðèñòèê òåïëîâîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äëÿ êîíêðåòíîãî òèïà ïðèáîðà (èç ñïðàâî÷íèêîâ èëè ýêñïåðèìåíòàëüíûìè ìåòîäàìè). Èçìåíåíèå ìãíîâåííîãî çíà÷åíèÿ òåìïåðàòóðû âíóòðè ïðèáîðà ìîæíî íàéòè ∆Tj = PïZ(t) . (8.13)  âûðàæåíèè (8.13) íà n-îì èíòåðâàëå äåéñòâèÿ èìïóëüñà Pï èëè ïðè åãî îòñóòñòâèè (Pï = 0) ñîïðîòèâëåíèå Z(t) ïðèíèìàåòñÿ ïîñòîÿííûì è îïðåäåëÿåòñÿ èç (8.12) ïîäñòàíîâêîé t = tn, ò. å. äëèòåëüíîñòè ðàññìàòðèâàåìîãî èíòåðâàëà.  ðåçóëüòàòå ïîëó (èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû âíóòðè ïðèáîðà Tj(t) = Tj0 + P1(Z1 − Z2) + + P3(Z3 − Z4) + Pn(Zn − Zn + 1) , (8.14) ãäå çíàê ìèíóñ ñîîòâåòñòâóåò èíòåðâàëàì ñ íóëåâûì çíà÷åíèåì âûäåëÿåìîé ìîùíîñòè. Èç (8.14) âèäíî, ÷òî ïðè ïðèíÿòûõ äîïóùåíèÿõ êîëåáàíèÿ òåìïåðàòóðû áóäóò îïèñûâàòüñÿ ëèíåé238
§ 8.3. Òåïëîîòâîä â ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðàõ
íûìè çàâèñèìîñòÿìè èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû ïðè âîçäåéñòâèè èìïóëüñíûõ ìîùíîñòåé. Îáû÷íî ôîðìà èìïóëüñîâ âûäåëÿåìîé ìîùíîñòè â ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êëþ÷àõ îòëè÷àåòñÿ îò ïðÿìîóãîëüíîé.  ýòîì ñëó÷àå ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà ìåòîäèêà àïïðîêñèìàöèè ýòèõ èìïóëüñîâ ïðÿìîóãîëüíûìè ñ òåì æå çíà÷åíèåì âûäåëÿåìîé ýíåðãèè è ïèêîâîé ìîùíîñòè ñîîòâåòñòâóþùåé äëèòåëüíîñòè [81]. Òàêàÿ çàìåíà ñîîòâåòñòâóåò íàèáîëåå òÿæåëîìó òåìïåðàòóðíîìó ðåæèìó. Ïðè ÷àñòîòàõ ìíîãî âûøå ÷åì ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè òåïëîâîãî ïðîöåññà ïóëüñàöèÿìè òåìïåðàòóðû âíóòðè ïðèáîðà ìîæíî ïðåíåáðå÷ü, òàê êàê îíè ñòàíîâÿòñÿ íåçíà÷èòåëüíûìè.
Ðèñ. 8.10. Äèàãðàììû èìïóëüñîâ ìîùíîñòè è èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû â èìïóëüñíûõ ðåæèìàõ
8.3.2. ÎÕËÀÆÄÅÍÈÅ ÑÈËÎÂÛÕ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ÊËÞ×ÅÉ
ìåòàëëîâ. Õîðîøèé òåïëîâîé êîíòàêò ïðåæäå âñåãî îáåñïå÷èâàåòñÿ óñòðàíåíèåì øåðîõîâàòîñòè êîíòàêòèðóåìûõ ïîâåðõíîñòåé è óâåëè÷åíèåì ïðèæèìíîãî óñèëèÿ, ïðèëîæåííîãî ê íèì. Îáðàáîòêà ñïåöèàëüíûìè ñìàçêàìè ñ âûñîêîé òåïëîïðîâîäèìîñòüþ, íàïðèìåð ñèëèêîíîâûì âàçåëèíîì, óëó÷øàåò òåïëîâîé êîíòàêò êîíòàêòèðóþùèõ ïîâåðõíîñòåé. Ïðîáëåìà îáåñïå÷åíèÿ íèçêîãî òåïëîâîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ÷àñòî îñëîæíÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòüþ îäíîâðåìåííîãî ñîçäàíèÿ õîðîøåé ýëåêòðîèçîëÿöèè ìåæäó êîðïóñîì ïðèáîðà è îõëàäèòåëåì. Ñ ýòîé öåëüþ èñïîëüçóþòñÿ ñïåöèàëüíûå ìàòåðèàëû, îáëàäàþùèå êàê õîðîøåé òåïëîïðîâîäíîñòüþ, òàê è âûñîêèìè ýëåêòðîèçîëÿöèîííûìè ñâîéñòâàìè. Íàïðèìåð, ñëþäà, îêñèä àëþìèíèÿ, îêñèä áåðèëëèÿ è äð.  òàáë.8.1 ïðèâåäåíû çíà÷åíèÿ êîíòàêòíûõ òåïëîâûõ ñîïðîòèâëåíèé êîðïóñ–îõëàäèòåëü ïðè íàëè-
Îòâîä òåïëà îñóùåñòâëÿåòñÿ â îáùåì ñëó÷àå òðåìÿ ïóòÿìè: òåïëîïåðåäà÷åé, êîíâåêöèåé è èçëó÷åíèåì.  ñõåìå çàìåùåíèÿ íà ðèñ. 8.9 òåïëîâûå ñîïðîòèâëåíèÿ Rj−c è Rc−s ñîîòâåòñòâóþò ïðîöåññàì òåïëîïåðåäà÷è îò êðèñòàëëà ê êîðïóñó ïðèáîðà (Rj−c) è îò íåãî ê îõëàäèòåëþ (Rc−s). Ñîïðîòèâëåíèå Rj−c îïðåäåëÿåòñÿ êîíñòðóêöèåé ïðèáîðà è íå ìîæåò èçìåíÿòüñÿ â öåëÿõ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè îõëàæäåíèÿ ïðè åãî èñïîëüçîâàíèè. Ñîïðîòèâëåíèå Rc−s ÿâëÿåòñÿ òåïëîâûì êîíòàêòîì ìåæäó êîðïóñîì ïðèáîðà è îõëàäèòåëåì. Îáû÷íî êîðïóñ ñèëîâîãî ïðèáîðà (èëè ÷àñòü åãî), êàê è îõëàäèòåëü âûïîëíåíû èç ìåòàëëà, ÿâëÿþùåãîñÿ õîðîøèì ïðîâîäíèêîì òåïëà. Ïîýòîìó òåïëîâîé êîíòàêò ìåæäó íèìè áóäåò â çíà÷èòåëüíîé ìåðå îïðåäåëÿòüñÿ ïëîòíîñòüþ ñîïðèêîñíîâåíèÿ ýòèõ
Òàáëèöà 8.1. Çíà÷åíèÿ êîíòàêòíûõ òåïëîâûõ ñîïðîòèâëåíèé êîðïóñ–îõëàäèòåëü
Òèï êîðïóñà
Òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå êîðïóñ–îõëàäèòåëü Rc−s , °C/Âò Òèï èçîëèðóþùåé ïðîêëàäêè ñ ñèëèêîíîâîé ñìàçêîé
áåç ñèëèêîíîâîé ñìàçêè
ÒÎ-3
Áåç èçîëèðóþùåé ïðîêëàäêè Òåôëîí Ñëþäà (50-100 ìêì)
0,1 0,7-0,8 0,5-0,7
0,3 1,25-1,45 1,2-1,5
ÒÎ-66
Áåç èçîëèðóþùåé ïðîêëàäêè Ñëþäà (50-100 ìêì) Ïëàñòèê (50-100 ìêì)
0,15-0,2 0,6-0,8 0,6-0,8
0,4-0,5 1,5-2 1,2-1,4
ÒÎ-220ÀÂ
Áåç èçîëèðóþùåé ïðîêëàäêè Ñëþäà (50-100 ìêì)
0,3-0,5 2-2,5
1,5-2 4-6
ÒÎ-3Ð(L)
Áåç èçîëèðóþùåé ïðîêëàäêè Ñëþäà (50-100 ìêì)
0,1-0,2 0,5-0,7
0,4-1 1,2-1,5
239
Ãë. 8. Ïàññèâíûå êîìïîíåíòû è îõëàäèòåëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ
÷èè ñìàçêè è áåç íåå äëÿ òèïîâûõ êîðïóñîâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ [81]. Îõëàäèòåëè èìåþò ðàçëè÷íîå êîíñòðóêòèâíîå èñïîëíåíèå, êîòîðîå çàâèñèò îò ìíîãèõ ôàêòîðîâ è, â ïåðâóþ î÷åðåäü, îò ñïîñîáà îòâîäà îò íåãî òåïëà. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì ñïîñîáîì îõëàæäåíèÿ ÿâëÿåòñÿ åñòåñòâåííîå âîçäóøíîå îõëàæäåíèå – êîíâåêöèÿ. Îõëàäèòåëè â ýòîì ñëó÷àå äîëæíû îáëàäàòü ïëîùàäüþ, ñ ïîâåðõíîñòè êîòîðîé ïåðåäàåòñÿ òåïëî â îêðóæàþùóþ ñðåäó ïîòîêîì âîçäóõà, êîòîðûé âîçíèêàåò ïîä âîçäåéñòâèåì ðàçíîñòè ïëîòíîñòåé õîëîäíîãî è òåïëîãî (ó ïîâåðõíîñòè îõëàäèòåëÿ) âîçäóõà. Îäíîâðåìåííî çäåñü èìååò ìåñòî òåïëîïåðåäà÷à ïóòåì òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ. Äëÿ ïîâûøåíèÿ åå ýôôåêòèâíîñòè îõëàäèòåëè îáû÷íî ïîäâåðãàþòñÿ ÷åðíåíèþ” è èìåþò òåìíóþ ” ïîâåðõíîñòü. Ïðîñòåéøèì îõëàäèòåëåì äëÿ îòâîäà ìàëûõ ïîòåðü ìîùíîñòè (åäèíèö âàòò) ìîãóò áûòü îáû÷íûå ìåòàëëè÷åñêèå ïëàñòèíû, íà êîòîðûõ ìîíòèðóåòñÿ ïðèáîð. Òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå òàêîãî îõëàäèòåëÿ â âèäå ïëîñêîé ïðÿìîóãîëüíîé ïëàñòèíû ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî èç ñëåäóþùåãî ñîîòíîøåíèÿ ïðè òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû 45 °Ñ: Rs−a =
3,3
(λd)
0,5
C 0,25 + f
650
S
Cf ,
Ðèñ. 8.11. Ðåáðèñòàÿ êîíñòðóêöèÿ îõëàäèòåëÿ: l – îáùàÿ äëèíà; hs – òîëùèíà îñíîâàíèÿ
(8.15)
ãäå λ – êîýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè îõëàäèòåëÿ, Âò/(°C.ñì); d – òîëùèíà îõëàäèòåëÿ, ñì; S – ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè, ñì2; Cf – ïîïðàâî÷íûé êîýôôèöèåíò, ó÷èòûâàþùèé ñîñòîÿíèå ïîâåðõíîñòè è ðàñïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå îõëàäèòåëÿ. Çíà÷åíèÿ λ ïðè T = (273–350) °C ïðèâåäåíû â òàáë.8.2. Òàáëèöà 8.2. Çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ òåïëîîòäà÷è Ìàòåðèàë
λ, Âò/(°C.ñì)
Àëþìèíèé Ìåäü Ëàòóíü Ñòàëü Ñëþäà Îêñèä áåðèëëèÿ
2,08 3,85 1,1 0,46 0,006 2,1
Ðèñ. 8.12. Âàðèàíòû êîíñòðóêöèé ñîåäèíåíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ïðèáîðà ñ îõëàäèòåëåì: à – âèíòîâîå ñîåäèíåíèå; á – ïðóæèííîå ñîåäèíåíèå; â – ñáîðêà ñ ýëåêòðè÷åñêîé èçîëÿöèåé; 1 – âèíò; 2 – ìåòàëëè÷åñêàÿ øàéáà; 3 – ïîëóïðîâîäíèêîâûé ïðèáîð; 4 – ýëåêòðîèçîëÿöèîííàÿ ïðîêëàäêà; 5 – îõëàäèòåëü; 6 – èçîëÿöèîííàÿ âòóëêà; 7 – öèëèíäðè÷åñêàÿ øàéáà; 8 – ïðèæèìíàÿ øàéáà; 9 – ãàéêà; 10 – ïðèæèìíàÿ ñêîáà
ýëåêòðîèçîëèðóþùåé ïðîêëàäêîé øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ êàê â êîíñòðóêöèÿõ îòäåëüíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ýëåìåíòîâ, òàê è ñèëîâûõ èíòåãðàëüíûõ ìîäóëÿõ. Íà ðèñ. 8.12 ïðåäñòàâëåíû òàêèå êîíñòðóêöèè ñ óêàçàíèåì èõ îñíîâíûõ ñîñòàâíûõ ÷àñòåé.  öåëÿõ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè òåïëîîòäà÷è îõëàäèòåëåé èõ öåëåñîîáðàçíî êîíñòðóêòèâíî îáúåäèíÿòü ñ êîðïóñîì àïïàðàòà òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû êîíâåêòèâíûé îáìåí îñóùåñòâëÿëñÿ íåïîñðåäñòâåííî ñ âîçäóõîì îêðóæàþùåé ñðåäû, èìåþùåé áîëåå íèçêóþ òåìïåðàòóðó, ÷åì âîçäóøíàÿ
Äëÿ óâåëè÷åíèÿ îáùåé ïëîùàäè òåïëîîòäà÷è èñïîëüçóþò îõëàäèòåëè ñïåöèàëüíûõ êîíñòðóêöèé, íàïðèìåð, ðåáðèñòûå (ðèñ. 8.11).  êà÷åñòâå ìàòåðèàëîâ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ îõëàäèòåëåé èñïîëüçóþòñÿ àëþìèíèé è åãî ñïëàâû, îòëè÷àþùèåñÿ âûñîêîé òåïëîïðîâîäíîñòüþ. Îõëàäèòåëè â âèäå ìåòàëëè÷åñêèõ ïëàñòèí â ñî÷åòàíèè ñ òåïëîïðîâîäÿùåé è îäíîâðåìåííî 240
§ 8.3. Òåïëîîòâîä â ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðàõ
Ðèñ. 8.13. Êîíñòðóêöèÿ òåïëîâîé èñïàðèòåëüíîé òðóáêè: 1 – âíåøíÿÿ æåñòêàÿ îáîëî÷êà; 2 – ïîðèñòîå ïîêðûòèå
 îòäåëüíûõ ñëó÷àÿõ èñïîëüçóåòñÿ ðåöèðêóëÿöèÿ âîäû â öåëÿõ ñíèæåíèÿ åå ðàñõîäà. Íàèáîëåå ýôôåêòèâíûì ñïîñîáîì îõëàæäåíèÿ ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå òåïëîòû èñïàðåíèÿ æèäêîñòè. Òàêîé ñïîñîá íàçûâàåòñÿ èñïàðèòåëüíûì îõëàæäåíèåì. Íà ðèñ. 8.13 ïîêàçàíà óïðîùåííàÿ êîíñòðóêöèÿ òåïëîâîé èñïàðèòåëüíîé òðóáêè [90]. Âíóòðåííÿÿ ñòåíêà çàêðûòîé ìåòàëëè÷åñêîé òðóáêè ïîêðûòà ïîðèñòûì ìàòåðèàëîì, ïðîïèòàííûì æèäêîñòüþ.  òðóáêå ïîíèæåííîå äàâëåíèå, ñïîñîáñòâóþùåå èñïàðåíèþ æèäêîñòè. Îò ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ïðèáîðà ê ÷àñòè À òðóáêè ïîäõîäèò òåïëî, ïîä âîçäåéñòâèåì êîòîðîãî ïðîèñõîäèò èñïàðåíèå æèäêîñòè. Çàòåì ïàð (åñëè èñïîëüçóåòñÿ âîäà) ïðîõîäèò â ÷àñòü Â, îõëàæäàåòñÿ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò àäèàáàòè÷åñêîìó ïðîöåññó è ïîñòóïàåò â ÷àñòü Ñ. Òåïëî, âûäåëÿåìîå ïðè êîíäåíñàöèè, îòâîäèòñÿ â îêðóæàþùóþ ñðåäó ÷åðåç ñòåíêè òðóáêè è îõëàäèòåëü. Ñêîíäåíñèðîâàâøàÿñÿ æèäêîñòü îñàæäàåòñÿ íà ïîðèñòîì ïîêðûòèè òðóáêè è äàëåå ïåðåìåùàåòñÿ â èñïàðèòåëüíóþ ÷àñòü À òðóáêè. Îïèñàííûé ïðîöåññ ïðîòåêàåò íåïðåðûâíî ñ ìèíèìàëüíîé ðàçíèöåé òåìïåðàòóð ìåæäó ÷àñòÿìè À è Ñ. Òåïëîâàÿ òðóáêà ìîæåò ïåðåäàòü â 500 ðàç áîëüøå òåïëà, ÷åì òâåðäûé ïðîâîäíèê òîãî æå ñå÷åíèÿ [90]. Ñóùåñòâóþò è äðóãèå âûñîêîýôôåêòèâíûå ñèñòåìû èñïàðèòåëüíîãî îõëàæäåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì æèäêîñòåé íèçêîé òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ è õîðîøèìè ýëåêòðîèçîëÿöèîííûìè ñâîéñòâàìè, íàïðèìåð, ôðåîíû.
ñðåäà âíóòðè àïïàðàòà. Îäíàêî ýòî íå âñåãäà ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì. Ïîýòîìó äëÿ ïîâûøåíèÿ òåïëîîòäà÷è èíîãäà áûâàåò áîëåå ðàöèîíàëüíûì ïðèìåíåíèå ïðèíóäèòåëüíîãî âîçäóøíîãî îõëàæäåíèÿ. Äëÿ óñèëåíèÿ ñêîðîñòè êîíâåêöèè ïðèìåíÿþò âåíòèëÿòîðû, êîòîðûå îáåñïå÷èâàþò âûâîä íàãðåòûõ ñëîåâ âîçäóõà èç êîíñòðóêöèè àïïàðàòà â îêðóæàþùóþ ñðåäó. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðèíóäèòåëüíîå îõëàæäåíèå ñóùåñòâåííî ïîâûøàåò ýôôåêòèâíîñòü îõëàæäåíèÿ íå òîëüêî ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé, íî è äðóãèõ ñèëîâûõ êîìïîíåíòîâ óñòðîéñòâà – òðàíñôîðìàòîðîâ, êîíäåíñàòîðîâ, ðåçèñòîðîâ.  ðåçóëüòàòå ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü çíà÷èòåëüíîãî óëó÷øåíèÿ ìàññîãàáàðèòíûõ ïîêàçàòåëåé ñèëîâîãî ýëåêòðîííîãî óñòðîéñòâà.  ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ ñ âûñîêèìè ïîòåðÿìè ìîùíîñòè â ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðàõ, íàïðèìåð, â äèîäàõ èëè òèðèñòîðàõ, ïðè ïðÿìûõ òîêàõ ñâûøå 1000 À ïðèíóäèòåëüíîãî âîçäóøíîãî îòâîäà òåïëà ìîæåò îêàçàòüñÿ íåäîñòàòî÷íî.  òàêèõ ñëó÷àÿõ èñïîëüçóþò æèäêîñòíîå îõëàæäåíèå. Ýòîò âèä îõëàæäåíèÿ áîëåå ýôôåêòèâåí ïî ñðàâíåíèþ ñ âîçäóøíûì, òàê êàê æèäêîñòè èìåþò áîëüøóþ òåïëîåìêîñòü è ëó÷øóþ òåïëîïðîâîäíîñòü, ÷åì âîçäóõ.  êà÷åñòâå æèäêîñòåé îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ âîäà èëè ìàñëî. Îáû÷íî âîäÿíîå îõëàæäåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðîòî÷íûì îáðàçîì, êîãäà âîäà ïîñòóïàåò èç âîäîïðîâîäà, çàòåì ïîäâåðãàåòñÿ äåèîíèçàöèè, à çàòåì, ïðîòåêàÿ ÷åðåç îõëàäèòåëü, íàïðàâëÿåòñÿ â ñòî÷íóþ ñèñòåìó.
241
Ãë. 8. Ïàññèâíûå êîìïîíåíòû è îõëàäèòåëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 5. Îïðåäåëèòå ñðåäíåå çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû âíóòðè òèðèñòîðîâ îäíîôàçíîé ìîñòîâîé ñõåìû, ðàáîòàþùåé íà àêòèâíóþ íàãðóçêó ñ óãëîì óïðàâëåíèÿ α = 30°. Äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå U = 220 Â; ñîïðîòèâëåíèå àêòèâíîé íàãðóçêè Rí =1 Îì; ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà òèðèñòîðå â îòêðûòîì ñîñòîÿíèè ∆Uïð = 2 Â; òåïëîâûå ñîïðîòèâëåíèÿ â ñîîòâåòñòâèè ñî ñõåìîé íà ðèñ. 8.9 èìåþò ñëåäóþùèå çíà÷åíèÿ: Rj−c = 0,01 °Ñ/Âò; Rc−s = = 0,02 °Ñ/Âò; Rs−a = 0,005 °Ñ/Âò; òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû îõëàäèòåëÿ Ta = 30 °Ñ. 6.  êàêèõ ñëó÷àÿõ öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü ïðèíóäèòåëüíîå âîçäóøíîå îõëàæäåíèå?
1. Èçìåíèòå ñõåìó íà ðèñ. 8.9 ñ ó÷åòîì òåïëîâîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìåæäó êîðïóñîì ïðèáîðà è îêðóæàþùåé ñðåäîé. 2. Êàê èçìåíèòñÿ òåìïåðàòóðà âíóòðè ýëåêòðîííîãî êëþ÷à, åñëè èçìåíèòü ìàòåðèàë îõëàäèòåëÿ (àëþìèíèé íà ñòàëü) ïðè ðàâíûõ óñëîâèÿõ ýêñïëóàòàöèè? 3. Êàê è ïî÷åìó âëèÿåò íà ïðîöåññ îõëàæäåíèÿ öâåò íàðóæíîé ïîâåðõíîñòè îõëàäèòåëÿ? 4. Èçîáðàçèòå ñõåìó çàìåùåíèÿ äëÿ ðàñ÷åòà òåìïåðàòóðíîãî ðåæèìà ïðèáîðà ïî àíàëîãèè ñî ñõåìîé íà ðèñ. 8.9, åñëè îõëàäèòåëü è ïðèáîð áóäóò ðàçìåùåíû íà âíåøíåé ñòîðîíå ìåòàëëè÷åñêîãî êîðïóñà àïïàðàòà.
242
Ãëàâà äåâÿòàÿ ÑÈÑÒÅÌÛ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ÑÈËÎÂÛÌÈ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÌÈ ÀÏÏÀÐÀÒÀÌÈ 9.1. ÍÀÇÍÀ×ÅÍÈÅ È ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÐÈÍÖÈÏÛ ÔÓÍÊÖÈÎÍÈÐÎÂÀÍÈß 9.1.1. ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß Î ÑÈÑÒÅÌÀÕ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß
 ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ àïïàðàòàõ è äðóãèõ óñòðîéñòâàõ ïðèíÿòî ðàçëè÷àòü ñèëîâóþ ÷àñòü è ñèñòåìó óïðàâëåíèÿ (ÑÓ). Ê ñèëîâîé ÷àñòè îòíîñÿò ýëåêòðè÷åñêèå öåïè è ýëåìåíòû, êîòîðûå íåïîñðåäñòâåííî ó÷àñòâóþò â ïåðåäà÷å ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè îò ïåðâè÷íîãî èñòî÷íèêà ê ïîòðåáèòåëþ. Èíîãäà ýòè öåïè ñîâìåñòíî ñ ñèëîâûìè ýëåìåíòàìè íàçûâàþò ãëàâíûìè, òàê êàê îíè îïðåäåëÿþò îñíîâíûå òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèå ïîêàçàòåëè óñòðîéñòâà è, â ïåðâóþ î÷åðåäü, åãî ÊÏÄ. Ñèëîâàÿ ÷àñòü àïïàðàòà ïî ñóùåñòâó ÿâëÿåòñÿ ñèëîâûì èñïîëíèòåëüíûì îðãàíîì, îïðåäåëÿþùèì ãëàâíûå ôóíêöèè àïïàðàòà. Íàïðèìåð, ñèëîâàÿ ÷àñòü ïðîñòåéøåãî òèðèñòîðíîãî ðåëå ïîñòîÿííîãî òîêà (ñì. ãë. 11) ñîñòîèò èç îäíîãî òèðèñòîðà è ýëåêòðè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, îáåñïå÷èâàþùèõ åãî ñâÿçü ñ êîììóòèðóåìîé ýëåêòðè÷åñêîé öåïüþ. Ó÷èòûâàÿ îïðåäåëÿþùåå âëèÿíèå ñèëîâîé ÷àñòè íà òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè óñòðîéñòâà â öåëîì, åå èçó÷åíèþ óäåëÿåòñÿ îáû÷íî îñíîâíîå âíèìàíèå. Îäíàêî äëÿ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñèëîâûõ ýëåìåíòîâ ñõåìû (òðàíçèñòîðîâ, òèðèñòîðîâ è äðóãèõ) íåîáõîäèìî ïîäàâàòü íà íèõ ñîîòâåòñòâóþùèå ñèãíàëû óïðàâëåíèÿ. Ýòè ñèãíàëû ôîðìèðóþòñÿ äðóãîé ñîñòàâíîé ÷àñòüþ óñòðîéñòâà – ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ.  îòëè÷èå îò ñèëîâîé ÷àñòè ÑÓ â îñíîâíîì ïðèíèìàåò, îáðàáàòûâàåò è âûäàåò èíôîðìàöèþ. Ïîýòîìó ÑÓ ñîñòîèò â îñíîâíîì èç ýëåìåíòîâ è ôóíêöèîíàëüíûõ óçëîâ, ñâÿçàííûõ ñ èíôîðìàöèîííûìè ïîòîêàìè. Ïðè ýòîì óðîâåíü ïîòðåáëÿåìîé ýíåðãèè îáû÷íî ñòðåìÿòñÿ ïî âîçìîæíîñòè ñíèçèòü. Ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ ñèëîâîãî ýëåêòðîííîãî óñòðîéñòâà îáû÷íî âûïîëíÿåò ñëåäóþùèå ôóíêöèè: ôîðìèðîâàíèå ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåìåíòàìè; ðåãóëèðîâàíèå âûõîäíûõ ïàðàìåòðîâ; âêëþ÷åíèå è îòêëþ÷åíèå ïî çàäàííîìó àëãîðèòìó; îáìåí èíôîðìàöèåé ñ âíåøíåé ñðåäîé. Ê ñèñòåìå óïðàâëåíèÿ îòíîñÿò òàêæå ýëåìåíòû è óçëû, îáåñïå÷èâàþùèå òåêóùèé êîíòðîëü ñîñòîÿíèÿ óñòðîéñòâà âöåëîì, äèàãíîñòèêó îòêàçîâ è óïðàâëåíèå çàùèòíûìè óñòðîéñòâàìè. Íà ðèñ. 9.1 ïðèâåäåíà îáîáùåííàÿ ñòðóêòóðà ÑÓ.  ñòðóêòóðå âûäåëåíû íåêîòîðûå ôóíêöèîíàëüíûå áëîêè, õàðàêòåðíûå äëÿ ÑÓ ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ.
Ðèñ. 9.1. Îáîáùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ýëåêòðîííîãî àïïàðàòà
Áëîê äàò÷èêîâ Ä ñîäåðæèò äàò÷èêè ðåãóëèðóåìûõ è êîíòðîëèðóåìûõ ïàðàìåòðîâ. Òàê êàê îáû÷íî ðåãóëèðóþòñÿ âûõîäíûå ïàðàìåòðû, òî ÷àñòü äàò÷èêîâ íåïîñðåäñòâåííî âõîäèò â îáðàòíóþ ñâÿçü êàíàëà ðåãóëèðîâàíèÿ. Ñèãíàëû ñ ýòèõ äàò÷èêîâ ïîñòóïàþò íà ðåãóëÿòîð ÐÅÃ, â ôóíêöèè êîòîðîãî âõîäèò ôîðìèðîâàíèå çàêîíà óïðàâëåíèÿ ýëåìåíòàìè ñèëîâîé ÷àñòè. Áëîê ÔÈÓ ôîðìèðóåò èìïóëüñû óïðàâëåíèÿ, íåïîñðåäñòâåííî ïîñòóïàþùèå íà ñèëîâûå ýëåìåíòû. Ïî ñóùåñòâó ÔÈÓ ÿâëÿåòñÿ ñîãëàñóþùèì óñòðîéñòâîì ìåæäó âõîäàìè ñèëîâûõ ïðèáîðîâ è âûõîäîì ðåãóëÿòîðà. Ñèãíàëû ðåãóëÿòîðà îáû÷íî ÿâëÿþòñÿ ìàëîìîùíûìè è íå îòâå÷àþò òðåáîâàíèÿì, ïðåäúÿâëÿåìûì ê èìïóëüñàì óïðàâëåíèÿ ñèëîâûõ ïðèáîðîâ (òèðèñòîðîâ, òðàíçèñòîðîâ è äð.). Áëîê ÔÈÓ íàçûâàþò òàêæå äðàé” âåðîì”. Óçëû ÑÓ âûïîëíÿþòñÿ íà ðàçëè÷íîé ýëåìåíòíîé áàçå: äèñêðåòíûå è èíòåãðàëüíûå ýëåêòðîííûå êîìïîíåíòû, ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå è äð. Äëÿ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ýòèõ ýëåìåíòîâ òðåáóþòñÿ èñòî÷íèêè ýëåêòðîïèòàíèÿ.  ñîñòàâå ñòðóêòóðû èìååòñÿ áëîê âòîðè÷íûõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ äëÿ ñîáñòâåííûõ íóæä, íàçûâàåìûõ òàêæå èñòî÷íèêàìè îïåðàòèâíîãî ïèòàíèÿ ÈÎÏ.  ÈÎÏ èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå âèäû ïðåîáðàçîâàòåëåé è ðåãóëÿòîðîâ, ñîãëàñóþùèõ ïàðàìåòðû âõîäíîãî (èíîãäà è âûõîäíîãî) íàïðÿæåíèÿ ñèëîâûõ öåïåé ñ ïàðàìåòðàìè, òðåáóåìûìè äëÿ ïèòàíèÿ ýëåìåíòîâ ÑÓ. 243
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
ïîñòóïàòü ñèãíàëû êîìàíä íà âêëþ÷åíèå, âûêëþ÷åíèå, èçìåíåíèå ðåæèìà ðàáîòû. Îáû÷íî ýòè ñèãíàëû îáðàáàòûâàþòñÿ èëè òðàíñëèðóþòñÿ íåïîñðåäñòâåííî â áëîê êîììóòàöèîííîé àïïàðàòóðû ÊÀ. Ñ äðóãîé ñòîðîíû èç áëîêà îáðàáîòêè èíôîðìàöèè ìîãóò èñõîäèòü ñèãíàëû î ñîñòîÿíèè óñòðîéñòâà, ðåæèìå åãî ðàáîòû, èíôîðìàöèÿ î ïðè÷èíå îòêëþ÷åíèÿ èëè ñðàáàòûâàíèÿ çàùèò è äð. Ïðåäñòàâëåííàÿ íà ðèñóíêå ñòðóêòóðà ÿâëÿåòñÿ îáîáùåííîé.  íåé îòðàæåíû õàðàêòåðíûå óêðóïíåííûå ôóíêöèîíàëüíûå áëîêè.  ðåàëüíîì àïïàðàòå çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü èç íèõ ìîæåò îòñóòñòâîâàòü èëè íàõîäèòüñÿ â íåÿâíîì êîíñòðóêòèâíîì èëè ôóíêöèîíàëüíîì âèäå. Îáìåí ñ âíåøíåé ñðåäîé ìîæåò îñóùåñòâëÿòüñÿ ïîñðåäñòâîì òóìáëåðîâ èëè êíîïîê, à î ñîñòîÿíèè àïïàðàòà áóäóò äàâàòü èíôîðìàöèþ îáûêíîâåííûå ñèãíàëüíûå ëàìïû íàêàëèâàíèÿ. Îäíàêî, äëÿ òîãî ÷òîáû ïîíÿòü ïðèíöèï äåéñòâèÿ àïïàðàòà, åãî ôóíêöèè è âîçìîæíîñòè, íåîáõîäèìî óìåòü ïðåäñòàâèòü ñòðóêòóðó ÑÓ è åå ôóíêöèîíàëüíûå óçëû. Ïðè ýòîì ôóíêöèîíàëüíàÿ çàêîí÷åííîñòü óçëà èëè áëîêà íå îáÿçàòåëüíî èìååò îòäåëüíóþ êîíñòðóêöèþ â âèäå îòäåëüíîé ïëàòû, ìîäóëÿ è äð. Òàê êàê ñèëîâûå ýëåêòðîííûå àïïàðàòû îáû÷íî âûïîëíÿþòñÿ íà ýëåêòðîííûõ êëþ÷àõ, ïî ïðèíöèïó äåéñòâèÿ èõ ÑÓ ÿâëÿþòñÿ äèñêðåòíûìè èëè èìïóëüñíûìè. Ñîîòâåòñòâåííî ýëåìåíòíàÿ áàçà ÑÓ ÷àñòî ñî÷åòàåò ýëåìåíòû êàê öèôðîâîé, òàê è àíàëîãîâîé òåõíèêè, îáðàáàòûâàþùåé íåïðåðûâíûå ñèãíàëû, íàïðèìåð, òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ. Ýòè ñèãíàëû çàòåì ñíîâà ìîãóò ïðåîáðàçîâûâàòüñÿ â èìïóëüñíóþ ôîðìó.
Ïðè ïèòàíèè îò ñåòè ïåðåìåííîãî òîêà îñíîâîé ÈÎÏ îáû÷íî ñëóæàò ìàëîìîùíûå òðàíñôîðìàòîðû ñ íåñêîëüêèìè âòîðè÷íûìè îáìîòêàìè íà ðàçíûå íàïðÿæåíèÿ. Ýòè îáìîòêè ïîäêëþ÷àþòñÿ ê âûïðÿìèòåëÿì ñ âûõîäíûìè, îáû÷íî åìêîñòíûìè, ôèëüòðàìè. Äëÿ ñòàáèëèçàöèè óðîâíåé âûõîäíûõ íàïðÿæåíèé ìàëîìîùíûõ âûïðÿìèòåëåé èñïîëüçóþò ñòàáèëèòðîíû èëè òðàíçèñòîðíûå ðåãóëÿòîðû íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ â äèñêðåòíîì èëè èíòåãðàëüíîì èñïîëíåíèÿõ.  öåëÿõ óëó÷øåíèÿ ìàññîãàáàðèòíûõ ïîêàçàòåëåé ïîëó÷èëà ðàñïðîñòðàíåíèå ñòðóêòóðà ÈÎÏ ñ áåñòðàíñôîðìàòîðíûì âõîäîì.  ýòîé ñòðóêòóðå ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå ñèëîâîé öåïè íåïîñðåäñòâåííî ïîñòóïàåò íà âûïðÿìèòåëü, âûõîäíîå íàïðÿæåíèå êîòîðîãî ïðåîáðàçóåòñÿ èíâåðòîðîì â ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå ïîâûøåííîé ÷àñòîòû (îáû÷íî 20 êÃö). Çàòåì ýòî íàïðÿæåíèå òðàíñôîðìèðóåòñÿ, ñíîâà âûïðÿìëÿåòñÿ è ôèëüòðóåòñÿ. Òðàíñôîðìàöèÿ è ôèëüòðàöèÿ ïðè ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ ïîçâîëÿþò ñóùåñòâåííî óìåíüøèòü ìàññó è ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÈÎÏ. Ïðè ïèòàíèè ÈÎÏ îò ñèëîâûõ öåïåé ïîñòîÿííîãî òîêà ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå òàêæå èíâåðòèðóåòñÿ íà ïîâûøåííîé ÷àñòîòå â ïåðåìåííîå, çàòåì òðàíñôîðìèðóåòñÿ, âûïðÿìëÿåòñÿ è ôèëüòðóåòñÿ. Òåêóùèé êîíòðîëü è äèàãíîñòèêà óñòðîéñòâà îñóùåñòâëÿåòñÿ áëîêîì ÓÊÄ, íà âõîä êîòîðîãî ïîñòóïàþò ñèãíàëû ñ äàò÷èêîâ êîíòðîëèðóåìûõ ïàðàìåòðîâ. Ðåçóëüòàòû êîíòðîëÿ äèàãíîñòèêè ïîñòóïàþò íà áëîê îáðàáîòêè èíôîðìàöèè ÈÍÔ è çàòåì ñ åãî âûõîäà – íà çàùèòíûå óñòðîéñòâà ÇÓ. Áëîê ÈÍÔ òàêæå â îáùåì ñëó÷àå ìîæåò ñâÿçûâàòü âñå óñòðîéñòâî ñî âíåøíåé ñðåäîé. Íàïðèìåð, â íåãî ìîãóò
9.1.2. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÐÈÍÖÈÏÛ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ÈÌÏÓËÜÑÍÛÌÈ ÑÈÑÒÅÌÀÌÈ
Áîëüøèíñòâî ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ àïïàðàòîâ ïî ïðèíöèïó óïðàâëåíèÿ ÿâëÿþòñÿ èìïóëüñíûìè ñèñòåìàìè. Òàêîå îïðåäåëåíèå âûòåêàåò èç èìïóëüñíîãî õàðàêòåðà ôóíêöèîíèðîâàíèÿ îñíîâíûõ ýëåìåíòîâ ñèëîâîé ÷àñòè ñõåìû – òèðèñòîðîâ, òðàíçèñòîðîâ è äð. Òåîðèÿ èìïóëüñíûõ ñèñòåì ïîëó÷èëà ðàçâèòèå â îñíîâíîì ïðèìåíèòåëüíî ê èíôîðìàöèîííûì ñèñòåìàì. Ìíîãèå ïîëîæåíèÿ ýòîé òåîðèè îêàçàëèñü ñïðàâåäëèâûìè è äëÿ èìïóëüñíûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñèñòåì, ê êîòîðûì ñëåäóåò îòíåñòè áîëüøèíñòâî óñòðîéñòâ ñèëîâîé ýëåêòðîíèêè. Ïðè èõ ðàññìîòðåíèè øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ òåðìèíû è îïðåäåëåíèÿ, ñôîðìóëèðîâàííûå çíà÷èòåëüíî ðàíüøå, ÷åì ïîÿâèëèñü ñèñòåìû èìïóëüñíîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè.  èìïóëüñíûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ ïðèìåíÿþòñÿ ýëåìåíòû ñ äèñêðåòíî èçìåíÿåìûìè ïàðà-
ìåòðàìè, íàïðèìåð, ïðîâîäèìîñòüþ (ñîïðîòèâëåíèåì). Êðîìå òîãî, òàêèå ñèñòåìû ñîäåðæàò òàêæå è íåïðåðûâíóþ, îáû÷íî ëèíåéíóþ ÷àñòü, íàïðèìåð ôèëüòð, íàãðóçêó è äð.  ýëåêòðîííûõ àïïàðàòàõ èìïóëüñíûì ýëåìåíòîì ñ äèñêðåòíî èçìåíÿåìûì ñîñòîÿíèåì ïðîâîäèìîñòè (ñîïðîòèâëåíèÿ) ÿâëÿþòñÿ ýëåêòðîííûå êëþ÷è. Ïåðèîäè÷åñêîå èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ êëþ÷åé âî ìíîãîì àíàëîãè÷íî êâàíòîâàíèþ ñèãíàëîâ èíôîðìàöèîííûõ ñèñòåì ïî óðîâíþ èëè âðåìåíè. Êâàíòîâàíèå ïðîèñõîäèò äèñêðåòíî, â îïðåäåëåííûå ìîìåíòû âðåìåíè, ïî îïðåäåëåííûì çàêîíàì, õàðàêòåðèçóþùèì ïðåîáðàçîâàíèå íåïðåðûâíûõ ñèãíàëîâ â èìïóëüñíûå. Ïðè àíàëèçå èìïóëüñíûõ èíôîðìàöèîííûõ ñèñòåì ýòè çàêîíû íàçûâàþò çàêîíàìè ìîäóëÿöèè. Òàêàÿ æå òåðìèíîëîãèÿ â îñíîâíîì ñîõðàíèëàñü è äëÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ èìïóëüñíûõ ñèñòåì, â êîòîðûõ ðàçëè÷àþò ñëåäóþùèå îñíîâíûå âèäû ìîäóëÿöèé: 244
§ 9.1. Íàçíà÷åíèå è îñíîâíûå ïðèíöèïû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ
ëèòóäû èìïóëüñîâ, ÿâëÿåòñÿ íåïðîñòîé çàäà÷åé. Íàïðèìåð, äëÿ ýòîé öåëè íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ïåðâè÷íûé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ íàïðÿæåíèåì E ñ ÷åòûðüìÿ âûâîäàìè îò îòäåëüíûõ ñåêöèé (ðèñ. 9.2,a). Êðîìå òîãî, âîçìîæíîñòè óïðàâëåíèÿ â ýòîì ñëó÷àå îãðàíè÷åíû êîëè÷åñòâîì êîììóòèðóåìûõ ñåêöèé è, ñîîòâåòñòâåííî, ÷èñëîì êëþ÷åé S. Íàèáîëåå ïðîñòî ðåàëèçóåòñÿ ÀÈÌ â àïïàðàòàõ ïåðåìåííîãî òîêà ïåðåêëþ÷åíèåì îòïàåê îáìîòîê ñîãëàñóþùèõ òðàíñôîðìàòîðîâ.
àìïëèòóäíî-èìïóëüñíóþ (ÀÈÌ); øèðîòíî-èìïóëüñíóþ (ØÈÌ); ÷àñòîòíî-èìïóëüñíóþ (×ÈÌ). Ñóùåñòâóþò è äðóãèå ñïîñîáû ìîäóëÿöèè, ñî÷åòàþùèå ðàçëè÷íûå âèäû. Îñîáî íàäî îòìåòèòü øèðîêî ïðèìåíÿþùèåñÿ ðåëåéíûå ñèñòåìû ñ êâàíòîâàíèåì ïî óðîâíþ. Íî ýòîò âèä èìïóëüñíûõ ñèñòåì ìîæåò áûòü îòíåñåí òàêæå ê ðàçíîâèäíîñòè èìïóëüñíûõ ñèñòåì, ñî÷åòàþùèõ ØÈÌ è ×ÈÌ. Ñïîñîáû ìîäóëÿöèè â ýíåðãåòè÷åñêèõ èìïóëüñíûõ ñèñòåìàõ, â îòëè÷èå îò èíôîðìàöèîííûõ, îáû÷íî ðåàëèçóþò ïðîñòûå ôóíêöèè, íàïðèìåð, ïîñòîÿííîå çíà÷åíèå âûõîäíîãî ïàðàìåòðà, èçìåíåíèå åãî â ñîîòâåòñòâèè ñ ñèíóñîèäàëüíîé èëè ëèíåéíîé ôóíêöèåé è äð. Ðàññìîòðèì âèäû ìîäóëÿöèè áîëåå ïîäðîáíî, ïîëàãàÿ çàêîí ìîäóëÿöèè ëèíåéíûì. Ïðè ýòîì áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî â ñîîòâåòñòâèè ñ òåðìèíîëîãèåé, ïðèíÿòîé â èíôîðìàöèîííîé èìïóëüñíîé òåõíèêå, èìååò ìåñòî ìîäóëÿöèÿ 1-ãî ðîäà, êîãäà ìîäóëèðóåìûå ïàðàìåòðû îïðåäåëÿþòñÿ çíà÷åíèÿìè ìîäóëèðóþùåãî ñèãíàëà â ôèêñèðîâàííûå ìîìåíòû âðåìåíè, â ÷àñòíîñòè, ñîâïàäàþùèå ñ ìîìåíòàìè ïåðåêëþ÷åíèÿ êëþ÷åé èç íåïðîâîäÿùåãî ñîñòîÿíèÿ â ïðîâîäÿùåå. Ïðè ìîäóëÿöèè 2-ãî ðîäà ìîäóëèðóåìûé ïàðàìåòð ìîæåò çàâèñåòü îò ðàçíûõ çíà÷åíèé ìîäóëèðóþùåé ôóíêöèè íà èíòåðâàëå ïåðåêëþ÷åíèÿ. Íà ðèñ. 9.2 ïðèâåäåíû ñõåìà è äèàãðàììû, ïîÿñíÿþùèå óïðàâëåíèå ñ ÀÈÌ. Ìîäóëÿöèÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ ôóíêöèåé fì îñóùåñòâëÿåòñÿ ïåðåêëþ÷åíèåì êëþ÷åé S1–S4 èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå ñ ïîñòîÿííîé ÷àñòîòîé f = 1/T â ìîìåíòû T, 2T, 3T. Ïðè ýòîì ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè ìîæåò íàõîäèòüñÿ òîëüêî îäèí êëþ÷ S. Äëèòåëüíîñòü âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ ïîñòîÿííà è ðàâíà tè (ðèñ. 9.2,á).  ðåçóëüòàòå ïåðåêëþ÷åíèé íà âûõîäå áóäåò ôîðìèðîâàòüñÿ íàïðÿæåíèå ñ ðàçëè÷íûìè àìïëèòóäàìè. Åñëè äëèòåëüíîñòü èìïóëüñîâ tè < T, òî íà âûõîäå ñôîðìèðóåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èìïóëüñîâ ñ àìïëèòóäàìè E, 2E, 3E è 4E. Ïðè tè = T íàïðÿæåíèå íà âûõîäå áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü ñòóïåí÷àòîé ôóíêöèè ñ ïîðîãîâûì çíà÷åíèåì E. Î÷åâèäíî, ÷òî òî÷íàÿ ðåàëèçàöèÿ ëèíåéíîãî çàêîíà ÀÈÌ 1-ãî ðîäà â äàííîì ñëó÷àå ìîæåò èìåòü ìåñòî òîëüêî ïðè îïðåäåëåííîì ñîîòíîøåíèè E, tè, T è ëèíåéíîé ìîäóëèðóþùåé ôóíêöèè. Âî âñåõ îñòàëüíûõ ñëó÷àÿõ òî÷íîñòü, ðåàëèçóåìàÿ ÀÈÌ 1-ãî ðîäà áóäåò ïðèáëèæåííîé. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñ ÀÈÌ îòíîñÿòñÿ ê ëèíåéíûì ñèñòåìàì, äëÿ àíàëèçà êîòîðûõ ñïðàâåäëèâû ïðèíöèïû íàëîæåíèÿ èëè ñóïåðïîçèöèè. Îäíàêî ïîñòðîåíèå ñèñòåì, ðåàëèçóþùèõ èçìåíåíèå àìï-
Ðèñ. 9.2. Ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ ñ ÀÈÌ: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììà ðàáîòû ïðè tè < T; â – äèàãðàììà ðàáîòû ïðè tè = T
Ðèñ. 9.3. Ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ ñ ØÈÌ: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû, ñîîòâåòñòâóþùèå ØÈÌ; â – äèàãðàììû, ñîîòâåòñòâóþùèå ×ÈÌ
245
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
Òðåáóåìûé çàêîí óïðàâëåíèÿ èíîãäà ìîæåò áûòü ðåàëèçîâàí ïîñðåäñòâîì ðåëåéíîé ìîäóëÿöèè, ñî÷åòàþùåé ïðèçíàêè ØÈÌ è ×ÈÌ. Ýòîò ïðèíöèï óïðàâëåíèÿ áëàãîäàðÿ ðÿäó ïðåèìóùåñòâ â òåõíè÷åñêîé ðåàëèçàöèè çà ïîñëåäíèå ãîäû ñòàë øèðîêî èñïîëüçîâàòüñÿ â ðàçëè÷íûõ ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ.  êà÷åñòâå ïðèìåðà ðàññìîòðèì ñèñòåìó óïðàâëåíèÿ ñ ðåëåéíîé ìîäóëÿöèåé, ðåàëèçóþùóþ ñëåæåíèå” òîêà íàãðóçêè çà ýòàëîííûì ñèãíàëîì”i0(t), êîòîðûé ìîæåò áûòü îòíåñåí ê ìîäóëÿöèîííîé ôóíêöèè. Ñèëîâàÿ ÷àñòü ñõåìû èçîáðàæåíà íà ðèñ. 9.4,à. Êëþ÷è S1 è S2 ñèíõðîííî ïåðåêëþ÷àþòñÿ – åñëè îäèí âêëþ÷åí, òî äðóãîé âûêëþ÷åí è íàîáîðîò. Íà ðèñ. 9.4,á ïðåäñòàâëåíà óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðà ðåàëèçàöèè ïåðåêëþ÷åíèé êëþ÷åé S1 è S2.
Íà ðèñ. 9.3,à ïîêàçàíà ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ ñ ØÈÌ è ×ÈÌ. Ïðè ØÈÌ êëþ÷ S ïåðåêëþ÷àåòñÿ ñ ïîñòîÿííîé ÷àñòîòîé f = 1/T, à äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà tè, îïðåäåëÿþùåãî âêëþ÷åííîå ñîñòîÿíèå êëþ÷à, èçìåíÿåòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñî çíà÷åíèåì ìîäóëèðóþùåé ôóíêöèè fì (ðèñ. 9.3,á).  ñèñòåìàõ ñ ×ÈÌ èçìåíÿåòñÿ ÷àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèÿ êëþ÷à S, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò èçìåíåíèþ ïåðèîäà ïåðåêëþ÷åíèÿ êëþ÷à S ñîãëàñíî çíà÷åíèÿì ôóíêöèè fì (ðèñ. 9.3,â). Äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà tè îñòàåòñÿ â ýòîì ñëó÷àå ïîñòîÿííîé. Òàê êàê èçìåíåíèå ÷àñòîòû ñâÿçàíî ñ èçìåíåíèåì ôàçû, òî àíàëîãè÷íûì îáðàçîì ìîæåò áûòü ðåàëèçîâàíà ôàçîèìïóëüñíàÿ ìîäóëÿöèÿ (ÔÈÌ). Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñ ØÈÌ ïîëó÷èëè íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå â ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ.
Ðèñ. 9.4. Ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ ñ ðåëåéíûì ðåãóëèðîâàíèåì: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ìîäóëÿòîðà; â – õàðàêòåðèñòèêà ãèñòåðåçèñíîãî ýëåìåíòà; ã – äèàãðàììû ðàáîòû
246
§ 9.2. Ïðèáëèæåííîå ìîäåëèðîâàíèå ðåãóëÿòîðîâ
Åñëè êëþ÷ S1 âêëþ÷åí, à êëþ÷ S2 âûêëþ÷åí, òî òîê ií íàðàñòàåò ïîä âîçäåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ E. Ïðè àëüòåðíàòèâíîì ñîñòîÿíèè êëþ÷åé òîê ií ñïàäàåò. Èíäóêòèâíîñòü Lí îïðåäåëÿåò èíåðöèîííîñòü ýòèõ ïðîöåññîâ. Ìîìåíòû ïåðåêëþ÷åíèÿ S1, S2 îïðåäåëÿþòñÿ øèðèíîé ± ∆ε ãèñòåðåçèñíîãî ýëåìåíòà ÃÝ, õàðàêòåðèñòèêà êîòîðîãî ïîêàçàíà íà ðèñ. 9.4,â. Êîìïàðàòîð ÊÎÌ ñðàâíèâàåò ìãíîâåííîå çíà÷åíèå òîêà ií ñ ýòàëîííûì i0 è, êîãäà ðàçíîñòü ýòèõ ñèãíàëîâ ïðåâûøàåò âåëè÷èíó ∆ε, ïðîèñõîäèò ïåðåêëþ÷åíèå ñîñòîÿíèÿ êëþ÷åé S1 è S2 (ñì. ðèñ. 9.4,ã). Ãèñòåðåçèñíûé ýëåìåíò ÃÝ ÿâëÿåòñÿ ñóùåñòâåííûì ýëåìåíòîì ñèñòåìû, òàê êàê îïðåäåëÿåò òî÷íîñòü ñëåæåíèÿ çà ýòàëîííûì ñèãíàëîì è ÷àñòîòó ïåðåêëþ÷åíèé. Î÷åâèäíî, ÷òî ÷àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèé áóäåò çàâèñåòü òàêæå îò ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ ýòàëîííîãî ñèãíàëà di0 ⁄ dt è ïîñòîÿííîé âðåìåíè èíåðöèîííîé öåïè íàãðóçêè τí = Lí ⁄ Rí. Ýòîò ñïîñîá íàçûâàþò òàêæå ãèñòåðåçèñíîé ìîäóëÿöèåé èëè äåëüòà-ìîäóëÿöèåé. Êðîìå ðàññìîòðåííûõ âèäîâ ìîäóëÿöèè ñóùåñòâóåò áîëüøîå ðàçíîîáðàçèå èõ ìîäèôèêàöèé.  ÷àñòíîñòè, â ñèëîâîé ýëåêòðîíèêå øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ìîäóëÿöèÿ ðàçíîïîëÿðíûõ èìïóëüñîâ. Ýòó ðàçíîâèäíîñòü ìîäóëÿöèè èíîãäà íàçûâàþò äâóõ- èëè òðåõïîçèöèîííîé â çàâèñèìîñòè îò òîïîëîãèè ñèëîâîé ñõåìû. Ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ ñ äâóõïîçèöèîííîé ìîäóëÿöèåé â ñõåìå ñ íóëåâûì âûâîäîì â öåïè ïèòàíèÿ è äèàãðàììà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Uab ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 9.5. Íà ýòîé ñõåìå â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè íàõîäèòñÿ âñåãäà îäèí èç êëþ÷åé S1 èëè S2. Òàêîé ðåæèì ìîæåò âîçíèêàòü ïðè àêòèâíî-èíäóêòèâíîì ñîïðîòèâëåíèè Zí è êëþ÷àõ, ñïîñîáíûõ ïðîâîäèòü òîê â äâóõ íàïðàâëåíèÿõ. Ïðè ýòîì ìîæåò èçìåíÿòüñÿ ïî îïðåäåëåííîìó çàêîíó äëèòåëüíîñòè ïðîâîäÿùèõ ñîñòîÿíèé âðåìÿ tu1 è tu2.  ðåçóëüòàòå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå Uab ìîæåò èçìåíÿòüñÿ ñ +E ⁄ 2 íà −E ⁄ 2 è íàîáîðîò. Íà ðèñ. 9.6 ïîêàçàíû ìîñòîâàÿ ñõåìà è äèàãðàììà, ïîÿñíÿþùèå òðåõïîçèöèîííóþ ðàçíîâèäíîñòü ìîäóëÿöèè.  ýòîé ñõåìå âîçìîæíî îáåñïå÷èòü òðè óðîâíÿ íàïðÿæåíèÿ Uab − 0, +E è −E. Íóëåâàÿ ïàóçà îáåñïå÷èâàåòñÿ ïðè ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè îäíîé èç ïàð êëþ÷åé – S1, S3 è S2, S4 è óñëîâèè âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ äðóãîé ïàðû.  ñèñòåìàõ ñ ïðîãðàììíûì óïðàâëåíèåì, íàïðèìåð ñîäåðæàùèõ ìèêðîïðîöåññîð, âîçìîæíà ðåàëèçàöèÿ áîëåå ñëîæíûõ çàêîíîâ óïðàâëåíèÿ ñèëîâûì
Ðèñ. 9.5. Ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ ñ äâóõïîçèöèîííîé ìîäóëÿöèåé: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû ðàáîòû
Ðèñ. 9.6. Ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ ñ òðåõïîçèöèîííîé ìîäóëÿöèåé: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû ðàáîòû
ýëåêòðîííûì êëþ÷îì, ÷åì â ðàññìîòðåííîì âûøå âèäå ìîäóëÿöèè. Ýòè çàêîíû äîëæíû ñîîòâåòñòâîâàòü ñòðàòåãèè îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî èìïóëüñíûå ñèñòåìû, çà èñêëþ÷åíèåì ñèñòåì ñ ÀÈÌ, ÿâëÿþòñÿ ñóùåñòâåííî íåëèíåéíûìè, îïðåäåëåíèå çàêîíîâ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñëîæíîé çàäà÷åé. Ðåøåíèå åå îáû÷íî ìîæíî ïîëó÷èòü, ïðèìåíÿÿ ñïåöèàëüíûå ìåòîäû òåîðèè íåëèíåéíûõ öåïåé [91]. Îñîáåííî ðåøåíèå ïîäîáíûõ çàäà÷ çàòðóäíèòåëüíî äëÿ ìíîãîêîíòóðíûõ ñèñòåì óïðàâëåíèÿ ñî çíà÷èòåëüíûì êîëè÷åñòâîì ïåðåìåííûõ. Ïåðñïåêòèâíûì íàïðàâëåíèåì â ðåøåíèè ïîäîáíûõ çàäà÷ ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå ìåòîäîâ íå÷åòêîé ëîãèêè (àíãë. – fuzzy logic”). ” Ìåòîäû ýòîé ëîãèêè íå òðåáóþò ñîçäàíèÿ ñëîæíûõ àíàëèòè÷åñêèõ ìîäåëåé ñèñòåìû è áàçèðóþòñÿ íà ìàòåìàòè÷åñêîé îáðàáîòêå ïðîñòåéøèõ ôóíêöèé. Òàêèå ôóíêöèè ñîîòâåòñòâóþò íàáîðó ïðàâèë è èíñòðóêöèé, ñôîðìóëèðîâàííûõ äëÿ êîíêðåòíîé ñèñòåìû â âèäå âûñêàçûâàíèé: ìíîãî”, ìàëî”, ” ” åñëè ... òî ...” è äð. [92]. ”
247
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è äàëüíîå èçìåíåíèå ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïî ñèíóñîèäàëüíîìó çàêîíó ñ ÷àñòîòîé, â 10 ðàç ïðåâûøàþùåé ðàáî÷óþ ÷àñòîòó ôîðìèðîâàíèÿ èìïóëüñîâ. 4. Íàðèñóéòå ñòðóêòóðíóþ ñõåìó óñòðîéñòâà çàùèòû, îáåñïå÷èâàþùåãî îòêëþ÷åíèå àïïàðàòà îò ïåðâè÷íîãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ïðè îòêëîíåíèÿõ îò óñòàíîâëåííîé íîðìû çíà÷åíèé âõîäíîãî è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ àïïàðàòà è òîêà åãî íàãðóçêè. 5. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå ôóíêöèè ñèñòåì óïðàâëåíèÿ ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ.
1. Èçîáðàçèòå óïðîùåííóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ñõåìó, ñîñòîÿùóþ èç ðåëå è êíîïîê óïðàâëåíèÿ, êîòîðàÿ áû îáåñïå÷èâàëà ïîî÷åðåäíîå âêëþ÷åíèå òðåõ íåçàâèñèìûõ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé è îòêëþ÷åíèå èõ â îáðàòíîì ïîðÿäêå. 2. Íà÷åðòèòå äèàãðàììó ðàñïðåäåëåíèÿ èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðàìè âñòðå÷íîâêëþ÷åííûõ â öåïü ïåðåìåííîãî òîêà è ñòðóêòóðíóþ ñõåìó ÑÓ, èõ ðåàëèçóþùóþ. 3. Çàïèøèòå çàêîí èçìåíåíèÿ äëèòåëüíîñòè èìïóëüñîâ ïðè ØÈÌ, îáåñïå÷èâàþùåé ñèíóñîè-
9.2. ÏÐÈÁËÈÆÅÍÍÎÅ ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ ÐÅÃÓËßÒÎÐÎÂ 9.2.1. ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß Î ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÈ ÐÅÃÓËßÒÎÐÎÂ
Ïðèáëèæåííûå ìîäåëè ìîãóò óñïåøíî èñïîëüçîâàòüñÿ íà ýòàïàõ ïðîåêòèðîâàíèÿ, êîãäà ñèíòåçèðóþòñÿ îòäåëüíûå çâåíüÿ ðåãóëÿòîðà è êîððåêòèðóþòñÿ åãî õàðàêòåðèñòèêè. Îïèñàíèå îáúåêòà ðåãóëèðîâàíèÿ â âåêòîðíîìàòðè÷íîé ôîðìå, ñâÿçûâàþùåé âõîäíûå è âûõîäíûå ïåðåìåííûå ñ ïåðåìåííûìè, õàðàêòåðèçóþùèìè âíóòðåííåå åãî ñîñòîÿíèå, øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ â ñîâðåìåííîé òåîðèè óïðàâëåíèÿ. Èçâåñòíî, ÷òî äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû ëþáîãî îáúåêòà ìîãóò áûòü îïèñàíû ñèñòåìîé äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé ðàçëè÷íûõ âèäîâ.  ðàññìàòðèâàåìûõ ñëó÷àÿõ ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû ìîãóò áûòü îïèñàíû ñèñòåìîé îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé â íîðìàëüíîé ôîðìå, â êîòîðîé êàæäîå óðàâíåíèå ñîäåðæèò òîëüêî ïåðâóþ ïðîèçâîäíóþ ñîîòâåòñòâóþùåé ïåðåìåííîé. Òàêèì îáðàçîì, óðàâíåíèå n-ãî ïîðÿäêà ñâîäèòñÿ ê ñèñòåìå èç n óðàâíåíèé, âêëþ÷àþùèõ òàêîå æå ÷èñëî ïåðåìåííûõ è èõ ïðîèçâîäíûõ. ×èñëî ïåðåìåííûõ n ïîëíîñòüþ õàðàêòåðèçóåò äèíàìè÷åñêîå ñîñòîÿíèå îáúåêòà. Íà ðèñ. 9.7 ïðåäñòàâëåí â îáîáùåííîé ôîðìå îáúåêò óïðàâëåíèÿ è ñîîòâåòñòâóþùèå åìó ïåðåìåííûå, êîòî-
Ïðàêòè÷åñêè âñå äèñêðåòíûå ñèñòåìû, çà èñêëþ÷åíèåì ñèñòåì ñ ÀÈÌ, ÿâëÿþòñÿ íåëèíåéíûìè. Ïîýòîìó òî÷íûå ìåòîäû àíàëèçà ïðîòåêàþùèõ â íèõ ïðîöåññîâ äîñòàòî÷íî ñëîæíû è ìàëî ïðèãîäíû â èíæåíåðíîé ïðàêòèêå. Ïðè ïðîåêòèðîâàíèè îáû÷íî èñïîëüçóþò ðàçëè÷íûå ïðèáëèæåííûå ìîäåëè, ïîçâîëÿþùèå îöåíèòü òå èëè èíûå àñïåêòû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ óñòðîéñòâà. Íàïðèìåð, ïðè ñèíòåçå çâåíüåâ êàíàëîâ ðåãóëèðîâàíèÿ íåîáõîäèìî ìîäåëèðîâàòü ñèëîâóþ ÷àñòü èìïóëüñíîãî ðåãóëÿòîðà. Òàêàÿ ìîäåëü äîëæíà îòðàæàòü ïðîöåññû, ñâÿçàííûå ñ êà÷åñòâîì ðåãóëèðîâàíèÿ êîíêðåòíûõ ïàðàìåòðîâ ïðîåêòèðóåìîãî óñòðîéñòâà. Ñòåïåíü àäåêâàòíîñòè ìîäåëè èëè åå òî÷íîñòè çàâèñèò îò ðåøàåìîé çàäà÷è. Îáû÷íî íà ðàçíûõ ýòàïàõ ðàçðàáîòêè èñïîëüçóþò ìîäåëè ðàçëè÷íîé òî÷íîñòè. Íà ðàííèõ ýòàïàõ ïðîåêòèðîâàíèÿ äîñòàòî÷íî èìåòü ìîäåëü, ïðèáëèæåííî îòðàæàþùóþ îñíîâíûå ñâîéñòâà îáúåêòà. Çàòåì ïî ìåðå äåòàëèçàöèè ïðîåêòà èñïîëüçóþò áîëåå òî÷íûå ìîäåëè. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå èñïîëüçóåìûå íà ïðàêòèêå ïðèíöèïû ïðèáëèæåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ñèëîâîé ÷àñòè èìïóëüñíûõ ðåãóëÿòîðîâ. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè ìåòîäàìè ìîäåëèðîâàíèÿ èìïóëüñíûõ ðåãóëÿòîðîâ ÿâëÿþòñÿ ðàçëè÷íûå ìîäèôèêàöèè ìåòîäà îñðåäíåíèÿ ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ. Ýòè ìîäåëè îñíîâàíû íà àíàëèçå ïðîöåññîâ ïðè ìàëûõ çíà÷åíèÿõ ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ è âîçìóùåíèÿ è ÷àñòî íàçûâàþòñÿ ìàëîñèãíàëüíûìè [91]. Ýôôåêòèâíîñòü èõ ðàçëè÷àåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò ðåøàåìîé çàäà÷è. Îäíàêî âñå îíè ïîçâîëÿþò íå òîëüêî äàòü îöåíêó îáúåêòà ðåãóëèðîâàíèÿ, íî è â ðÿäå ñëó÷àåâ – äîñòàòî÷íî òî÷íîå ïðåäñòàâëåíèå î ïðîòåêàþùèõ â íèõ ïðîöåññàõ.
Ðèñ. 9.7. Îáîáùåííàÿ ìîäåëü îáúåêòà óïðàâëåíèÿ
248
§ 9.2. Ïðèáëèæåííîå ìîäåëèðîâàíèå ðåãóëÿòîðîâ
Ðèñ. 9.8. Ïðîñòåéøèé èìïóëüñíûé ðåãóëÿòîð íàïðÿæåíèÿ: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ
Äëÿ ñòàöèîíàðíîé ëèíåéíîé ñèñòåìû ñâÿçü ìåæäó ýòèìè ïåðåìåííûìè ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíà â îáùåì âèäå
ðûå îáû÷íî çàïèñûâàþòñÿ â âåêòîðíî-ìàòðè÷íîé ôîðìå: âõîäíûå
U=
u1 u2 ⋅ ⋅ un
;
Y=
y1 y2 ⋅ ⋅ yn
;
ïåðåìåííûå ñîñòîÿíèÿ x1 x2 X= ⋅ ⋅ x n
.
dx dt
= X = AX + BU;
Y = CX + DU,
(9.2)
ãäå A – ìàòðèöà êîýôôèöèåíòîâ ñîñòîÿíèÿ; B – ìàòðèöà óïðàâëåíèÿ; C – ìàòðèöà âûõîäà; D – ìàòðèöà îáõîäà ñèñòåìû. Îñîáåííîñòüþ áîëüøèíñòâà ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ðåãóëÿòîðîâ èìïóëüñíîãî òèïà ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îíè èçìåíÿþò ñâîþ ñòðóêòóðó ïðè êîììóòàöèè êëþ÷åâûõ ýëåìåíòîâ. Ïîýòîìó îíè íå ìîãóò áûòü îïèñàíû îäíîé ñèñòåìîé äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé â íîðìàëüíîé ôîðìå. Áîëåå òîãî, ñòðóêòóðà ðåãóëÿòîðà ìîæåò èçìåíÿòüñÿ â çàâèñèìîñòè îò ðåæèìà ðàáîòû óñòðîéñòâà.  ðåçóëüòàòå êàæäîé ñòðóêòóðå ñîîòâåòñòâóåò ñâîå óðàâíåíèå ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ. Ïî ýòîé ïðè÷èíå è ðàçðàáîòàí ìåòîä îñðåäíåíèÿ ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ è åãî ìîäèôèêàöèè, êîòîðûé ïîçâîëÿåò ïðèáëèæåííî ó÷åñòü èçìåíåíèå ñòðóêòóðû â ïðîöåññå ðàáîòû óñòðîéñòâà. Ðàññìîòðèì èñïîëüçîâàíèå ýòîãî ìåòîäà íà ïðèìåðå ïðîñòåéøåé ñõåìû äâóõêëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (ðèñ. 9.8,à). Áîëåå ïîäðîáíî ýòîò òèï ðåãóëÿòîðà ðàññìàòðèâàåòñÿ â (11.2).
âûõîäíûå
(9.1)
249
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè 9.2.2. ÏÐÈÌÅÐ ÌÎÄÅËÈ ÈÌÏÓËÜÑÍÎÃÎ ÐÅÃÓËßÒÎÐÀ
Ïðîöåññû â ðåãóëÿòîðå ñîîòâåòñòâóþò ñõåìå çàìåùåíèÿ íà ðèñ. 9.9,à â òå÷åíèå tâêë è ñõåìå çàìåùåíèÿ íà ðèñ. 9.9,á â òå÷åíèå tâûêë = T − tâêë. Äëÿ àíàëèçà äèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ïî ìåòîäó îñðåäíåíèÿ ââîäèòñÿ êîýôôèöèåíò îòíîñèòåëüíîé äëèòåëüíîñòè ýòèõ èíòåðâàëîâ âðåìåíè
 ñèëîâîé ÷àñòè ðåãóëÿòîðà ìîæíî âûäåëèòü èìïóëüñíóþ ÷àñòü È× ñ êëþ÷åâûìè ýëåìåíòàìè S1 è S2 è íåïðåðûâíóþ ÷àñòü, âêëþ÷àþùóþ LC-ôèëüòð è ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè R. Óïðàâëåíèå ðåãóëÿòîðîì îñóùåñòâëÿåòñÿ ïî ñïîñîáó ØÈÌ ïåðèîäè÷åñêèì ïåðåêëþ÷åíèåì ýëåìåíòîâ S1 è S2, êîòîðîå ïðîèñõîäèò ñèíõðîííî. Ïðè ýòîì ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå S1 ñîîòâåòñòâóåò âûêëþ÷åííîìó ñîñòîÿíèþ S2 è íàîáîðîò. Íà ðèñ. 9.8,á ïðåäñòàâëåíû äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå ôèëüòðà Uab, ãäå âðåìÿ tâêë = t1 − t0 ñîîòâåòñòâóåò çàìêíóòîìó ñîñòîÿíèþ êëþ÷à S1, à èíòåðâàë tâûêë = t2 − t1 – ðàçîìêíóòîìó íà èíòåðâàëå ïåðèîäà T.  ðàññìàòðèâàåìîì ïðèìåðå áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ñõåìà ðàáîòàåò â ðåæèìå íåïðåðûâíîãî òîêà iL â ðåàêòîðå ôèëüòðà ñ èíäóêòèâíîñòüþ L (ðèñ. 9.8,á).  ýòîì ðåæèìå íà èíòåðâàëå ïåðèîäà èìåþò ìåñòî äâå ñòðóêòóðû, êîòîðûì ñîîòâåòñòâóþò ñõåìû çàìåùåíèÿ íà ðèñ. 9.9 â çàâèñèìîñòè îò ñîñòîÿíèé êëþ÷åé S1 è S2. Êàæäàÿ ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíîé è ìîæåò áûòü îïèñàíà ñèñòåìîé óðàâíåíèé ñîñòîÿíèÿ. Äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ñõåì â êà÷åñòâå ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ îáû÷íî ïðèíèìàþò òîêè èíäóêòèâíûõ ýëåìåíòîâ è íàïðÿæåíèÿ íà åìêîñòíûõ ýëåìåíòàõ. Ïîýòîìó âûáèðàåì äëÿ ýêâèâàëåíòíûõ ñõåì ñëåäóþùèå ïåðåìåííûå ñîñòîÿíèÿ x u X = 1 = c . (9.3) x2 iL Äëÿ ñõåìû íà ðèñ. 9.9,a óðàâíåíèÿ çàïèñàííûå â ôîðìå (9.2), èìåþò âèä d uc −1 ⁄ RC 1 ⁄ C X= = 0 dt iL −1 ⁄ L 0 0 . + 1⁄L E Ñîãëàñíî (9.2–9.4) −1 ⁄ RC A= −1 ⁄ L
γ=
tâêë T
.
(9.5)
Êîýôôèöèåíò γ ïðè óïðàâëåíèè ïî ñïîñîáó ØÈÌ ïðèíÿòî òàêæå íàçûâàòü êîýôôèöèåíòîì çàïîëíåíèÿ. Ïðè àíàëèçå ñèñòåì ñ èìïóëüñíûì ðåãóëèðîâàíèåì èñïîëüçóåòñÿ ïðèíöèï îñðåäíåíèÿ, êîòîðûé çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî äëÿ îïèñàíèÿ ñèñòåìû ðåãóëèðîâàíèÿ ñ ðàçíûìè ñòðóêòóðàìè ñîçäàåòñÿ îäíà îñðåäíåííàÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé ñîñòîÿíèÿ. Ýòà îñðåäíåííàÿ ñèñòåìà ó÷èòûâàåò óðàâíåíèÿ âñåõ ñòðóêòóð ñ âåñîâûìè êîýôôèöèåíòàìè, ñîîòâåòñòâóþùèìè îòíîñèòåëüíîé äëèòåëüíîñòè ñóùåñòâîâàíèÿ ýòèõ ñòðóêòóð â òå÷åíèå îäíîãî ïåðèîäà. Äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñëó÷àÿ îñðåäíåííàÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé ñîñòîÿíèÿ çàïèñûâàåòñÿ â ñëåäóþùåì âèäå X = AñðX + BñðU = = A1γ + A2(1 − γ)X + B1γ + B2(1 − γ)U ,
(9.6)
ãäå Añð è Bñð – ìàòðèöû îñðåäíåííîé ñèñòåìû ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ; A1, B1 è A2, B2 – ìàòðèöû ñèñòåì óðàâíåíèé ñîñòîÿíèÿ íà èíòåðâàëàõ tâêë è tâûêë (ðèñ. 9.8,á), ñîîòâåòñòâóþùèå ýêâèâàëåíòíûì ñõåìàì íà ðèñ. 9.9. Ó÷èòûâàÿ (9.4)–(9.6), ïîñðåäñòâîì íåñëîæíûõ ïðåîáðàçîâàíèé (9.6) ìîæíî ïðåäñòàâèòü â ôîðìå d uC −1 ⁄ RC 1 ⁄ C uC + = 0 iL dt iL −1 ⁄ L 0 o . (9.7) + 1 ⁄ L γE
ñîñòîÿíèÿ, uc + iL (9.4)
Óðàâíåíèÿ (9.4) è (9.7) â äàííîì ïðèìåðå ðàçëè÷àþòñÿ òîëüêî íàëè÷èåì êîýôôèöèåíòà γ â ìàòðèöå âõîäíûõ ïàðàìåòðîâ. Îäíàêî, îíî ó÷èòûâàåò ïåðåìåííóþ ñòðóêòóðó ðåãóëÿòîðà, îáóñëîâëåííóþ êîììóòàöèåé êëþ÷åé S1 è S2. Òî÷íîñòü ýòîé ìîäåëè â îñíîâíîì îïðåäåëÿåòñÿ óðîâíåì ïóëüñàöèé âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå uC). ×åì ìåíüøå áóäåò óðîâåíü ïóëüñàöèé, òåì áîëåå àäåêâàòíî ìîäåëü (9.7) áóäåò îòðàæàòü ïðîöåññû â ðåàëüíîé ñõåìå. Ôèçè÷åñêèé ñìûñë ýòîé çàêîíîìåðíîñòè çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïðè ïðåíåáðåæåíèè ïóëüñàöèÿìè ïåðåõîäÿò ê àíàëèçó ñõåìû ìåòîäîì îñíîâíûõ (ñðåäíèõ) ñîñòàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé è òîêîâ â ñõåìå. Ïðè èñïîëüçîâàíèè ýòîãî ìåòîäà èìïóëüñíàÿ ÷àñòü èñòî÷íèêà ìîæåò áûòü
1⁄C T ; B = 0 − 1 ⁄ L ; 0
T U = 0 E .  êà÷åñòâå ïåðåìåííîé âûõîäà ïðèíèìàåì íàïðÿæåíèå íà ñîïðîòèâëåíèè R, ñîâïàäàþùåå ñ uC. Ïîýòîìó âòîðîå óðàâíåíèå â (9.2) ïðåîáðàçîâàíî â Y = uC. Äëÿ ñõåìû íà ðèñ. 9.9,á ïðè òåõ æå ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ uC è iL èìååì òî æå çíà÷åíèå ìàòðèöû A.  òî æå âðåìÿ ñèãíàë óïðàâëåíèÿ U ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íóëþ, òàê êàê âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè êëþ÷à S2 è âûêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè êëþ÷à S1 èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ E â ñõåìó íå âõîäèò.
250
§ 9.3. Èíòåãðàëüíûå ìèêðîñõåìû â ñèñòåìàõ óïðàâëåíèÿ
Ðèñ. 9.9. Ñõåìû çàìåùåíèÿ ðåãóëÿòîðà: à – êëþ÷ S1 âêëþ÷åí; á – êëþ÷ S1 âûêëþ÷åí
Ðèñ. 9.10. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ðåãóëÿòîðà îòíîñèòåëüíî ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ è âîçìóùåíèÿ
ìå è ìàëîñèãíàëüíûìè îòêëîíåíèÿìè îò íèõ, ò. å. ∆f ⁄ F << 1, ãäå F è ∆f – ïîñòîÿííûå ñîñòàâëÿþùèå è ìàëîñèãíàëüíûå îòêëîíåíèÿ. Ïîñëå ïîäñòàíîâêè (9.8) â (9.7), ïðåíåáðåãàÿ âåëè÷èíàìè áîëåå âûñîêèõ ïîðÿäêîâ ìàëîñòè, íàïðèìåð ∆e∆γ, ïîëó÷èì óðàâíåíèÿ, ïîçâîëÿþùèå ïðîìîäåëèðîâàòü ñâÿçü ïàðàìåòðîâ ñõåìû êàê â óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå (äëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà), òàê è ñîçäàòü ìàëîñèãíàëüíóþ ìîäåëü äëÿ ïåðåìåííîãî òîêà, êîòîðàÿ îïèñûâàåòñÿ óðàâíåíèåì d uC −1 ⁄ RC 1 ⁄ C ∆uC + = 0 ∆iL dt iL −1 ⁄ L
çàìåíåíà ýêâèâàëåíòíûì óïðàâëÿåìûì èñòî÷íèêîì ñðåäíåãî íàïðÿæåíèÿ Eñð = Eγ. Èçìåíåíèå ýòîãî íàïðÿæåíèÿ ïðîèñõîäèò ëèáî ïðè èçìåíåíèè çíà÷åíèÿ E èëè êîýôôèöèåíòà γ, êîòîðûé îïðåäåëÿåòñÿ çàêîíîì ðåãóëèðîâàíèÿ. Ñèñòåìà (9.7) ÿâëÿåòñÿ íåëèíåéíîé, òàê êàê â íåå âõîäèò ïðîèçâåäåíèå äâóõ ïåðåìåííûõ Eγ. Îäíàêî, ëèíåàðèçóÿ åå äëÿ ìàëûõ îòêëîíåíèé ïàðàìåòðîâ, ìîæíî ïîëó÷èòü ïåðåäàòî÷íûå ôóíêöèè ñèëîâîé ÷àñòè ðåãóëÿòîðà, èñïîëüçóÿ êëàññè÷åñêèå ìåòîäû àíàëè çà ëèíåéíûõ ñèñòåì ðåãóëèðîâàíèÿ [91]. Äëÿ ýòîãî ïðåäñòàâèì îñíîâíûå ïàðàìåòðû ñõåìû â âèäå
0 0 + 1 ⁄ L E∆γ
uC = UC + ∆uC; e = E + ∆e;
(9.8)
0 . ∆Eγ
(9.9)
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî åñëè êàêèå-ëèáî ýëåìåíòû ñõåìû èìåþò íåëèíåéíîñòè, íàïðèìåð, õàðàêòåðíóþ äëÿ ðåàêòîðîâ ñ ìàãíèòîïðîâîäîì íåëèíåéíóþ çàâèñèìîñòü L = f(i), èëè äðóãèå, òî ìîæíî åå ó÷èòûâàòü êëàññè÷åñêèì ìåòîäîì ëèíåàðèçàöèè ïîñðåäñòâîì ðàçëîæåíèÿ íåëèíåéíîé ôóíêöèè â ðÿä Òåéëîðà [101].
iL = IL + ∆iL; γ = γ0 + ∆γ.  (9.8) êàæäûé ïàðàìåòð ïðåäñòàâëåí óñòàíîâèâøèìñÿ çíà÷åíèåì (ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé) âðåìåííûõ ôóíêöèé â êîíêðåòíîì èññëåäóåìîì ðåæè251
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
Èñïîëüçóÿ ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà, èç (9.9) ìîæíî ïîëó÷èòü ïåðåäàòî÷íûå ôóíêöèè, ñâÿçûâàþùèå èçîáðàæåíèÿ ñèãíàëîâ âîçìóùåíèÿ, óïðàâëåíèÿ è âûõîäà ðåãóëÿòîðà. Äîïóñòèì, ÷òî ðåãóëÿòîð ðàáîòàåò ñ ïîñòîÿííîé íàãðóçêîé, êîãäà R = = const. Òîãäà îñíîâíûì âîçìóùàþùèì ôàêòîðîì ÿâëÿåòñÿ èçìåíåíèå âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ∆E.  ýòîì ñëó÷àå ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ñëåäóþùèå ïåðåäàòî÷íûå ôóíêöèè äëÿ ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìû: ïî âîçìóùåíèþ WE (p) =
∆uC(p) ∆E(p)
=
γ 2
LCp + Lp ⁄ R + 1
,
ïî óïðàâëåíèþ Wγ(p) =
∆uC(p) ∆γ(p)
9.10.  ýòîé ñõåìå ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ çâåíà, âêëþ÷àþùåãî LC-ôèëüòð è íàãðóçêó R, ñîîòâåòñòâóåò òèïîâîìó çâåíó 2-ãî ïîðÿäêà. Çâåíüÿ, ñâÿçûâàþùèå ëèíåàðèçîâàííûå ñèãíàëû óïðàâëåíèÿ ∆γ è âîçìóùåíèÿ ∆E ñ âûõîäíûìè ñèãíàëàìè ∆E ′ è ∆E ′′ ñîîòâåòñòâåííî (ðèñ. 9.10), ÿâëÿþòñÿ áåçûíåðöèîííûìè. Ïîýòîìó èõ ïåðåäàòî÷íûå ôóíêöèè ïðåäñòàâëåíû ñîãëàñíî (9.9) ñòàòè÷åñêèìè êîýôôèöèåíòàìè E è γ0.  ðàññìîòðåííîì ïðèìåðå ïîëó÷åíà ïðèáëèæåííàÿ ìîäåëü èìïóëüñíîãî ðåãóëÿòîðà äëÿ ðåæèìà ðàáîòû ñ íåïðåðûâíûì òîêîì iL. Ïðè ðàáîòå ñõåìû â ðåæèìå ïðåðûâèñòûõ òîêîâ (ñì.( 11.2) çà îäèí ïåðèîä êîììóòàöèè êëþ÷åé S1 è S2 ñõåìà òðèæäû èçìåíÿåò ñâîþ ñòðóêòóðó. Äëÿ ýòîãî ðåæèìà îñðåäíåííàÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé ñîñòîÿíèÿ áóäåò çíà÷èòåëüíî îòëè÷àòüñÿ îò (9.9). Áîëåå òî÷íûé ìåòîä àíàëèçà ëèíåàðèçîâàííûõ ñèñòåì ñ ØÈÌ ðàññìîòðåí â [93].
(9.10) =
E 2
LCp + Lp ⁄ R + 1
.
Ïåðåäàòî÷íûì ôóíêöèÿì (9.10)–(9.11) ñîîòâåòñòâóåò ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà, ïðåäñòàâëåííàÿ íà ðèñ.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è âèâøåãîñÿ ðåæèìà ðàáîòû ñ çàäàííûìè çíà÷åíèÿìè E è γ ïðè ∆γ è ∆E, ðàâíûìè íóëþ, èñïîëüçóÿ (9.9) è ñõåìó ðèñ. 9.9. 4. Çàïèøèòå óðàâíåíèÿ îñðåäíåííûõ ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ äëÿ ñõåìû íà ðèñ. 9.8,a, äîïîëíåííîé àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì RL, ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûì ñ èíäóêòèâíîñòüþ L. 5. Äîïîëíèòå ñòðóêòóðíóþ ñõåìó íà ðèñ. 9.10 òèïîâûìè çâåíüÿìè îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè ïî âûõîäíîìó íàïðÿæåíèþ (â îáùåì óïðîùåííîì âèäå).
1. ×åì îáóñëîâëåíà íåëèíåéíîñòü áîëüøèíñòâà òèïîâ èìïóëüñíûõ ðåãóëÿòîðîâ, â ÷åì îíà ïðîÿâëÿåòñÿ è ïî÷åìó ê íåëèíåéíûì ñèñòåìàì íå ïðèìåíèìû îñíîâíûå ìåòîäû àíàëèçà ëèíåéíûõ ñèñòåì? 2. Çàïèøèòå ñèñòåìó óðàâíåíèé ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ â âåêòîðíî-ìàòðè÷íîé ôîðìå äëÿ ñõåìû, ñîñòîÿùåé èç èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ E è ïîäêëþ÷åííîãî ê íåìó êîíòóðà ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ R, L è C. 3. Çàïèøèòå óðàâíåíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà äëÿ ñõåìû íà ðèñ. 9.9,a, èñïîëüçóÿ (9.9), ò. å. óñòàíî-
9.3. ÈÍÒÅÃÐÀËÜÍÛÅ ÌÈÊÐÎÑÕÅÌÛ Â ÑÈÑÒÅÌÀÕ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß 9.3.1. ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß ÎÁ ÈÍÒÅÃÐÀËÜÍÛÕ ÌÈÊÐÎÑÕÅÌÀÕ
Áîëüøèíñòâî óçëîâ ñèñòåì óïðàâëåíèÿ âûïîëíÿåò ôóíêöèè ôîðìèðîâàíèÿ è ïðåîáðàçîâàíèÿ ïî îïðåäåëåííûì çàêîíàì ýëåêòðè÷åñêèõ ñèãíàëîâ èíôîðìàöèîííîãî óðîâíÿ.  öåëÿõ ïîâûøåíèÿ ÊÏÄ è óìåíüøåíèÿ ìàññîãàáàðèòíûõ ïîêàçàòåëåé ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ, ñòðåìÿòñÿ ê ñíèæåíèþ ìîùíîñòè ñèãíàëîâ, ïðåîáðàçóåìûõ è âûðàáàòûâàåìûõ ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ. Ýòà òåíäåíöèÿ ïðèâåëà ê øèðîêîìó èñïîëüçîâàíèþ â óçëàõ ñèñòåì óïðàâëåíèÿ èíòåãðàëüíûõ ìèêðîñõåì (ÈÌÑ). Èíòåãðàëüíûå ìèêðîñõåìû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ìèêðîýëåêòðîííûå óñòðîéñòâà ñ âûñîêîé ïëîòíîñòüþ êîìïàíîâêè ýëåìåíòîâ: òðàíçèñòîðîâ, äèîäîâ, ðåçèñòîðîâ, êîíäåíñàòîðîâ è äð. Íîìåíêëàòóðà ÈÌÑ îïðåäåëÿåòñÿ èõ ôóíêöèÿìè è ìàñøòàáîì ïðîèçâîäñòâà. Íàèáîëåå øèðîêî óïîòðåáëÿåìûå ìàññîâûå ÈÌÑ ìîæíî îòíåñòè óñëîâíî ê ãðóïïå 252
áàçîâûõ ÈÌÑ. Ïî æåëàíèþ çàêàç÷èêà ìîãóò ñîçäàâàòüñÿ ÈÌÑ ñî ñïåöèàëèçèðîâàííûìè ôóíêöèÿìè. Òàêèå ÈÌÑ íàçûâàþò çàêàçíûìè” è öåëåñîîáðàç” íîñòü èõ ïðèìåíåíèÿ çàâèñèò îò òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèõ ôàêòîðîâ. Ïî òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ ðàçëè÷àþò ïîëóïðîâîäíèêîâûå, ïëåíî÷íûå è ãèáðèäíûå ÈÌÑ.  îñíîâå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ÈÌÑ ëåæèò êðèñòàëë ïîëóïðîâîäíèêà, â êîòîðîì âûïîëíåíû âñå ýëåìåíòû ìèêðîñõåìû. Ïëåíî÷íûå ÈÌÑ âûïîëíåíû â âèäå ïëåíîê ïðîâîäÿùèõ è íåïðîâîäÿùèõ ìàòåðèàëîâ. Ãèáðèäíûå ñîäåðæàò áîëåå ñëîæíûå êîìïîíåíòû (íàïðèìåð íåñêîëüêî ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êðèñòàëëîâ â îäíîì êîðïóñå). Ïî ôóíêöèîíàëüíîìó íàçíà÷åíèþ ìèêðîñõåìû ïðèíÿòî ðàçäåëÿòü íà àíàëîãîâûå è öèôðîâûå. Îñîáåííîñòüþ öèôðîâûõ ÈÌÑ ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îáðà-
§ 9.3. Èíòåãðàëüíûå ìèêðîñõåìû â ñèñòåìàõ óïðàâëåíèÿ
ýëåìåíòîâ, âòîðîé ñòåïåíè – îò 11 äî 100, òðåòüåé ñòåïåíè – îò 101 äî 1000 è ò. ä. Ñîîòâåòñòâåííî ðàçëè÷àþò ìàëûå (K = 2), ñðåäíèå (K = 3), áîëüøèå (K = 3,4) è ñâåðõáîëüøèå (K = 5,6) ÈÌÑ. Íàèáîëåå ñëîæíûìè ÈÌÑ ÿâëÿþòñÿ ìèêðîïðîöåññîðû (ïðîãðàììèðóåìûå óñòðîéñòâà), êîòîðûå íàøëè øèðîêîå ïðèìåíåíèå è ÿâëÿþòñÿ ïåðñïåêòèâíûì óçëîì óïðàâëåíèÿ ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ àïïàðàòîâ. Ñïåöèôèêà ïîñòðîåíèÿ è ïðèíöèïû ðàáîòû ïðîãðàììèðóåìûõ àïïàðàòîâ íà áàçå ìèêðîïðîöåññîðîâ ÿâëÿþòñÿ äîñòàòî÷íî ñëîæíûìè è ïîäðîáíî ðàññìàòðèâàþòñÿ â ãë. 10.
áàòûâàåìûå ñèãíàëû èìåþò âèä èìïóëüñîâ ñ äâóìÿ ÿðêî âûðàæåííûìè óðîâíÿìè: âûñîêèé óðîâåíü, ñîîòâåòñòâóþùèé ëîãè÷åñêîé 1” (êàê ïðàâèëî íàïðÿæåíèå ïîðÿäêà 5–10 Â) è ”íèçêèé óðîâåíü, ñîîòâåòñòâóþùèé ëîãè÷åñêîìó 0” (êàê ïðàâèëî íà” ïðÿæåíèå ïîðÿäêà 0–1 Â). Àíàëîãîâûå ÈÌÑ ïðåîáðàçóþò íåïðåðûâíûå ïåðåìåííûå âî âðåìåíè ñèãíàëû. Ñëîæíîñòü ÈÌÑ îïðåäåëÿåòñÿ ñòåïåíüþ èíòåãðàöèè K = lgN, ãäå N ÷èñëî ýëåìåíòîâ âõîäÿùèõ â ÈÌÑ.  ñîîòâåòñòâèè ñ ýòîé ôîðìóëîé ìèêðîñõåìà ïåðâîé ñòåïåíè èíòåãðàöèè ñîäåðæèò äî 10
9.3.2. ÁÀÇÎÂÛÅ ÖÈÔÐÎÂÛÅ ÈÌÑ
Ïî âèäó êîìïîíåíòîâ, âõîäÿùèõ â öèôðîâûå ÈÌÑ, èõ ðàçäåëÿþò íà ñëåäóþùèå òèïû: ÒË – òðàíçèñòîðíàÿ ëîãèêà; ÐÒË – ðåçèñòîðíî-òðàíçèñòîðíàÿ ëîãèêà; ÄÒË – äèîäíî-òðàíçèñòîðíàÿ ëîãèêà; ÒÒË – òðàíçèñòîðíî-òðàíçèñòîðíàÿ ëîãèêà. Íàèáîëåå øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè äâà ïîñëåäíèõ òèïà. Øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè öèôðîâûå ÈÌÑ ðåëåéíîãî òèïà, èìåþùèå äâà óñòîé÷èâûõ ñîñòîÿíèÿ è íàçûâàåìûå òðèããåðàìè. Ïåðåõîä òðèããåðà èç îäíîãî óñòîé÷èâîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå ïðîèñõîäèò ïîä âîçäåéñòâèåì ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ è ñîïðîâîæäàåòñÿ ñêà÷êîîáðàçíûì èçìåíåíèåì âûõîäíûõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ âûïóñêàþòñÿ ñåðèè ðàçëè÷íûõ òðèããåðîâ â âèäå ñàìîñòîÿòåëüíûõ ÈÌÑ. Íàèáîëåå ïðîñòîé ñèììåòðè÷íûé òðèããåð ìîæåò áûòü âûïîëíåí íà îñíîâå äâóõ ýëåìåíòîâ È-ÍÅ (ðèñ. 9.12,à) èëè äâóõ ýëåìåíòîâ ÈËÈ-ÍÅ (ðèñ. 9.12,á). Åñëè íà âûõîäå îäíîãî ëîãè÷åñêîãî ýëåìåíòà, íàïðèìåð F1 èìååòñÿ ñèãíàë ëîãè÷åñêîé åäèíèöû, òî íà âõîäå âòîðîãî òîæå áóäåò ñèãíàë 1”. Íà ” áóäåò âûõîäå âòîðîãî è íà âõîäå ïåðâîãî ýëåìåíòà ñèãíàë ëîãè÷åñêîãî íóëÿ, òàê êàê ýëåìåíòû ñîäåðæàò íà âûõîäå ôóíêöèþ ÍÅ. Ëîãè÷åñêèé íóëü íà âõîäå ïåðâîãî ýëåìåíòà îáåñïå÷èâàåò åäèíèöó íà åãî âûõîäå, òàêèì îáðàçîì îïèñàííîå ñîñòîÿíèå
Íàèáîëåå ïðîñòûå è ðàñïðîñòðàíåííûå öèôðîâûå ÈÌÑ – ëîãè÷åñêèå ýëåìåíòû. Ïðîñòåéøèì ëîãè÷åñêèì ýëåìåíòîì ÿâëÿåòñÿ ýëåìåíò ëîãè÷åñêîãî îòðèöàíèÿ ÍÅ. Âûõîä ýëåìåíòà ÍÅ âñåãäà íàõîäèòñÿ â ïðîòèâîïîëîæíîì ñîñòîÿíèè ïî ñðàâíåíèþ ñ âõîäîì, òî åñòü ýëåìåíò ÍÅ ïðîèçâîäèò èíâåðñèþ âõîäíîãî ñèãíàëà. Äðóãèå áàçîâûå ýëåìåíòû ðåàëèçóþò ëîãè÷åñêèå ôóíêöèè È è ÈËÈ. Èçîáðàæåíèÿ ýëåìåíòîâ íà ïðèíöèïèàëüíûõ ñõåìàõ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 9.11. Ïðàêòè÷åñêè âñå áîëåå ñëîæíûå öèôðîâûå óñòðîéñòâà îñíîâàíû íà ñî÷åòàíèè ýòèõ ýëåìåíòîâ. Ïîìèìî îòäåëüíûõ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ âûïóñêàþòñÿ ìèêðîñõåìû, ñîäåðæàùèå êîìáèíàöèè òèïà È-ÍÅ, ÈËÈ-ÍÅ, È-ÈËÈÍÅ, È-ÈËÈ è äð. Íà îñíîâå ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ìîæíî ñèíòåçèðîâàòü ñõåìû ëþáûõ ëîãè÷åñêèõ ïðåîáðàçîâàíèé Áóëåâîé àëãåáðû, à òàê æå áîëåå ñëîæíûå öèôðîâûå óñòðîéñòâà, òàêèå êàê ÿ÷åéêè ïàìÿòè, ñ÷åò÷èêè èìïóëüñîâ è äð. Ïðîìûøëåííîñòü ñåðèéíî âûïóñêàåò ðàçëè÷íûå òèïû öèôðîâûõ óñòðîéñòâ, ñòðóêòóðà áîëüøèíñòâà êîòîðûõ îñíîâàíà íà ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòàõ [94]. Âàæíîé õàðàêòåðèñòèêîé ëîãè÷åñêèõ ÈÌÑ ÿâëÿåòñÿ áûñòðîäåéñòâèå èëè äëèòåëüíîñòü ôðîíòà èìïóëüñîâ íà âûõîäå ÈÌÑ. Äëÿ ñîâðåìåííûõ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ õàðàêòåðíûìè çíà÷åíèÿìè äëèòåëüíîñòè ôðîíòîâ ÿâëÿþòñÿ äåñÿòêè è äàæå åäèíèöû íàíîñåêóíä.
Ðèñ. 9.11. Ëîãè÷åñêèå ýëåìåíòû: à – ÍÅ; á – ÈËÈ; â – È
Ðèñ. 9.12. Ïðîñòåéøèé òðèããåð: à – íà ýëåìåíòàõ ÈËÈ-ÍÅ; á – íà ýëåìåíòàõ È-ÍÅ
253
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
ÿâëÿåòñÿ óñòîé÷èâûì. Èçìåíåíèå îäíîãî âõîäíîãî, à, ñëåäîâàòåëüíî, è âûõîäíîãî ñèãíàëà ïðèâîäèò ñõåìó â ïðîòèâîïîëîæíîå óñòîé÷èâîå ñîñòîÿíèå. Áîëåå ðàñïðîñòðàíåííîé ÿâëÿåòñÿ ñõåìà RSòðèããåðà (ðèñ. 9.13). RS-òðèããåð èìååò äâà èíôîðìàöèîííûõ âõîäà S (îò àíãë. set) è R (îò àíãë. reset) è äâà èíâåðñíûõ îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà âûõîäà Q è Q. Ïðè R = 0 è S = 1 âûõîä ïðèíèìàåò ñîñòîÿíèå Q = 1, à ïðè R = 1 è S = 0 ñîñòîÿíèå Q = 0. Òàêèì îáðàçîì ñèãíàë ëîãè÷åñêîé åäèíèöû íà âõîäå S óñòàíàâëèâàåò” åäèíèöó íà âûõîäå, à íà âõîäå R ”ñáðàñûâàåò”. Ïðè íóëåâîì ñèãíàëå íà âõîäàõ òðèã” íå ìåíÿåò ñâîåãî ñîñòîÿíèÿ, ïîýòîìó îí ìîæåò ãåð èñïîëüçîâàòüñÿ êàê ïðîñòåéøèé ýëåìåíò ïàìÿòè. Êîìáèíàöèÿ R = 1 è S = 1 ïðèâîäèò ê íåîïðåäåëåííîìó ñîñòîÿíèþ íà âûõîäàõ è ÿâëÿåòñÿ çàïðåùåííîé. Áîëåå ñëîæíûì ïðèìåðîì òðèããåðà ÿâëÿåòñÿ òàêòèðóåìûé RS-òðèããåð, êîòîðûé èìååò ñèíõðîíèçèðóþùèé âõîä. Ýòî ïîçâîëÿåò èçìåíÿòü âûõîäíûå ñèãíàëû òîëüêî â ìîìåíò ïîäà÷è òàêòîâûõ èìïóëüñîâ. D-òðèããåð èíîãäà íàçûâàþò òðèããåðîì çàäåðæêè. Îí èìååò îäèí èíôîðìàöèîííûé âõîä D (ðèñ. 9.14,à) è äâà óñòîé÷èâûõ ñîñòîÿíèÿ. Ñîñòîÿíèå òðèããåðà â ìîìåíò âðåìåíè tn+1 ñîâïàäàåò ñ êîäîì âõîäíîãî ñèãíàëà, ñóùåñòâîâàâøåãî â ìîìåíò âðåìåíè tn. Âðåìÿ çàäåðæêè ïåðåêëþ÷åíèÿ òðèããåðà îïðåäåëÿåòñÿ çàäåðæêîé ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñèãíàëà â ëîãè÷åñêîì ýëåìåíòå. Íàèáîëåå ÷àñòî ïðèìåíÿþò ñèíõðîíèçèðóåìûå D-òðèããåðû (ðèñ. 9.14,á). Èçìåíåíèå ñèãíàëà íà âûõîäå òàêîãî òðèããåðà ïðîèñõîäèò òîëüêî ïî ñèãíàëó òàêòîâîãî èìïóëüñà íà âõîäå C; ïðè îòñóòñòâèè òàêòîâîãî èìïóëüñà ñõåìà íå ìåíÿåò ñâîåãî ñîñòîÿíèÿ ïðè ëþáûõ èçìåíåíèÿõ íà èíôîðìàöèîííîì âõîäå. Ñõåìà D-òðèããåðà ìîæåò ñîäåðæàòü ÷åòûðå ýëåìåíòà È-ÍÅ, ñîåäèíåííûõ ïî îïðåäåëåííîé ñõåìå (ðèñ. 9.14,â). T-òðèããåð èíîãäà íàçûâàþò ñ÷åòíûì, ïîòîìó ÷òî îí ìåíÿåò ñâîå ñîñòîÿíèå íà ïðîòèâîïîëîæíîå
Ðèñ. 9.13. RS-òðèããåð: à – îáîçíà÷åíèå; á – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà
Ðèñ. 9.14. D-òðèããåð: à – îáîçíà÷åíèå íåñèíõðîíèçèðóåìîãî D-òðèããåðà; á – îáîçíà÷åíèå ñèíõðîíèçèðóåìîãî D-òðèããåðà; â – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà
âñÿêèé ðàç, êîãäà íà åãî âõîä ïîñòóïàåò ñèãíàë ëîãè÷åñêîé åäèíèöû. T-òðèããåð ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì ýëåìåíòîì äëÿ ïîñòðîåíèÿ ñ÷åòíûõ óñòðîéñòâ. JK-òðèããåð èìååò äâà âõîäà J è K. Ôóíêöèîíàëüíî îí ïîäîáåí RS-òðèããåðó, âõîä J ñîîòâåòñòâóåò âõîäó S, à âõîä K âõîäó R. Îòëè÷èå çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî êîìáèíàöèÿ J = 0 R = 0 íå ÿâëÿåòñÿ çàïðåùåííîé, à ìåíÿåò ñîñòîÿíèå âûõîäà íà ïðîòèâîïîëîæíîå. Ñóùåñòâóþò òðèããåðû òèïîâ V, R, E, TV è äðóãèå, íî ïðèìåíÿþòñÿ îíè çíà÷èòåëüíî ðåæå [95].
9.3.3. ÁÀÇÎÂÛÅ ÀÍÀËÎÃÎÂÛÅ ÈÌÑ
Ê àíàëîãîâûì ìèêðîñõåìàì îòíîñÿò òå âèäû ÈÌÑ, ðàáîòà êîòîðûõ ñâÿçàíà ñ îáðàáîòêîé àíàëîãîâûõ (íåïðåðûâíûõ âî âðåìåíè) ñèãíàëîâ. Òàêèìè ýëåìåíòàìè ÿâëÿþòñÿ óñèëèòåëè ñèãíàëîâ, ãåíåðàòîðû àíàëîãîâûõ ñèãíàëîâ, ôèëüòðû, ïåðåìíîæèòåëè ñèãíàëîâ è äð.  íàñòîÿùåå âðåìÿ øèðîêî ðàñïðîñòðàíåíû îïåðàöèîííûå óñèëèòåëè (ÎÓ). Ñâîå íàçâàíèå ÎÓ ïîëó÷èëè áëàãîäàðÿ âîçìîæíîñòè èõ èñïîëüçîâàíèÿ â ðàçëè÷íûõ ôóíêöèîíàëüíûõ ñõåìàõ, çà ñ÷åò ïðèìåíåíèÿ îáðàòíûõ ñâÿçåé. Ãëàâíûìè äîñòîèí-
ñòâàìè ÎÓ ÿâëÿþòñÿ âûñîêèé (103–106) êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ, âûñîêîå âõîäíîå è íèçêîå âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèÿ, øèðîêèé äèàïàçîí ðàáî÷èõ ÷àñòîò. Îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü èìååò äâà âõîäà (ðèñ. 9.15.) ïðÿìîé Uâõ1 è èíâåðñíûé Uâõ2. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uâûõ íàõîäèòñÿ â ôàçå ñ âõîäíûì íàïðÿæåíèåì Uâõ1 è â ïðîòèâîôàçå ñ âõîäíûì íàïðÿæåíèåì Uâõ2. Ïèòàíèå ÎÓ îñóùåñòâëÿåòñÿ îò äâóõ ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûõ èñòî÷íèêîâ ±E ñ çàçåìëåííîé ñðåäíåé òî÷êîé. Âñå âõîäíûå è âûõîä254
§ 9.4. Ëèíåéíûå óñèëèòåëè è ïðåîáðàçîâàòåëè àíàëîãîâûõ ñèãíàëîâ
êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî ïîñòîÿííîìó òîêó ÊÓ → ∞; âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå Râõ → ∞; âûõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå Râûõ → ∞; ïîëîñà ÷àñòîò ïðîïóñêàåìûõ ÎÓ îò 0 äî ∞. Ðàáîòó ÎÓ ìîæíî ïîÿñíèòü ñ ïîìîùüþ ñõåìû áåç îáðàòíûõ ñâÿçåé (ðèñ. 9.15,à). Åñëè âõîäíîé ñèãíàë íà èíâåðñíîì âõîäå ðàâåí íóëþ, òî ñâÿçü ìåæäó âõîäíûì ñèãíàëîì ïðÿìîãî âõîäà è âûõîäíûì ñèãíàëîì îïðåäåëÿåòñÿ õàðàêòåðèñòèêîé, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 9.15,á ñïëîøíîé ëèíèåé, è íàîáîðîò, åñëè íà ïðÿìîì âõîäå ñèãíàë ðàâåí íóëþ, òî èíâåðñíûé âõîä îïðåäåëÿåò âûõîäíîé ñèãíàë â ñîîòâåòñòâèè ñ õàðàêòåðèñòèêîé, ïîêàçàííîé øòðèõîâîé ëèíèåé. Åñëè îáà ñèãíàëà îòëè÷íû îò íóëÿ, òî èõ ðàçíîñòü óñèëèâàåòñÿ ñîãëàñíî õàðàêòåðèñòèêå, ñîîòâåòñòâóþùåé áîëüøåìó ïî àìïëèòóäå ñèãíàëó. Íàêëîí õàðàêòåðèñòèê îïðåäåëÿåòñÿ ñîáñòâåííûì êîýôôèöèåíòîì ïåðåäà÷è, à ïðåäåëüíîå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå îïðåäåëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì ïèòàíèÿ. Áëàãîäàðÿ âûñîêèì êîýôôèöèåíòàì óñèëåíèÿ ÎÓ â ñõåìå áåç îáðàòíûõ ñâÿçåé ìîæåò óñèëèâàòü òîëüêî î÷åíü ìàëåíüêèå ñèãíàëû, íå âõîäÿ â òàê íàçûâàåìîå íàñûùåíèå”, êîãäà âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ðàâíî” íàïðÿæåíèþ ïèòàíèÿ ñî çíàêîì +” èëè –”. ” ”
Ðèñ. 9.15. Îïåðàöèîííûé óñèëèòåëü: à – îáîçíà÷åíèå; á – ïåðåäàòî÷íûå õàðàêòåðèñòèêè
íûå ñèãíàëû ÎÓ èçìåðÿþòñÿ îòíîñèòåëüíî ñðåäíåé òî÷êè (çåìëè) èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ. Áëàãîäàðÿ îðãàíèçàöèè òàêîãî ïèòàíèÿ ÎÓ èìååò âîçìîæíîñòü óñèëèâàòü äâóïîëÿðíûå ñèãíàëû. Ïèòàíèå ÎÓ äîëæíî áûòü ñòàáèëüíûì è ñèììåòðè÷íûì îòíîñèòåëüíî ñðåäíåé òî÷êè, êàê ïðàâèëî òèïîâûå ñõåìû ÎÓ èìåþò ïèòàíèå ±5 Â, ±12,6  èëè ±15 Â. Íàïðÿæåíèå ìåæäó âõîäàìè ÎÓ ðàâíî ðàçíîñòè Uâõ1 è Uâõ2, ò. å. ÿâëÿåòñÿ äèôôåðåíöèàëüíûì. Ó÷èòûâàÿ âûñîêèå ïîêàçàòåëè ÎÓ, ïðè ðàññìîòðåíèè ñõåì èõ ïîäêëþ÷åíèÿ ïðèíèìàþò ñëåäóþùèå äîïóùåíèÿ:
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 4. Ïðè êàêîì âõîäíîì ñèãíàëå ïðÿìîãî âõîäà ÎÓ íàñòóïèò åãî íàñûùåíèå, åñëè E = ±15 Â, ÊÓ = 50 000? Ñèãíàë íà èíâåðñíîì âõîäå ðàâåí íóëþ. 5. Ðåøèòü çàäà÷ó ï.4 ïðè Uâõ2 = 3,4 Â.
1. Ñêîëüêî ýëåìåíòîâ ìîæåò ñîäåðæàòü ÈÌÑ ñ 4-é ñòåïåíüþ èíòåãðàöèè? 2. Ñîñòàâüòå òàáëèöó èñòèííîñòè äëÿ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ È è ÈËÈ ñ òðåìÿ âõîäàìè. 3. Ïî÷åìó ïîäà÷à ëîãè÷åñêèõ åäèíèö íà âõîäû RS-òðèããåðà ÿâëÿåòñÿ çàïðåùåííîé è ê êàêîìó ñîñòîÿíèþ âûõîäîâ ýòî ïðèâåäåò?
9.4. ËÈÍÅÉÍÛÅ ÓÑÈËÈÒÅËÈ È ÏÐÅÎÁÐÀÇÎÂÀÒÅËÈ ÀÍÀËÎÃÎÂÛÕ ÑÈÃÍÀËÎÂ 9.4.1. ÓÑÈËÈÒÅËÈ ÑÈÃÍÀËÎÂ
 ñèñòåìàõ óïðàâëåíèÿ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ óñèëèòåëè ñèãíàëîâ òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ ñ îïðåäåëåííûì êîýôôèöèåíòîì óñèëåíèÿ. Óñèëèòåëü ìîæåò áûòü âûïîëíåí íà äèñêðåòíûõ òðàíçèñòîðíûõ ýëåìåíòàõ. Îäíàêî íàèáîëåå ðàöèîíàëüíûì ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå ñõåì óñèëåíèÿ íà îñíîâå ÎÓ (îïåðàöèîííûõ óñèëèòåëåé). Íà ïðàêòèêå ñóùåñòâóåò äâå áàçîâûå ñõåìû óñèëèòåëåé íà îñíîâå ÎÓ: èíâåðòèðóþùåãî è íåèíâåðòèðóþùåãî. Ðàññìîòðèì êàæäóþ èç íèõ. Íàçâàíèå èíâåðòèðóþùèé óñèëèòåëü ñõåìà (ðèñ. 9.16) ïîëó÷èëà áëàãîäàðÿ åå ñâîéñòâó èçìåíÿòü ïîëÿðíîñòü âûõîäíîãî ñèãíàëà îòíîñèòåëüíî ïîëÿðíîñòè âõîäíîãî ñèãíàëà. Ïîëàãàÿ ÎÓ èäåàëüíûì (ò. å. ïðèíèìàÿ óêàçàííûå â 9.3 äîïóùåíèÿ), ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ðàçíîñòü ìåæäó ñèãíàëàìè îáîèõ âõî-
äîâ ìàëà (èíà÷å óñèëèòåëü âîéäåò â íàñûùåíèå”). Äåéñòâèòåëüíî åñëè Uâûõmax = 15 Â è” êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ KÓ = 104, òî ìàêñèìàëüíîå äèôôåðåíöèàëüíîå âõîäíîå íàïðÿæåíèå ðàâíî 1,5 ìÂ. Òàê êàê îäèí âõîä çàçåìëåí, òî ïîòåíöèàë âòîðîãî âõîäà áëèçîê ê ïîòåíöèàëó çåìëè. Ïîýòîìó ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî êî âòîðîìó âõîäó ïîäõîäÿò òîêè I1 ≈ Uâõ ⁄ R1; I2 ≈ Uâûõ ⁄ R2 .
(9.11)
Ñ÷èòàÿ âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå äîñòàòî÷íî áîëüøèì, íà îñíîâàíèè çàêîíà Êèðõãîôà çàïèøåì: (Uâõ ⁄ R1) + (Uâûõ ⁄ R2) = 0 (9.12) èëè
255
Uâûõ = −UâõR2 ⁄ R1 .
(9.13)
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
âàþòñÿ ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ âõîäíûõ è âûõîäíûõ òîêîâ ñõåìû. Ñ äðóãîé ñòîðîíû íîìèíàëüíûå çíà÷åíèÿ ðåçèñòîðîâ íå äîëæíû ïðåâûøàòü åäèíèöû ìåãàîì, òàê êàê ïðè áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ âîçìîæíà íåñòàáèëüíàÿ ðàáîòà óñèëèòåëÿ èç-çà âëèÿíèÿ òîêîâ óòå÷åê íà êîðïóñ ìèêðîñõåìû ÷åðåç ìîíòàæ ïå÷àòíîé ïëàòû è äð. Íà ïðàêòèêå ñîïðîòèâëåíèå ðåçèñòîðîâ â ñõåìàõ ñ îïåðàöèîííûì óñèëèòåëåì ëåæèò â äèàïàçîíå îò äåñÿòêîâ êèëîîì äî åäèíèö ìåãàîì, ÷òî ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü óñòîé÷èâûå óñòðîéñòâà ñ áîëüøèì âõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì.  öåëÿõ óìåíüøåíèÿ îøèáêè, ñâÿçàííîé ñ äðåéôîì âõîäíûõ ïàðàìåòðîâ, ñòðåìÿòñÿ, ÷òîáû ýêâèâàëåíòíûå ñîïðîòèâëåíèÿ ïîäêëþ÷åííûõ ê âõîäàì ðåçèñòîðîâ áûëè ðàâíû.  ñõåìå èíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ ñîïðîòèâëåíèå R3 ñòðåìÿòñÿ âûáðàòü ðàâíûì ýêâèâàëåíòíîìó ñîïðîòèâëåíèþ ðåçèñòîðîâ R1 è R2, ñîåäèíåííûõ ïàðàëëåëüíî. Ñõåìà íåèíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ (ðèñ. 9.17) ñîäåðæèò ñîïðîòèâëåíèå R2 â öåïè îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè, íî âõîäíîé ñèãíàë ïîäàåòñÿ íà íåèíâåðòèðóþùèé âõîä. Åãî ïðèíöèï äåéñòâèÿ àíàëîãè÷åí ïðèíöèïó äåéñòâèÿ èíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ. Íåòðóäíî ïîêàçàòü, ÷òî äëÿ ýòîé ñõåìû:
Ðèñ. 9.16. Ñõåìà èíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ íà ÎÓ
Ðèñ. 9.17. Ñõåìà íåèíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ íà ÎÓ
Òàêèì îáðàçîì êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ èíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ îïðåäåëÿåòñÿ îòíîøåíèåì ñîïðîòèâëåíèé ðåçèñòîðîâ R1 è R2. Íîìèíàëüíûå çíà÷åíèÿ ðåçèñòîðîâ â ñõåìàõ ñ îïåðàöèîííûì óñèëèòåëåì, ìîãóò áûòü ïðîèçâîëüíûìè, îäíàêî íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ñëåäóþùåå: ñ îäíîé ñòîðîíû, íîìèíàëüíûå çíà÷åíèÿ ðåçèñòîðîâ äîëæíû îãðàíè÷èâàòü âõîäíûå è âûõîäíûå òîêè îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ âî èçáåæàíèå âûõîäà åãî èç ñòðîÿ.  ïàñïîðòíûõ äàííûõ îïåðàöèîííîãî óñèëèòåëÿ óêàçû-
Uâûõ = Uâõ(1 + R2 ⁄ R1) .
(9.14)
Ñòðåìÿòñÿ, ÷òîáû ýêâèâàëåíòíîå ñîïðîòèâëåíèå, ðàâíîå ñîïðîòèâëåíèþ ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ ðåçèñòîðîâ R1 è R2, áûëî ðàâíî R3, è íîìèíàëüíûå çíà÷åíèÿ ðåçèñòîðîâ äîëæíû íàõîäèòüñÿ â äèàïàçîíå 10÷1000 êÎì.
9.4.2. ÏÐÅÎÁÐÀÇÎÂÀÒÅËÈ ÀÍÀËÎÃÎÂÛÕ ÑÈÃÍÀËÎÂ
Ïîìèìî óñèëåíèÿ â ñõåìàõ óïðàâëåíèÿ ÷àñòî âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü ïðåîáðàçîâûâàòü ñèãíàëû óïðàâëåíèÿ ïî îïðåäåëåííûì ôóíêöèÿì, òàêèì êàê ñóììèðîâàíèå, ïåðåìíîæåíèå, èíòåãðèðîâàíèå, äèôôåðåíöèðîâàíèå è äð. Êàê ïðàâèëî, òàêèå ïðåîáðàçîâàòåëè ñòðîÿòñÿ íà îñíîâå èíòåãðàëüíûõ ìèêðîñõåì, â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ – ÎÓ (ðèñ. 9.18). Ïðèìåðîì ìîæåò ñëóæèòü ñóììàòîð íà îñíîâå ÎÓ. Íàïðÿæåíèå íà âûõîäå ïðè ðàâíûõ çíà÷åíèÿõ âõîäíûõ ñîïðîòèâëåíèé R1 = R2 = R3...Rn = R R n 2 ∑Uâõi R
Uâûõ = −
.
ïðîòèâëåíèÿ R1 è R2 êîìïëåêñíûìè Z1(p) è Z2(p). Ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ ñõåìû íà ÎÓ áóäåò èìåòü âèä W(p) =
Uâûõ(p) Uâõ(p)
=−
Z2(p) Z1(p)
.
(9.16)
Ñóùåñòâóþò èíòåãðèðóþùèé óñèëèòåëü (ðèñ. 9.19,à) ñ ïåðåäàòî÷íîé ôóíêöèåé W(p) = − 1
pR1C
(9.17)
è äèôôåðåíöèðóþùèé óñèëèòåëü (ðèñ. 9.19,á) ñ ïåðåäàòî÷íîé ôóíêöèåé W(p) = −pCR2 .
(9.15)
i=1
(9.18)
Ïîäáèðàÿ ðàçëè÷íûå çíà÷åíèÿ Z1(p) è Z2(p), ìîæíî ïîëó÷àòü ðàçëè÷íûå ïåðåäàòî÷íûå õàðàêòåðèñòèêè óñèëèòåëÿ. Ýòî ñâîéñòâî íàøëî øèðîêîå ïðèìåíåíèå â ñèñòåìàõ àâòîìàòè÷åñêîãî ðåãóëèðîâàíèÿ â öåïÿõ êîððåêöèè äèíàìè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñèñòåì.
Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ÷àñòîòíî-çàâèñèìûõ ïåðåäàòî÷íûõ õàðàêòåðèñòèê â öåïè îáðàòíûõ ñâÿçåé ââîäÿòñÿ ðåàêòèâíûå ýëåìåíòû. Íàïðèìåð, â ñõåìå èíòåãðèðóþùåãî èëè äèôôåðåíöèðóþùåãî óñèëèòåëÿ íåîáõîäèìî (ñì.ðèñ. 9.16) çàìåíèòü àêòèâíûå ñî256
§ 9.4. Ëèíåéíûå óñèëèòåëè è ïðåîáðàçîâàòåëè àíàëîãîâûõ ñèãíàëîâ
Ðèñ. 9.18. Ñõåìà ñóììàòîðà íà ÎÓ
Ðèñ. 9.21. Ôóíêöèîíàëüíûå óñèëèòåëè: à – ëîãàðèôìèðóþùèé; á – àíòèëîãàðèôìèðóþùèé
Ðèñ. 9.19. Ñõåìà èíòåãðèðóþùåãî (à) è äèôôåðåíöèðóþùåãî (á) óñèëèòåëÿ
Ðèñ. 9.22. Ñõåìà óìíîæèòåëÿ
Ðèñ. 9.20. Ãèðàòîð
Ðèñ. 9.23. Óìíîæèòåëü íà äèñêðåòíûõ òðàíçèñòîðàõ
Ñõåìû èíòåãðèðóþùåãî è äèôôåðåíöèðóþùåãî óñèëèòåëÿ ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ êàê àêòèâíûå ôèëüòðû íèæíèõ è âåðõíèõ ÷àñòîò. Óñëîæíÿÿ ïåðåäàòî÷íûå ôóíêöèè Z1(p) è Z2(p), ìîæíî ïîëó÷àòü áîëåå ñëîæíûå ïîëîñîâûå àêòèâíûå ôèëüòðû (â äàííîì ñëó÷àå àêòèâíûìè òàêèå ôèëüòðû íàçûâàþò ïîòîìó, ÷òî ÎÓ ñîäåðæèò èñòî÷íèêè ïèòàíèÿ è ÿâëÿåòñÿ àêòèâíûì ýëåìåíòîì). Ýòè ôèëüòðû áîëåå ýôôåêòèâíû, ÷åì ïàññèâíûå (íà îñíîâå RLCýëåìåíòîâ), òàê êàê èìåþò ïîâûøåííóþ äîáðîò-
íîñòü è ïðàêòè÷åñêè ïðîèçâîëüíóþ ïåðåäàòî÷íóþ ôóíêöèþ.  ñèñòåìàõ óïðàâëåíèÿ íåöåëåñîîáðàçíî ïðèìåíÿòü èíäóêòèâíûå ýëåìåíòû, òàê êàê îíè èìåþò ïîâûøåííûå ìàññîãàáàðèòíûå è ñòîèìîñòíûå ïîêàçàòåëè ïî ñðàâíåíèþ ñ åìêîñòíûìè ýëåìåíòàìè, êðîìå òîãî ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå, âîçíèêàþùåå â èíäóêòèâíîñòÿõ, ìîæåò âûçûâàòü ïîìåõè â äðóãèõ ýëåìåíòàõ ñõåìû. Äëÿ èñêëþ÷åíèÿ èç ñõåì èíäóêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ïðèìåíÿþò ñõåìû, ïðåîáðàçóþ257
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
ðîâàííóþ ñòåïåííûì ìíîãî÷ëåíîì, äðîáíî-ðàöèîíàëüíûì âûðàæåíèåì èëè ðÿäîì ýêñïîíåíò [95]. Ëîãàðèôìèðîâàíèå è àíòèëîãàðèôìèðîâàíèå ìîæåò îñóùåñòâëÿòüñÿ ñ ïîìîùüþ ñõåì íà ÎÓ ñ äèîäîì èëè òðàíçèñòîðîì â öåïè îáðàòíîé ñâÿçè (ðèñ. 9.21). Äëÿ ïåðåìíîæåíèÿ èëè äåëåíèÿ äâóõ ñèãíàëîâ ìîæíî èñïîëüçîâàòü ñõåìó (ðèñ. 9.22), îñíîâàííóþ íà èçâåñòíîì ïðàâèëå ïðåîáðàçîâàíèÿ îïåðàöèè óìíîæåíèÿ â îïåðàöèþ ñóììèðîâàíèÿ ïóòåì ëîãàðèôìèðîâàíèÿ. Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì òàêîé ñõåìû ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî âñå âõîäíûå ñèãíàëû äîëæíû áûòü ïîëîæèòåëüíûìè è îòëè÷íûìè îò íóëÿ. Áîëåå ñëîæíûå ñõåìû óìíîæèòåëåé (ðèñ. 9.23) ìîãóò îñóùåñòâëÿòü óìíîæåíèå äâóõïîëÿðíîãî ñèãíàëà íàïðÿæåíèÿ e1 è îäíîïîëÿðíîãî òîêà i2. Îòå÷åñòâåííîé ïðîìûøëåííîñòüþ âûïóñêàþòñÿ èíòåãðàëüíûå ñõåìû óìíîæèòåëåé àíàëîãîâûõ ñèãíàëîâ, ïîçâîëÿþùèå ñîçäàâàòü áîëåå êîìïàêòíûå ïåðåìíîæèòåëè äâóõïîëÿðíûõ ñèãíàëîâ.
ùèå åìêîñòü êîíäåíñàòîðà â èíäóêòèâíîñòü. Òàêàÿ ñõåìà íà ÎÓ íàçûâàåòñÿ ãèðàòîðîì (ðèñ. 9.20). Â ýòîé ñõåìå òîê è íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå èçìåíÿþòñÿ ïîäîáíî òîêó è íàïðÿæåíèþ â èíäóêòèâíîñòè. Ýêâèâàëåíòíûå èíäóêòèâíîñòü è äîáðîòíîñòü äàííîé ñõåìû îïðåäåëÿþòñÿ L = CR1R2 ⁄ (1 + ω2C 2R22) ; 2
(9.19)
2
Q = ωC ⁄ (1 + ω C R1R2) . Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì ãèðàòîðîâ ÿâëÿþòñÿ îãðàíè÷åííîñòü äèàïàçîíà ðàáî÷èõ ÷àñòîò (äåñÿòêè êèëîãåðö) è íåâîçìîæíîñòü çàçåìëåíèÿ âûõîäíîé öåïè. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ ôóíêöèîíàëüíûõ ïðåîáðàçîâàíèé (ëîãàðèôìèðîâàíèå, àíòèëîãàðèôìèðîâàíèå, óìíîæåíèå, äåëåíèå) èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå ìåòîäû, êàê ïðàâèëî, ïîñòðîåííûå íà íåëèíåéíûõ ÂÀÕ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ. Âîçìîæíîñòü òàêèõ ïðåîáðàçîâàíèé ñîâìåñòíî ñ ëèíåéíûìè ïðåîáðàçîâàòåëÿìè (óñèëèòåëÿìè è ñóììàòîðàìè) ïîçâîëÿåò ðåàëèçîâàòü ëþáóþ ôóíêöèþ, àïïðîêñèìè-
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 3. Ðàññ÷èòàéòå ñõåìó èíòåãðèðóþùåãî óñèëèòåëÿ (ñì. ðèñ. 9.19) ñ ïîñòîÿííîé èíòåãðèðîâàíèÿ ðàâíîé 0,1, åñëè âõîäíîå íàïðÿæåíèå èìååò àìïëèòóäó Uâõ max = 5 Â, äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ âõîäíûõ è âûõîäíûõ òîêîâ Iâõ max = 15 ìÀ, Iâûõ max = = 50 ìÀ. 4. Êàêîâà äîëæíà áûòü ñõåìà îáðàòíûõ ñâÿçåé ÎÓ, ÷òîáû îí èìåë
1. Ðàññ÷èòàéòå çíà÷åíèÿ ñîïðîòèâëåíèé â ñõåìå íåèíâåðòèðóþùåãî óñèëèòåëÿ (ñì. ðèñ. 9.17), åñëè âõîäíîé ñèãíàë èìååò àìïëèòóäó Uâõ max = 0,1 Â, êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ KÓ = 50, äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ âõîäíûõ è âûõîäíûõ òîêîâ Iâõ max = 10 ìÀ, Iâûõ max = = 20 ìÀ. Îïðåäåëèòü òàê æå ìèíèìàëüíî äîïóñòèìîå çíà÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè óñèëèòåëÿ. 2. Ðàññ÷èòàéòå ïàðàìåòðû ñõåìû ñóììàòîðà òðåõ àíàëîãîâûõ ñèãíàëîâ íàïðÿæåíèÿ ñ ìàêñèìàëüíîé àìïëèòóäîé âõîäíûõ ñèãíàëîâ Uâõ max = 5 Â, äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ âõîäíûõ è âûõîäíûõ òîêîâ Iâõ max = 10 ìÀ, Iâûõ max = 20 ìÀ. Ñóììèðîâàíèå äîëæíî ïðîèçâîäèòüñÿ ïî çàêîíó: Uâûõ = = 5Uâõ1 + 3Uâõ2 + 12Uâõ3.
Z(p) =
1 + 0,0025p 2
1 + 0,00005 p
?
5. Ñèíòåçèðóéòå ñòðóêòóðíóþ ñõåìó âîçâåäåíèÿ àíàëîãîâîãî ñèãíàëà â òðåòüþ ñòåïåíü, èñïîëüçóÿ óçëû ëîãàðèôìèðîâàíèÿ, àíòèëîãàðèôìèðîâàíèÿ, ñóììèðîâàíèÿ è óñèëåíèÿ.
9.5. ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÒÅËÈ ÈÌÏÓËÜÑΠÓÏÐÀÂËÅÍÈß 9.5.1. ÓÏÐÀÂËÅÍÈÅ ÁÈÏÎËßÐÍÛÌ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÎÌ
Ôîðìèðîâàòåëÿìè èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ (ÔÈÓ) íàçûâàåòñÿ îñîáûé êëàññ óñèëèòåëåé, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ óñèëåíèÿ èíôîðìàöèîííîãî ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ äî ñèãíàëà ñ ïàðàìåòðàìè, íåîáõîäèìûìè äëÿ ãàðàíòèðîâàííîãî âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî êëþ÷à. Ïîìèìî òðåáîâàíèé ê ìîùíîñòè ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ êëþ÷îì, ÷àñòî ïðåäúÿâëÿþòñÿ òðåáîâàíèÿ ê ôîðìå ñèãíàëà, ïîýòîìó èíîãäà ÔÈÓ íàçûâàþò óñèëèòåëåì-ôîðìè-
ðîâàòåëåì èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ. Ñõåìîòåõíèêà ÔÈÓ â ïåðâóþ î÷åðåäü çàâèñèò îò òèïà óïðàâëÿåìîãî ïðèáîðà. Îñîáåííîñòè ñõåìîòåõíèêè ÔÈÓ îïðåäåëÿþòñÿ ñòàòè÷åñêèìè è äèíàìè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ñîîòâåòñòâóþùåãî òèïà ïðèáîðà (ñì. ãë. 7). Îñíîâíûìè òðåáîâàíèÿìè, ïðåäúÿâëÿåìûìè ê êëþ÷ó íà áèïîëÿðíîì òðàíçèñòîðå, ÿâëÿþòñÿ ãàðàíòèðîâàííîå íàñûùåíèå òðàíçèñòîðà òîêîì áàçû, îáåñïå÷èâàþùåå áåñïðåïÿòñòâåííîå ïðîòåêà258
§ 9.5. Ôîðìèðîâàòåëè èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ
íèå òîêà êîëëåêòîðà íà èíòåðâàëå, êîãäà òðàíçèñòîð äîëæåí áûòü âêëþ÷åí, è ñíèæåíèÿ òîêà óòå÷êè íà èíòåðâàëå, êîãäà òðàíçèñòîð äîëæåí áûòü âûêëþ÷åí. Èäåàëüíàÿ ôîðìà áàçîâîãî òîêà iB è íàïðÿæåíèÿ áàçà-ýìèòòåð UBE áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 9.24 [81]. Ïðè ðåàëèçàöèè òàêîãî èìïóëüñà íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ñëåäóþùåå: – ïîâûøåííàÿ àìïëèòóäà òîêà áàçû ïðè âêëþ÷åíèè îáåñïå÷èâàåò ñíèæåíèå âðåìåíè çàäåðæêè íà âêëþ÷åíèå; – áèïîëÿðíûé òðàíçèñòîð âêëþ÷àåòñÿ òîêîì, ïîýòîìó ÔÈÓ äîëæåí ñîîòâåòñòâîâàòü èñòî÷íèêó òîêà, à íå èñòî÷íèêó íàïðÿæåíèÿ (ýòî ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ïîòåðü íà óïðàâëåíèå); – ïîñëå âêëþ÷åíèÿ òîê áàçû ñíèæàåòñÿ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî íàêîïëåííûé â áàçå çàðÿä óìåíüøàåòñÿ (ýòî ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ âðåìåíè äëÿ ñëåäóþùåãî âûêëþ÷åíèÿ); – èìïóëüñ îáðàòíîãî òîêà áàçû ïðè âûêëþ÷åíèè ïðèâîäèò ê áîëåå áûñòðîìó ñïàäó òîêà êîëëåêòîðà iC, ò.å. ê áîëåå áûñòðîìó âûêëþ÷åíèþ; – ïîñëå âûêëþ÷åíèÿ îáðàòíîå íàïðÿæåíèå áàçà-ýìèòòåð UBE îáåñïå÷èâàåò ïîâûøåíèå äîïóñòèìîãî íàïðÿæåíèÿ êîëëåêòîð-ýìèòòåð UCE è ñíèæàåò òîê óòå÷êè òðàíçèñòîðà. Íà ïðàêòèêå íåîáÿçàòåëüíî îñóùåñòâëÿòü òàêîå ñëîæíîå óïðàâëåíèå, òðåáóþùåå äîïîëíèòåëüíûõ óñòðîéñòâ â öåïÿõ ÔÈÓ. Òðåáîâàíèÿ ê ñèãíàëó óïðàâëåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ òðåáîâàíèÿìè ê áûñòðîäåéñòâèþ êëþ÷à (ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà êîììóòàöèé)
è ê ïîòåðÿì â íåì. Ïðîáëåìà â ñîçäàíèè ÔÈÓ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ ñîñòîèò åùå è â òîì, ÷òî íå âñåãäà âîçìîæíî ñîåäèíåíèå çåìëè” ñèñòåìû ” ×àñòî íàãðóçêà óïðàâëåíèÿ è ýìèòòåðà òðàíçèñòîðà. ïîäêëþ÷àåòñÿ ê ýìèòòåðó òðàíçèñòîðà (ðèñ. 9.25).  ýòîì ñëó÷àå íåîáõîäèìîñòü ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè ìåæäó öåïÿìè ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ è ñèëîâîé ñõåìîé ÿâëÿåòñÿ îáÿçàòåëüíîé ôóíêöèåé ÔÈÓ.
Ðèñ. 9.24. Èäåàëüíûé èìïóëüñ óïðàâëåíèÿ áèïîëÿðíûì òðàíçèñòîðîì
Ðèñ. 9.25. Ñõåìà âêëþ÷åíèÿ íàãðóçêè òðàíçèñòîðà â öåïü ýìèòòåðà
Ðèñ. 9.26. ÔÈÓ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà: à – ñõåìà òðàíçèñòîðíîãî óñèëèòåëÿ; á – ñõåìà íà ïàðíûõ òðàíçèñòîðàõ; â – ñõåìà, êîíòðîëèðóþùàÿ âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ
259
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
çèñòîð VT1 îòêðûâàåòñÿ óñèëåííûì òîêîì êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà VT2. Òðàíçèñòîð VT3 ïðè ýòîì çàïåðò, òàê êàê åãî ýìèòòåð èìååò îòðèöàòåëüíûé ïîòåíöèàë îòíîñèòåëüíî áàçû. ×åðåç êîíäåíñàòîð C1 ïðîõîäèò òîê áàçû ñèëîâîãî òðàíçèñòîðà, îáåñïå÷èâàÿ áðîñîê òîêà äëÿ åãî áûñòðîãî âêëþ÷åíèÿ.  ìîìåíò ïîñòóïëåíèÿ èìïóëüñà îò ìèêðîñõåìû óïðàâëåíèÿ òðàíçèñòîðû VT4 è VT2 çàêðûâàþòñÿ, à òðàíçèñòîð VT3 âêëþ÷àåòñÿ íàïðÿæåíèåì êîíäåíñàòîðà C1, êîòîðûé ðàçðÿæàÿñü îáåñïå÷èâàåò çàïèðàþùèé áàçîâûé òîê ñèëîâîãî òðàíçèñòîðà. Ðåàëüíî ñõåìû ÔÈÓ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðîâ ìîãóò áûòü áîëåå ñëîæíûìè è îáåñïå÷èâàòü óñëîâèÿ êîíòðîëÿ ñêîðîñòè âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ ñèëîâûõ òðàíçèñòîðîâ (ðèñ. 9.26,â).
Ïðîñòåéøàÿ ñõåìà ÔÈÓ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 9.26,à.  ñõåìå ðåàëèçîâàí óñèëèòåëüíûé êàñêàä ñ äâóìÿ äîïîëíèòåëüíûìè òðàíçèñòîðàìè äëÿ óâåëè÷åíèÿ ìàëîìîùíîãî ñèãíàëà ìèêðîñõåìû äî íåîáõîäèìîãî çíà÷åíèÿ è èñòî÷íèêîì îòðèöàòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ äëÿ ñîçäàíèÿ â ìîìåíòû ïàóçû (êîãäà êëþ÷ âûêëþ÷åí) îòðèöàòåëüíîãî ñìåùåíèÿ. Ýòî ñïîñîáñòâóåò áîëåå ïîëíîìó è áîëåå íàäåæíîìó çàïèðàíèþ òðàíçèñòîðà. Äëÿ óìåíüøåíèÿ ïîòðåáëÿåìîé ÔÈÓ ìîùíîñòè ïðèìåíÿþò ïàðíûå (êîìïëåìåíòàðíûå) òðàíçèñòîðû VT2, VT3, ðàáîòàþùèå ïîïåðåìåííî (ðèñ. 9.26,á). Êîãäà èìïóëüñ óïðàâëåíèÿ îòñóòñòâóåò (Uóïð = 0), òðàíçèñòîð VT4 îòêðûò, è ÷åðåç åãî êîëëåêòîð ïðîòåêàåò îòïèðàþùèé òîê áàçû VT2. Ñèëîâîé òðàí-
9.5.2. ÓÏÐÀÂËÅÍÈÅ ÏÎËÅÂÛÌÈ ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÀÌÈ
Ïîýòîìó îñíîâíûå ïðèíöèïû óïðàâëåíèÿ ïîëåâûì òðàíçèñòîðîì àíàëîãè÷íû ïðèíöèïàì óïðàâëåíèÿ ÁÒÈÇ. Ïîëåâûì òðàíçèñòîðîì ìîæíî óïðàâëÿòü âûõîäíûì ñèãíàëîì ìèêðîñõåìû ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ, íàïðÿæåíèåì 5–15  è òîêîì ìåíåå ñòà ìèëëèàìïåð (ðèñ. 9.27,à). Îäíàêî äëÿ óïðàâëåíèÿ ìîùíûìè òðàíçèñòîðàìè ïðèìåíÿþò óñèëèòåëè, ñõåìà êîòîðûõ ñîîòâåòñòâóåò ñõåìå äâóõòàêòíîãî ýìèòòåðíîãî ïîâòîðèòåëÿ íà ïàðíûõ áèïîëÿðíûõ òðàíçèñòîðàõ (ðèñ. 9.27,á).  ýòîé ñõåìå áèïîëÿðíûå òðàíçèñòîðû
Îñîáåííîñòè óïðàâëåíèÿ ïîëåâûì òðàíçèñòîðîì ñâÿçàíû, âî-ïåðâûõ, ñ òåì, ÷òî ïðè ïîñòîÿííîì íàïðÿæåíèè çàòâîð-èñòîê UGS ÷åðåç çàòâîð ïðîòåêàåò íåçíà÷èòåëüíûé òîê (ïðèìåðíî íåñêîëüêî íàíîàìïåð), âî-âòîðûõ íà ïðîöåññû âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå îêàçûâàåò âõîäíàÿ åìêîñòü òðàíçèñòîðà, ñêîðîñòü ïåðåçàðÿäà êîòîðîé îïðåäåëÿåò âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà. Óïðàâëåíèå ÁÒÈÇ àíàëîãè÷íî ïîëåâîìó òðàíçèñòîðó, òàê êàê êîíñòðóêòèâíî çàòâîð ÁÒÈÇ àíàëîãè÷åí çàòâîðó ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà.
Ðèñ. 9.27. ÔÈÓ ïîëåâîãî òðàíçèñòîðà: à – óïðàâëåíèå îò ÈÌÑ; á – óñèëèòåëü íà ïàðíûõ òðàíçèñòîðàõ; â – ñõåìà ïîäêëþ÷åíèÿ ñïåöèàëüíîé ÈÌÑ äëÿ óïðàâëåíèÿ ïîëåâûì òðàíçèñòîðîì; ã – äâóõòàêòíûé êëþ÷ íà ÌÄÏ òðàíçèñòîðàõ; ä – ñõåìà ñ ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêîé ÷åðåç èìïóëüñíûé òðàíñôîðìàòîð
260
§ 9.5. Ôîðìèðîâàòåëè èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ
àìïåðà çà äåñÿòêè íàíîñåêóíä.  ýòîé ñõåìå ïðîñòî îðãàíèçóåòñÿ è ãàëüâàíè÷åñêàÿ ðàçâÿçêà ïîñðåäñòâîì îïòîïàðû. Êðîìå òîãî, ïðèìåíÿþò áîëåå ñëîæíûå ÔÈÓ, íàïðèìåð äâóõòàêòíóþ ñõåìó (ðèñ. 9.27,ã) èëè ñ èñïîëüçîâàíèåì èìïóëüñíîãî òðàíñôîðìàòîðà (ðèñ. 9.27,ä) [81].
â àêòèâíîì ðåæèìå èãðàþò ðîëü èñòî÷íèêîâ òîêà äëÿ áîëåå áûñòðîãî ïåðåçàðÿäà âõîäíîé åìêîñòè ÌÎÏ-òðàíçèñòîðà. Î÷åíü ìàëûå âðåìåíà ïåðåêëþ÷åíèÿ ìîãóò îáåñïå÷èâàòüñÿ ñïåöèàëüíîé áûñòðîäåéñòâóþùåé êëþ÷åâîé ìèêðîñõåìîé (ðèñ. 9.27,â), êîòîðàÿ ñïîñîáíà ïåðåêëþ÷àòü òîê îêîëî îäíîãî
9.5.3. ÓÏÐÀÂËÅÍÈÅ ÒÈÐÈÑÒÎÐÎÌ
Òèïîâàÿ ñõåìà óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðîì, èñïîëüçóþùàÿ èìïóëüñíûé òðàíñôîðìàòîð, ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 9.29,à. Äèîä VD1 è ñòàáèëèòðîí VD2 îáåñïå÷èâàþò ïåðåìàãíè÷èâàíèå òðàíñôîðìàòîðà è ïðåäîòâðàùàþò ïåðåíàïðÿæåíèå íà òðàíçèñòîðå VT1. Ðåçèñòîð R1 îãðàíè÷èâàåò òîê óïðàâëÿþùåãî ýëåêòðîäà òèðèñòîðà VS1 è îäíîâðåìåííî òîê êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà VT1. Ðåçèñòîð R2 çàùèùàåò òèðèñòîð îò ñàìîïðîèçâîëüíîãî âêëþ÷åíèÿ ïîìåõàìè, à äèîä VD3 ïðåäîòâðàùàåò ïîÿâëåíèå îòðèöàòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ íà óïðàâëÿþùåì ýëåêòðîäå òèðèñòîðà VS1. Çàïèðàåìûé òèðèñòîð âûêëþ÷àåòñÿ èìïóëüñîì îòðèöàòåëüíîãî òîêà óïðàâëÿþùåãî ýëåêòðîäà. Ñõåìà äðàéâåðà äëÿ äâóõîïåðàöèîííîãî òèðèñòîðà çíà÷èòåëüíî ñëîæíåå, ÷åì äëÿ îäíîîïåðàöèîííîãî, è ïî òîïîëîãèè áëèçêà ê ñõåìàì ÔÈÓ áèïîëÿðíîãî òðàíçèñòîðà (ðèñ. 9.30).
Ñõåìà óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðîì ïîäàåò íà óïðàâëÿþùèé ýëåêòðîä èìïóëüñû òîëüêî íà âêëþ÷åíèå. Ïîäà÷à èìïóëüñà äîëæíà ïðîèñõîäèòü òîãäà, êîãäà íàïðÿæåíèå àíîä-êàòîä òèðèñòîðà ïîëîæèòåëüíî, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå âêëþ÷åíèå íå ïðîèçîéäåò. Èäåàëüíûé èìïóëüñ íà âêëþ÷åíèå (ðèñ. 9.28) äîëæåí èìåòü áîëüøóþ ñêîðîñòü íàðàñòàíèÿ òîêà ïðè âêëþ÷åíèè è ïîâûøåííóþ àìïëèòóäó â íà÷àëüíûé ìîìåíò, ÷òî óñêîðÿåò ïðîöåññ âêëþ÷åíèÿ è ñíèæàåò âåðîÿòíîñòü âûõîäà åãî èç ñòðîÿ èç-çà ïîâûøåííîé ñêîðîñòè íàðàñòàíèÿ àíîäíîãî òîêà diA ⁄ dt. Ïîñëå çàâåðøåíèÿ ïðîöåññà âêëþ÷åíèÿ èìïóëüñ óïðàâëåíèÿ æåëàòåëüíî îáíóëèòü”, òàê êàê ïðîäîëæèòåëüíûé èìïóëüñ óâåëè” ÷èâàåò ïîòåðè ìîùíîñòè â òèðèñòîðå. Îäíàêî íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü, ÷òî ïðè íàëè÷èè â íàãðóçêå èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé ïðîöåññ âêëþ÷åíèÿ çàòÿãèâàåòñÿ, è â ýòîì ñëó÷àå èìïóëüñ äîëæåí èìåòü ïîâûøåííóþ äëèòåëüíîñòü äëÿ ãàðàíòèðîâàííîãî âêëþ÷åíèÿ.
Ðèñ. 9.28. Èäåàëüíûé èìïóëüñ óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðîì
Ðèñ. 9.30. ÔÈÓ çàïèðàåìîãî òèðèñòîðà
Ðèñ. 9.29. ÔÈÓ îáû÷íîãî òèðèñòîðà
261
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 1. Îáúÿñíèòå, ïî÷åìó èäåàëüíûé èìïóëüñ óïðàâëåíèÿ áèïîëÿðíûì òðàíçèñòîðîì èìååò òàêóþ ñëîæíóþ ôîðìó, êàê íà ðèñ. 9.24? 2. Ðàññ÷èòàéòå ñîïðîòèâëåíèÿ â ñõåìå ðèñ. 9.26,à, åñëè êîýôôèöèåíòû óñèëåíèÿ ïî òîêó òðàíçèñòîðîâ VT1, VT2, VT3 ðàâíû β1 = 5, β2 = 15, β3 = 35 ñîîòâåòñòâåííî, èñòî÷íèêè íàïðÿæåíèÿ E1 = 30 Â, E2 = −10 Â, àìïëèòóäà èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ Uó = 5 Â, ïðè ìàêñèìàëüíîì òîêå 100 ìÀ, òîê íàãðóçêè Ií = 30 À. 3. Ðàññ÷èòàéòå ñîïðîòèâëåíèÿ â ñõåìå ðèñ. 9.26,á, åñëè êîýôôèöèåíòû óñèëåíèÿ ïî òîêó òðàíçèñòîðîâ VT1, VT2, VT3, VT4 ðàâíû β1 = 7, β2 = 10, β3 = 10 è β4 = 50 ñîîòâåòñòâåííî, èñòî÷íèêè íàïðÿæåíèÿ E1 = 40 Â, E2 = −15 Â, àìïëèòóäà èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ UÓ = 15  ïðè ìàêñèìàëüíîì
òîêå 20 ìÀ. Ïðè âêëþ÷åíèè íåîáõîäèìî ñîçäàòü áðîñîê òîêà áàçû òðàíçèñòîðà VT1 äëèòåëüíîñòüþ 5 ìêñ è ïðåâûøàþùèé íîìèíàëüíûé òîê â äâà ðàçà; òîê íàãðóçêè Ií = 50 À. 4. Êàêèì îñíîâíûì ïðåèìóùåñòâîì îáëàäàþò ïîëåâûå òðàíçèñòîðû ïî ñðàâíåíèþ ñ áèïîëÿðíûìè ïîñòðîåíèÿ ÔÈÓ? 5. Îáúÿñíèòå ïðèíöèï äåéñòâèÿ ñõåìû íà ðèñ. 9.27,ã. 6. Ðàññ÷èòàéòå ïàðàìåòðû ÔÈÓ òèðèñòîðà (ñì. ðèñ. 9.29), åñëè òîê óïðàâëÿþùåãî ýëåêòðîäà òèðèñòîðà IG = 15 À, íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ E1 = 30 Â, òîê áàçû òðàíçèñòîðà iB = 0,5 A, êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ òðàíçèñòîðà ïî òîêó βVT1 = 10. 7. Îáúÿñíèòå ïðèíöèï äåéñòâèÿ ñõåìû óïðàâëåíèÿ äâóõîïåðàöèîííûì òèðèñòîðîì (ñì. ðèñ. 9.30).
9.6. ÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ È ÐÀÑÏÐÅÄÅËÈÒÅËÈ ÈÌÏÓËÜÑÎÂ 9.6.1. ÃÅÍÅÐÀÒÎÐÛ ÑÈÃÍÀËÎÂ
 ñõåìàõ ñèñòåì óïðàâëåíèÿ ÷àñòî èñïîëüçóþòñÿ ãåíåðàòîðû ñèãíàëîâ ðàçëè÷íîãî âèäà. Ñóùåñòâóþò ñïåöèàëüíûå èíòåãðàëüíûå ñõåìû ãåíåðàòîðîâ ïðÿìîóãîëüíûõ ñèãíàëîâ, ëèíåéíî èçìåíÿþùèõñÿ ñèãíàëîâ, ãàðìîíè÷åñêèõ ñèãíàëîâ è ò. ä. Îäíàêî áîëåå òðàäèöèîííûìè ÿâëÿþòñÿ ñõåìû íà îñíîâå ÎÓ è èíòåãðàëüíûõ êîìïàðàòîðîâ. Ðàññìîòðèì ñõåìó è äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ ãåíåðàòîðà ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ (íàçûâàåìîãî òàê æå ìóëüòèâèáðàòîðîì) íà ÎÓ (ðèñ. 9.31,à). Äîïóñòèì, â ïåðâûé ìîìåíò êîíäåíñàòîð C ðàçðÿæåí, à âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ðàâíî E (ïîëîæèòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü îáåñïå÷èâàåò äâà óñòîé÷èâûõ ñîñòîÿíèÿ E è −E) (ðèñ. 9.31,á). Êîíäåíñàòîð íà÷èíàåò çàðÿæàòüñÿ ÷åðåç ðåçèñòîð R1, íàïðÿæåíèå êîíäåíñàòîðà ñòðåìèòñÿ ê E, à íàïðÿæåíèå íà íåèíâåðòèðóþùåì âõîäå ÎÓ îïðåäåëÿåòñÿ ðåçèñòèâíûì äåëèòåëåì R2, R3.  ìîìåíò ðàâåíñòâà íàïðÿæåíèé íà âõîäàõ ñõåìà ìåíÿåò ñîñòîÿíèå, è íàïðÿæåíèå íà âûõîäå ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì −E, à êîíäåíñàòîð íà÷èíàåò ïåðåçàðÿæàòüñÿ äî íàïðÿæåíèÿ îáðàòíîé ïîëÿðíîñòè. Äàëåå ïðîöåññû ïåðåêëþ÷åíèÿ ïîâòîðÿþòñÿ. ×àñòîòà èìïóëüñîâ îïðåäåëÿåòñÿ ïîñòîÿííîé âðåìåíè ïåðåçàðÿäà êîíäåíñàòîðà τ = R1C è ñîîòíîøåíèåì ñîïðîòèâëåíèé ðåçèñòîðîâ R1 è R2 1 f= . (9.20)
Ïðèíöèï ðàáîòû ìóëüòèâèáðàòîðà íà îñíîâå èíòåãðàëüíîé ñõåìû êîìïàðàòîðà (ðèñ. 9.31,â) àíàëîãè÷åí ðàáîòå ãåíåðàòîðà ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ íà ÎÓ. Ñóùåñòâóþò òàê æå ñõåìû ãåíåðàòîðîâ îäíîïîëÿðíûõ èìïóëüñîâ, ãåíåðàòîðû ñ ïåðåìåííîé ÷àñòîòîé è ñ ïåðåìåííîé ñêâàæíîñòüþ [95]. Ðàçíîâèäíîñòüþ ãåíåðàòîðîâ èìïóëüñîâ ÿâëÿåòñÿ ñõåìà æäóùåãî ìóëüòèâèáðàòîðà èëè îäíîâèáðàòîðà. Îòëè÷èå îò ìóëüòèâèáðàòîðà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî òàêàÿ ñõåìà (ðèñ. 9.32) èìååò îäíî óñòîé÷èâîå ñîñòîÿíèå. Ïðè ïîñòóïëåíèè íà âõîä ñõåìû êîðîòêîãî çàïóñêàþùåãî èìïóëüñà Uçàï, ñõåìà ïåðåõîäèò â íåóñòîé÷èâîå ñîñòîÿíèå (ïðè ýòîì ôîðìèðóåòñÿ âûõîäíîé ñèãíàë) è îñòàåòñÿ â ýòîì ñîñòîÿíèè îïðåäåëåííîå ïàðàìåòðàìè ñõåìû âðåìÿ. Çàòåì ñõåìà âîçâðàùàåòñÿ â óñòîé÷èâîå ñîñòîÿíèå. Îäíîâèáðàòîðû ïðèìåíÿþòñÿ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ îïðåäåëåííîé äëèòåëüíîñòè. Îñíîâîé ãåíåðàòîðîâ ñèíóñîèäàëüíûõ ñèãíàëîâ ÿâëÿåòñÿ òàê íàçûâàåìûé ìîñò (ïîëóìîñò) Âèíà (ðèñ. 9.33,à), èìåþùèé ýêñòðåìóì ïåðåäàòî÷íîé õàðàêòåðèñòèêè (ðèñ. 9.33,á). Ãåíåðàòîð íà îñíîâå ÎÓ (ðèñ. 9.33,â), ñîäåðæàùèé ïîëóìîñò Âèíà, âûðàáàòûâàåò ñèíóñîèäàëüíûé ñèãíàë ÷àñòîòîé ω=√ R1R2C1C 2 .
2R1C ln(1 + 2R3 ⁄ R2)
262
§ 9.6. Ãåíåðàòîðû è ðàñïðåäåëèòåëè èìïóëüñîâ
Ðèñ. 9.31. Ãåíåðàòîðû ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ: à – íà îñíîâå ÎÓ; á – äèàãðàììû ðàáîòû ãåíåðàòîðà íà ÎÓ; â – íà îñíîâå èíòåãðàëüíîãî êîìïàðàòîðà
Ðèñ. 9.32. Îäíîâèáðàòîð íà ÎÓ
Ðèñ. 9.33. Ãåíåðàòîð ñèíóñîèäàëüíûõ êîëåáàíèé: à – ïîëóìîñò Âèíà; á – ïåðåäàòî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïîëóìîñòà Âèíà; â – ñõåìà ãåíåðàòîðà ñèíóñîèäàëüíûõ êîëåáàíèé íà ÎÓ
263
Ãë. 9. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè
Ðèñ. 9.34. ÃÏÍ: à – ñõåìà íà ÎÓ; á – äèàãðàììû âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ
íåîáõîäèì äëÿ ïåðèîäè÷åñêîãî ðàçðÿäà êîíäåíñàòîðà C. Ïîäàâàÿ ðàçëè÷íîå ïî çíà÷åíèþ íàïðÿæåíèå íà âõîä, ìîæíî ïîëó÷àòü ðàçëè÷íûå ôîðìû âûõîäíûõ ñèãíàëîâ (ðèñ. 9.34,á). Ïîäàâàÿ íà âõîä èìïóëüñíîå äâóõïîëÿðíîå íàïðÿæåíèå, ìîæíî îáîéòèñü áåç êëþ÷à, íî ïðè ýòîì íåîáõîäèìî ïîìíèòü, ÷òî íàëè÷èå ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé âõîäíîãî ñèãíàëà ïðèâåäåò ê ñìåùåíèþ âûõîäíîãî ñèãíàëà îòíîñèòåëüíî íóëåâîãî óðîâíÿ.
×àñòî â ñèñòåìàõ óïðàâëåíèÿ ïðèìåíÿþò ñõåìû ãåíåðàòîðîâ ëèíåéíî èçìåíÿþùèõñÿ ñèãíàëîâ èëè ãåíåðàòîðîâ ïèëîîáðàçíîãî íàïðÿæåíèÿ (ÃÏÍ). Ïðîñòåéøèé ÃÏÍ (ðèñ. 9.34,à) ìîæåò áûòü ïîñòðîåí íà îñíîâå èíòåãðèðóþùåãî óñèëèòåëÿ, íà âõîä êîòîðîãî ïîäàåòñÿ ïîñòîÿííîå íàïðÿæåíèå. Ïðèíöèï ðàáîòû ÃÏÍ áàçèðóåòñÿ íà òîì, ÷òî èíòåãðàë ïîñòîÿííîé âåëè÷èíû åñòü ëèíåéíàÿ ôóíêöèÿ. Êëþ÷ (ôóíêöèè êîòîðîãî âûïîëíÿåò òðàíçèñòîð)
9.6.2. ÐÀÑÏÐÅÄÅËÈÒÅËÈ ÈÌÏÓËÜÑÎÂ
Èìïóëüñû óïðàâëåíèÿ â ñèñòåìàõ óïðàâëåíèÿ îáû÷íî ðàçäåëÿþòñÿ ïî ðàçíûì êàíàëàì, â çàâèñèìîñòè îò ÷èñëà ïðèáîðîâ è ÷èñëà ôàç â àïïàðàòå (êàê ïðàâèëî â ìíîãîôàçíûõ ñèñòåìàõ ÷èñëî ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé çíà÷èòåëüíî áîëüøå ÷åì â îäíîôàçíûõ). Îäíàêî ñèãíàëû óïðàâëåíèÿ ôîðìèðóþòñÿ îäíèì çàäàþùèì óñòðîéñòâîì, à âïîñëåäñòâèè ðàñïðåäåëÿþòñÿ ïî ïðèáîðàì. Íàïðèìåð, åñëè â îäíîôàçíîé ñèñòåìå ðàáîòàþò äâà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êëþ÷à (êàæäûé ðàáîòàåò îäíó ïîëóâîëíó íàïðÿæåíèÿ), òî ñäâèã ôàç ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ êëþ÷àìè äîëæåí áûòü ðàâåí π.  òðåõôàçíîé àíàëîãè÷íîé ñèñòåìå (åñëè ðàáîòàåò 6 êëþ÷åé) ñäâèã ôàç ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ ðàâåí π/3. Òàêèì îáðàçîì, â ýëåêòðîííûõ àïïàðàòàõ íåîáõîäèìû óñòðîéñòâà ðàñïðåäåëåíèÿ èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ ìåæäó îòäåëüíûìè êàíàëàìè óïðàâëåíèÿ. Áîëüøèíñòâî ðàñïðåäåëèòåëåé èìïóëüñîâ âûïîëíÿåòñÿ íà îñíîâå ñ÷åò÷èêîâ è ðåãèñòðîâ. Ôóíêöèè ïðîñòåéøåãî ñ÷åò÷èêà ìîæåò âûïîëíÿòü T-òðèããåð (ñì. ï.9.3). Åñëè íà âõîä T-òðèããåðà ïîäàòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èìïóëüñîâ, òî íà åãî âûõîäàõ ôîðìèðóþòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èìïóëüñîâ ñ ÷àñòîòîé â äâà ðàçà ìåíüøå è ñäâèíóòûå íà ïîëïåðèîäà. Ïîñëåäîâàòåëüíîå ñîåäèíåíèå n-ñ÷åòíûõ òðèã-
Ðèñ. 9.35. Òðåõôàçíûé ðàñïðåäåëèòåëü èìïóëüñîâ: à – ñõåìà; á – äèàãðàììû ðàáîòû
264
§ 9.6. Ãåíåðàòîðû è ðàñïðåäåëèòåëè èìïóëüñîâ
ñòîÿíèé. Ïðè ýòîì íà âûõîäå êàæäîãî òðèããåðà ôîðìèðóþòñÿ èìïóëüñû äëèòåëüíîñòüþ ïîëïåðèîäà è ÷àñòîòîé fâûõ = fâõ ⁄ 6, ãäå fâõ – ÷àñòîòà òàêòîâûõ èìïóëüñîâ, ïîñòóïàþùèõ íà âõîä ðàñïðåäåëèòåëÿ (ðèñ. 9.35,á). Âûõîäíûå ñèãíàëû íà ïðÿìûõ è èíâåðñíûõ âûõîäàõ â ýòîé ñõåìå îáðàçóþò ñèñòåìû ñìåùåííûõ íà 1/6 ïåðèîäà èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò àëãîðèòìàì óïðàâëåíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè êëþ÷àìè â òðåõôàçíûõ óñòðîéñòâàõ.
ãåðîâ ïîçâîëÿåò ðàñïðåäåëÿòü èìïóëüñû ïî 2n êàíàëàì ñîîòâåòñòâóþùèìè äåøèôðàòîðàìè. Ðàñïðåäåëèòåëè èìïóëüñîâ íà îñíîâå ðåãèñòðîâûõ ñõåì ñîäåðæàò êîëüöåâûå ñäâèãàþùèå ðåãèñòðû èëè ðåãèñòðû ñ ïåðåêðåñòíûìè ñâÿçÿìè. Íà ðèñ. 9.35,à ïîêàçàíà ñõåìà òðåõôàçíîãî ðåãèñòðà ñ ïåðåêðåñòíûìè ñâÿçÿìè, âûïîëíåííîãî íà D-òðèããåðàõ. Ïðè ïîñòóïëåíèè òàêòîâûõ èìïóëüñîâ ñõåìà ïðèíèìàåò ïîñëåäîâàòåëüíî øåñòü óñòîé÷èâûõ ñî-
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 1. Îïðåäåëèòå íîìèíàëüíûå ïàðàìåòðû ýëåìåíòîâ ñõåìû ãåíåðàòîðà ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ (ñì.ðèñ. 9.31,a), åñëè ÎÓ ïèòàåòñÿ îò ñèììåòðè÷íîãî èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ E ± 10 Â, ÷àñòîòà âûõîäíîãî ñèãíàëà fâûõ äîëæíà áûòü 100 êÃö, ñêâàæíîñòü q = 2. 2. Ðåøèòå çàäà÷ó ï.1 äëÿ ñõåìû íà îñíîâå èíòåãðàëüíîãî êîìïàðàòîðà (ðèñ. 9.31,á).
3. Ðàññ÷èòàéòå ïàðàìåòðû ñõåìû ãåíåðàòîðà ñèíóñîèäàëüíîãî ñèãíàëà ñ àìïëèòóäîé Um = 7  è ÷àñòîòîé f = 10 êÃö (ðèñ. 9.33,â). 4. Êàêîé ôîðìû è àìïëèòóäû ñèãíàë íåîáõîäèìî ïîäàòü íà èíòåãðàòîð (ñì.ðèñ. 9.34), ÷òîáû ïîëó÷èòü íà âûõîäå ñèãíàë ïèëîîáðàçíîé ôîðìû ñ àìïëèòóäîé Um = 10  è ÷àñòîòîé 20 êÃö? Ïàðàìåòðû ñõåìû: R1 = 25 êÎì, C = 30 ìêÔ.
265
Ãëàâà äåñÿòàÿ ÌÈÊÐÎÏÐÎÖÅÑÑÎÐÛ Â ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÕ ÀÏÏÀÐÀÒÀÕ 10.1. ÌÈÊÐÎÏÐÎÖÅÑÑÎÐÛ, ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ Ñ ÌÈÊÐÎÏÐÎÖÅÑÑÎÐÀÌÈ 10.1.1. ÌÈÊÐÎÏÐÎÖÅÑÑÎÐ, ÅÃÎ ÑÒÐÓÊÒÓÐÀ È ÔÓÍÊÖÈÈ
óñòðîéñòâà óïðàâëåíèÿ (ÓÓ), ÀËÓ ìîæåò ìåíÿòü äåéñòâèÿ íàä ÷èñëàìè. Ïîðÿäîê äåéñòâèé îïðåäåëÿåòñÿ ïðîãðàììîé, ââîäèìîé â ÓÓ, íàïðèìåð, â âèäå íàáîðà îòâåðñòèé íà ïåðôîëåíòå.  ñîñòàâå ïðîöåññîðà îòñóòñòâóþò åùå äâà ýëåìåíòà áëîêñõåìû, áåç êîòîðûõ îí ïðàêòè÷åñêè íå èñïîëüçóåòñÿ, – ýòî óñòðîéñòâî ââîäà è âûâîäà ÷èñåë” (ÓÂÂ) ” è õðàíèëèùå ÷èñåë”, êîòîðîå íàçûâàþò ñåé÷àñ ïà” ìÿòüþ èëè çàïîìèíàþùèì óñòðîéñòâîì (ÇÓ). Êàê ñëåäóåò èç íàçâàíèé, ýòè óñòðîéñòâà ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ ââîäà èñõîäíûõ äàííûõ, âûâîäà ðåçóëüòàòîâ è õðàíåíèÿ ïðîìåæóòî÷íûõ ðåçóëüòàòîâ. ×. Áåáèäæó íå óäàëîñü óâèäåòü âîïëîùåíèå ñâîèõ çàìûñëîâ. Ëèøü â 1806 ã. åãî ñûí äåìîíñòðèðîâàë ñïåöèàëèñòàì íåêîòîðûå ÷àñòè ïðîöåññîðà. Íà ñëîæåíèå äâóõ ÷èñåë óõîäèëî 2 ñ, à óìíîæåíèå ðàñòÿãèâàëîñü íà ìèíóòû. Ñïóñòÿ ñòîëåòèå â 1936 ã. â Ãåðìàíèè ïîÿâëÿåòñÿ ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ âû÷èñëèòåëüíàÿ ìàøèíà, âêëþ÷àþùàÿ â ñåáÿ ïðîöåññîð, Ó è ÇÓ. Òîãäà æå ïîÿâëÿåòñÿ ïåðâûé ÿçûê äëÿ íàïèñàíèÿ ïðîãðàìì ê ýòîé ìàøèíå. Ýòà ðàáîòà áûëà âûïîëíåíà ïîä ðóêîâîäñòâîì Ê. Öóçå. Ñ ýòîãî âðåìåíè íà÷èíàåòñÿ ñòðåìèòåëüíîå ðàçâèòèå ïðîöåññîðîâ, êàê îñíîâíîãî çâåíà âû÷èñëèòåëüíûõ ìàøèí.  1938 ã. ïîä ðóêîâîäñòâîì òîãî æå Ê. Öóçå áûë ñîçäàí ïðîöåññîð íà ýëåêòðîìàãíèòíûõ ðåëå è áûñòðîäåéñòâèå óëó÷øèëîñü â äåñÿòêè ðàç. Ñ 1946 ã. ïîÿâèëàñü ïåðâàÿ ëàìïîâàÿ ìàøèíà ENIAC (ÑØÀ) è áûñòðîäåéñòâèå âîçðîñëî åùå íà äâà ïîðÿäêà. Óæå â 1955 ã. ïîÿâëÿþòñÿ òðàíçèñòîðíûå ïðîöåññîðû, à â íà÷àëå 60-õ ãîäîâ äëÿ ïîñòðîåíèÿ ïðîöåññîðîâ ïðèìåíÿþòñÿ èíòåãðàëüíûå ìèêðîñõåìû. Ñàì ïðîöåññîð ðàñïîëàãàåòñÿ íà îäíîé èëè íåñêîëüêèõ ïëàòàõ ñ ìèêðîñõåìàìè. Áûñòðîäåéñòâèå âîçðàñòàåò åùå íà òðè ïîðÿäêà ïî ñðàâíåíèþ ñ ëàìïîâûìè ïðîöåññîðàìè. Íåñìîòðÿ íà íåèçìåííóþ ñòðóêòóðíóþ ñõåìó (ñì.ðèñ. 10.1.) ïðîöåññîðà è ñîïðÿæåííûõ ñ íèì óñòðîéñòâ, âíóòðåííÿÿ îðãàíèçàöèÿ åå ýëåìåíòîâ ñèëüíî èçìåíèëàñü. Âî-ïåðâûõ, ïðîöåññîðû, íà÷èíàÿ ñ ìàøèí Ê.Öóçå, èñïîëüçóþò äâîè÷íóþ àðèôìåòèêó, ò. å. ïðåäñòàâëåíèå ÷èñåë íå êàê ñóììû ñòåïåíåé öèôðû 10, à êàê ñóììû ñòåïåíåé öèôðû 2, óìíîæåííîé íà ñîîòâåòñòâóþùóþ öèôðó:
Ïî ñîñòàâó ñëîâà ìèêðîïðîöåññîð” ìîæíî äî” ãàäàòüñÿ, ÷òî ýòî ìèíèàòþðíûé ïðîöåññîð. Ïîÿâëåíèå ìèêðîïðîöåññîðîâ (ÌÏ) ñòàëî âîçìîæíûì òîëüêî ñ ðàçâèòèåì èíòåãðàëüíîé ìèêðîñõåìîòåõíèêè, êîãäà ñëîæíóþ ýëåêòðîííóþ ñõåìó öåíòðàëüíîãî ïðîöåññîðà óäàëîñü âûïîëíèòü íà ìàëåíüêîì êðèñòàëëå êðåìíèÿ, ðàñïîëîæèâ íà íåé áîëåå äâóõ òûñÿ÷ òðàíçèñòîðîâ. Îäíàêî, ïîÿâëåíèå ìèêðîïðîöåññîðà îçíàìåíîâàëî íå òîëüêî óñïåõè â èíòåãðàëüíîé ìèêðîñõåìîòåõíèêå, íî è ïðèíöèïèàëüíî íîâûé ïîäõîä ê ðåøåíèþ ìíîãèõ çàäà÷ âî âñåõ îáëàñòÿõ òåõíèêè. Ñåãîäíÿ èíæåíåð èìååò âîçìîæíîñòü îáåñïå÷èòü ñâîè ðàçðàáîòêè – áóäü òî ýëåêòðè÷åñêèé óòþã èëè ïðîêàòíûé ñòàí – ìèíèàòþðíûì, íàäåæíûì, áûñòðîäåéñòâóþùèì óñòðîéñòâîì óïðàâëåíèÿ, â êîòîðîå âëîæåíà íåìàëàÿ äîëÿ åãî èíòåëëåêòà. Òà ëåãêîñòü, ñ êîòîðîé ìîæíî ìåíÿòü è ñîâåðøåíñòâîâàòü àëãîðèòì óïðàâëåíèÿ, îïðåäåëåíà çàëîæåííîé âî âòîðîì êîðíå ýòîãî ñëîâà ñóùíîñòüþ ìèêðîïðîöåññîðà: ïðîöåññîð – ïðîãðàììíî-óïðàâëÿåìîå óñòðîéñòâî, âûïîëíÿþùåå àðèôìåòè÷åñêèå è ëîãè÷åñêèå îïåðàöèè. Àâòîìàòèçèðîâàòü ðàñ÷åòíûå ðàáîòû, ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé íàáîð àðèôìåòè÷åñêèõ îïåðàöèé íàä ÷èñëàìè, ñòðåìèëèñü ìíîãèå óìû íà÷èíàÿ ñî ñðåäíèõ âåêîâ. Ìåõàíè÷åñêèå óñòðîéñòâà, ïðîèçâîäÿùèå ÷åòûðå àðèôìåòè÷åñêèõ äåéñòâèÿ, äîøëè è äî íàøèõ äíåé.  îòëè÷èå îò íèõ, ïðîöåññîð ñïîñîáåí îñóùåñòâëÿòü ýòè äåéñòâèÿ â çàäàííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, ïîî÷åðåäíî âûïîëíÿÿ ïðåäïèñàííûå çàðàíåå îïåðàöèè íàä ÷èñëàìè. Ñîäåðæàíèå îïåðàöèé è èõ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïðåäåëÿþòñÿ ïðîãðàììîé, çàðàíåå ââåäåííîé â ïðîöåññîð. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî èäåÿ ïðîöåññîðà ïðèíàäëåæèò ×. Áåáèäæó (1792–1871 ãã.), à åå ïîÿâëåíèå ñâÿçûâàþò ñ ñåðåäèíîé 30-õ ãîäîâ ïðîøëîãî ñòîëåòèÿ, êîãäà ×. Áåáèäæ èçëîæèë åå ïóáëè÷íî. Ñîõðàíèëàñü ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ïðîöåññîðà, êîòîðàÿ äî íàøèõ äíåé íå ïðåòåðïåëà ñåðüåçíûõ èçìåíåíèé (ðèñ. 10.1), èçìåíèëàñü òîëüêî èñïîëüçóåìàÿ òåðìèíîëîãèÿ. Óñòðîéñòâî äëÿ ïðîèçâîäñòâà àðèôìåòè÷åñêèõ ” äåéñòâèé íàä ÷èñëàìè” èëè Ôàáðèêà ÷èñåë” òåïåðü ” íàçûâàþò àðèôìåòèêî-ëîãè÷åñêèì óñòðîéñòâîì (ÀËÓ) è ïðåäñòàâëÿþò îñíîâíóþ ÷àñòü ïðîöåññîðà. Îñîáåííîñòüþ ÀËÓ ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ïîä âîçäåéñòâèåì óñòðîéñòâà, óïðàâëÿþùåãî äåéñòâèÿìè ìàøèíû ” â íóæíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè” èëè, èíà÷å ãîâîðÿ,
N = a120 + a221 + a322 + a423 +...+an+12n. 266
§ 10.1. Ìèêðîïðîöåññîðû, óñòðîéñòâà ñ ìèêðîïðîöåññîðàìè
ðàçðàáîòàòü êîìïëåêò ìèêðîñõåì ñ æåñòêîé ëîãèêîé äëÿ âûïîëíåíèÿ âñåõ äåéñòâèé è âû÷èñëåíèÿ âñåõ ôóíêöèé óíèâåðñàëüíûì ìèêðîêàëüêóëÿòîðîì. Ðåàëèçàöèÿ ïðîåêòà ïðåäóñìàòðèâàëà ðàçðàáîòêó 12 ìèêðîñõåì íà 2 òûñ. òðàíçèñòîðîâ â êàæäîé, ïðè÷åì êàæäàÿ ìèêðîñõåìà âûïîëíÿëà îãðàíè÷åííóþ ÷àñòü âñåõ ôóíêöèé. Îäíàêî Ì. Õîôô ïðåäëîæèë èñïîëüçîâàòü ëèøü îäíó óíèâåðñàëüíóþ ìèêðîñõåìó ñ ïðîãðàììíûì óïðàâëåíèåì, âûïîëíÿþùóþ âñå ýòè ôóíêöèè. Åäèíñòâåííûì íåäîñòàòêîì ïðîåêòà Ì. Õîôôà áûëî óâåëè÷åíèå âðåìåíè âûïîëíåíèÿ îïåðàöèé, ÷òî íåèçáåæíî ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîé ïðîãðàììíîé ðåàëèçàöèè. Íî ýòîò íåäîñòàòîê îêàçàëñÿ íåñóùåñòâåííûì: äëÿ íàñ íå èìååò çíà÷åíèÿ âðåìÿ âû÷èñëåíèÿ òîãî æå ñèíóñà, åñëè îíî â ïðåäåëàõ 0,1 ñ: 10 ìêñ è 100 ìñ – äëÿ ÷åëîâåêà âñå ýòî îäèíàêîâî áûñòðî. Óæå â 1971 ã. ïðîåêò Ì. Õîôôà áûë ðåàëèçîâàí ôèðìîé INTEL â âèäå ìèêðîïðîöåññîðà, ïîëó÷èâøåãî íàçâàíèå INTEL 4004, âûïîëíÿþùåãî 46 êîìàíä ñ ÷åòûðåõðàçðÿäíûìè äâîè÷íûìè ÷èñëàìè è ñîäåðæàùåãî 2250 òðàíçèñòîðîâ. Ïîÿâèâøèñü â ìèêðîêàëüêóëÿòîðàõ ìèêðîïðîöåññîðû ñòàëè ïðèìåíÿòüñÿ â ðàçëè÷íûõ óñòðîéñòâàõ, âûòåñíÿÿ æåñòêèå ëîãè÷åñêèå ñõåìû. Øèðîêîìó ðàñïðîñòðàíåíèþ ìèêðîïðîöåññîðîâ ïðåäøåñòâîâàë ñêà÷îê â òåõíîëîãèè èçãîòîâëåíèÿ èíòåãðàëüíûõ ìèêðîñõåì ñ áîëüøèì êîëè÷åñòâîì ýëåìåíòîâ, ïîçâîëÿâøèé äîáèòüñÿ äâóõ ïðîòèâîïîëîæíûõ öåëåé: óëó÷øåíèÿ íàäåæíîñòè è óìåíüøåíèÿ ñòîèìîñòè ìèêðîïðîöåññîðîâ. Íàäåæíîñòü ìèêðîïðîöåññîðîâ îïðåäåëÿåòñÿ ñóùíîñòüþ èíòåãðàëüíîé òåõíîëîãèè êàê ïîëíîñòüþ àâòîìàòèçèðîâàííîãî ïðîöåññà ñ êîíòðîëåì âñåõ âîçäåéñòâóþùèõ íà íåãî ïàðàìåòðîâ. Êîíêóðåíòíàÿ áîðüáà çàñòàâëÿåò èñêàòü ïóòè ñíèæåíèÿ çàòðàò íà èçãîòîâëåíèå ìèêðîïðîöåññîðîâ.  1974 ã. ôèðìà INTEL âûïóñòèëà áîëåå ñîâåðøåííûé 8-ðàçðÿäíûé ìèêðîïðîöåññîð INTEL 8080, à â 1974 ã. àíàëîãè÷íûé ïî ïàðàìåòðàì ìèêðîïðîöåññîð Ì6800 èçãîòîâèëà äëÿ ïðîäàæè ôèðìà Ìotorola. Íûíå 8-ðàçðÿäíûå ïðîöåññîðû ýòîãî êëàññà ñòîÿò íåñêîëüêî äîëëàðîâ, à íîâûå 32-ðàçðÿäíûå, ïðîèçâîäÿùèå ìèëëèîíû è äåñÿòêè ìèëëèîíîâ îïåðàöèé â ñåêóíäó – äåñÿòêè è ñîòíè äîëëàðîâ. Òåì íå ìåíåå ñâîå òåõíè÷åñêîå ïðèìåíåíèå íàõîäèò âñÿ ãàììà âûïóùåííûõ ìèêðîïðîöåññîðîâ: ÷åòûðåõðàçðÿäíûå òèïà INTEL 4004 óïðàâëÿþò ñâåòîôîðàìè íà ïåðåêðåñòêàõ, à íà áàçå ìîùíûõ 32-ðàçðÿäíûõ ñòðîÿò áûñòðîäåéñòâóþùèå êîìïüþòåðû.
Ðèñ. 10.1. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ïðîöåññîðà
Êàæäûé ðàçðÿä äâîè÷íîãî ÷èñëà a1 , a2 ... an + 1 ìîæåò ïðèíèìàòü òîëüêî äâà çíà÷åíèÿ 0 è 1. Âñå äåéñòâèÿ ïðîöåññîð âûïîëíÿåò ñ äâîè÷íûìè ÷èñëàìè. Âî-âòîðûõ, îêàçàëîñü âîçìîæíûì ðåàëèçîâàòü ñ ïîìîùüþ ÀËÓ ëîãè÷åñêèå ôóíêöèè àëãåáðû Áóëÿ (è, èëè, íå, èñêëþ÷àþùåå èëè è ò. ï.) íàä ðàçðÿäàìè äâîè÷íûõ ÷èñåë. Â-òðåòüèõ, âñåîáùåé ñòàëà ñòðóêòóðà ôîí Íåéìàíà, êîãäà äàííûå è ïðîãðàììà çàïèñûâàþòñÿ â îäíî è òî æå ÇÓ è èñïîëüçóåòñÿ îäèí è òîò æå ìåõàíèçì äëÿ îáìåíà äàííûìè ìåæäó ÀËÓ è ÇÓ è ìåæäó ÓÓ è ÇÓ. Äëÿ ïîÿâëåíèÿ ìèêðîïðîöåññîðà, îáúåäèíÿþùåãî âñå ýëåìåíòû ïðîöåññîðîâ â îäíîé ìèêðîñõåìå, íåîáõîäèìà áûëà ðàçâèòàÿ òåõíîëîãè÷åñêàÿ áàçà ìèêðîñõåìîòåõíèêè, êîòîðàÿ ïîçâîëÿëà áû ñîçäàâàòü ñõåìû ñ òûñÿ÷àìè òðàíçèñòîðîâ íà îäíîì êðèñòàëëå. Òàêàÿ òåõíîëîãè÷åñêàÿ áàçà ïîÿâèëàñü â êîíöå 60-õ ãîäîâ. Íåîáõîäèìî òàêæå áûëî ïîíèìàíèå òîãî, ÷òî ïðîãðàììíî-óïðàâëÿåìàÿ ëîãèêà (ò. å. ïðîöåññîðû) ïðè ðåàëèçàöèè ñëîæíûõ ôóíêöèé îêàçûâàåòñÿ ýôôåêòèâíåå è ïðîùå â èñïîëíåíèè, ÷åì æåñòêàÿ ëîãè÷åñêàÿ ñõåìà äëÿ ðåàëèçàöèè òåõ æå ôóíêöèé. Ïîñëåäíåå óòâåðæäåíèå íåñïðàâåäëèâî ïðè ðåàëèçàöèè ïðîñòûõ ëîãè÷åñêèõ ôóíêöèé. ×òîáû ñîçäàòü óñòðîéñòâî, ñêëàäûâàþùåå äâà öåëûõ ÷èñëà âîâñå íå íóæåí ìèêðîïðîöåññîð, ìîæíî îáîéòèñü íåñëîæíîé ýëåêòðîííîé ñõåìîé ñóììàòîðà. Åñëè æå ìû ïîòðåáóåì âûïîëíåíèÿ áîëåå ñëîæíûõ äåéñòâèé (íàïðèìåð, âû÷èñëåíèå ñèíóñà â ïðîñòðàíñòâå äåéñòâèòåëüíûõ ÷èñåë) èëè ïîñëåäîâàòåëüíîãî âûïîëíåíèÿ ñðàçó ìíîãèõ ïðîñòåéøèõ äåéñòâèé, òî ïðîãðàììíàÿ ðåàëèçàöèÿ ñ ïîìîùüþ óíèâåðñàëüíîãî àðèôìåòèêî-ëîãè÷åñêîãî óñòðîéñòâà îêàæåòñÿ ïðåäïî÷òèòåëüíåå. Èìåííî ýòè ñîîáðàæåíèÿ ðóêîâîäèëè Ì. Õîôôîì, ñîòðóäíèêîì ôèðìû INTEL, êîãäà â 1969 ã. ïîñòóïèëî ïðåäëîæåíèå îäíîé èç ÿïîíñêèõ ôèðì
267
Ãë. 10. Ìèêðîïðîöåññîðû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ 10.1.2. ÌÈÊÐÎÏÐÎÖÅÑÑÎÐÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ
Íå ñòîèò äîëãî îáñóæäàòü òîò ôàêò, ÷òî ñàì ïî ñåáå ìèêðîïðîöåññîð áåç óñòðîéñòâ, îáåñïå÷èâàþùèõ åãî âçàèìîäåéñòâèå ñ âíåøíèì ìèðîì, íå ïðåäñòàâëÿåò íèêàêîé ïîëüçû. Äàííûå è ïðîãðàììà èõ îáðàáîòêè ïîñòóïàþò îò âíåøíèõ èñòî÷íèêîâ èíôîðìàöèè; ðåçóëüòàòû îáðàáîòêè òîæå òàê èëè èíà÷å âîñïðèíèìàþòñÿ âíåøíèìè óñòðîéñòâàìè. Êðîìå òîãî, áåç ÇÓ ñàìîìó ìèêðîïðîöåññîðó íåãäå õðàíèòü ïðîãðàììó è íåêóäà ïîñûëàòü ðåçóëüòàòû ïðîìåæóòî÷íûõ âû÷èñëåíèé. Âñå âìåñòå: ìèêðîïðîöåññîð, ñîäåðæàùèé ÀËÓ è ÓÓ, ïàìÿòü, íåîáõîäèìûå óñòðîéñòâà ââîäà-âûâîäà ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ìèêðîïðîöåññîðíîå óñòðîéñòâî (ÌÏÓ), ñïîñîáíîå àâòîíîìíî ïðèíèìàòü, îáðàáàòûâàòü è ïåðåäàâàòü èíôîðìàöèþ (ðèñ. 10.2).  çàâèñèìîñòè îò òîãî, êàêèå çàäà÷è ñòàâÿòñÿ ïåðåä ÌÏÓ, â åãî ñîñòàâ âêëþ÷àþò ðàçëè÷íûå ÓÂÂ, íàäåëÿþò ïàìÿòüþ òîãî èëè èíîãî îáúåìà, íàêîíåö, ïðèìåíÿþò áîëåå èëè ìåíåå ìîùíûé ìèêðîïðîöåññîð. Åñëè ÌÏÓ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïåðñîíàëüíûé êîìïüþòåð, òî â ÷èñëå Ó äîëæíû áûòü îáÿçàòåëüíî óñòðîéñòâà ñâÿçè ñ ïîëüçîâàòåëåì: îáû÷íî ýòî êëàâèàòóðà è äèñïëåé. Òàêîå ÌÏÓ òðåáóåò äîñòàòî÷íî áîëüøîãî îáúåìà ïàìÿòè äëÿ äàííûõ è ïðîãðàìì è äîñòàòî÷íî ìîùíûé (ïî ÷èñëó êîìàíä è áûñòðîäåéñòâèþ) ìèêðîïðîöåññîð. Åñëè æå ÌÏÓ óïðàâëÿåò êàêèì-ëèáî îáîðóäîâàíèåì, íàïðèìåð, ïî çàäàííîé ïðîãðàììå ïåðåêëþ÷àåò ñèãíàëû ñâåòîôîðà, åìó íóæíû òîëüêî ñîîòâåòñòâóþùèå êîììóòàòîðû â êà÷åñòâå ÓÂÂ, ìèíèìóì ïàìÿòè äëÿ íåñëîæíîé ïðîãðàììû è ñàìûé ïðîñòåéøèé ìèêðîïðîöåññîð. Îáû÷íî òàêèå ÌÏÓ íàçûâàþòñÿ ìèêðîïðîöåññîðíûìè êîíòðîëëåðàìè, èëè ïðîñòî ìèêðîêîíòðîëëåðàìè. Óñòðîéñòâî ââîäà è âûâîäà, ñâÿçûâàþùåå ÌÏÓ ñ âíåøíèì ìèðîì, îáû÷íî äåëÿò íà äâå ÷àñòè: èíòåðôåéñ è ñàìî âíåøíåå èëè ïåðèôåðèéíîå óñòðîéñòâî (ðèñ. 10.3). Èíòåðôåéñ ( àíãë. interface – ñðåäñòâî ñîïðÿæåíèÿ) ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ ñèãíàëîâ îò ÌÏ â ñèãíàëû, âîñïðèíèìàåìûå âíåøíèì óñòðîéñòâîì è íàîáîðîò. ×àñòü èíòåðôåéñà, íåïîñðåäñòâåííî âîñïðèíèìàþùàÿ ñèãíàëû ÌÏ è ïåðåäàþùàÿ åìó ñèãíàëû, íàçûâàåòñÿ ïîðòîì ÓÂÂ.  çàâèñèìîñòè îò òîãî, êàêîå óñòðîéñòâî ñâÿçûâàåòñÿ ñ ÌÏ, èíòåðôåéñû ìîãóò ðàçäåëÿòüñÿ êàê ïî ïðèíöèïó ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè, òàê è ïî åå âèäó. Åñëè èíòåðôåéñ ñëóæèò äëÿ ïåðåäà÷è èëè ïðèåìà äàííûõ â öèôðîâîé ôîðìå, òî ýòî îáû÷íî ïàðàëëåëüíûé èëè ïîñëåäîâàòåëüíûé èíòåðôåéñ. Ïàðàëëåëüíûé èíòåðôåéñ ïåðåäàåò èëè ïðèíèìàåò ñðàçó âñå äâîè÷íûå ðàçðÿäû ÷èñëà (êîëè÷åñòâî æå ðàçðÿäîâ â ÷èñëå êîíå÷íî îãðàíè÷åíî),
à ïîñëåäîâàòåëüíûé èíòåðôåéñ ðàñòÿãèâàåò ïåðåäà÷ó èëè ïðèåì âî âðåìåíè, ïåðåäàâàÿ ïîñëåäîâàòåëüíî ðàçðÿä çà ðàçðÿäîì èëè áèò çà áèòîì. Íà ðèñ. 10.4 ïîêàçàíà ñõåìà Ó ìèêðîïðîöåññîðíîãî óñòðîéñòâà, ïðåäñòàâëÿþùåãî ñîáîé ïåðñîíàëüíûé êîìïüþòåð, êîòîðûé ñîäåðæèò äèñïëåé äëÿ âûâîäà ñèìâîëîâ è ãðàôè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé, êëàâèàòóðó äëÿ ââîäà ñèìâîëîâ è êîìàíä, è ïå÷àòàþùåå óñòðîéñòâî.  ýòîì ñëó÷àå ñõåìà Ó äîñòàòî÷íî ïðîñòà, ïîñêîëüêó âñå ýòè óñòðîéñòâà ñîåäèíÿþòñÿ ñ ïîìîùüþ ñòàíäàðòíûõ ïîñëåäîâàòåëüíûõ è ïàðàëëåëüíûõ èíòåðôåéñîâ.  ìèêðîïðîöåññîðíûõ êîíòðîëëåðàõ, óïðàâëÿþùèõ îáîðóäîâàíèåì, íàáîð âíåøíèõ óñòðîéñòâ ãîðàçäî áîëåå øèðîêèé. Äëÿ èõ ðåàëèçàöèè òðåáóåòñÿ ãîðàçäî áîëüøå ðàçëè÷íûõ èíòåðôåéñîâ. Ðàññìîòðèì ñõåìó ïîäêëþ÷åíèÿ âíåøíèõ óñòðîéñòâ ìèêðîïðîöåññîðà ðåãóëÿòîðà ÷àñòîòû âðàùåíèÿ äâèãàòåëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà ñ çàùèòîé ïî òåìïåðàòóðå ïåðåãðå-
Ðèñ. 10.2. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ïðîöåññîðíîãî óñòðîéñòâà
Ðèñ. 10.3. Óñòðîéñòâî ââîäà-âûâîäà
Ðèñ. 10.4. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ïåðñîíàëüíîãî êîìïüþòåðà êàê ÌÏÓ
268
§ 10.1. Ìèêðîïðîöåññîðû, óñòðîéñòâà ñ ìèêðîïðîöåññîðàìè
Ðèñ. 10.5. ÌÏÓ óïðàâëåíèÿ äâèãàòåëåì ïîñòîÿííîãî òîêà
Îáðàòíàÿ ñâÿçü ïî ÷àñòîòå âðàùåíèÿ äâèãàòåëÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ äàò÷èêà ÷àñòîòû âðàùåíèÿ, äàþùåãî íà ñâîåì âûõîäå ñèãíàë, ÷àñòîòà êîòîðîãî ïðîïîðöèîíàëüíà ÷àñòîòå âðàùåíèÿ âàëà äâèãàòåëÿ. Ýòîò ñèãíàë ïðåîáðàçóþò â èìïóëüñíóþ ôîðìó, ñîõðàíÿÿ ïðè ýòîì åãî ÷àñòîòó, è ïîäàþò íà âõîä ýëåêòðîííîãî ñ÷åò÷èêà èìïóëüñîâ. Êðîìå òîãî, íà äðóãîé âõîä ñ÷åò÷èêà ïîäàþò èìïóëüñû ñòàáèëüíîé ÷àñòîòû f0, íà 2–3 ïîðÿäêà ïðåâûøàþùåé ÷àñòîòó ñèãíàëà ñ äàò÷èêà ÷àñòîòû âðàùåíèÿ. Ñ÷åò÷èê ïîäñ÷èòûâàåò ÷èñëî èìïóëüñîâ N ÷àñòîòû f0, ïîÿâëÿþùèåñÿ ìåæäó äâóìÿ ñîñåäíèìè èìïóëüñàìè ñ äàò÷èêà, è ïåðåäàåò ÷èñëî N ÷åðåç ïàðàëëåëüíûé èíòåðôåéñ â ÌÏ. Ìèêðîïðîöåññîð ðàññ÷èòûâàåò ïåðèîä âðàùåíèÿ äâèãàòåëÿ T = N ⁄ f0, èñïîëüçóåò ýòî çíà÷åíèå äëÿ óïðàâëåíèÿ òîêîì âîçáóæäåíèÿ è âûâîäèò åãî íà èíäèêàòîð. Âíåøíåå óïðàâëåíèå ïîääåðæèâàåìîé ÷àñòîòîé âðàùåíèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ êëþ÷åé K1, K2 è K3. Ïðè çàìûêàíèè òîãî èëè èíîãî êëþ÷à ÌÏ ÷åðåç ïàðàëëåëüíûé èíòåðôåéñ ïîëó÷àåò ñèãíàë
âà. Îáùàÿ ñõåìà òàêîãî ÌÏÓ ïîêàçàíà íà ðèñ. 10.5. ×òîáû äâèãàòåëü ïîäêëþ÷èòü ê èñòî÷íèêó ïèòàíèÿ è âûáðàòü íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ, íàäî âêëþ÷èòü îäíî èç ðåëå K1 èëè K2. Îáìîòêè ðåëå ïîòðåáëÿþò äîñòàòî÷íî áîëüøóþ ìîùíîñòü, ïîýòîìó èõ íåâîçìîæíî íåïîñðåäñòâåííî ïîäêëþ÷èòü ê ïàðàëëåëüíîìó èíòåðôåéñó, ïðèõîäèòñÿ ñòàâèòü ïðîìåæóòî÷íûå óñèëèòåëè – òðàíçèñòîðíûå êëþ÷è. Êîãäà îáà ðåëå K1 è K2 îáåñòî÷åíû – äâèãàòåëü ñòîèò. Ïîäêëþ÷åíèå îäíîãî èç ðåëå ïóñêàåò äâèãàòåëü â òîì èëè äðóãîì íàïðàâëåíèè. Ìîæíî ðåãóëèðîâàòü ÷àñòîòó âðàùåíèÿ äâèãàòåëÿ, ìåíÿÿ òîê Iâ âîçáóæäåíèÿ â íåçàâèñèìîé îáìîòêå âîçáóæäåíèÿ OB. ×òîáû ïëàâíî èçìåíÿòü Iâ, íà âûõîä ñîîòâåòñòâóþùåãî ïàðàëëåëüíîãî èíòåðôåéñà ñëåäóåò ïîäêëþ÷èòü öèôðîàíàëîãîâûé ïðåîáðàçîâàòåëü (ÖÀÏ), ïðåîáðàçóþùèé öèôðîâîé êîä â ïðîïîðöèîíàëüíîå åìó íàïðÿæåíèå Uó. Íî ñèãíàë ñ âûõîäà ÖÀÏ íå äîñòàòî÷íî ìîùíûé, åãî ïðèõîäèòñÿ óñèëèâàòü òðàíçèñòîðíûì óñèëèòåëåì àíàëîãîâûõ ñèãíàëîâ è òîëüêî òîãäà ïîäàâàòü â OB. 269
Ãë. 10. Ìèêðîïðîöåññîðû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
ðûõ ïåðåäàþòñÿ ÷åðåç ïîðò 6 è ïàðàëëåëüíûé èíòåðôåéñ. Äëÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ äâîè÷íîãî êîäà â èçîáðàæåíèå ñîîòâåòñòâóþùèõ åìó öèôð íåîáõîäèì ïðåîáðàçîâàòåëü êîäà â âèäå ìèêðîñõåìû. Ðàññìîòðåííîå ÌÏÓ íå èñ÷åðïûâàåò âñåõ âîçìîæíûõ èíòåðôåéñîâ, ïðèìåíÿåìûõ â ìèêðîïðîöåññîðíûõ êîíòðîëëåðàõ, íî ïîçâîëÿåò ïî÷óâñòâîâàòü èõ ìíîãîîáðàçèå. ÌÏÓ â ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèè èìåþò ñâîè ñïåöèôè÷åñêèå èíòåðôåéñû, ñõåìû èõ ïîäêëþ÷åíèÿ ê îáúåêòàì è ïðîãðàììû îáðàáîòêè äàííûõ. Ñ ýòèõ ïîçèöèé áóäóò ðàññìîòðåíû â ñëåäóþùåé ãëàâå ñõåìû ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ñ ÌÏÓ, à ïðåæäå ñëåäóåò îçíàêîìèòüñÿ, â îáùèõ ÷åðòàõ, ñ ïðèìåíÿåìûìè è ïåðñïåêòèâíûìè êîíñòðóêöèÿìè ìèêðîêîíòðîëëåðîâ.
î çàäàâàåìîé ÷àñòîòå âðàùåíèÿ. Ìèêðîïðîöåññîð ïåðèîäè÷åñêè îïðàøèâàåò ïîðò 4 è ñëåäèò, íå èçìåíèëîñü ëè ñîñòîÿíèå ýòèõ ïåðåêëþ÷àòåëåé. ×òîáû êîíòðîëèðîâàòü òåïëîâîé ðåæèì ðàáîòû äâèãàòåëÿ, â íåãî ââåäåíà òåðìîïàðà. Ñèãíàë ñ òåðìîïàðû, ñîñòàâëÿþùèé íåñêîëüêî ìèëëèâîëüò, ñëåäóåò óñèëèòü, ÷òîáû èçìåðèòü åãî ñ ïîìîùüþ àíàëîãî-öèôðîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ (ÀÖÏ). ÀÖÏ ïðåîáðàçóåò íàïðÿæåíèå, ïðîïîðöèîíàëüíîå òåìïåðàòóðå, â ñîîòâåòñòâóþùèé öèôðîâîé êîä, à êîä ÷åðåç ïàðàëëåëüíûé èíòåðôåéñ ñòàíîâèòñÿ äîñòóïíûì ÌÏ. Äëÿ èíäèêàöèè ðåæèìîâ ðàáîòû (íàïðèìåð ÷àñòîòû) îáû÷íî ïðèìåíÿåòñÿ öèôðîâîé èíäèêàòîð íà ñâåòîäèîäàõ, âûñâå÷èâàþùèé òå ÷èñëà, êîäû êîòî-
10.1.3. ÊÎÍÑÒÐÓÊÖÈÈ ÌÈÊÐÎÏÐÎÖÅÑÑÎÐÍÛÕ ÊÎÍÒÐÎËËÅÐÎÂ
(êëþ÷è, óñèëèòåëè ìîùíîñòè, ðåëå, òèðèñòîðû) òàêæå ìîíòèðóþò íà îòäåëüíûõ ïëàòàõ è ñòðåìÿòñÿ, ïî âîçìîæíîñòè, ïîìåñòèòü èõ â òó æå êîðçèíó. Ñâÿçü ñèëîâûõ ïëàò ñ èõ èíòåðôåéñàìè ïðèõîäèòñÿ îáåñïå÷èâàòü îáû÷íî íå ÷åðåç êîðçèíó, à âíåøíèìè ñîåäèíåíèÿìè. ×åðåç ðàçúåìû êîðçèíû ïîäâîäèòñÿ ýëåêòðîïèòàíèå ñèëîâûõ ïëàò. Äëÿ ÌÏÓ, ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà êîòîðîãî ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 10.5, íà ðèñ. 10.6 ïîêàçàíà ñõåìà ðåàëèçàöèè â âèäå ìíîãîïëàòíîãî êîíòðîëëåðà. Ñèëîâûå ïëàòû çäåñü òàêæå ïîìåùåíû â êîðçèíó, íî ñîåäèíåíû îíè ñî ñâîèìè èíòåðôåéñàìè âíåøíèìè êàáåëÿìè. Íàáîð ïëàò ñ ðàçëè÷íûìè ïðåîáðàçîâàòåëÿìè è èíòåðôåéñàìè è êîðçèíà ñ ìèêðîïðîöåññîðíîé ïëàòîé – ýòî óíèâåðñàëüíûé êîíñòðóêòîð ìèêðîïðîöåññîðíûõ êîíòðîëëåðîâ äëÿ ñàìûõ ðàçëè÷íûõ îáúåêòîâ è ñèñòåì. Äëÿ êàæäîé íîâîé ñèñòåìû íóæíî óñòàíîâèòü â êîðçèíó íåîáõîäèìûé íàáîð ïðåîáðàçîâàòåëåé è ñèëîâûõ ïëàò. Åñëè òàêèõ ñèëîâûõ ïëàò íåò, òî èõ ïðèõîäèòñÿ ðàçðàáàòûâàòü.
Ñõåìà ìèêðîïðîöåññîðíîãî óñòðîéñòâà ìîæåò áûòü ñìîíòèðîâàíà íà îäíîé èëè íåñêîëüêèõ ïëàòàõ.  òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà êîíñòðóêòîðû ñòðåìÿòñÿ ñîçäàòü óíèâåðñàëüíûé ìèêðîïðîöåññîðíûé êîíòðîëëåð, îíè ðàçðàáàòûâàþò îòäåëüíî ïëàòó ñ ìèêðîïðîöåññîðîì è ïàìÿòüþ, îòäåëüíî ïëàòû ñî ñëàáîòî÷íûìè ïðåîáðàçîâàòåëÿìè – ÖÀÏ, ÀÖÏ, ñ÷åò÷èêàìè è ò. ä. è èíòåðôåéñàìè. Êàæäàÿ èç ýòèõ ïëàò èìååò ðàçúåì, ÷åðåç êîòîðûé ïîäâîäÿòñÿ è âûâîäÿòñÿ äàííûå è ñèãíàëû óïðàâëåíèÿ. Êðîìå òîãî, ñîçäàåòñÿ êîíñòðóêöèÿ, ñîñòîÿùàÿ èç ðÿäà îòâåòíûõ ÷àñòåé ðàçúåìîâ ïëàò, óñòàíîâëåííûõ íà îñíîâàíèå è íàçûâàåìàÿ êîðçèíîé. Ðàçúåìû íà êîðçèíå ñîåäèíÿþò òàê, ÷òîáû îáåñïå÷èòü ïðàâèëüíûé îáìåí äàííûìè è ñèãíàëàìè óïðàâëåíèÿ ìåæäó ìèêðîïðîöåññîðîì è èíòåðôåéñíûìè ïëàòàìè. Êðîìå òîãî, íà êîðçèíó ìîíòèðóþò èñòî÷íèêè ïèòàíèÿ, à ïðîâîäà îò íèõ ðàçâîäÿò ïî ðàçúåìàì êîðçèíû, îáåñïå÷èâàÿ òàêèì îáðàçîì, ýëåêòðîïèòàíèå âñåõ ïëàò. Ñèëîâûå ýëåìåíòû ýëåêòðîñõåì
Ðèñ. 10.6. Ðåàëèçàöèÿ ÌÏÓ ðèñ. 10.5 íà ìíîãîïëàòíîì ìèêðîêîíòðîëëåðå
270
§ 10.1. Ìèêðîïðîöåññîðû, óñòðîéñòâà ñ ìèêðîïðîöåññîðàìè
Ðèñ. 10.7. Îáùèé âèä îäíîêðèñòàëüíîãî ìèêðîêîíòðîëëåðà (à) è ðàñïîëîæåíèå ýëåêòðîííûõ ñõåì â êðèñòàëëå ýòîãî ìèêðîêîíòðîëëåðà (á)
÷èëàñü áû ñëèøêîì áîëüøîé è äîðîãîé. Îáû÷íî æå ðàçðàáàòûâàþò íåñêîëüêî ïëàò, îáåñïå÷èâàþùèõ óïðàâëåíèå âñåìè òèïè÷íûìè äëÿ äàííîé îáëàñòè òåõíèêè îáúåêòàìè. Åñëè íà ïëàòå ïðåäóñìîòðåíû ïðåîáðàçîâàòåëè, êîòîðûå äëÿ äàííîãî îáúåêòà íå íóæíû, – ñîîòâåòñòâóþùèå ìèêðîñõåìû ïðîñòî íå çàïàèâàþò. Ñèëîâûå ýëåìåíòû îáû÷íî ñòàðàþòñÿ íå ðàñïîëàãàòü íà îäíîé ïëàòå ñî ñëàáîòî÷íûìè è â ðÿäå ñëó÷àåâ îäíîïëàòíûé êîíòðîëëåð èìååò â ñâîåì ñîñòàâå äâå ïëàòû: ñëàáîòî÷íóþ ñ ìèêðîñõåìàìè è ñèëîâóþ ñ ìîùíûìè òðàíçèñòîðàìè, òèðèñòîðàìè, ðåëå è ò. ï. Ñâÿçü ìåæäó ïëàòàìè îñóùåñòâëÿåòñÿ êàáåëåì. Óñòðîéñòâî ïèòàíèÿ âûïîëíÿåòñÿ îòäåëüíûì áëîêîì. Íàëè÷èå ñâîèõ íåäîñòàòêîâ è ñâîèõ äîñòîèíñòâ ìíîãîïëàòíûõ è îäíîïëàòíûõ êîíòðîëëåðîâ ïðèâåëî ê òîìó, ÷òî äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè øèðîêî ïðèìåíÿëèñü è òå è äðóãèå. Íî â ïîñëåäíåå âðåìÿ ñèòóàöèÿ ñèëüíî èçìåíèëàñü â ñòîðîíó îäíîïëàòíûõ êîíòðîëëåðîâ â ñâÿçè ñ ïîÿâëåíèåì îäíîêðèñòàëüíûõ ìèêðîïðîöåññîðíûõ êîíòðîëëåðîâ, ñîäåðæàùèõ â îäíîé ìèêðîñõåìå 95–98% îò îáùåãî ÷èñëà ýëåìåíòîâ ñëàáîòî÷íîé ïëàòû îäíîïëàòíîãî ìèêðîêîíòðîëëåðà – âêëþ÷àÿ ìèêðîïðîöåññîð, ïàìÿòü, èíòåðôåéñû è ðàçëè÷íûå ïðåîáðàçîâàòåëè. Ïðèìåðîì ìîæåò ñëóæèòü ñåìåéñòâî îäíîêðèñòàëüíûõ ìèêðîêîíòðîëëåðîâ ÌÑ68ÍÑ11, ðàçðàáîòàííûõ âåäóùåé â ìèðîâîì ïðîèçâîäñòâå ýëåêòðîíèêè êîðïîðàöèåé Ìîtorolà. Íà ðèñ. 10.7,à ïîêàçàí âíåøíèé âèä òàêîãî ìèêðîêîíòðîëëåðà, ïðåäñòàâëÿþùåãî ñîáîé ìèêðîñõåìó ñ âûâîäàìè, à íà ðèñ. 10.7,á êðèñòàëë ýòîé ìèêðîñõåìû ðàçìåðîì 2×2×0,5 ìì è ðàñïîëîæåíèå â ýòîì êðèñòàëëå ïðîöåññîðà, îïåðàòèâíîé ïàìÿòè è ïåðåïðîãðàììèðóåìîãî ïîñòîÿííîãî çàïîìèíàþùåãî óñòðîéñòâà, 32-ðàçðÿäíîãî ïàðàëëåëüíîãî è äâóõ ïîñëåäîâàòåëüíûõ èí-
Óíèâåðñàëüíîñòü ìíîãîïëàòíûõ êîíòðîëëåðîâ áûëà îïðàâäàíà äî òåõ ïîð, ïîêà ïðåîáðàçîâàòåëè âìåñòå ñ èíòåðôåéñàìè ñîñòîÿëè èç íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ìèêðîñõåì, òðàíçèñòîðîâ è äðóãèõ ýëåìåíòîâ, çàíèìàëè ìíîãî ìåñòà íà ïëàòå è áûëè äîñòàòî÷íî äîðîãè. Ñ ðàçâèòèåì ìèêðîñõåìîòåõíèêè òàêèå ïðåîáðàçîâàòåëè êàê ÖÀÏ, ÀÖÏ, ñ÷åò÷èê, ìàëîìîùíûé óñèëèòåëü ñòàëè ìîíòèðîâàòü â îäíîé ìèêðîñõåìå, à îäíîé èíòåðôåéñíîé ìèêðîñõåìû ñòàëî äîñòàòî÷íî äëÿ ïîäêëþ÷åíèÿ ñðàçó íåñêîëüêèõ òàêèõ ïðåîáðàçîâàòåëåé. Ñòîèìîñòü ìèêðîñõåì ñóùåñòâåííî íèæå, ÷åì òàêèõ æå ñõåì íà äèñêðåòíûõ ýëåìåíòàõ.  ðåçóëüòàòå îêàçàëîñü âîçìîæíûì ðàçìåñòèòü íà îäíîé ïëàòå ìèêðîïðîöåññîð, ïàìÿòü, íåîáõîäèìûå ïðåîáðàçîâàòåëè è èõ èíòåðôåéñû – ïîëó÷èëñÿ îäíîïëàòíûé ìèêðîêîíòðîëëåð. Åñëè ïîñòàâèòü ðÿäîì îäíîïëàòíûé ìèêðîêîíòðîëëåð è ìíîãîïëàòíûé ñ òåì æå íàáîðîì ïðåîáðàçîâàòåëåé, òî ïðåèìóùåñòâà îäíîïëàòíîãî áóäóò î÷åâèäíû: îí ìåíüøå ïî ðàçìåðàì, ïðîùå â èçãîòîâëåíèè, ïîñêîëüêó íå òðåáóåò ðàçâîäêè ðàçúåìîâ êîðçèíû, íàäåæíåå â ðàáîòå, òàê êàê íå ñîäåðæèò òåõ æå ðàçúåìîâ – êîíòàêòîâ áåç ïàéêè è, íàêîíåö, äåøåâëå (ïîñêîëüêó ðàçúåìû äîðîãè). Åäèíñòâåííûé íåäîñòàòîê îäíîïëàòíîãî êîíòðîëëåðà – îí íå óíèâåðñàëåí. Ìèêðîñõåìû ðàçíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé èìåþò ðàçëè÷íûå ðàçìåðû, ðàñïîëîæåíèå è íàçíà÷åíèå âûâîäîâ. Ïîýòîìó íà ïå÷àòíóþ ïëàòó ìèêðîêîíòðîëëåðà ìîæíî óñòàíîâèòü òîëüêî òó ìèêðîñõåìó, ïîä êîòîðóþ âûïîëíåíà åå ðàçâîäêà. ×òîáû äîáèòüñÿ áîëüøåé óíèâåðñàëüíîñòè ïðè êîíñòðóèðîâàíèè îäíîïëàòíûõ ìèêðîêîíòðîëëåðîâ, ïëàòó ðàçðàáàòûâàþò ñ íåêîòîðîé èçáûòî÷íîñòüþ, çàêëàäûâàÿ âîçìîæíîñòü ðàñøèðåíèÿ ÷èñëà èñïîëüçóåìûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé, õîòÿ, åñòåñòâåííî, ñîçäàâàòü ïîëíîñòüþ óíèâåðñàëüíóþ ïëàòó íà âñå ñëó÷àè æèçíè íåöåëåñîîáðàçíî – îíà ïîëó271
Ãë. 10. Ìèêðîïðîöåññîðû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
íåñêîëüêî äåñÿòêîâ ìîäèôèêàöèé îäíîêðèñòàëüíîãî ìèêðîêîíòðîëëåðà ÌÑ68ÍÑ11 ñ ðàçëè÷íîé êîíôèãóðàöèåé èíòåðôåéñîâ è âíåøíèõ óñòðîéñòâ äëÿ ðàçëè÷íûõ ïðèìåíåíèé. Äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ñî âñòðîåííûìè ìèêðîïðîöåññîðàìè íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíû, êîíå÷íî, îäíîïëàòíûå êîíòðîëëåðû íà áàçå îäíîêðèñòàëüíûõ ìèêðîêîíòðîëëåðîâ, êîòîðûå èìåþò ìàëûå ãàáàðèòíûå ðàçìåðû. Èõ ìîæíî áåç òðóäà âñòðîèòü â àïïàðàò, ëåã÷å çàùèòèòü îò ýëåêòðîìàãíèòíûõ è òåïëîâûõ ïîëåé, àòìîñôåðíûõ è èíûõ âîçäåéñòâèé.
òåðôåéñîâ, 8-ðàçðÿäíîãî ÀÖÏ, è òàéìåðà ñ ðàçâèòûì èíòåðôåéñîì [96]. Âñå ýòî ðàçìåùàåòñÿ â îäíîì êðèñòàëëå, ñîåäèíÿåòñÿ ãèáêèìè ïðîâîäíèêàìè ñ âûâîäàìè ìèêðîñõåìû è çàêëþ÷àåòñÿ â êåðàìè÷åñêèé êîðïóñ. Âûñîêîïðîèçâîäèòåëüíàÿ èíòåãðàëüíàÿ òåõíîëîãèÿ, ïîçâîëÿþùàÿ ñî÷åòàòü â èçäåëèè âûñîêóþ íàäåæíîñòü ñ íåâûñîêîé ñòîèìîñòüþ, îòêðûâàåò ïåðåä îäíîêðèñòàëüíûìè ìèêðîêîíòðîëëåðàìè øèðîêèå ïåðñïåêòèâû – îò èãðóøåê è áûòîâûõ ïðèáîðîâ äî àâòîìàòèçèðîâàííûõ êîìïëåêñîâ òåõíîëîãè÷åñêîãî îáîðóäîâàíèÿ è êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Ôèðìà Ìîtorolà âûïóñêàåò
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû á) ðåãóëèðîâàòü ÿðêîñòü ãîðåíèÿ ýëåêòðîëàìïû; â) êîíòðîëèðîâàòü ñêîðîñòü âðàùåíèÿ ýëåêòðîäâèãàòåëÿ; ã) äèñòàíöèîííî óïðàâëÿòü âðàùåíèåì ýëåêòðîäâèãàòåëÿ è ìåíÿòü åãî íàïðàâëåíèå? 4. Êàêèå ïðåèìóùåñòâà èìååò îäíîêðèñòàëüíûé ìèêðîêîíòðîëëåð ïåðåä îäíîïëàòíûì? Êàêèå íåäîñòàòêè èìååò îäíîïëàòíûé ìèêðîêîíòðîëëåð ?
1. Êàêèå îòëè÷èÿ ñóùåñòâóþò ìåæäó ìåõàíè÷åñêîé ñ÷åòíîé ìàøèíêîé è ìèêðîïðîöåññîðîì? ×òî ìåæäó íèìè îáùåãî? 2. Çà÷åì ÌÏÓ íóæåí ÓÂÂ? Ìîæíî ëè îáîéòèñü áåç ÓÂÂ? 3. Êàêèå Ó íóæíû ìèêðîïðîöåññîðíîìó êîíòðîëëåðó ÷òîáû: à) êîíòðîëèðîâàòü ìãíîâåííóþ ìîùíîñòü â íàãðóçêå: P = UI;
10.2. ÏÐÈÌÅÍÅÍÈÅ ÌÈÊÐÎÊÎÍÒÐÎËËÅÐÎÂ Â ÝËÅÊÒÐÎÀÏÏÀÐÀÒÎÑÒÐÎÅÍÈÈ
ïàðàìåòðû íàäåæíîñòè àïïàðàòà ìîæíî ïîäòâåðäèòü â ðåçóëüòàòå ñïåöèôè÷åñêèõ äëÿ ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèÿ èñïûòàíèé ïî íàðàáîòêå íà îòêàç àïïàðàòà â çàäàííûõ óñëîâèÿõ. Ýòè èñïûòàíèÿ òðåáóþò äëÿ íåêîòîðûõ àïïàðàòîâ ïðîâåäåíèÿ äî 100 ìèëëèîíîâ êîììóòàöèé, ïðè÷åì äîñòîâåðíàÿ ðåãèñòðàöèÿ ñáîåâ è îòêàçîâ íåâîçìîæíà áåç ìèêðîïðîöåññîðíîé òåõíèêè; 3) ïðèìåíåíèå ìèêðîïðîöåññîðîâ, ñâÿçàííîå ñî ñáîðîì èíôîðìàöèè î ñîñòîÿíèè àïïàðàòóðû â êîìïëåêòíûõ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ ÊÐÓ íà ïîäñòàíöèÿõ, ýëåêòðîñòàíöèÿõ è äðóãèõ ýíåðãåòè÷åñêèõ îáúåêòàõ. Ñîñòîÿíèå àïïàðàòóðû, ïðåæäå âñåãî çàùèòíîé, ñâèäåòåëüñòâóåò êàê î òåêóùèõ ðåæèìàõ, òàê è î âîçíèêíîâåíèè è ðàçâèòèè àâàðèéíûõ ñèòóàöèé, è ýòà èíôîðìàöèÿ äîëæíà áûòü ïåðåäàíà äèñïåò÷åðó íà öåíòðàëüíûé ïóëüò. Ìèêðîïðîöåññîðíûå ñèñòåìû ñáîðà èíôîðìàöèè î ñîñòîÿíèè àïïàðàòóðû âñå óâåðåííåå âûòåñíÿþò òðàäèöèîííûå ïóëüòû óïðàâëåíèÿ.  ýòîé ãëàâå áóäóò ðàññìîòðåíû ïðèìåðû êàæäîãî ïðèìåíåíèÿ ìèêðîïðîöåññîðîâ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ.
Ïðèìåíåíèå ìèêðîïðîöåññîðíîé òåõíèêè â ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèè èäåò ïî ñëåäóþùèì òðåì íàïðàâëåíèÿì: 1) èñïîëüçîâàíèå ìèêðîïðîöåññîðîâ êàê îñíîâíîãî ôóíêöèîíàëüíîãî ëîãè÷åñêîãî ýëåìåíòà ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà, âûïîëíÿþùåãî îáðàáîòêó ïîñòóïàþùèõ ñèãíàëîâ. Ïðèìåðîì ìîãóò ñëóæèòü ðåëå çàùèòû, ìèêðîïðîöåññîðíàÿ ðåàëèçàöèÿ êîòîðûõ ïîçâîëÿåò íàèëó÷øèì îáðàçîì ñîãëàñîâàòü âðåìÿòîêîâûå õàðàêòåðèñòèêè ðåëå è çàùèùàåìîãî îáúåêòà, äðóãèå òèïû ðåëå (ìîùíîñòè, íàïðàâëåíèÿ ìîùíîñòè, ôàçû è ò. ä.), òðåáóþùèå äëÿ âûïîëíåíèÿ ñâîèõ ôóíêöèé îáðàáîòêè ïîñòóïàþùèõ íà ðåëå ñèãíàëîâ. Ê íèì ñëåäóåò îòíåñòè òàêæå ýëåêòðîííî-öèôðîâûå óïðàâëÿþùèå óñòðîéñòâà ýëåêòðîïðèâîäîâ, àâòîíîìíûõ èñòî÷íèêîâ ýëåêòðîïèòàíèÿ, òåðìî è ñâåòîðåãóëÿòîðû; 2) òåõíîëîãè÷åñêèå óñòðîéñòâà, ïðèìåíÿåìûå ïðè èçãîòîâëåíèè ýëåêòðîàïïàðàòóðû. Èçâåñòíî, ÷òî òåõíîëîãèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ âî ìíîãîì ÿâëÿåòñÿ ñõîäíîé ñ òåõíîëîãèåé â ìàøèíîñòðîåíèè, íî åñòü òåõíîëîãè÷åñêèå îïåðàöèè, õàðàêòåðíûå òîëüêî äëÿ àïïàðàòíîãî ïðîèçâîäñòâà. Òàê,
10.2.1. ÌÈÊÐÎÏÐÎÖÅÑÑÎÐÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÇÀÙÈÒÛ
Ïðîáëåìû ñîãëàñîâàíèÿ âðåìÿòîêîâûõ õàðàêòåðèñòèê çàùèùàåìûõ ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ è àïïàðàòîâ èõ çàùèòû ñòîÿò â ýëåêòðîòåõíèêå
îñòðî è äàâíî. Àïïàðàòóðà çàùèòû íå äîëæíà äîïóñêàòü ïåðåãðåâà çàùèùàåìûõ îáúåêòîâ, ïîñêîëüêó ýòî ïðèâåäåò ê ïðåæäåâðåìåííîìó âûõîäó èç 272
§ 10.2. Ïðèìåíåíèå ìèêðîêîíòðîëëåðîâ â ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèè
è èçìåðèòåëüíûõ ñõåì ðåëå. Íàïðÿæåíèå íà âûõîäå òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà ñîäåðæèò èíôîðìàöèþ î ïîòåðÿõ òåïëà â îáúåêòå çàùèòû – àñèíõðîííîì äâèãàòåëå. Äåéñòâèòåëüíî, ìîæíî çàïèñàòü, ÷òî ìãíîâåííàÿ ìîùíîñòü, âûäåëÿåìàÿ â âèäå òåïëà, ðàâíà:
ñòðîÿ, è íå äîëæíà ðåàãèðîâàòü íà íåïðîäîëæèòåëüíûå òîêè ïåðåãðóçêè, íå íàãðåâàþùèå îáúåêò ñâûøå äîïóñòèìîé òåìïåðàòóðû. Òðàäèöèîííî ïðîáëåìó ïûòàþòñÿ ðàçðåøèòü ñ èñïîëüçîâàíèåì ôèçè÷åñêîãî ïîäîáèÿ òåïëîâûõ ïðîöåññîâ íàãðåâà çàùèùàåìîãî îáúåêòà è ïðîöåññîâ â àïïàðàòå çàùèòû.  êà÷åñòâå ôèçè÷åñêè ïîäîáíûõ ïðèíèìàëèñü òåïëîâûå ïðîöåññû (íàãðåâ áèìåòàëëè÷åñêîé ïëàñòèíû èëè ïëàâêîé âñòàâêè) è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû (ýëåêòðîìàãíèòíûå è èíäóêöèîííûå ñèñòåìû). Ïðàêòè÷åñêè èç-çà ñëîæíîñòè è òðóäîåìêîñòè íàñòðîéêè òàêèõ çàùèò íà âðåìÿòîêîâóþ õàðàêòåðèñòèêó îáúåêòà óäîâëåòâîðèòåëüíî ðàçðåøèòü ïðîáëåìó çàùèòû îáúåêòîâ íå óäàëîñü. Ñ ïîÿâëåíèåì âîçìîæíîñòè âñòðàèâàòü ìèêðîïðîöåññîð â àïïàðàò çàùèòû ìîæíî ãîâîðèòü î ïîÿâëåíèè ñðåäñòâ ìàòåìàòè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ íàãðåâà çàùèùàåìîãî îáúåêòà. Ãèáêîñòü ìàòåìàòè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ, íåñëîæíàÿ íàñòðîéêà íà ëþáûå ïàðàìåòðû îáúåêòà çàùèòû äåëàþò ìèêðîïðîöåññîðíûå àïïàðàòû íåçàìåíèìûìè ñðåäñòâàìè, îáåñïå÷èâàþùèìè íàäåæíóþ ðàáîòó ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ. Ðàññìîòðèì ïðèìåð òåïëîâîãî ðåëå çàùèòû òðåõôàçíîãî àñèíõðîííîãî ýëåêòðîäâèãàòåëÿ. Íîðìàëüíî çàìêíóòûå êîíòàêòû òåïëîâîãî ðåëå âêëþ÷àþòñÿ â öåïü âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ êîíòàêòîðà çàùèùàåìîãî ýëåêòðîäâèãàòåëÿ è íàðÿäó ñ êíîïêîé Ñòîï ñïîñîáíû îòêëþ÷àòü ýëåêòðîäâèãàòåëü ñ ïîìîùüþ êîíòàêòîðà (ðèñ. 10.8). Íà êàæäîé ôàçå, èäóùåé ê äâèãàòåëþ, óñòàíîâëåíû òðàíñôîðìàòîðû òîêà, ïðåîáðàçóþùèå òîê ôàçû â ïðîïîðöèîíàëüíîå åìó íàïðÿæåíèå è îñóùåñòâëÿþùèå ãàëüâàíè÷åñêóþ ðàçâÿçêó ñèëîâûõ öåïåé ïèòàíèÿ äâèãàòåëÿ
P = i 2ArA + i 2BrB + i 2CrC =
∑A,B,Ci 2ôrô , (10.1)
ãäå iA, iB, iC – òîêè â ôàçàõ äâèãàòåëÿ; rA = rB = = rC = rô – ýêâèâàëåíòíîå àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå öåïè ýëåêòðîäâèãàòåëÿ ôàçíûì òîêàì. Èìåííî ýòà ìîùíîñòü ïîòåðü çà âðåìÿ ðàáîòû äâèãàòåëÿ îïðåäåëÿåò òåìïåðàòóðó åãî íàãðåâà îòíîñèòåëüíî òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû υ0: Θ = υ − υ0. Âûäåëÿþùàÿñÿ òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ èäåò íà íàãðåâ äâèãàòåëÿ ïðîïîðöèîíàëüíî åãî ýêâèâàëåíòíîé òåïëîåìêîñòè è âûäåëÿåòñÿ â îêðóæàþùóþ ñðåäó. Óðàâíåíèå áàëàíñà òåïëîâîé ýíåðãèè èìååò âèä t
∫P dt = C
òΘ
0
t
∫
+ KòSîõëΘ dt .
(10.2)
0
Çäåñü Cò – òåïëîåìêîñòü êîíñòðóêöèè ýëåêòðîäâèãàòåëÿ; Sîõë – ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè îõëàæäåíèÿ; Kò – êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî äâèãàòåëü áûë âêëþ÷åí â ìîìåíò âðåìåíè t = 0. Äëÿ êàæäîãî ýëåêòðîäâèãàòåëÿ èëè äðóãîãî ýëåêòðîòåõíè÷åñêîãî èçäåëèÿ ïî äîïóñòèìîé òåìïåðàòóðå íàãðåâà υäîï (10.2) è (10.1) ìîæíî îïðåäåëèòü äîïóñòèìûé äëèòåëüíûé òîê ôàçû Iäîï. Ïðè IA = IB = IC = Iäîï òåìïåðàòóðà Θ ñòðåìèòñÿ ê Θäîï = = υäîï − υ0è íå ïðåâûøàåò Θäîï. Òîãäà
Ðèñ. 10.8. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ÌÏÓ ðåëå çàùèòû àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ
273
Ãë. 10. Ìèêðîïðîöåññîðû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
P = Päîï = 3Iäîïrô.
ïðèìåíåíèÿ òðåõ ÀÖÏ, ëèáî îäíîãî ÀÖÏ è áûñòðîäåéñòâóþùåãî ïîëóïðîâîäíèêîâîãî êîììóòàòîðà, ïîî÷åðåäíî ïåðåêëþ÷àþùåãî íàïðÿæåíèå ñ òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà íà âõîä îäíîãî ÀÖÏ. Äëÿ óïðàâëåíèÿ òàêèì êîììóòàòîðîì íåîáõîäèìî çàðåçåðâèðîâàòü íà ïàðàëëåëüíîì èíòåðôåéñå êàê ìèíèìóì äâà äâîè÷íûõ ðàçðÿäà. Êîììóòàöèÿ ôàç íà âõîä ÀÖÏ è èçìåðåíèå òîêà äîëæíû ïðîèñõîäèòü äîñòàòî÷íî áûñòðî, ïîñêîëüêó èíòåãðèðîâàíèå ñóììû êâàäðàòîâ îòíîñèòåëüíûõ òîêîâ η â ëåâîé ÷àñòè (10.6) òðåáóåò, ïî êðàéíåé ìåðå, 10–15 òî÷åê íà ïîëóïåðèîä ìãíîâåííîãî çíà÷åíèÿ òîêà. Ïðè ïîî÷åðåäíîì ïåðåêëþ÷åíèè ÀÖÏ íà êàæäóþ èç òðåõ ôàç, ÀÖÏ äîëæåí âûïîëíÿòü 30–45 èçìåðåíèé çà ïîëóïåðèîä. Åñëè ÷àñòîòà ñåòè ñîñòàâëÿåò 50 Ãö, òî ïåðåêëþ÷åíèå âõîäà íà ñëåäóþùóþ ôàçó è èçìåðåíèå òîêà ìîæåò äëèòüñÿ íå áîëåå 0,2–0,3 ìñ. Ýòî âïîëíå äîñòàòî÷íîå âðåìÿ íå òîëüêî äëÿ ýòèõ äåéñòâèé, íî è äëÿ íàõîæäåíèÿ ξ(t) èç (10.6). Ïðè ïðåâûøåíèè òîêîì êàêîé-ëèáî èç ôàç çíà÷åíèÿ Iäîï, çàæèãàåòñÿ ñèãíàëüíûé ñâåòîäèîä. Çíà÷åíèå Iäîï äîëæíî ñðàâíèâàòüñÿ ñ äåéñòâóþùèì çíà÷åíèåì òîêà ôàçû
(10.3)
Ñ äðóãîé ñòîðîíû ìîùíîñòü Päîï ìîæíî âûðàçèòü ÷åðåç ïåðåãðåâ óñòàíîâèâøåãîñÿ ðåæèìà Θäîï ñ ïîìîùüþ ôîðìóëû Íüþòîíà: Päîï = KòSîõëΘäîï .
(10.4)
Ïîäñòàâèâ (10.4) â (10.3), ïîëó÷àåì Iäîï = √ KòSîõëΘäîï ⁄ 3rô .
(10.5)
Âåðíåìñÿ òåïåðü ê (10.2). Ïîäñòàâèì â íåãî (10.1) è ðàçäåëèì ïðàâóþ è ëåâóþ ÷àñòè (10.2) íà êâàäðàò ïðàâîé è êâàäðàò ëåâîé ÷àñòè (10.5) ñîîòâåòñòâåííî. Ââåäåì îáîçíà÷åíèÿ: ηA = iäîï ⁄ Iäîï, ηB = iäîï ⁄ Iäîï, ηC = iäîï ⁄ Iäîï,ξ = Θ ⁄ Θäîï. Òîãäà t
t
∫(
η2A
rÔ
∫
+ η2B + η2C)dt = 3rô(KòSîõëξ + ξ dt) 0
0
è, çíàÿ, ÷òî â òåîðèè ïðîöåññîâ íàãðåâà îòíîøåíèå Cò ⁄ KòSîõë íàçûâàþò ïîñòîÿííîé âðåìåíè íàãðåâà è îáîçíà÷àþò áóêâîé τò t
∫(η
0
2 A
+ η2B + η2C)dt =
3Cò ξ KòSîõë
t
+
∫ξ dt .
(10.6)
∫i dt , √ T
IÔ = 1 ⁄ T
0
2
ô
(10.7)
0
Ýòî ðàâåíñòâî ïîêàçûâàåò, ÷òî ïîêàçàòåëü ξ = Θ ⁄ Θäîï, ñòîÿùèé â ïðàâîé ÷àñòè (10.6), îïðåäåëÿåòñÿ èíòåãðèðîâàíèåì ñóìì îòíîñèòåëüíûõ çíà÷åíèé òîêîâ ηA, ηB è ηC. Ðåøàÿ òåì èëè èíûì ñïîñîáîì (10.6) îòíîñèòåëüíî âåëè÷èíû ξ, èìååì âîçìîæíîñòü ñëåäèòü íåïîñðåäñòâåííî çà çíà÷åíèåì ξ(t) = ξ(ηA,ηB,ηC) è ðåàãèðîâàòü íà ñèòóàöèè, êîãäà ξ > 1, ò. å. Θ > Θäîï. Íåîáõîäèìî ïðàâèëüíî ââåñòè ïîñòîÿííóþ 3Cò ⁄ KòSîõë , õàðàêòåðèçóþùóþ çàùèùàåìûé ýëåêòðîäâèãàòåëü. Ðàñ÷åò ξ(t) ïðîèçâîäèòñÿ ÷èñëåííûìè ìåòîäàìè ïî ïðîãðàììå, çàëîæåííîé â ìèêðîïðîöåññîð êîíòðîëëåðà. Óñòðîéñòâî ñíàáæàåòñÿ ñâåòîäèîäíûìè èíäèêàòîðàìè ðåæèìîâ ðàáîòû è èíîãäà öèôðîâûìè èíäèêàòîðàìè òîêà â ôàçàõ. Êîììóòàöèÿ öåïè âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ òðåáóåò ïîäêëþ÷åíèÿ ê ÌÏÓ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ðåëå. Ïîýòîìó ðåëå çàùèòû ÌÏÓ äîëæíî èìåòü ÀÖÏ, èçìåðÿþùåå íàïðÿæåíèå, ïðîïîðöèîíàëüíîå òîêàì â ôàçàõ iA, iB, iC, è ïàðàëëåëüíûå èíòåðôåéñû äëÿ ââîäà öèôðîâûõ êîäîâ èç ÀÖÏ, äëÿ ââîäà çíà÷åíèé êîýôôèöèåíòà τò = Cò ⁄ KòSîõë ñ ïîìîùüþ êëàâèø ïåðåêëþ÷àòåëåé Ï1-Ï4, äëÿ âûâîäà èíäèêàöèè íà ñâåòîäèîäû è äëÿ óïðàâëåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûì ðåëå, ñòîÿùèì â öåïè âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ êîíòàêòîðà (ñì. ðèñ. 10.8). Êðîìå òîãî, èçìåðåíèå èçìåíåíèÿ òîêà ñðàçó â òðåõ ôàçàõ òðåáóåò ëèáî
ãäå T – ïåðèîä ïåðåìåííîãî òîêà. Èíòåãðàëû (10.7) ðàññ÷èòûâàþòñÿ äëÿ êàæäîé èç ôàç. Ïðè íàðóøåíèè íåðàâåíñòâà Iô < Iäîï â êàêîéëèáî èç ôàç, çàãîðàíèå ñâåòîäèîäà ñèãíàëèçèðóåò î âîçìîæíîì ñðàáàòûâàíèè ðåëå. Åñëè æå äî ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå òîê óìåíüøèòñÿ äî çíà÷åíèÿ ìåíüøåãî Iäîï è ñâåòîäèîä ïîãàñíåò, òî äâèãàòåëü íå óñïååò íàãðåòüñÿ äî òåìïåðàòóðû υäîï, è ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå íå ïðîèçîéäåò äî íîâîé ïåðåãðóçêè ïî òîêó. Áëàãîäàðÿ âû÷èñëåíèþ äåéñòâóþùåãî çíà÷åíèÿ òîêà â ôàçàõ, îêàçàëîñü âîçìîæíûì ñ ïîìîùüþ ýòîãî æå óñòðîéñòâà ðåàëèçîâàòü åùå äâå ôóíêöèè: çàùèùàòü äâèãàòåëü îò íåñèììåòðèè ôàçíûõ òîêîâ è îáðûâà ôàç. Íåñèììåòðèÿ ôàç âûçûâàåò äîïîëíèòåëüíûé íàãðåâ äâèãàòåëÿ. Ñðàâíèâàÿ äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ òîêîâ IA, IB è IC, ðåëå ïðîèçâîäèò îòêëþ÷åíèå, åñëè ìîäóëü ðàçíîñòè ìåæäó äâóìÿ ôàçàìè |IA − IB | , |IB − IC | èëè |IA − IC | ïðåâûøàåò 15% ñðåäíåãî òîêà â ôàçàõ IÔ = 1 ⁄ 3(IA + IB + IC). Êðàéíèì ñëó÷àåì íåñèììåòðèè ÿâëÿåòñÿ îáðûâ îäíîé èç ôàç: â ýòîì ñëó÷àå äâèãàòåëü íå ìîæåò çàïóñòèòüñÿ è íàõîäèòñÿ â ðåæèìå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ, äëÿ êîòîðîãî õàðàêòåðíû ñåðüåçíûå ïåðåãðóçêè ïî òîêó.  ýòîì ñëó÷àå äâèãàòåëü äîëæåí áûòü ñðàçó îòêëþ÷åí. Ïðè îòêëþ÷åíèè äâèãàòåëÿ 274
§ 10.2. Ïðèìåíåíèå ìèêðîêîíòðîëëåðîâ â ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèè
ïðè ξ > 1 èëè èç-çà íåñèììåòðèè ôàç çàãîðàåòñÿ ñèãíàëüíûé ñâåòîäèîä. Êðîìå òðåõ- èëè ÷åòûðåõ êëàâèø ïåðåêëþ÷àòåëåé, ñ ïîìîùüþ êîòîðûõ óñòàíàâëèâàåòñÿ êîýôôèöèåíò τò = Cò ⁄ KòSîõë, èìååòñÿ êíîïêà Âîçâðàò, ïîçâîëÿþùàÿ âåðíóòü ðåëå â ðàáî÷èé ðåæèì ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ äâèãàòåëÿ ïî òåì èëè èíûì ïðè÷èíàì è âîññòàíîâèòü öåïü âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ êîíòàêòîðà.  ðàáî÷åì ðåæèìå ÌÏÓ ðåëå ïðîèçâîäèò èçìåðåíèÿ òîêîâ ôàç, ðàññ÷èòûâàåò ïî íèì îòíîñèòåëüíóþ âåëè÷èíó ξ, ïî èñòå÷åíèè êàæäîãî ïåðèîäà îïðåäåëÿåò äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ òîêîâ ôàç ïî (10.7) è ñðàâíèâàåò èõ ìåæäó ñîáîé. Ïðè äîñòèæåíèè ξ çíà÷åíèÿ 1 ïðîèñõîäèò îòêëþ÷åíèå ðåëå. Îòêëþ÷åíèå ïðîèñõîäèò òàêæå ïðè ñóùåñòâåííîé íåñèììåòðèè òîêîâ èëè îáðûâå îäíîé èç ôàç.  íåðàáî÷åì ðåæèìå íàæàòèåì êíîïêè Êîíòðîëü âûçûâàåòñÿ òåñò-ïðîãðàììà, ïðîâåðÿþùàÿ ðàáîòîñïîñîáíîñòü ðåëå.
Îñîáî ñëåäóåò îòìåòèòü ôóíêöèþ, âûïîëíÿåìóþ ïåðåìåííûì ðåçèñòîðîì R, âêëþ÷åííûì ìåæäó êîììóòàòîðîì ôàç è ÖÀÏ ïî ñõåìå äåëèòåëÿ íàïðÿæåíèÿ. Îí ñëóæèò äëÿ íàñòðîéêè ðåëå íà çàäàííûé äîïóñòèìûé òîê äâèãàòåëÿ. Íàñòðîéêà îñóùåñòâëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: âìåñòî äâèãàòåëÿ âêëþ÷àþòñÿ â êàæäóþ ôàçó ðåîñòàòû è àìïåðìåòðû; óñòàíàâëèâàåòñÿ òîê â êàæäîé ôàçå, ðàâíûé Iäîï, çàòåì, âðàùåíèåì ïåðåìåííîãî ðåçèñòîðà R, äîáèâàþòñÿ çàãîðàíèÿ ñâåòîäèîäà Iô > Iäîï, â ýòîì ïîëîæåíèè äâèæîê ðåçèñòîðà R ôèêñèðóåòñÿ. Åñëè òîê Iäîï ñëèøêîì ìàë è ñ ïîìîùüþ ðåçèñòîðà R íå óäàåòñÿ äîáèòüñÿ çàãîðàíèÿ ñâåòîäèîäà, òî ñëåäóåò çàìåíèòü òðàíñôîðìàòîðû òîêà íà òàêèå, ó êîòîðûõ áîëüøèé êîýôôèöèåíò ïðåîáðàçîâàíèÿ. Îáû÷íî ðåëå êîìïëåêòóåòñÿ íåñêîëüêèìè íàáîðàìè òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà, ïåðåêðûâàþùèõ äèàïàçîí îò íåñêîëüêèõ àìïåð äî ñîòåí àìïåð.
10.2.2. ÀÏÏÀÐÀÒÓÐÀ ÄËß ÏÓÑÊÀ ÄÂÈÃÀÒÅËÅÉ
Íåîáõîäèìîñòü çàùèòû ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ îò âîçìîæíûõ òîêîâ ïåðåãðóçêè î÷åâèäíà, õîòÿ òàêàÿ çàùèòà äàëåêî íå âñåãäà îêàçûâàåòñÿ ýôôåêòèâíîé, ïîñêîëüêó ðåçóëüòàò åå ñðàáàòûâàíèÿ – îòêëþ÷åíèå îáúåêòà è ïðåêðàùåíèå åãî ôóíêöèîíèðîâàíèÿ. Âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ ìîæíî áûëî áû ïðåäîòâðàòèòü âîçíèêíîâåíèå îïàñíûõ ïåðåãðóçîê ïóòåì èçìåíåíèÿ ðåæèìà öåïè â ýòè ìîìåíòû âðåìåíè. Ïðèìåðîì òàêèõ óñòðîéñòâ, îãðàíè÷èâàþùèõ íåèçáåæíûå ïåðåãðóçêè ýëåêòðîäâèãàòåëåé ïðè ïóñêå, ÿâëÿþòñÿ óñòðîéñòâà ïëàâíîãî ïóñêà äâèãàòåëåé. Íàçíà÷åíèå ýòèõ óñòðîéñòâ – îãðàíè÷èòü ïóñêîâîé òîê àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ïðè åãî ðàçãîíå äî íîìèíàëüíîé ÷àñòîòû âðàùåíèÿ. Îãðàíè÷åíèå òîêà íå äîëæíî ïðèâîäèòü ê óìåíüøåíèþ ïóñêîâîãî ìîìåíòà âêëþ÷àåìîãî äâèãàòåëÿ äî ìîìåíòà ñîïðîòèâëåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé íàãðóçêè, èíà÷å äâèãàòåëü íèêîãäà íå çàïóñòèòñÿ. Óñòðîéñòâà ïóñêà ïî íàïðÿæåíèþ íàèáîëåå ïðîñòû è ãîäÿòñÿ äëÿ ýëåêòðîäâèãàòåëåé ñ âåíòèëÿòîðíîé íàãðóçêîé, ò. å. ïðèâîäÿùèõ â äâèæåíèå íàñîñû, ïîìïû, âåíòèëÿòîðû è äðóãå ïîäîáíûå óñòðîéñòâà. Îñíîâíàÿ èäåÿ ïóñêà äâèãàòåëÿ ïî íàïðÿæåíèþ – ïëàâíîå îãðàíè÷åíèå íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ïðè ïóñêå òàê, ÷òîáû ïîòðåáëÿåìûé òîê íå ïðåâûñèë äîïóñòèìîå çíà÷åíèå. Ïî ìåðå ðàçãîíà äâèãàòåëÿ ïðîòèâî-ÝÄÑ åãî ÿêîðÿ óâåëè÷èâàåòñÿ, è íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ äâèãàòåëÿ òàêæå ñëåäóåò óâåëè÷èâàòü äî òåõ ïîð, ïîêà îíî íå ñòàíåò ðàâíûì íàïðÿæåíèþ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ. Îãðàíè÷èòü ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå ìîæíî ñ ïîìîùüþ òèðèñòîðíîãî ðåãóëÿòîðà: äëÿ îäíîôàçíîãî äâèãàòåëÿ îí
ñîäåðæèò âñåãî äâà ñèëîâûõ òèðèñòîðà, äëÿ òðåõôàçíîãî – òðè ïàðû òèðèñòîðîâ. Êàê èçâåñòíî, ñ ïîìîùüþ òèðèñòîðîâ ëåãêî îñóùåñòâëÿåòñÿ ðåãóëèðîâàíèå ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå ïóòåì èçìåíåíèÿ óãëà âêëþ÷åíèÿ α òèðèñòîðà (ðèñ. 10.9). Èçìåíÿÿ óãîë α â êàæäîé ôàçå ñîîòâåòñòâåííî îò π ⁄ 2 äî 0, äîáèâàþòñÿ ïëàâíîãî èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ îò 0 äî U. Ìèêðîïðîöåññîðíàÿ ñèñòåìà óñòðîéñòâà ïëàâíîãî ïóñêà òðåõôàçíîãî äâèãàòåëÿ (ðèñ. 10.10) äîëæíà ñîñòîÿòü èç äàò÷èêîâ íóëÿ íàïðÿæåíèÿ ÄÍÍ (ÄÍÍ âêëþ÷àþòñÿ íà ëèíåéíûå íàïðÿæåíèÿ ÀÂ, ÂÑ, è ÑÀ), ôèêñèðóþùèõ ìîìåíò íà÷àëà îòñ÷åòà óãëà âêëþ÷åíèÿ α è áëîêà òèðèñòîðîâ VS. Ñèãíàëû ñ ÄÍÍ ïîñòóïàþò íà ìèêðîïðîöåññîðíóþ ñèñòåìó è ñëóæàò äëÿ çàïóñêà òàéìåðîâ ñîîòâåòñòâóþùåé ôàçû. Òàéìåð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñ÷åò÷èê èìïóëüñîâ âíóòðåííåãî ãåíåðàòîðà ñòàáèëüíîé ÷àñòîòû. Ñ ïðèõîäîì ñèãíàëà îò ÄÍÍ ýòîò ñ÷åò÷èê íà÷èíàåò ñ÷èòàòü. Îò îáû÷íîãî ñ÷åò÷èêà òàéìåð îòëè÷àåòñÿ íàëè÷èåì ïðåäóñòàíîâêè, ò.å. îïðåäåëåííîãî ÷èñëà, ïðè äî-
Ðèñ. 10.9. Ôîðìà êðèâîé íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ (à) â öåïè òèðèñòîðíîé ïàðû (á)
275
Ãë. 10. Ìèêðîïðîöåññîðû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
Ðèñ. 10.10. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà óñòðîéñòâà ïóñêà àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ
ëîâèÿõ ïóñêà (ïóñê â õîëîäíóþ ïîãîäó, çàãóñòåâàíèå ñìàçêè â ïîäøèïíèêàõ è ò. ï.) òàêîé æåñòêèé çàêîí ìîæåò ïðèâåñòè ê ïîÿâëåíèþ òîêîâûõ ïåðåãðóçîê äâèãàòåëÿ. Áîëåå íàäåæíûì ñïîñîáîì ïóñêà ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå ôóíêöèîíàëüíîé ñâÿçè ìåæäó íàïðÿæåíèåì íà äâèãàòåëå U, òîêîì I ÷åðåç åãî îáìîòêè è ÷èñëîì îáîðîòîâ n: U = f (I, n). Ïîäñòàâèâ â ýòó ôîðìóëó îãðàíè÷åíèå ïî òîêó I = Iäîï, ïîëó÷èì çàêîí èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ U(t) = f [Iäîï, n(t)]. Îäíàêî äëÿ ðåàëèçàöèè ýòîãî çàêîíà íóæåí äàò÷èê ÷àñòîòû âðàùåíèÿ äâèãàòåëÿ (ñì.ðèñ. 10.5) Òàêîé äàò÷èê òðåáóåò äîïîëíèòåëüíîãî êàíàëà òàéìåðà – êàíàëà çàïèñè ìîìåíòà – ñ ñ÷åò÷èêîì è ãåíåðàòîðîì ñòàáèëüíîé ÷àñòîòû. Ïîñëå ðàçãîíà äâèãàòåëÿ äî íîìèíàëüíîé ñêîðîñòè, óãîë α ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íóëþ. Òèðèñòîðû èìååò ñìûñë çàøóíòèðîâàòü ñèëîâûìè êîíòàêòàìè êîíòàêòîðà KM, óïðàâëåíèå êîòîðûì îñóùåñòâëÿåò ìèêðîïðîöåññîð.
ñòèæåíèè êîòîðîãî ñ÷åò÷èê òàéìåðà îñòàíàâëèâàåòñÿ è âûäàåò âûõîäíîé ñèãíàë. Ýòîò ñèãíàë ïîäàåòñÿ íà óñòðîéñòâî óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðàìè è ñëóæèò äëÿ âêëþ÷åíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåãî òèðèñòîðà. Ñ÷åò÷èê òàéìåðà ñáðàñûâàåòñÿ íà íîëü è æäåò ïîÿâëåíèÿ ñëåäóþùåãî èìïóëüñà îò ñîîòâåòñòâóþùåé ôàçû ÄÍÍ. Ïðåäóñòàíîâêà òàéìåðà ìîæåò èçìåíÿòüñÿ, âìåñòå ñ ýòèì áóäåò ìåíÿòüñÿ è óãîë âêëþ÷åíèÿ α òèðèñòîðà. Äëÿ ýòîãî êàæäûé êàíàë òàéìåðà ïîäêëþ÷àåòñÿ ê ìèêðîïðîöåññîðó ÷åðåç ïàðàëëåëüíûé èíòåðôåéñ âûâîäà. Íà ìèêðîïðîöåññîð âîçëàãàåòñÿ çàäà÷à ìåíÿòü ïðåäóñòàíîâêè òàéìåðà â ñîîòâåòñòâèè ñ âûáðàííûì çàêîíîì èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà äâèãàòåëå Ì. Ýòîò çàêîí ìîæåò áûòü çàäàí êàê íåêîòîðàÿ ôóíêöèÿ U(t), ãäå t – òåêóùèé ìîìåíò âðåìåíè ïóñêà äâèãàòåëÿ.  ýòîì ñëó÷àå íàïðÿæåíèå áóäåò ìåíÿòüñÿ ïî æåñòêîìó çàêîíó U(t) âíå çàâèñèìîñòè îò òîãî, êàê áóäåò ïðîèñõîäèòü ðåàëüíîå óâåëè÷åíèå ÷èñëà îáîðîòîâ äâèãàòåëÿ n(t). Ïðè âîçìîæíûõ îòêëîíåíèÿõ â óñ-
276
§ 10.2. Ïðèìåíåíèå ìèêðîêîíòðîëëåðîâ â ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèè 10.2.3. ÀÂÒÎÌÀÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÀß ÑÈÑÒÅÌÀ ÈÑÏÛÒÀÍÈÉ ÐÅËÅ
íàðóøåíèå ðàáîòîñïîñîáíîñòè (õîòÿ áû â òå÷åíèå îäíîãî öèêëà), âûðàæàþùååñÿ òåìè æå ïðèçíàêàìè, íî ñàìîïðîèçâîëüíî èñ÷åçàþùåå âïîñëåäñòâèè. Äëÿ îáúåêòèâíîé îöåíêè èçíîñîñòîéêîñòè àïïàðàòà íåîáõîäèìî ôèêñèðîâàòü íå òîëüêî îòêàçû, íî è âñå âîçíèêàþùèå ñáîè. Èñïûòàíèÿ íà èçíîñîñòîéêîñòü î÷åíü òðóäîåìêè è äëèòåëüíû. Òàê, äëÿ ãåðêîíîâûõ ðåëå, îáåñïå÷èâàþùèõ 100 ìëí. êîììóòàöèé, òàêèå èñïûòàíèÿ, äàæå ïðè îòíîñèòåëüíî ìàëîì äîïóñòèìîì âðåìåíè öèêëà (0,1 ñ), äëÿòñÿ îêîëî 116 ñóò. áåñïðåðûâíîé ðàáîòû ñòåíäà. Äëÿ äðóãèõ àïïàðàòîâ, èìåþùèõ ìåíüøóþ èçíîñîñòîéêîñòü, èñïûòàíèÿ äëÿòñÿ îò íåñêîëüêèõ ñóòîê äî íåñêîëüêèõ íåäåëü. Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü î÷åâèäíî, ÷òî ðàçðåøèòü ïðîáëåìó ïîäîáíûõ èñïûòàíèé ìîæåò òîëüêî ïðèìåíåíèå ìèêðîïðîöåññîðíûõ ñèñòåì êîíòðîëÿ. Ðàññìîòðèì ïðîñòåéøóþ ñèñòåìó, êîíòðîëèðóþùóþ çàìêíóòîå è ðàçîìêíóòîå ñîñòîÿíèÿ êîíòàêòîâ ðåëå, çàïîìèíàþùóþ âñå èìåâøèå ìåñòî
Çíà÷åíèÿ êîììóòàöèîííîé è ìåõàíè÷åñêîé èçíîñîñòîéêîñòè, ïðèâîäèìûå â ïàñïîðòå íà ëþáîå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîå ðåëå èëè êîíòàêòîð, äîëæíû áûòü ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåðæäåíû èñïûòàíèÿìè ïðåäñòàâèòåëüíîé âûáîðêè äàííûõ àïïàðàòîâ. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî, îáû÷íî 1,5–2 äåñÿòêà àïïàðàòîâ, ñëåäóåò óñòàíîâèòü íà èñïûòàòåëüíûé ñòåíä, ïîäñîåäèíèòü ïðåäóñìîòðåííûå äëÿ êîíòàêòîâ ýòîãî ðåëå èñòî÷íèê ïèòàíèÿ è íàãðóçêó è îñóùåñòâèòü ñòîëüêî êîììóòàöèé, ñêîëüêî çàïèñàíî â ïàñïîðòå íà èçäåëèå. ×òîáû ïîäòâåðäèëàñü çàïèñàííàÿ â ïàñïîðòå èçíîñîñòîéêîñòü, íåîáõîäèìî, ÷òîáû ïîäàâëÿþùåå êîëè÷åñòâî óñòàíîâëåííûõ íà ñòåíä ðåëå âûäåðæàëè óêàçàííîå êîëè÷åñòâî öèêëîâ, íå ïðîÿâèâ ïðè ýòîì íè ñáîåâ, íè îòêàçîâ. Îòêàç – ýòî íåîáðàòèìîå íàðóøåíèå ðàáîòîñïîñîáíîñòè èçäåëèÿ – íàëè÷èå òîêà â öåïè íàãðóçêè, êîãäà åãî íå äîëæíî áûòü, èëè, íàïðîòèâ, îòñóòñòâèå ýëåêòðè÷åñêîãî êîíòàêòà â öåïè íàãðóçêè, êîãäà êîíòàêò äîëæåí áûòü. Ñáîé – âðåìåííîå
Ðèñ. 10.11. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ÌÏÓ äëÿ èñïûòàíèé ðåëå
277
Ãë. 10. Ìèêðîïðîöåññîðû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
íî çíà÷åíèÿ 00, 11, 00, 11,..., ïðè÷åì 00 ïîÿâëÿåòñÿ ó çàìûêàþùèõ êîíòàêòîâ ïðè íàëè÷èè ñèãíàëà íà ïðèâîäå, à ó ðàçìûêàþùèõ êîíòàêòîâ – ïðè îòñóòñòâèè ñèãíàëà. Ïîÿâëåíèå ñëîâ ñîñòîÿíèÿ ñ èíûì ñîäåðæàíèåì èëè æå íàðóøåíèå ïîðÿäêà ïåðåäà÷è ñëîâ ñâèäåòåëüñòâóåò î âîçíèêíîâåíèè ñáîÿ èëè îòêàçà èñïûòóåìîãî ðåëå èëè èñïûòàòåëüíîé óñòàíîâêè.
ñáîè è ôèêñèðóþùóþ îòêàçû, ïðîèçâîäÿùóþ âûâîä òåêóùåé èíôîðìàöèè íà èíäèêàòîð è ïîñëå âûïîëíåíèÿ çàäàííîé íàðàáîòêè ïðåäñòàâëÿþùóþ ïîëíûé îò÷åò íà áóìàãå ñ ïîìîùüþ ïðèíòåðà. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà óñòðîéñòâà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 10.11. Îíà ñîñòîèò èç N îäèíàêîâûõ ÿ÷ååê, êîòîðûå èìåþò èñïûòóåìîå ðåëå è îäíó èëè íåñêîëüêî öåïåé íàãðóçêè – ïî ÷èñëó êîíòàêòîâ ðåëå. Îäèí âûâîä ðåçèñòîðà Rí ïîäêëþ÷åí ê îáùåìó äëÿ âñåõ ðåçèñòîðîâ íàãðóçêè ïëþñîâîìó âûâîäó èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, à äðóãîé – ÷åðåç êîíòàêò ðåëå çàìûêàåòñÿ íà íóëåâîé ïðîâîä. Ìåæäó Rí è êîíòàêòîì ïðîèçâîäèòñÿ ïîäêëþ÷åíèå äàò÷èêîâ ñîñòîÿíèÿ êîíòàêòîâ – êîìïàðàòîðîâ íàïðÿæåíèÿ. Êîìïàðàòîðîì íàçûâàåòñÿ ýëåêòðîííàÿ ñõåìà, âûõîäíîé ñèãíàë êîòîðîé (ëîãè÷åñêèé 0” èëè ëî” ãè÷åñêàÿ 1”) îïðåäåëÿåòñÿ ñîîòíîøåíèåì íàïðÿ” æåíèé íà äâóõ åãî âõîäàõ, îáîçíà÷àåìûõ êàê +” è –”. Åñëè U+ > U−, òî íà âûõîäå 1” ïðè U+ <” U− ” ” áóäåò 0”. Òàêèì îáðàçîì, êîìïàðàòîð ðåàãèðóåò íà ” çíàê ðàçíîñòè íàïðÿæåíèé íà åãî âõîäàõ. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ çàìêíóòîãî è ðàçîìêíóòîãî ñîñòîÿíèé êàæäîãî êîíòàêòà íåîáõîäèìî, ïî êðàéíåé ìåðå, äâà êîìïàðàòîðà. Ïåðâûé êîìïàðàòîð A1 äîëæåí ðåàãèðîâàòü íà ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà çàìêíóòîì êîíòàêòå è îïðåäåëÿòü, òàêèì îáðàçîì, êà÷åñòâî êîíòàêòèðîâàíèÿ; âòîðîé êîìïàðàòîð A2 äîëæåí êîíòðîëèðîâàòü óòå÷êó ÷åðåç ðàçîìêíóòûé êîíòàêò. Ñîîòâåòñòâóþùèì îáðàçîì ïîäáèðàþòñÿ ðåçèñòîðû R1, R2 è R3 äåëèòåëÿ îïîðíûõ íàïðÿæåíèé êîìïàðàòîðîâ. Ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà R1 äîëæíî áûòü ðàâíî ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîìó íàïðÿæåíèþ íà çàìêíóòîì êîíòàêòå ðåëå. Òîãäà 0” ” íà âûõîäå êîìïàðàòîðà A1 îçíà÷àåò, ÷òî êîíòàêòû çàìêíóòû è ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà íèõ ñîîòâåòñòâóåò íîðìå, â òî âðåìÿ êàê 1” íà âûõîäå A2 ” ñâèäåòåëüñòâóåò îá îòñóòñòâèè êîíòàêòà èëè î ïîâûøåííîì èõ ñîïðîòèâëåíèè â çàìêíóòîì ñîñòîÿíèè. Àíàëîãè÷íî ðàáîòàåò êîìïàðàòîð A2: 1” íà ” åãî âûõîäå îçíà÷àåò íîðìàëüíî âûñîêîå ñîïðîòèâëåíèå ìåæêîíòàêòíîãî ïðîìåæóòêà ó ðàçîìêíóòûõ êîíòàêòîâ, â òî âðåìÿ êàê 0” ìîæåò áûòü òîëüêî ” ïîâûøåííîé óòå÷êå ïðè çàìûêàíèè êîíòàêòîâ èëè â ðàçîìêíóòîì ñîñòîÿíèè. Âîçìîæíû ÷åòûðå ðàçëè÷íûõ ñî÷åòàíèÿ ñèãíàëîâ íà âûõîäàõ A1 è A2, íåñóùèõ ïîëíóþ èíôîðìàöèþ î ôóíêöèîíèðîâàíèè êîíòàêòîâ â ðåëå. Îíè ñâåäåíû â òàáë.10.1. Åñëè ðåëå èìååò íåñêîëüêî êîíòàêòîâ, òî äëÿ êàæäîãî èç íèõ íóæíû Rí è ïàðà êîìïàðàòîðîâ. Èíôîðìàöèþ, ñíèìàåìóþ ñ êîìïàðàòîðîâ êàæäîãî ðàçðÿäà ìîæíî íàçâàòü äâóõðàçðÿäíûì ñëîâîì ñîñòîÿíèÿ êîíòàêòà. Ó íîðìàëüíî ðàáîòàþùèõ êîíòàêòîâ ñëîâî ñîñòîÿíèÿ ïðèíèìàåò ïîñëåäîâàòåëü-
Òàáëèöà 10.1. Ñîñòîÿíèå êîíòàêòîâ Âûõîä À1
Âûõîä À2
Ñîñòîÿíèå êîíòàêòîâ
0
0
Êîíòàêòû çàìêíóòû, êîíòàêòíîå ñîïðîòèâëåíèå â ïðåäåëàõ íîðìû
1
1
Êîíòàêòû ðàçîìêíóòû, óòå÷êà íå ïðåâûøàåò äîïóñòèìóþ
1
0
Óòå÷êà ïðåâûøàåò äîïóñòèìóþ â ðàçîìêíóòîì ñîñòîÿíèè èëè ïîâûøåííîå ñîïðîòèâëåíèå çàìêíóòûõ êîíòàêòîâ
0
1
Íåèñïðàâíîñòü èñïûòàòåëüíîãî îáîðóäîâàíèÿ
Òàêèì îáðàçîì, ÌÏÓ èñïûòàòåëüíîãî ñòåíäà äîëæíî ôîðìèðîâàòü ñèãíàë íà óïðàâëåíèå ïðèâîäîì èñïûòóåìûõ ðåëå, îïðàøèâàòü ñîñòîÿíèå êîìïàðàòîðîâ âñåõ êîíòàêòîâ âñåõ ðåëå êàê ïðè íàëè÷èè òàê è ïðè îòñóòñòâèè ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ, ñðàâíèâàòü òåêóùåå ñëîâî ñîñòîÿíèÿ êîíòàêòîâ ñ ïðåäûäóùèì ñëîâîì ñîñòîÿíèÿ ýòîé æå ôàçû ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ, ôîðìèðîâàòü èíôîðìàöèþ î ñáîå èëè îòêàçå ïðè îáíàðóæåíèè ðàñõîæäåíèÿ â ñîñòîÿíèÿõ è, íàêîíåö, ñ÷èòàòü êîëè÷åñòâî âûïîëíåííûõ öèêëîâ. Èíôîðìàöèÿ î íàëè÷èè ñáîÿ çàïèñûâàåòñÿ â ìàññèâ, îòâåäåííûé äëÿ êàæäîãî êîíòàêòà è ñîñòîÿùèé èç äâîè÷íûõ ñëîâ ñëåäóþùåãî ôîðìàòà (ðèñ. 10.12). Ðàçðÿäíîñòü ñëîâà Ì çàâèñèò, â îñíîâíîì, îò ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîãî ÷èñëà êîììóòàöèé ïðè ïðîâåäåíèè èñïûòàíèé. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ 100 ìëí. öèêëîâ ñëîâî ðèñ. 10.12 äîëæíî èìåòü, ïî êðàéíåé ìåðå, 30 äâîè÷íûõ ðàçðÿäîâ: 27 ðàçðÿäîâ äëÿ çàïèñè ÷èñëà öèêëîâ è òðè ðàçðÿäà äëÿ íîâîãî ñëîâà ñîñòîÿíèÿ êîíòàêòîâ è äëÿ èíôîðìàöèè î ñèãíàëå íà
Ðèñ. 10.12. Ôîðìàò ýëåìåíòà ìàññèâà
278
§ 10.2. Ïðèìåíåíèå ìèêðîêîíòðîëëåðîâ â ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèè
â ýëåìåíòû ìàññèâà. Åñëè ïîñëå íàðóøåíèÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòè èçìåíåíèÿ ñëîâ ñîñòîÿíèÿ ïðîèçîøëî âîññòàíîâëåíèå ïîðÿäêà ÷åðåäîâàíèÿ ñîñòîÿíèé, òî ýòî êâàëèôèöèðóåòñÿ êàê ñáîé; åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñîñòîÿíèé íå âîññòàíîâèëàñü, òî ôèêñèðóåòñÿ îòêàç êîíòàêòîâ ðåëå. Ðàáîòà ýòîãî óñòðîéñòâà íå òðåáóåò, òàêèì îáðàçîì, ó÷àñòèÿ ÷åëîâåêà, íî ÌÏÓ íåîáõîäèìî áåñïåðåáîéíîå ýëåêòðîïèòàíèå â òå÷åíèå âñåãî öèêëà èñïûòàíèé.
îáìîòêå. Îïåðàòèâíóþ èíôîðìàöèþ î íîìåðå îòêàçàâøåãî êîíòàêòà è î íîìåðå ðåëå, â êîòîðîì óñòàíîâëåí ýòîò êîíòàêò, öåëåñîîáðàçíî âûâåñòè íà èíäèêàòîð. Ïî èñòå÷åíèè çàäàííîãî êîëè÷åñòâà öèêëîâ èñïûòàíèÿ ïðåêðàùàþòñÿ è çàïóñêàåòñÿ ïðîãðàììà âûâîäà ïðîòîêîëà èñïûòàíèé. Ïðîãðàììà àíàëèçèðóåò ìàññèâ Ì-ðàçðÿäíûõ ñëîâ êàæäîãî êîíòàêòà ðàçëè÷íûõ ðåëå è â ñîîòâåòñòâèè ñ òàáë.10.1 àíàëèçèðóåò ñëîâà ñîñòîÿíèÿ, çàïèñàííûå
10.2.4. ÌÈÊÐÎÏÐÎÖÅÑÑÎÐÍÛÅ ÑÈÑÒÅÌÛ ÊÎÍÒÐÎËß ÇÀÙÈÒÍÎÉ È ÊÎÌÌÓÒÀÖÈÎÍÍÎÉ ÀÏÏÀÐÀÒÓÐÛ
íàïðÿæåíèÿ ÂÂ1 è ÂÂ2 íà òðàíñôîðìàòîðíîé ïîäñòàíöèè. Åñëè îäèí èç ïðîâîäîâ, ïîäêëþ÷åííûõ ê âñïîìîãàòåëüíîìó êîíòàêòó, çàçåìëåí, à âòîðîé èäåò íà ïàðàëëåëüíûé èíòåðôåéñ ÌÏÓ, ïðè÷åì îí ñîåäèíåí ÷åðåç ðåçèñòîð R ñ èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ +U, òî ïðè çàìûêàíèè âñïîìîãàòåëüíîãî êîíòàêòà íà âõîä ïàðàëëåëüíîãî èíòåðôåéñà ïîñòóïàåò íèçêèé ïîòåíöèàë, áëèçêèé ê 0, à ïðè ðàçìûêàíèè – ñèãíàë áóäåò áëèçîê ê +U. Èíòåðôåéñ äîëæåí âîñïðèíèìàòü ýòè ñèãíàëû êàê ëîãè÷åñêèé 0” èëè ” âèäå ëîãè÷åñêóþ 1” è ïåðåäàâàòü èõ â òàêîì ” â ìèêðîïðîöåññîð. Ìèêðîïðîöåññîð ïåðèîäè÷åñêè îïðàøèâàåò ñîñòîÿíèÿ âñåõ âõîäîâ ïàðàëëåëüíîãî èíòåðôåéñà è ñðàâíèâàåò ñ ïðåäûäóùèìè ñîñòîÿíèÿìè. Åñëè âîçíèêàþò èçìåíåíèÿ â ñîñòîÿíèè âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ, íàïðèìåð, ñðàáîòàëî îäíî èç äâóõ ðåëå çàùèòû ÊÀ, òî ýòî áóäåò òóò æå çàôèêñèðîâàíî ìèêðîïðîöåññîðîì êàê èçìåíåíèå ðàçðÿäà, ñîîòâåòñòâóþùåãî ýòîìó ðåëå. Ìèêðîïðîöåññîðíûé ïóëüò âûâåäåò èíôîðìàöèþ íà áóìàãó è çàïèøåò åå â ïðîòîêîë. Ñðàáàòûâàíèå ðåëå çàùèòû ÊÀ âûçîâåò ñðàáàòûâàíèå âûêëþ÷àòåëÿ Q è ïîâëå÷åò èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ äðóãîãî ðàçðÿäà, ÷òî òîæå áóäåò îòðàæåíî íà èíäèêàòîðå è â ïðîòîêîëå.  ðåçóëüòàòå îïåðàòîð áóäåò èìåòü ïîëíóþ êàðòèíó ñîáûòèé è ñìîæåò ïðîàíàëèçèðîâàòü ñèòóàöèþ è îïåðàòèâíî ïðèíÿòü ìåðû. Îïðîñ âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ ñîâðåìåííûå ÌÏÓ ñáîðà èíôîðìàöèè ïðîèçâîäÿò âñåãî çà 1–3 ìñ, ÷òî ïîçâîëÿþò çàôèêñèðîâàòü âî âðåìåíè êàðòèíó ïðîöåññà ñðàáàòûâàíèÿ çàùèòû, äëÿùåãîñÿ êàê ïðàâèëî 10–50 ìñ. Ìèêðîïðîöåññîðíàÿ ñèñòåìà ñáîðà èíôîðìàöèè (ðèñ. 10.13) íàìíîãî óäîáíåå, ÷åì òðàäèöèîííûé ïóëüò ñ ëàìïî÷êàìè, íî îíà íåóäîáíà ïðè ìîíòàæå, ïîñêîëüêó îò êàæäîãî âñïîìîãàòåëüíîãî êîíòàêòà àïïàðàòà íåîáõîäèìî âûâîäèòü ñâîé ïðîâîä.  ñîâðåìåííûõ ñèñòåìàõ ñáîðà èíôîðìàöèè ïàðàëëåëüíûé èíòåðôåéñ çàìåíÿþò íà ïîñëåäîâàòåëüíûé, à ëèíèè ñâÿçè ñîåäèíÿþò â ñåòü (ñì.ðèñ. 10.14). Ïîñëåäîâàòåëüíûé èíòåðôåéñ ïîçâîëÿåò êîäèðîâàòü èíôîðìàöèþ î ñîñòîÿíèè âñïîìîãàòåëü-
Äëÿ òîãî ÷òîáû ïîëó÷èòü èíôîðìàöèþ î ñîñòîÿíèè àïïàðàòà, íàõîäÿùåãîñÿ â ÊÐÓ íà ýëåêòðîñòàíöèè èëè íà ïîäñòàíöèè, âñþ ýëåêòðè÷åñêóþ àïïàðàòóðó êîíñòðóèðóþò ñî âñïîìîãàòåëüíûìè êîíòàêòàìè – ìàëîìîùíûìè êîíòàêòàìè, êîòîðûå çàìûêàþòñÿ èëè ðàçìûêàþòñÿ ñèíõðîííî ñ îñíîâíûìè êîíòàêòàìè àïïàðàòà, ïîä äåéñòâèåì òîãî æå ïðèâîäà. Ýòà èíôîðìàöèÿ áûâàåò î÷åíü âàæíà äëÿ îïåðàòîðà, íàáëþäàþùåãî çà ðàáîòîé âñåé ñåòè ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíîãî ïóëüòà. Äî íåäàâíåãî âðåìåíè ïóëüò ïðåäñòàâëÿë ñîáîé íàáîð ñèãíàëüíûõ ëàìïî÷åê, ñèãíàëèçèðóþùèõ î çàìûêàíèè îäíîãî èç âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ îäíîãî àïïàðàòà. Åñëè ó÷åñòü, ÷òî ñëîæíûå àïïàðàòû, òàêèå êàê âûêëþ÷àòåëè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ, èìåþò íåñêîëüêî âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ, à âñåãî ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ íà ýëåêòðîñòàíöèè èëè ïîäñòàíöèè ìîæåò áûòü íåñêîëüêî ñîòåí, òî ïóëüòû ïîëó÷àëèñü î÷åíü ãðîìîçäêèìè è ïðàâèëüíàÿ ðåàêöèÿ îïåðàòîðà íà ñîáûòèÿ â ñåòè òðåáîâàëà áîëüøîãî âíèìàíèÿ è íàâûêîâ ðàáîòû ñ ïóëüòîì. Äëÿ îáëåã÷åíèÿ ðàáîòû îïåðàòîðà ïóëüòû ñòàëè ñíàáæàòü ìèêðîïðîöåññîðíûìè ñèñòåìàìè ñáîðà èíôîðìàöèè, êîòîðûå íåïðåðûâíî îïðàøèâàÿ ñîñòîÿíèå âñåõ âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ, ôèêñèðóþò èçìåíåíèÿ ýòèõ ñîñòîÿíèé è âûäàþò îïåðàòèâíóþ èíôîðìàöèþ îá èçìåíåíèÿõ â ñåòè. Ïî çàæèãàíèþ è ïîãàñàíèþ ëàìïî÷åê íà ïóëüòàõ ñòàðîãî îáðàçöà îïåðàòîðó áûâàåò î÷åíü òðóäíî îïðåäåëèòü ïîñëåäîâàòåëüíîñòü, â êîòîðîé ñðàáàòûâàëè àïïàðàòû â àâàðèéíîé ñèòóàöèè, à ìèêðîïðîöåññîðíûé ïóëüò çàôèêñèðóåò ýòó ïîñëåäîâàòåëüíîñòü àáñîëþòíî äîñòîâåðíî è åùå óêàæåò âðåìåííûå èíòåðâàëû ìåæäó ñðàáàòûâàíèÿìè àïïàðàòîâ. Ýòî ïîçâîëèò îïåðàòèâíî ïðîàíàëèçèðîâàòü ñèòóàöèþ è ïðèíÿòü ìåðû ïî ëèêâèäàöèè àâàðèè. Êðîìå òîãî, ìèêðîïðîöåññîðíûé ïóëüò âûâåäåò ïðîòîêîë âñåõ ñîáûòèé ñ ïîìîùüþ ïðèíòåðà. Íà ðèñ. 10.13. ïîêàçàíà ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ñèñòåìû ñáîðà èíôîðìàöèè î ñîñòîÿíèè ðåëå çàùèòû ÐÒ1 è ÐÒ2 è êîíòàêòîâ âûêëþ÷àòåëåé âûñîêîãî 279
Ãë. 10. Ìèêðîïðîöåññîðû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
íîãî êîíòàêòà è ïåðåäàâàòü åå â âèäå íàáîðà èìïóëüñîâ çàäàííîé äëèòåëüíîñòè. Ïðè÷åì, åñëè îáåñïå÷èòü ðàçäåëåíèå âî âðåìåíè ïåðåäà÷è èí-
Ðèñ. 10.13. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ÌÏÓ ñáîðà èíôîðìàöèè î ñîñòîÿíèè àïïàðàòóðû
ôîðìàöèè îò êàæäîãî àïïàðàòà, òî äîñòàòî÷íî èìåòü ëèøü ïàðó ïðîâîäîâ, ïðîõîäÿùèõ ÷åðåç âñå àïïàðàòû è ñîåäèíåííûõ ñ ïðèåìíèêîì ïîñëåäîâàòåëüíîãî èíòåðôåéñà, íàõîäÿùèìñÿ â ÌÏÓ. Êîëè÷åñòâî ïðîâîäîâ ïðè ýòîì ðåçêî óìåíüøàåòñÿ, íî äëÿ îðãàíèçàöèè ïðàâèëüíîé ïåðåäà÷è è ñèíõðîíèçàöèè ïåðåäà÷è îò ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, ïðèõîäèòñÿ íà êàæäûé àïïàðàò ñòàâèòü ïåðåäàò÷èê ïîñëåäîâàòåëüíîãî êîäà è íåáîëüøîé ìèêðîïðîöåññîð, êîäèðóþùèé ñîñòîÿíèÿ âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ ýòîãî àïïàðàòà è óïðàâëÿþùèé ïåðåäà÷åé äàííûõ. Òàêèì îáðàçîì, â ñîñòàâå êàæäîãî ýëåêòðè÷åñêîãî àïïàðàòà ïîÿâëÿþòñÿ ìèêðîïðîöåññîðíûå óñòðîéñòâà, íî îíè íå âëèÿþò íà ôóíêöèîíèðîâàíèå àïïàðàòà, à òîëüêî ñîáèðàþò èíôîðìàöèþ î åãî ñîñòîÿíèè è ïåðåäàþò åå íà ïóëüò. Ïðèâåäåííûå ïðèìåðû íàãëÿäíî äåìîíñòðèðóþò òå íîâûå âîçìîæíîñòè, êîòîðûå îòêðûâàþòñÿ ïåðåä ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèåì ñ ïîÿâëåíèåì îäíîïëàòíûõ è îäíîêðèñòàëüíûõ ìèêðîêîíòðîëëåðîâ. Èçó÷åíèå ïðèåìîâ ïðîåêòèðîâàíèÿ è ïðîãðàììèðîâàíèÿ ìèêðîïðîöåññîðíûõ ñèñòåì êàê ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ÿâëÿåòñÿ ïðåäìåòîì èíæåíåðíîé ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ â ýòîé îáëàñòè. Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî ïðèìåíåíèå ñëîæíûõ ýëåêòðîííûõ ñõåì â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ ïîêà åùå ñâÿçàíî ñ ðÿäîì òåõíè÷åñêèõ òðóäíîñòåé (òðåáóåòñÿ îáåñïå÷èòü çàùèòó îò ïîìåõ, òåïëîâûõ è ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîçäåéñòâèé), çà àïïàðàòàìè ñ ìèêðîïðîöåññîðíûì óïðàâëåíèåì áîëüøîå áóäóùåå.
Ðèñ. 10.14. Ñîâðåìåííàÿ ñèñòåìà ñáîðà èíôîðìàöèè ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì êàíàëîì ïåðåäà÷è
280
§ 10.2. Ïðèìåíåíèå ìèêðîêîíòðîëëåðîâ â ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèè
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû çàùèòèò çàêëèíèâøèé ïðè ïóñêå äâèãàòåëü îò ïåðåãðóçîê ïî òîêó? Çàâèñèò ëè îòâåò íà ýòîò âîïðîñ îò ïðèíÿòîãî çàêîíà èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ U(t), çàëîæåííîãî â óñòðîéñòâà ïóñêà? 4. ×åì îïðåäåëÿåòñÿ îòñóòñòâèå èëè íàëè÷èå ñáîåâ è îòêàçîâ ïðè èñïûòàíèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ ðåëå â àâòîìàòèçèðîâàííîé ñèñòåìå? ×åì îãðàíè÷åíî êîëè÷åñòâî öèêëîâ èñïûòàíèé ðåëå? ×åì îãðàíè÷åíî êîëè÷åñòâî îäíîâðåìåííî èñïûòûâàåìûõ ðåëå?
1. ×åì ìèêðîïðîöåññîðíîå ðåëå çàùèòû àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ îò ïåðåãðóçîê îòëè÷àåòñÿ îò òåïëîâîãî ðåëå? ×òî ìåæäó íèìè îáùåãî? 2. Ñðàáîòàåò ëè ìèêðîïðîöåññîðíîå ðåëå çàùèòû äâèãàòåëÿ, åñëè çàùèùàåìûé äâèãàòåëü çàêëèíèò ïðè ïóñêå? Åñëè äà, òî êàê ýòî ïðîèçîéäåò? 3.  öåïè ïèòàíèÿ àñèíõðîííîãî äâèãàòåëÿ ñòîÿò ìèêðîïðîöåññîðíîå ðåëå çàùèòû äâèãàòåëÿ îò ïåðåãðóçêè è ìèêðîïðîöåññîðíîå óñòðîéñòâî ïóñêà äâèãàòåëÿ ïî íàïðÿæåíèþ. Êàêîå èç ýòèõ óñòðîéñòâ
281
Ãëàâà îäèííàäöàòàÿ ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÊÎÌÌÓÒÀÖÈÎÍÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ È ÐÅÃÓËßÒÎÐÛ ÏÎÑÒÎßÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ 11.1. ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÅ È ÃÈÁÐÈÄÍÛÅ ÊÎÌÌÓÒÀÖÈÎÍÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÏÎÑÒÎßÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ 11.1.1. ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß Î ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÕ È ÃÈÁÐÈÄÍÛÕ ÀÏÏÀÐÀÒÀÕ
(ñì. ï. 7.1.3). Íàïðèìåð, ïðè áûñòðîì îòêëþ÷åíèè àêòèâíî-èíäóêòèâíîé öåïè ïðàêòè÷åñêè âñÿ ýíåðãèÿ, íàêîïëåííàÿ â åå èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé, ïåðåõîäèò â êëþ÷.  ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîì êëþ÷å ýòà ýíåðãèÿ âûçûâàåò äóãîîáðàçîâàíèå ñ ïîñëåäóþùèì ïåðåõîäîì â òåïëî.  ñòàòè÷åñêèõ êëþ÷àõ äóãîîáðàçîâàíèå îòñóòñòâóåò è ýíåðãèÿ âûäåëÿåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî â êëþ÷å, íàïðèìåð, â êðèñòàëëå ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ïðèáîðà. Ïðè÷åì, ýòî ÿâëåíèå ñîïðîâîæäàåòñÿ âîçíèêíîâåíèåì íåäîïóñòèìûõ ïåðåíàïðÿæåíèé èëè òîêîâûõ ïåðåãðóçîê (ñì. ï. 7.1.3).  ðåçóëüòàòå âîçìîæåí âûõîä êëþ÷à èç ñòðîÿ, åñëè íå ïðèíÿòü ñîîòâåòñòâóþùèõ ìåð (èñïîëüçîâàíèå ÖÔÒÏ èëè äîïîëíèòåëüíûõ ýíåðãîïîãëîòèòåëåé (ñì. ï. 7.1.4). Ïîâûøåííàÿ ñòîéêîñòü ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî êëþ÷à ïî ñðàâíåíèþ ñî ñòàòè÷åñêèì ê òîêîâûì ïåðåãðóçêàì è ïåðåíàïðÿæåíèÿì ñ î÷åâèäíîñòüþ âûòåêàåò èç ïðèíöèïà äåéñòâèÿ è êîíñòðóêòèâíûõ èñïîëíåíèé êëþ÷åé. Ñòàòè÷åñêèå êëþ÷è ïîçâîëÿþò ðåàëèçîâàòü êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ñ óïðàâëåíèåì êîììóòàöèîííûìè ïðîöåññàìè. Òàêàÿ âîçìîæíîñòü ñëåäóåò èç áûñòðîäåéñòâèÿ ñòàòè÷åñêèõ êëþ÷åé è ñïîñîáíîñòè íåêîòîðûõ èç íèõ ðàáîòàòü â àêòèâíîì ðåæèìå êàê ðåãóëèðóåìîå ñîïðîòèâëåíèå (òðàíçèñòîðíûå êëþ÷è). Áûñòðîäåéñòâèå ñòàòè÷åñêèõ êëþ÷åé ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü èìïóëüñíîå ðåãóëèðîâàíèå íà ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ â êîììóòèðóåìîé öåïè. Èìïóëüñíîå óïðàâëåíèå ïàðàìåòðàìè öåïè áîëåå ýôôåêòèâíî ïî ñðàâíåíèþ ñ ðåãóëèðîâàíèåì çà ñ÷åò íåïðåðûâíîãî èçìåíåíèÿ àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ, òàê êàê îíî âûçûâàåò çíà÷èòåëüíûå ïîòåðè ìîùíîñòè, îãðàíè÷èâàþùèå âîçìîæíîñòè óïðàâëåíèÿ. Îòñóòñòâèå ïîäâèæíûõ ìåõàíè÷åñêèõ ÷àñòåé è äóãîâûõ ÿâëåíèé ïðàêòè÷åñêè ñíèìàåò îãðàíè÷åíèÿ íà äîïóñòèìûå êîëè÷åñòâà êîììóòàöèè ñòàòè÷åñêèõ êëþ÷åé. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî ÿâëÿåòñÿ ñóùåñòâåííûì ïðåèìóùåñòâîì ñòàòè÷åñêèõ êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòîâ. Íàëè÷èå ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè ìåæäó öåïÿìè èñòî÷íèêà ýëåêòðîïèòàíèÿ, íàãðóçêè è óïðàâëåíèÿ â ðÿäå ñëó÷àåâ îêàçûâàåòñÿ ðåøàþùèì ôàêòîðîì, âëèÿþùèì íà âûáîð àïïàðàòà.  ýòîì îòíî-
Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé ïîñðåäñòâîì ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé. Ïðèìåðîì òàêèõ àïïàðàòîâ ñëóæàò ñòàòè÷åñêèå ðåëå è êîíòàêòîðû ñ ôóíêöèÿìè àíàëîãè÷íûìè äëÿ òðàäèöèîííûõ àïïàðàòîâ ýòèõ âèäîâ.  òàêîì ïðèìåíåíèè èñïîëüçóåìûå â íèõ êëþ÷è ìîãóò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê ïðåðûâàòåëè ñ îòíîñèòåëüíî ðåäêîé êîììóòàöèåé. Ñòàòè÷åñêèå êëþ÷è â èìïóëüñíûõ ðåãóëÿòîðàõ ðàáîòàþò, êàê ïðàâèëî, â ðåæèìå ïåðèîäè÷åñêîé êîììóòàöèè íà ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ. Îäíàêî â îòäåëüíûõ ñëó÷àÿõ ñòàòè÷åñêèé àïïàðàò ñîâìåùàåò ôóíêöèè êîììóòèðóþùåãî è ðåãóëèðóþùåãî óñòðîéñòâ.  ðàçäåëå î êîììóòàöèè ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé òðàäèöèîííûìè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèìè àïïàðàòàìè áûëî ââåäåíî ïîíÿòèå èäåàëüíîãî êëþ÷à. Òàì æå îòìå÷àëîñü, ÷òî ïî ñòàòè÷åñêèì ÂÀÕ êëþ÷à, çàâèñÿùèì îò ïðîâîäèìîñòè âî âêëþ÷åííîì è âûêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèÿõ, ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå êëþ÷è ïðèáëèæàþòñÿ ê èäåàëüíûì. Ïî äèíàìè÷åñêèì ÂÀÕ, õàðàêòåðèçóþùèì áûñòðîäåéñòâèå, ñòàòè÷åñêèå êëþ÷è ïðèáëèæàþòñÿ ê èäåàëüíûì. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå è ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû íå èñêëþ÷àþò äðóã äðóãà, à äîïîëíÿþò è ðàñøèðÿþò îáëàñòü ðàöèîíàëüíûõ òåõíè÷åñêèõ ðåøåíèé çàäà÷ êîììóòàöèè. Ñòàòè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå êëþ÷è ñóùåñòâåííî ðàçëè÷àþòñÿ ïî ñëåäóþùèì ïîêàçàòåëÿì: – âîçìîæíîñòÿì è ñïîñîáàì îòâîäà ýëåêòðîýíåðãèè ïðè êîììóòàöèîííûõ ïðîöåññàõ; – óïðàâëåíèþ êîììóòàöèîííûì ïðîöåññîì; – ñòîéêîñòè ê ïåðåãðóçêàì ïî òîêó è ïåðåíàïðÿæåíèÿì; – êîëè÷åñòâó êîììóòàöèé; – íàëè÷èþ ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè ìåæäó öåïÿìè èñòî÷íèêà, íàãðóçêè è óïðàâëåíèÿ. Ýòè ïîêàçàòåëè îïðåäåëÿþò ðàöèîíàëüíûå îáëàñòè è ýôôåêòèâíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ òîãî è èëè èíîãî âèäà êëþ÷åé. Ïîýòîìó ðàññìîòðèì èõ ïîäðîáíåå. Ïðè ïåðåõîäå êëþ÷à èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå (âêëþ÷åííîå èëè âûêëþ÷åííîå) â êëþ÷å âûäåëÿåòñÿ ýíåðãèÿ, êîòîðàÿ çàâèñèò êàê îò äèíàìè÷åñêîé ÂÀÕ êëþ÷à, òàê è õàðàêòåðà êîììóòèðóåìîé öåïè 282
§ 11.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïîñòîÿííîãî òîêà
ïû äåéñòâèÿ ñòàòè÷åñêèõ àïïàðàòîâ íà òðàíçèñòîðàõ è çàïèðàåìûõ òèðèñòîðàõ âî ìíîãîì ñõîäíû. Ïðè èñïîëüçîâàíèè òðàäèöèîííûõ òèðèñòîðîâ âîçíèêàþò çàäà÷è, ñâÿçàííûå ñ èõ ïðèíóäèòåëüíûì âûêëþ÷åíèåì. Ðåøåíèå ýòèõ çàäà÷ âîçìîæíî ðàçëè÷íûìè ñõåìîòåõíè÷åñêèìè ñïîñîáàìè. Âûáîð íàèáîëåå öåëåñîîáðàçíîãî èç íèõ ïðîèçâîäèòñÿ ñ ó÷åòîì êîíêðåòíûõ òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèõ óñëîâèé åãî ïðîèçâîäñòâà è ïðèìåíåíèÿ.  îòäåëüíûõ ñëó÷àÿõ öåëåñîîáðàçíûì îêàçûâàåòñÿ èñïîëüçîâàíèå â îäíîì àïïàðàòå äâóõ âèäîâ êëþ÷åé – ñòàòè÷åñêèõ è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ. Òàêèå àïïàðàòû íàçûâàþòñÿ ãèáðèäíûìè. Ïî ñóùåñòâó ãèáðèäíûé àïïàðàò ÿâëÿåòñÿ ñèíòåçîì ñòàòè÷åñêèõ è òðàäèöèîííûõ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ àïïàðàòîâ. Ðåçóëüòàòîì òàêîãî òåõíè÷åñêîãî ðåøåíèÿ ÿâëÿåòñÿ îáåñïå÷åíèå âîçìîæíîñòè áîëåå ïîëíîãî èñïîëüçîâàíèÿ ïðåèìóùåñòâ îáîèõ âèäîâ êëþ÷åé.
øåíèè àïïàðàòû íà ñòàòè÷åñêèõ êëþ÷àõ ñóùåñòâåííî óñòóïàþò ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèì àïïàðàòàì, â êîòîðûõ ãàëüâàíè÷åñêàÿ ðàçâÿçêà îáóñëîâëåíà ïðèíöèïîì äåéñòâèÿ ñàìîãî àïïàðàòà.  ñòàòè÷åñêèõ àïïàðàòàõ îáåñïå÷åíèå ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè óñëîæíÿåò èõ ñõåìîòåõíèêó.  çàâèñèìîñòè îò íàçíà÷åíèÿ è êîììóòèðóåìîãî òîêà ðàçëè÷àþò ñòàòè÷åñêèå ðåëå, êîíòàêòîðû, àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè è äð. Øèðîêèå âîçìîæíîñòè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé ïîçâîëÿþò â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñîçäàâàòü ìíîãîôóíêöèîíàëüíûå ñòàòè÷åñêèå àïïàðàòû, âûïîëíÿþùèå ôóíêöèè êîììóòàöèè, ðåãóëèðîâàíèÿ, çàùèòû è ïð. Ïàðàìåòðû êîììóòèðóåìîé öåïè îïðåäåëÿþò âèä ñòàòè÷åñêîãî êëþ÷à. Ðåëå è êîíòàêòîðû ñðåäíåé ìîùíîñòè âûïîëíÿþòñÿ íà òðàíçèñòîðàõ. Äëÿ êîììóòàöèè öåïåé ñ áîëüøèìè òîêàìè è âûñîêèìè íàïðÿæåíèÿìè èñïîëüçóþòñÿ òèðèñòîðû. Ïðèíöè-
11.1.2. ÒÐÀÍÇÈÑÒÎÐÍÛÅ ÐÅËÅ È ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÛ
áûòü èñêëþ÷åíà â ñõåìàõ ñ ðåëåéíîé õàðàêòåðèñòèêîé ïåðåêëþ÷åíèÿ. Ðàññìîòðèì ýòî ÿâëåíèå áîëåå ïîäðîáíî.
Ôóíêöèþ òðàíçèñòîðíîãî ðåëå êàê êîíòàêòîðà ìîæåò âûïîëíÿòü ïðîñòåéøèé òðàíçèñòîðíûé óñèëèòåëü, âûïîëíåííûé, íàïðèìåð, ïî ñõåìå ñ îáùèì ýìèòòåðîì (ðèñ. 11.1,à).  ýòîé ñõåìå òðàíçèñòîð VT äîëæåí ðàáîòàòü â êëþ÷åâîì ðåæèìå. Óïðàâëåíèå òðàíçèñòîðîì îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîäà÷åé íà åãî áàçó ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ UÓ, êîòîðûé ñîçäàåò áàçîâûé òîê iá, îáåñïå÷èâàþùèé ïðè çàäàííîé íàãðóçêå Rí ðåæèì íàñûùåíèÿ òðàíçèñòîðà âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè. Ñòàòè÷åñêèå è äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû òðàíçèñòîðîâ â êëþ÷åâûõ ðåæèìàõ ðàáîòû ïîäðîáíî ðàññìîòðåíû â § 7.3. Çäåñü æå îòìåòèì, ÷òî äëÿ ñêà÷êîîáðàçíîãî ïåðåõîäà òðàíçèñòîðà VT èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå è íàîáîðîò, ñèãíàë óïðàâëåíèÿ UÓ òàêæå äîëæåí èçìåíÿòüñÿ ñêà÷êîîáðàçíî (ðèñ. 11.1,á). Ïðè áîëåå ïëàâíîì èçìåíåíèè ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ ïåðåõîä òðàíçèñòîðà èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå çàòÿãèâàåòñÿ (ðèñ. 11.1,â).  ðåçóëüòàòå âîçðàñòàþò âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ (tâêë) è âûêëþ÷åíèÿ (tâûêë) òðàíçèñòîðà, êîãäà òðàíçèñòîð íàõîäèòñÿ â àêòèâíîì ðåæèìå. Êðóòèçíà ôðîíòîâ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ ìîæåò áûòü óìåíüøåíà ïðè ïðî÷èõ ðàâíûõ óñëîâèÿõ çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ, íàïðèìåð, ïîñðåäñòâîì âêëþ÷åíèÿ â ñõåìó ïðîìåæóòî÷íûõ óñèëèòåëåé. Ïðè ýòîì îäíîâðåìåííî áóäåò ðåøàòüñÿ çàäà÷à óìåíüøåíèÿ ìîùíîñòè ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ. Óâåëè÷åíèå êîììóòèðóåìîãî òîêà äîñòèãàåòñÿ âûáîðîì ñîîòâåòñòâóþùèõ ïî ìîùíîñòè òðàíçèñòîðîâ ëèáî ïàðàëëåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ èõ â íåîáõîäèìîì êîëè÷åñòâå â âûõîäíîì êàñêàäå. Çàâèñèìîñòü âðåìåíè âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ îò ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ ìîæåò
Ðèñ. 11.1. Ïðîñòåéøåå òðàíçèñòîðíîå ðåëå: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – èäåàëüíûå äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ; â – äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ ñ ó÷åòîì âðåìåí êîììóòàöèè
283
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
îáðàçíîå èçìåíåíèå ñèãíàëà Y èç íóëåâîãî çíà÷åíèÿ â ìàêñèìàëüíîå Ymax (ñðàáàòûâàíèå ðåëå) ïðîèñõîäèò ïðè Xóïð = 0, òî îáðàòíûé ïåðåõîä èç ñîñòîÿíèÿ Y = Ymax â ñîñòîÿíèå Y = 0 (îòïóñêàíèå ðåëå) ïðîèçîéäåò ïðè Xóïð = Xîòï. Øèðèíà ïåòëè ãèñòåðåçèñà îïðåäåëÿåòñÿ êîýôôèöèåíòîì Kîñ, ñ óâåëè÷åíèåì êîòîðîãî ïðè Kîñ > 1 ⁄ Kïð øèðèíà ïåòëè âîçðàñòàåò, à ïðè Kîñ = 1 ⁄ Kïð ðàâíà íóëþ. Ïðè ââåäåíèè â ñèãíàë Xóïð ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé, íàçûâàåìîé ñèãíàëîì ñìåùåíèÿ, ïåòëÿ òàêæå áóäåò ñìåùàòüñÿ îòíîñèòåëüíî îñè îðäèíàò, è ïðîïîðöèîíàëüíî Xñì áóäóò òàêæå èçìåíÿòüñÿ, ïîðîãè ñðàáàòûâàíèÿ Xñð è îòïóñêàíèÿ Xîòï (ðèñ. 11.2,â), ïðè÷åì øèðèíà ðåëåéíîé ïåòëè ïðè ýòîì íå èçìåíèòñÿ. Íà îñíîâå óñòðîéñòâ ñ S-îáðàçíîé çàâèñèìîñòüþ âûõîäíîãî ñèãíàëà îò âõîäíîãî ìîãóò âûïîëíÿòüñÿ íå òîëüêî ðåëå èëè êîíòàêòîðû, íî è àâòîãåíåðàòîðû. Äëÿ ñîçäàíèÿ ðåæèìà àâòîêîëåáàíèé
Íà ðèñ. 11.2,à ïðåäñòàâëåíà ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà óñèëèòåëÿ, îõâà÷åííîãî ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ ïî âûõîäíîìó ñèãíàëó.  ñòàòè÷åñêèõ ðåæèìàõ, à òàêæå â ñõåìàõ ñ áåçûíåðöèîííûìè çâåíüÿìè ïåðåäàòî÷íûå ôóíêöèè ïîñëåäíèõ âûðàæàþòñÿ äåéñòâèòåëüíûìè ÷èñëàìè.  ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìå çâåíó ïðÿìîé ïåðåäà÷è ñîîòâåòñòâóåò êîýôôèöèåíò Kïð, à çâåíó îáðàòíîé ñâÿçè – Kîñ. Êîýôôèöèåíò ïåðåäà÷è âñåé ñèñòåìû ñ çàìêíóòîé îáðàòíîé ñâÿçüþ (ÎÑ) ïðè äîïóùåíèè ëèíåéíîñòè çâåíüåâ âî âñåì äèàïàçîíå èçìåíåíèÿ ñèãíàëîâ èìååò ñëåäóþùèé âèä [91]: Kçàì =
Y Xóïð
=
Kïð 1 ± Kïð Kîñ
,
(11.1)
ãäå çíàê (+) ñîîòâåòñòâóåò îòðèöàòåëüíîé ÎÑ, à (–) – ïîëîæèòåëüíîé ÎÑ. Èç (11.1) ñëåäóåò, ÷òî â ñëó÷àå ïîëîæèòåëüíîé ÎÑ ïðè Kîñ → 1 ⁄ Kïð , Kçàì → ∞. Ïðè Kîñ > 1 ⁄ Kïð êîýôôèöèåíò Kçàì ïðèíèìàåò îòðèöàòåëüíîå çíà÷åíèå. Ãðàôè÷åñêàÿ èëëþñòðàöèÿ ýòèõ çàêîíîìåðíîñòåé ïðèâåäåíà íà ðèñ. 11.2,á, ãäå ïðÿìàÿ 1 ñîîòâåòñòâóåò çàâèñèìîñòè Y = KïðXóïð , à ïðÿìàÿ 2 – Xîñ = KîñY ïðè ðàçîìêíóòîé ÎÑ. Äëÿ çàìêíóòîé ïîëîæèòåëüíîé ÎÑ X∑ = Xóïð + Xîñ è Y (Xóïð) ñîãëàñíî (11.1.) ïåðåõîäèò â îáëàñòü îòðèöàòåëüíûõ çíà÷åíèé Xóïð, ÷åìó ñîîòâåòñòâóåò ïðÿìàÿ 3.  ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå ñèãíàë Y èçìåíÿåòñÿ â äèàïàçîíå îò íóëÿ äî ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ Ym äëÿ ïîëîæèòåëüíûõ çíà÷åíèé. Ôèçè÷åñêèé ñìûñë èçìåíåíèÿ çíàêà êîýôôèöèåíòà Kçàì ñîñòîèò â òîì, ÷òî ñèãíàë Xîñ ïîëîæèòåëüíîé ÎÑ äîáàâëÿåòñÿ ê ñèãíàëó óïðàâëåíèÿ Xóïð, îáåñïå÷èâàÿ âîçìîæíîñòü óìåíüøåíèÿ åãî äî çíà÷åíèé, âêëþ÷àþùèõ îòðèöàòåëüíûå. Íàïðèìåð, â ðàçîìêíóòîé ñèñòåìå ñèãíàëó Xóïð = Xà ñîîòâåòñòâóåò âûõîäíîé ñèãíàë Y0, ïðè êîòîðîì íà âûõîäå ÎÑ ôîðìèðóåòñÿ ñèãíàë X0.  ðåçóëüòàòå â çàìêíóòîé ñèñòåìå äëÿ äîñòèæåíèÿ Y0 äîñòàòî÷íî ïîäàòü íà âõîä ñèãíàë Xc. Íàêëîí ïðÿìîé 3 â îáëàñòü îòðèöàòåëüíûõ çíà÷åíèé äëÿ ñèñòåìû ñ çàìêíóòîé ïîëîæèòåëüíîé ÎÑ ïðèäàåò çàâèñèìîñòè Y = Kçàì(Xóïð ) S-îáðàçíûé õàðàêòåð ïðè îãðàíè÷åíèè âûõîäíîãî ñèãíàëà óðîâíåì Ymax. Òàêîé S-îáðàçíûé õàðàêòåð çàâèñèìîñòè ìåæäó âõîäíûì è âûõîäíûì ñèãíàëàìè ñîîòâåòñòâóåò ðåëåéíîé õàðàêòåðèñòèêå, êîãäà âûõîäíîé ñèãíàë Y èçìåíÿåò ñêà÷êîîáðàçíî ñâîå çíà÷åíèå. Îäíîâðåìåííî âîçíèêàåò ÿâëåíèå ãèñòåðåçèñà (çàïàçäûâàíèÿ), ïðè êîòîðîì çíà÷åíèÿ Xóïð, ñîîòâåòñòâóþùèå ïåðåõîäó èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå è îáðàòíî, ðàçëè÷íû. Íàïðèìåð, åñëè â ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå ñêà÷êî-
Ðèñ. 11.2. Ðåëåéíûé ýôôåêò: à – ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà; á – õàðàêòåðèñòèêè; â – âëèÿíèå ñìåùåíèÿ íà õàðàêòåðèñòèêè
284
§ 11.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïîñòîÿííîãî òîêà
â óñòðîéñòâî ñ S-îáðàçíîé çàâèñèìîñòüþ ââîäÿò ðàçëè÷íûå èíåðöèîííûå ýëåìåíòû, íàïðèìåð, êîíäåíñàòîðû. Ðåëåéíûé ýôôåêò îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ñõåì òðàíçèñòîðíûõ ðåëå. Ïðèìåðîì ìîãóò ñëóæèòü ñõåìû íà îñíîâå äâóõêàñêàäíûõ óñèëèòåëåé ñ ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ ïî íàïðÿæåíèþ èëè òîêó. Ðàññìîòðèì êðàòêî ïðîöåññû â ýòèõ ñõåìàõ. Ñõåìà ñ ÎÑ ïî íàïðÿæåíèþ (ðèñ. 11.3,à). Ïðåäïîëîæèì, ÷òî òðàíçèñòîð VT2 âòîðîãî êàñêàäà âûïîëíÿåò ôóíêöèè êëþ÷åâîãî ýëåìåíòà ñòàòè÷åñêîãî ðåëå, êîììóòèðóþùåãî íàãðóçêó Rí. Óïðàâëåíèå ðåëå îñóùåñòâëÿåòñÿ îò èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ Uó ñèãíàëîì, ïîäàâàåìûì ÷åðåç ðåçèñòîð RB1 íà áàçó òðàíçèñòîðà VT1. Çà èñõîäíîå ñîñòîÿíèå ïðèìåì âêëþ÷åííîå ñîñòîÿíèå ðåëå, êîãäà òðàíçèñòîð VT2 íàõîäèòñÿ â ïðîâîäÿùåì (íàñûùåííîì) ñîñòîÿíèè, êîòîðîìó ñîîòâåòñòâóþò ñîîòíîøåíèÿ IC2 ≤ β2IB2 ≅
β2E RC1 + RB2
,
íóëÿ çà ñ÷åò äåéñòâèÿ ÎÑ, åñëè ñîáëþäàåòñÿ ñëåäóþùåå óñëîâèå E Rîñ + Rí
≅ iÂ1 ≥
IC1 β1
≈
E β1RÍ
.
(11.4)
Ñîïðîòèâëåíèå Roc, îáåñïå÷èâàþùåå ðåëåéíûé ýôôåêò, ìîæåò ïðèáëèæåííî áûòü îïðåäåëåíî Rîñ < β1β2
RíRC1 RC1 + RB2
.
(11.5)
Äëÿ îáðàòíîãî ïåðåõîäà òðàíçèñòîðà VT2 â íàñûùåííîå ñîñòîÿíèå (âêëþ÷åíèå ðåëå) íåîáõîäèìî çàïèðàþùèì ñèãíàëîì UÓ (ñ ïîëÿðíîñòüþ, óêàçàííîé íà ðèñ. 11.3,à â ñêîáêàõ) ïåðåâåñòè òðàíçèñòîð VT1 â ñîñòîÿíèå îòñå÷êè. Ïðè ýòîì íåîáõîäèìî êîìïåíñèðîâàòü âëèÿíèå ïîëîæèòåëüíîé ÎÑ, ÷òî ïîâûøàåò íàïðÿæåíèå Uñð ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå (ðèñ. 11.3,â).
(11.2)
ãäå IC2, IB2 – òîêè êîëëåêòîðà è áàçû òðàíçèñòîðà VT2; β2 – êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ òðàíçèñòîðà VT2. Íàïðÿæåíèå Uó ðàâíî íóëþ è òðàíçèñòîð VT1 íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè îòñå÷êè. Ïðè ïîäà÷å íà áàçó òðàíçèñòîðà VT1 íàïðÿæåíèÿ UÓ ñ ïîëÿðíîñòüþ, ñîîòâåòñòâóþùåé åãî âêëþ÷åíèþ (óêàçàííîé áåç ñêîáîê íà ðèñ. 11.3,à) â öåïè áàçû âîçíèêàåò òîê. Ñ óâåëè÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ òîê áàçû iÂ1 è òðàíçèñòîð VT1 ïåðåõîäèò èç ñîñòîÿíèÿ îòñå÷êè â àêòèâíûé ðåæèì.  ðåçóëüòàòå ïîòåíöèàë êîëëåêòîðà òðàíçèñòîðà VT1 óìåíüøàåòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ òîêà iB2 òðàíçèñòîðà VT2, êîòîðûé íà÷èíàåò âûõîäèòü èç ñîñòîÿíèÿ íàñûùåíèÿ è ïîòåíöèàë åãî êîëëåêòîðà âîçðàñòàåò. Ýòî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ òîêà â öåïè îáðàòíîé ñâÿçè iîñ ≈
UÑÅ2 Rîñ
,
(11.3)
ãäå UCE2 – íàïðÿæåíèå êîëëåêòîð-ýìèòòåð òðàíçèñòîðà VT2. Ïîÿâëåíèå òîêà iîñ ïðèâîäèò ê åùå áîëüøåìó óâåëè÷åíèþ òîêà iB1 è âêëþ÷åíèþ òðàíçèñòîðà VT1. Òàêèì îáðàçîì, áëàãîäàðÿ íà÷àëó äåéñòâèÿ ïîëîæèòåëüíîé ÎÑ, ïðîöåññ íà÷èíàåò ïðèîáðåòàòü ëàâèíîîáðàçíûé (ðåãåíåðàòèâíûé) õàðàêòåð, ïðèâîäÿ ïðè îïðåäåëåííîì çíà÷åíèè Roc ê ðåëåéíîìó ýôôåêòó, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî ïðîèñõîäèò ñêà÷êîîáðàçíîå âûêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà (âûêëþ÷åíèå ðåëå).  íîâîì ñîñòîÿíèè òðàíçèñòîð VT1 áóäåò îñòàâàòüñÿ íàñûùåííûì è ïðè ñíèæåíèè UÓ äî
Ðèñ. 11.3. Òðàíçèñòîðíûå ðåëå ñ ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ: à – ïî íàïðÿæåíèþ; á – ïî òîêó; â – äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ
285
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
Ñõåìà ñ ÎÑ ïî òîêó (ðèñ. 11.3,á) â ëèòåðàòóðå íàçûâàåòñÿ òðèããåðîì Øìèòòà”.  ýòîé ñõåìå ïîëîæèòåëüíàÿ” ÎÑ îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç ñîïðîòèâëåíèå Rîñ, âêëþ÷åííîå â öåïü ýìèòòåðà òðàíçèñòîðà VT1. Ïðè âêëþ÷åíèè òðàíçèñòîðà VT2 (âêëþ÷åíèè ðåëå) â öåïè ÎÑ íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê, ñîçäàþùèé íàïðÿæåíèå íà Rîñ ñ ïîëÿðíîñòüþ, ñîîòâåòñòâóþùåé âûêëþ÷åíèþ òðàíçèñòîðà VT1. Ïðè ïîäà÷å íà áàçó òðàíçèñòîðà VT1 íàïðÿæåíèÿ ñ ïîëÿðíîñòüþ, ñîîòâåòñòâóþùåé åãî âêëþ÷åíèþ, íàïðÿæåíèå íà òðàíçèñòîðå VT1 óìåíüøàåòñÿ, âûçûâàÿ âûêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà VT2.  ðåçóëüòàòå âîçäåéñòâèÿ ïîëîæèòåëüíîé ÎÑ ïðè îïðåäåëåííûõ çíà÷åíèÿõ Rîñ âîçíèêàåò ëàâèíîîáðàçíîå ïåðåêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðîâ èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå, êîòîðîå ñîîòâåòñòâóåò ðåëåéíîìó ýôôåêòó. Ñîïðîòèâëåíèå Rîñ, ïðè êîòîðîì âîçíèêàåò ýòîò ýôôåêò, ïðèáëèæåííî ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî: Rîñ > β1β2
RC1 + RB2 RC1
.
Ðèñ. 11.4. Ñõåìà óïðàâëÿþùåãî êàñêàäà íà îïåðàöèîííîì óñèëèòåëå
(11.6)
 ñõåìå ñ ÎÑ ïî òîêó ïîðîãîâûå ñðàáàòûâàíèÿ è îòïóñêàíèÿ ðåëå òàêæå ðàçëè÷íû, êàê è â ñõåìå ñ ÎÑ ïî íàïðÿæåíèþ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ñõåìà ñ ÎÑ ïî òîêó òàêæå ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà äëÿ ñîçäàíèÿ ïðîñòåéøåãî ñòàòè÷åñêîãî ðåëå íà äèñêðåòíûõ ýëåìåíòàõ, íî ïî îñíîâíûì ïîêàçàòåëÿì (ÊÏÄ è äð.) îíà íåñêîëüêî óñòóïàåò ñõåìå ñ ÎÑ ïî íàïðÿæåíèþ. Ïðè èñïîëüçîâàíèè èíòåãðàëüíûõ ìèêðîñõåì ñîâìåñòíî ñ äèñêðåòíûìè ýëåìåíòàìè öåëåñîîáðàçíî ðåëåéíûé ýëåìåíò âûïîëíÿòü íà îïåðàöèîííûõ óñèëèòåëÿõ ñ ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ (ñì. § 9.3.), à â êà÷åñòâå îêîíå÷íîãî êàñêàäà èñïîëüçîâàòü ñèëîâîé êëþ÷ íà òðàíçèñòîðàõ. Ïðèìåð òàêîé ñõåìû ïðèâåäåí íà ðèñ. 11.4. Îáåñïå÷åíèå ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè. Îäíèì èç íåäîñòàòêîâ ñòàòè÷åñêèõ êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòîâ ÿâëÿåòñÿ îòñóòñòâèå ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè ìåæäó öåïÿìè ñèëîâîãî êëþ÷à è óïðàâëåíèÿ. Ýòî îáóñëîâëåíî ïðèíöèïîì äåéñòâèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êëþ÷åé, â êîòîðûõ òîêè óòå÷êè ïðîòåêàþò è â ðåæèìàõ îòñå÷êè. Öåïè óïðàâëåíèÿ ãàëüâàíè÷åñêè ñâÿçàíû ñ ñèëîâûì êëþ÷îì. Äëÿ ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè âûõîäíîé öåïè ñ öåïÿìè óïðàâëåíèÿ, êàê ïðàâèëî, èñïîëüçóþò ðàçëè÷íûå îïòîýëåìåíòû: ñâåòîäèîäû, ôîòîðåçèñòîðû, ôîòîòðàíçèñòîðû è äð. Îáû÷íî ýòî îïòðîííûå ïàðû â èíòåãðàëüíîì èñïîëíåíèè. Îïòðîííûå ïàðû ìîãóò âêëþ÷àòüñÿ íåïîñðåäñòâåííî íà óïðàâëÿþùåì âõîäå àïïàðàòà è îáåñïå÷èâàòü ãàëüâàíè÷åñêóþ ðàçâÿçêó öåïåé ôîðìèðîâàíèÿ óïðàâëÿþùåãî ñèãíàëà ñ âûõîäîì. Îäíàêî ïðåäïî÷òèòåëüíåé îïòðîííóþ ïàðó ìàêñèìàëüíî ïðèáëèçèòü ê îêîíå÷íîìó êàñêàäó, êîòîðûé
Ðèñ. 11.5. Îáåñïå÷åíèå ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè ìåæäó ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ è ñèëîâûì ýëåêòðîííûì êëþ÷îì: à – îïòîïàðîé; á – âûñîêî÷àñòîòíûì òðàíñôîðìàòîðîì
ÿâëÿåòñÿ ñèëîâûì èñïîëíèòåëüíûì îðãàíîì.  ýòîì ñëó÷àå áóäåò îáåñïå÷åíà ãàëüâàíè÷åñêàÿ ðàçâÿçêà öåïåé ïðåäâàðèòåëüíûõ êàñêàäîâ óñèëåíèÿ è äðóãèõ ôóíêöèîíàëüíûõ, êàê ïðàâèëî, ñëàáîòî÷íûõ óçëîâ îò ñèëîâîé öåïè. Íà ðèñ. 11.5,à ïðèâåäåíà óïðîùåííàÿ ñõåìà ñ ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêîé íà îñíîâå îïòðîííîé ïàðû. Ãàëüâàíè÷åñêàÿ ðàçâÿçêà ìåæäó öåïÿìè óïðàâëåíèÿ è ñèëîâûì êëþ÷îì ìîæåò áûòü âûïîëíåíà è íà îñíîâå òðàíñôîðìàòîðîâ. Äëÿ ýòîãî â ñõåìå èñïîëüçóåòñÿ ïðîìåæóòî÷íîå çâåíî ïåðåìåííîãî òîêà ïîâûøåííîé ÷àñòîòû (ðèñ. 11.5,á). Âëèÿíèå èíäóêòèâíîñòè öåïè íà ïðîöåññ êîììóòàöèè. Ìíîãèå âèäû èñòî÷íèêîâ ýëåêòðîïèòàíèÿ è íàãðóçîê îáëàäàþò âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì àêòèâíî-èíäóêòèâíîãî õàðàêòåðà. Èíäóêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ öåïè ñóùåñòâåííî âëèÿåò íà ïðîöåññû åå êîììóòàöèè, çàìåäëÿÿ íàðàñòàíèå òîêà öåïè ïðè åå âêëþ÷åíèè è âûçûâàÿ ïåðåíàïðÿæåíèÿ íà êëþ÷å ïðè îòêëþ÷åíèè. Ïîäðîáíî àíàëèç ýòèõ ÿâëåíèé è ñïîñîáû îãðàíè÷åíèÿ ïåðåíàïðÿæåíèé ðàññìîòðåíû â § 7.1. Êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïðîåêòèðóþòñÿ ñ ó÷åòîì îòêëþ÷åíèÿ àâàðèéíûõ òîêîâ, íàïðèìåð, ïðè ÷àñòè÷íî èëè ïîëíîñòüþ êîðîòêîçàìêíóòîé öåïè íàãðóçêè (ðèñ. 11.6,à).  ýòîì ñëó÷àå â èíäóêòèâíîñòÿõ ìîæåò íàêàïëèâàòüñÿ çíà÷èòåëüíàÿ ýíåðãèÿ Li 2 ⁄ 2, âûâîä êîòîðîé èç ýëåêòðè÷åñêîé öåïè óñëîæíÿåò 286
§ 11.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïîñòîÿííîãî òîêà
çàäà÷ó êîììóòàöèè. Íà ðèñ. 11.6,á ïðåäñòàâëåíà ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà òðàíçèñòîðíîãî ðåëå VT. Â ýòîé ñõåìå âõîäíàÿ èíäóêòèâíîñòü Lâõ ÿâëÿåòñÿ ýêâèâà-
ëåíòíîé èíäóêòèâíîñòüþ ãåíåðàòîðà ïîñòîÿííîãî òîêà E è ëèíèè, â êîòîðîé óñòàíîâëåíî ðåëå, à Lí.ýêâ – ýêâèâàëåíòíîé èíäóêòèâíîñòüþ îòêëþ÷àåìîé íàãðóçêè. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ê ìîìåíòó íà÷àëà âûêëþ÷åíèÿ ðåëå (t = t0) òîê iS â êîììóòè-
ðóåìîé öåïè äîñòèã çíà÷åíèÿ Ism (ðèñ. 11.6,â). Ïðè
ýòîì âî âõîäíîé èíäóêòèâíîñòè áóäåò íàêîïëåíà ýíåðãèÿ LâõI 2sm ⁄ 2, à â èíäóêòèâíîñòè íàãðóçêè –
LíýêâI 2sm ⁄ 2. Åñëè âîñïîëüçîâàòüñÿ ìîäåëüþ òðàíçèñ-
òîðíîãî êëþ÷à êàê ãåíåðàòîðà ëèíåéíî ñïàäàþùåãî òîêà ñ ôðîíòîì tâûêë = t1 − t0, îïðåäåëÿåìûì ïàðà-
ìåòðàìè òðàíçèñòîðà, òî ïåðåíàïðÿæåíèÿ íà èíäóêòèâíûõ ñîñòàâëÿþùèõ áóäóò îïðåäåëÿòüñÿ ñêîðîñòüþ ñïàäà òîêà is, ðàâíîé â äàííîì ñëó÷àå Ism ⁄ tâûêë. Ýòè ïåðåíàïðÿæåíèÿ äîëæíû áûòü îãðàíè÷åíû íà äîïóñòèìîì äëÿ òðàíçèñòîðà óðîâíå, ÷òîáû èñêëþ÷èòü âûõîä åãî èç ñòðîÿ. Âêëþ÷åíèå â ñõåìó ðåëå îáðàòíîãî äèîäà ïîçâîëÿåò îãðàíè÷èòü ïåðåíàïðÿæåíèÿ îò èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íàãðóçêè Ií.ýêâ íà óðîâíå, îïðåäåëÿåìîì âõîäíûì
íàïðÿæåíèåì E. Îäíàêî ïåðåíàïðÿæåíèÿ îò èíäóêòèâíîñòè Lâõ íå ìîãóò áûòü òàêæå ëåãêî îãðàíè÷åíû. Ýôôåêòèâíóþ ðîëü â äàííîì ñëó÷àå ìîãóò ñûãðàòü ýíåðãîïîãëîùàþùèå ÖÔÒÏ (ñì. § 7.4.), íàïðèìåð, âêëþ÷åííûå ïàðàëëåëüíî òðàíçèñòîðó RC-öåïü èëè âàðèñòîð. Ïàðàëëåëüíàÿ RC-öåïü óìåíüøàåò äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ðåëåéíîãî êîíòàêòà â âûêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè, ÷òî íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïðè åå èñïîëüçîâàíèè. Ïðèìåíåíèå âàðèñòîðà â ýòîì îòíîøåíèè ïðåäïî÷òèòåëüíåé, òàê êàê äî íàñòóïëåíèÿ ðåæèìà ïðîáîÿ íà îïðåäåëåííîì óðîâíå íàïðÿæåíèÿ åãî ïðîâîäèìîñòü íèçêà è íåçíà÷èòåëüíî âëèÿåò íà ñîïðîòèâëåíèå êîíòàêòà âûêëþ÷åííîãî ðåëå. Î÷åâèäíî, ÷òî íàïðÿæåíèå ïðîáîÿ âàðèñòîðà Uvar äîëæíî áûòü ìåíüøå íàïðÿæåíèÿ äîïóñòèìîãî äëÿ òðàíçèñòîðà. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, çíà÷åíèå Uvar îïðåäåëÿåò âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ ðåëå. Íàïðèìåð, ïîëàãàÿ òðàíçèñòîð èäåàëüíûì ïî áûñòðîäåéñòâèþ, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ñïàä òîêà is
Ðèñ. 11.6. Âëèÿíèå èíäóêòèâíîñòåé âõîäíûõ è âûõîäíûõ öåïåé íà âûêëþ÷åíèå ýëåêòðîííîãî ðåëå à – ñõåìà ñ áîëüøèì ÷èñëîì íàãðóçîê; á – ñõåìà ñ âàðèñòîðíûì îãðàíè÷èòåëåì ïåðåíàïðÿæåíèÿ; â – äèàãðàììû òîêîâ è íàïðÿæåíèé ñõåìû ñ âàðèñòîðîì
Ïîñëå âûêëþ÷åíèÿ ðåëå íàãðóçêà áóäåò îòêëþ÷åíà îò èñòî÷íèêà ýëåêòðîýíåðãèè, íî â íåé ìîæåò ïðîäîëæàòü ïðîòåêàòü òîê ií, îáóñëîâëåííûé ýíåðãèåé, íàêîïëåííîé â èíäóêòèâíîñòè Lí.ýêâ. Î÷åâèäíî, ÷òî äëÿ ñíèæåíèÿ ýíåðãîåìêîñòè âàðèñòîðà, íåîáõîäèìî óìåíüøàòü ýíåðãèþ, íàêàïëèâàåìóþ â èíäóêòèâíîñòè Lâõ. Ñ ýòîé öåëüþ â ñòàòè÷åñêèõ àïïàðàòàõ çàùèòû îò òîêîâ ÊÇ ñëåäóåò óìåíüøàòü óðîâåíü îòêëþ÷àåìîãî òîêà çà ñ÷åò áû-
÷åðåç âàðèñòîð ïðîèñõîäèò ïî ëèíåéíîìó çàêîíó (ðèñ. 11.6,â). Ïðè ýòîì ýíåðãèÿ LâõI 2sm ⁄ 2 ðàññåèâà-
åòñÿ â âàðèñòîðå â âèäå âûäåëÿåìîãî â íåì òåïëà. Âðåìÿ ñïàäà òîêà äî íóëÿ, ò.å. âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ ðåëå tâûêë â äàííîì ñëó÷àå áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ ðàçíèöåé íàïðÿæåíèé âàðèñòîðà Uvar è èñòî÷íèêà E: tâûêë =
Uvar − E Lâõ
.
(11.7) 287
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
ñòðîäåéñòâèÿ ýëåêòðîííîãî êëþ÷à. Ñîâðåìåííûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è ïîçâîëÿþò ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííî îòêëþ÷èòü êîðîòêîçàìêíóòûå öåïè è èñêëþ÷èòü ðàçâèòèå àâàðèéíîãî ïðîöåññà.  ðåçóëüòàòå ýíåðãèÿ, íàêàïëèâàåìàÿ â Lâõ, ìîæåò áûòü ñóùåñòâåííî óìåíüøåíà. Åñëè àïïàðàò ðàññ÷èòàí íà êîììóòàöèþ öåïåé ñ áîëüøèìè èíäóêòèâíîñòÿìè Lâõ, öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå ýíåðãîïîãëîòèòåëÿ êîíäåíñàòîðû, ïîäêëþ÷åííûå ñ âõîäíîé ñòîðîíû àïïàðàòà. Íî òàêèå êîíäåíñàòîðû ìîãóò îêàçûâàòü íåæåëàòåëüíîå âëèÿíèå íà ðàáîòó ñèñòåìû ýëåêòðîïèòàíèÿ, ïîýòîìó íàëè÷èå è çíà÷åíèå åìêîñòè âõîäíûõ êîíäåíñàòîðîâ äîëæíû áûòü îòðàæåíû â òåõíè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèêàõ àïïàðàòà. Ðàñøèðåíèå ôóíêöèé òðàíçèñòîðíûõ ðåëå è êîíòàêòîðîâ. Õîðîøàÿ óïðàâëÿåìîñòü è âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå òðàíçèñòîðíûõ êëþ÷åé ïîçâîëÿþò ðàñøèðÿòü ôóíêöèè êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòîâ. Îñíîâíûìè íàïðàâëåíèÿìè ýòîãî ÿâëÿþòñÿ: ðåãóëèðîâàíèå òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ â êîììóòèðóåìîé öåïè; êîíòðîëü ïàðàìåòðîâ è çàùèòà êîììóòèðóåìîé öåïè; ôóíêöèîíèðîâàíèå ïî çàäàííîìó àëãîðèòìó; êîíòðîëü, çàùèòà è äèàãíîñòèêà îñíîâíûõ ôóíêöèîíàëüíûõ óçëîâ. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå ôóíêöèè áîëåå ïîäðîáíî. Ðåãóëèðîâàíèå òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ öåïè îñóùåñòâëÿåòñÿ ïóòåì ïåðåâîäà òðàíçèñòîðà â àêòèâíûé èëè èìïóëüñíûé ðåæèìû ñ óïðàâëÿåìûì êîýôôèöèåíòîì çàïîëíåíèÿ èìïóëüñîâ. Èìïóëüñíîå ðåãóëèðîâàíèå ïðåäïî÷òèòåëüíåå ïî îñíîâíûì òåõíè÷åñêèì ïîêàçàòåëÿì è ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûì. Ðåæèì ðåãóëèðîâàíèÿ òîêà îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ îãðàíè÷åíèÿ òîêà â êîììóòèðóåìîé öåïè. Íà ðèñ. 11.7 ïðåäñòàâëåíû ñõåìà è äèàãðàììà îãðàíè÷åíèÿ òîêà â íàãðóçêå â èìïóëüñíîì ðåæèìå ðàáîòû òðàíçèñòîðîâ. Ïðè âîçíèêíîâåíèè ïåðåãðóçêè, íàïðèìåð, ïîäêëþ÷åíèè ñîïðîòèâëåíèÿ Zí′, òîê â êëþ÷å íà÷èíàåò âîçðàñòàòü.  ìîìåíò äîñòèæåíèÿ òîêîì is ïîðîãîâîãî çíà÷åíèÿ Iïîð òðàíçèñòîð âûêëþ÷àåòñÿ, è íà÷èíàåòñÿ ñïàä òîêà, êîòîðûé ïðè èíäóêòèâíîì õàðàêòåðå íàãðóçêè ïðîòåêàåò ÷åðåç îáðàòíûé äèîä VD. Êîíòðîëü òîêà îñóùåñòâëÿåòñÿ äàò÷èêîì òîêà ÄÒ. Ðàçëè÷íûå ñïîñîáû èìïóëüñíîãî ðåãóëèðîâàíèÿ ðàññìàòðèâàþòñÿ â § 11.2.  íåêîòîðûõ ñòàòè÷åñêèõ ðåëå è êîíòàêòîðàõ èìïóëüñíîå ðåãóëèðîâàíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ â öåëÿõ ïëàâíîãî íàðàñòàíèÿ òîêà â ïîòðåáèòåëå ïðè åãî ïîäêëþ÷åíèè ê èñòî÷íèêó ýëåêòðîïèòàíèÿ (ðèñ. 11.7,â). Íàïðèìåð, ïëàâíîå íàðàñòàíèå òîêà â ãàëîãåíîâûõ ëàìïàõ çíà÷èòåëüíî ïîâûøàåò ðåñóðñ èõ ðàáîòû. Èìïóëüñíîå ðåãóëèðîâàíèå òàêæå èñïîëü-
Ðèñ. 11.7. Îãðàíè÷åíèå è ðåãóëèðîâàíèå òîêà: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ â ðåæèìå îãðàíè÷åíèÿ òîêà; â – äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ â ïóñêîâîì ðåæèìå
çóåòñÿ äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ïëàâíîãî ïóñêà èëè îñòàíîâêè ýëåêòðîïðèâîäà ïîñòîÿííîãî òîêà è äð. Ïðèìåðîì ñõåì, ðåàëèçóþùèõ ðàáîòó ðåëå ïî çàäàííîìó àëãîðèòìó, ìîãóò ñëóæèòü ðåëå âðåìåíè. Íà ðèñ. 11.8 ïðåäñòàâëåíà ïðîñòåéøàÿ ñõåìà ðåëå âðåìåíè, âûïîëíåííàÿ íà îñíîâå ñõåìû äâóõêàñêàäíîãî òðàíçèñòîðíîãî ðåëå.  ýòîé ñõåìå íåò ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè – ýòî êîìïàðàòîð áåç ÎÑ.  èñõîäíîì ñîñòîÿíèè ðåëå âêëþ÷åíî, ò. å. òðàíçèñòîð VT1 – çàïåðò íàïðÿæåíèåì Eçàï, à òðàíçèñòîð VT2 âûõîäíîãî êàñêàäà ïðîâîäèò òîê íàãðóçêè. Âûäåðæêà âðåìåíè íà îòêëþ÷åíèå ñîçäàåòñÿ RC-öåïüþ, êîíäåíñàòîð C êîòîðîé â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè øóíòèðîâàí êîíòàêòàìè êëþ÷à óïðàâëåíèÿ S, à åãî ôóíêöèè ìîæåò âûïîëíÿòü äðóãîå ðåëå. Îòêëþ÷åíèå ðåëå ïðîèñõîäèò ïðè ðàçìûêàíèè êëþ÷à S, â ðåçóëüòàòå ÷åãî íà÷èíàåòñÿ çàðÿä êîíäåíñàòîðà C ïî öåïè: E → Eçàï → C → R1. Ïðè ïðåâûøåíèè íàïðÿæåíèåì íà êîíäåíñàòîðå Uc çíà÷åíèÿ, ðàâíîãî ñóììå íàïðÿæåíèé íà èñòî÷íèêå Eçàï è p-n-ïåðåõîäàõ äèîäà VD è òðàíçèñòîðà VT1, â áàçå ïîñëåä288
§ 11.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïîñòîÿííîãî òîêà
÷òî ñîîòâåòñòâóåò îòêëþ÷åíèþ ðåëå. Âðåìÿ âûäåðæêè íà îòêëþ÷åíèå ðåëå ïðèáëèæåííî îïðåäåëÿåòñÿ tâûêë ≈ R1C ln (1 +
Eçàï ) E
.
(11.8)
Ðàçâèòèå ýëåêòðîííûõ òåõíîëîãèé ïðèíöèïèàëüíûì îáðàçîì èçìåíèëî âîçìîæíîñòè ðàñøèðåíèÿ ôóíêöèé ñòàòè÷åñêèõ ðåëå è êîíòàêòîðîâ. Íà îñíîâå èíòåãðàöèè â îäíîì êîðïóñå ìèêðîñõåì óïðàâëåíèÿ, âêëþ÷àÿ ìèêðîïðîöåññîðû è ñèëîâûõ òðàíçèñòîðíûõ êëþ÷åé áûëè ñîçäàíû, òàê íàçûâàåìûå, èíòåëëåêòóàëüíûå, èëè ðàçóìíûå” ðåëå. Ýòè ðåëå íå òîëüêî ðåàëèçóþò âñå”ôóíêöèè, óêàçàííûå âûøå, íî è ïîçâîëÿþò èõ ïîñòîÿííî ðàñøèðÿòü è äîïîëíÿòü íîâûìè âîçìîæíîñòÿìè.  êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñ. 11.9 ïðèâåäåíà ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà èíòåëëåêòóàëüíîãî ðåëå ôèðìû Siemens, ñîçäàííîãî äëÿ àâòîìîáèëüíîé ïðîìûøëåííîñòè. Îñíîâíûìè ôóíêöèÿìè ýòèõ ðåëå ÿâëÿþòñÿ: âêëþ÷åíèå è îòêëþ÷åíèå íàãðóçêè; çàùèòà öåïåé îò êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ, ïåðåãðóçêè, ïåðåíàïðÿæåíèÿ, íåïðàâèëüíîé ïîëÿðíîñòè íàïðÿæåíèÿ è ò. ä.; âûäà÷à èíôîðìàöèè íà âíåøíèå óñòðîéñòâà î ñîñòîÿíèè öåïè, íàëè÷èè è âèäå àâàðèéíîé ñèòóàöèè è äð. Èñïîëüçîâàíèå ìîùíûõ òðàíçèñòîðíûõ êëþ÷åé ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü òàêæå è ìíîãîôóíêöèîíàëüíûå ñòàòè÷åñêèå àïïàðàòû, îáúåäèíÿþùèå ôóíêöèè êîíòàêòîðîâ è ðåãóëÿòîðîâ.
Ðèñ. 11.8. Ýëåêòðîííîå ðåëå âðåìåíè
Ðèñ. 11.9. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà èíòåëëåêòóàëüíîãî èíòåãðàëüíîãî ðåëå
íåãî íà÷íåò ïðîòåêàòü áàçîâûé òîê.  ðåçóëüòàòå òðàíçèñòîð VT1 îòêðûâàåòñÿ, à VT2 – çàêðûâàåòñÿ,
11.1.3. ÒÈÐÈÑÒÎÐÍÛÅ ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÛ
ôîðìèðóåòñÿ ïðè ðàçðÿäå ïðåäâàðèòåëüíî çàðÿæåííîãî êîíäåíñàòîðà â êîëåáàòåëüíîì LC-êîíòóðå. Êîììóòàöèÿ òèðèñòîðà îáðàòíûì íàïðÿæåíèåì êîíäåíñàòîðà. Íà ðèñ. 11.10 ïðåäñòàâëåíà ñõåìà ñ êîíäåíñàòîðíîé ïðèíóäèòåëüíîé êîììóòàöèåé, îñóùåñòâëÿåìîé ïîäêëþ÷åíèåì çàðÿæåííîãî êîììóòèðóþùåãî êîíäåíñàòîðà Cê ïàðàëëåëüíî îñíîâíîìó ñèëîâîìó òèðèñòîðó VS1. Íàãðóçêà ïðåäïîëàãàåòñÿ àêòèâíî-èíäóêòèâíàÿ (íàïðèìåð, îáìîòêà âîçáóæäåíèÿ ýëåêòðîäâèãàòåëÿ). Ïîýòîìó â ñõåìå äëÿ ïðîòåêàíèÿ òîêà, îáóñëîâëåííîãî ýíåðãèåé, íàêîïëåííîé â èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íàãðóçêè íà èíòåðâàëå âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ òèðèñòîðà VS1, ïðåäóñìîòðåí îáðàòíûé äèîä VD. Ïîäêëþ÷åíèå êîíäåíñàòîðà Cê îñóùåñòâëÿåòñÿ âñïîìîãàòåëüíûì êîììóòèðóþùèì òèðèñòîðîì VS2. Óïðàâëåíèå ïðåðûâàòåëåì ïðîèçâîäèòñÿ ïîäà÷åé âíåøíèõ ñëàáîòî÷íûõ ñèãíàëîâ èëè âêëþ÷åíèåì ñóõèõ êîíòàêòîâ óïðàâëÿþùèõ öåïåé, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ íà âûõîäå ÑÓ îòïèðàþùèõ èìïóëüñîâ äëÿ òèðèñòîðîâ VS1 è VS2.
Òèðèñòîðû èñïîëüçóþò êàê êëþ÷åâûå ýëåìåíòû êîíòàêòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà â öåïÿõ ñ ïîâûøåííûìè çíà÷åíèÿìè íàïðÿæåíèé è òîêîâ. Äîñòîèíñòâîì òèðèñòîðíûõ êëþ÷åé ÿâëÿåòñÿ èõ âûñîêàÿ ïåðåãðóçî÷íàÿ ñïîñîáíîñòü â êðàòêîâðåìåííûõ ðåæèìàõ ðàáîòû. Ïðè èñïîëüçîâàíèè â êà÷åñòâå êëþ÷à çàïèðàåìîãî òèðèñòîðà ñõåìà ñòàòè÷åñêîãî àïïàðàòà íå èìååò ïðèíöèïèàëüíûõ îòëè÷èé îò ñõåìû àïïàðàòà ñ òðàíçèñòîðíûì êëþ÷îì. Îäíàêî ïðèìåíåíèå îáû÷íîãî òðàäèöèîííîãî òèðèñòîðà â öåïÿõ ïîñòîÿííîãî òîêà ñâÿçàíî ñ íåîáõîäèìîñòüþ ââåäåíèÿ â ñèëîâóþ ÷àñòü ñõåìû äîïîëíèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ ïðèíóäèòåëüíîå (èëè èñêóññòâåííîå) âûêëþ÷åíèå òèðèñòîðà (ñì. § 7.4). Ñóùåñòâóþùèå ñõåìû ïðèíóäèòåëüíîãî âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðîâ â êîíòàêòîðàõ ïîñòîÿííîãî òîêà ðàçäåëÿþò íà äâå ãðóïïû: çàïèðàåìûå îáðàòíûì íàïðÿæåíèåì è çàïèðàåìûå èìïóëüñîì îáðàòíîãî òîêà [97].  ïåðâîé ãðóïïå ñõåì â êà÷åñòâå èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ ïðåäâàðèòåëüíî çàðÿæåííûé êîíäåíñàòîð, âî âòîðîé – èìïóëüñ òîêà 289
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
Âêëþ÷åíèå ïðåðûâàòåëÿ ïðîèñõîäèò ïðè ïîäà÷å â ìîìåíò âðåìåíè t0 (ðèñ. 11.10,á) îòïèðàþùåãî èìïóëüñà íà òèðèñòîð VS1, êîòîðûé ïåðåõîäèò â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ê ìîìåíòó âðåìåíè t = t0 êîíäåíñàòîð Cê áûë çàðÿæåí äî íàïðÿæåíèÿ E èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ñ ïîëÿðíîñòüþ, óêàçàííîé íà ðèñ. 11.10,à. Îäíîâðåìåííî ñ âêëþ÷åíèåì òèðèñòîðà VS1 íà÷èíàåòñÿ êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ ïåðåçàðÿäà êîíäåíñàòîðà Cê ïî öåïè: Cê−VS1−VD1−Lê−Cê. Ïðè ýòîì íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå Cê, åñëè ïðåíåáðå÷ü ïîòåðÿìè â ýëåìåíòàõ ñõåìû, áóäåò èçìåíÿòüñÿ ïî çàêîíó ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé UCê = Uc(t0) cosωt , ãäå ω0 =
1
Lê Cê √
 ìîìåíò âðåìåíè t4 íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå äîñòèãàåò çíà÷åíèÿ, ðàâíîãî E, è ïåðåçàðÿä ïðåêðàùàåòñÿ. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî ïðè äàëüíåéøåì ïîâûøåíèè íàïðÿæåíèÿ ïðîèñõîäèò âêëþ÷åíèå îáðàòíîãî äèîäà VD, ê êîòîðîìó íà÷èíàåò ïðèêëàäûâàòüñÿ ïðÿìîå íàïðÿæåíèå, ðàâíîå ðàçíîñòè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ E è íàïðÿæåíèÿ êîíäåíñàòîðà UC.  ðåçóëüòàòå òîê íàãðóçêè Ií ïðîòåêàåò ÷åðåç âêëþ÷åííûé äèîä VD (òîê, îáóñëîâëåííûé íàêîïëåíèåì ýíåðãèè â èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íàãðóçêè Lí). Ïåðåçàðÿä êîíäåíñàòîðà Cê ïðè âêëþ÷åíèè îñíîâíîãî òèðèñòîðà VS1 âûçûâàåò äîïîëíèòåëüíîå (ïî ñðàâíåíèþ ñ òîêîì íàãðóçêè Ií) óâåëè÷åíèå ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç íåãî òîêà (ðèñ. 11.10,á). Ïîýòîìó ïðè âûáîðå òèðèñòîðà VS1 ñëåäóåò ó÷èòûâàòü ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ïðÿìîãî òîêà ÷åðåç íåãî, îïðåäåëÿåìîå êàê
(11.9)
.
Ïåðåçàðÿä êîíäåíñàòîðà çàêàí÷èâàåòñÿ â ìîìåíò âðåìåíè t1, êîãäà òîê êîíäåíñàòîðà ñïàäàåò äî íóëÿ (ðèñ. 11.10,á). Äèîä VD1 áëîêèðóåò äàëüíåéøèé ïåðåçàðÿä, è â ðåçóëüòàòå íà êîíäåíñàòîðå îñòàíåòñÿ íàïðÿæåíèå ïîëÿðíîñòüþ, ïðîòèâîïîëîæíîé óêàçàííîé íà ðèñ. 11.10,à. Òàêèì îáðàçîì êîíäåíñàòîð Cê îêàæåòñÿ ïîäãîòîâëåííûì ê âûêëþ÷åíèþ îñíîâíîãî òèðèñòîðà. Äëÿ âûêëþ÷åíèÿ îñíîâíîãî òèðèñòîðà VS1 â ìîìåíò âðåìåíè t2 ïîäàåòñÿ îòïèðàþùèé èìïóëüñ íà âñïîìîãàòåëüíûé òèðèñòîð VS2. Âêëþ÷åíèå åãî ïðèâîäèò ê âûêëþ÷åíèþ òèðèñòîðà VS1, òàê êàê ê íåìó îêàçûâàåòñÿ ïîäêëþ÷åííûì çàðÿæåííûé êîíäåíñàòîð Cê, ðàçðÿäíûé òîê êîòîðîãî áóäåò íàïðàâëåí âñòðå÷íîìó òîêó íàãðóçêè ïðîòåêàþùåìó ÷åðåç òèðèñòîð VS1. Ïîñëå âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà VS1 òîê íàãðóçêè íà÷íåò ïðîòåêàòü ÷åðåç òèðèñòîð VS2 è êîíäåíñàòîð Cê ïåðåçàðÿæàåò åãî. Ïðèíèìàÿ íà ýòîì êðàòêîâðåìåííîì ýòàïå òîê ií íåèçìåííûì, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå áóäåò èçìåíÿòüñÿ ïî ëèíåéíîìó çàêîíó: UC (t) = U C (t1) +
Ií t, Cê
IVS1 max = Ií + Uâõ√ Cê ⁄ Lê .
(11.12)
Èíäóêòèâíîñòü Lê, çàäàþùàÿ ïðè ðàññ÷èòàííîì çíà÷åíèè åìêîñòè Cê ÷àñòîòó êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà ω0, îïðåäåëÿåòñÿ, ñ îäíîé ñòîðîíû, äîïóñòèìûì (ðàöèîíàëüíûì äëÿ èñïîëüçóåìîé ýëåìåíòíîé áàçû) ìàêñèìàëüíûì çíà÷åíèåì IVS1, ñ äðóãîé – ìàêñèìàëüíîé ÷àñòîòîé ñðàáàòûâàíèÿ êîíòàêòîðà. Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì ðàññìîòðåííîé ñõåìû ÿâëÿåòñÿ óâåëè÷åíèå äëèòåëüíîñòè êîììóòàöèîííîãî ïðîöåññà ïðè âûêëþ÷åíèè â ðåæèìàõ ìàëûõ
(11.10)
ãäå UC (t1) = − E. Äî òåõ ïîð, ïîêà íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå Cê íå èçìåíèò ñâîé çíàê (ìîìåíò âðåìåíè t3), ê îñíîâíîìó òèðèñòîðó VS áóäåò ïðèëîæåíî îáðàòíîå íàïðÿæåíèå, è îí èìååò âîçìîæíîñòü âîññòàíîâèòü çàïèðàþùóþ ñïîñîáíîñòü. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ âðåìåíè âîññòàíîâëåíèÿ òèðèñòîðà VS1 åìêîñòü êîíäåíñàòîðà Cê äîëæíà óäîâëåòâîðÿòü ñîîòíîøåíèþ: Cê ≥
kçàïIítâîññò Uâõ
,
(11.11)
ãäå Ií – êîììóòèðóåìûé òîê íàãðóçêè; tâîññò – âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà; kçàï – êîýôôèöèåíò çàïàñà.
Ðèñ. 11.10. Òèðèñòîðíûé êîíòàêòîð ñ êîììóòàöèåé íàïðÿæåíèåì çàðÿæåííîãî êîíäåíñàòîðà: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ
290
§ 11.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïîñòîÿííîãî òîêà
íàãðóçîê. Ýòî îáóñëîâëèâàåòñÿ òåì, ÷òî äëèòåëüíîñòü ïåðåçàðÿäà êîììóòèðóþùåé åìêîñòè Cê óâåëè÷èâàåòñÿ ñ óìåíüøåíèåì òîêà ïåðåçàðÿäà, ò. å. òîêà íàãðóçêè. Äðóãèì íåäîñòàòêîì ÿâëÿåòñÿ äîïîëíèòåëüíàÿ çàãðóçêà îñíîâíîãî òèðèñòîðà VS1 ïî òîêó â ïåðèîä ïîäãîòîâêè êîíäåíñàòîðà Cê ê êîììóòàöèè, êîãäà ïðîèñõîäèò åãî ïåðåçàðÿä, âûçâàííûé âêëþ÷åíèåì òèðèñòîðà VS1. Êðîìå òîãî, â ìîìåíò âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà VS1 íà íàãðóçêå âîçíèêàåò äâóêðàòíûé âñïëåñê íàïðÿæåíèÿ îòíîñèòåëüíî çíà÷åíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ E (ðèñ. 11.10,á). Çàâèñèìîñòü äëèòåëüíîñòè êîììóòàöèè îò òîêà íàãðóçêè ìîæíî ñóùåñòâåííî óìåíüøèòü, åñëè â ñõåìó ââåñòè äîïîëíèòåëüíûé êîíòóð ïåðåçàðÿäà êîììóòèðóþùåãî êîíäåíñàòîðà, ñîñòîÿùèé èç äèîäà VD2 è ðåàêòîðà L2 (ðèñ. 11.11). Íàëè÷èå äîïîëíèòåëüíîãî êîíòóðà ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî â ìîìåíò âêëþ÷åíèÿ êîììóòèðóþùåãî òèðèñòîðà VS2 êîíäåíñàòîð Cê áóäåò ïåðåçàðÿæàòüñÿ íå òîëüêî òîêîì íàãðóçêè Ií, íî è êîëåáàòåëüíûì òîêîì ÷åðåç L2. Ïðè ýòîì äëèòåëüíîñòü ïåðåçàðÿäà êîíäåíñàòîðà íå ìîæåò áûòü ìåíüøå ïîëîâèíû ïåðèîäà êîëåáàòåëüíîãî ïðîöåññà â ýòîì êîíòóðå ïðè ëþáûõ òîêàõ íàãðóçêè, âêëþ÷àÿ õîëîñòîé õîä. Êîììóòàöèÿ òèðèñòîðà èìïóëüñîì îáðàòíîãî òîêà. Íà ðèñ. 11.12 ïðåäñòàâëåíà ñõåìà, â êîòîðîé èìïóëüñ îáðàòíîãî òîêà ôîðìèðóåòñÿ LêCê-êîíòóðîì ïðè ðàçðÿäå êîíäåíñàòîðà Cê. Äëÿ ïîäãîòîâêè ñõåìû ê ðàáîòå, íåîáõîäèìî çàðÿäèòü êîíäåíñàòîð Cê. Ñ ýòîé öåëüþ ïîäàåòñÿ èìïóëüñ óïðàâëåíèÿ íà òèðèñòîð VS2, ÷åðåç êîòîðûé êîíäåíñàòîð çàðÿæàåòñÿ ñ ïîëÿðíîñòüþ, óêàçàííîé íà ðèñ. 11.12,à (áåç ñêîáîê). Âêëþ÷åíèå êîíòàêòîðà îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîäà÷åé â ìîìåíò âðåìåíè t0 (ðèñ. 11.12,á) èìïóëüñà óïðàâëåíèÿ íà îñíîâíîé òèðèñòîð VS1. Îäíîâðåìåííî íà÷èíàåòñÿ ïåðåçàðÿä êîíäåíñàòîðà Cê ïî öåïè: Cê−Lê−VD2−VS1. Êîãäà ïîëóâîëíà ïåðåçàðÿäíîãî òîêà iê ñïàäàåò äî íóëÿ (ìîìåíò âðåìåíè t1), äèîä VD2 âûêëþ÷àåòñÿ è êîíäåíñàòîð Cê îêàçûâàåòñÿ çàðÿæåííûì ñ ïîëÿðíîñòüþ, óêàçàííîé íà ðèñ. 11.12,à â ñêîáêàõ, ò. å. ïîäãîòîâëåííûì äëÿ êîììóòàöèè òèðèñòîðà VS1. Äëÿ âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà VS1 â ìîìåíò âðåìåíè t2 ïîäàåòñÿ èìïóëüñ óïðàâëåíèÿ íà òèðèñòîð VS2. Ïðè âêëþ÷åíèè òèðèñòîðà VS2 íà÷èíàåòñÿ êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ â êîíòóðå: Cê−VS1−VS2−Lê. Ïðè ýòîì ÷åðåç òèðèñòîð VS1 áóäåò ïðîòåêàòü ðàçíîñòü òîêîâ íàãðóçêè ií è ðàçðÿäíîãî òîêà êîíòóðà iê. Êîãäà ýòè òîêè ñòàíóò ðàâíûìè (ìîìåíò âðåìåíè t3), òèðèñòîð VS1 âûêëþ÷èòñÿ. Äàëåå òîê iê ïðîäîëæàåò âîçðàñòàòü, è ÷åðåç äèîä VD1 áóäåò ïðîõîäèòü ðàçíîñòü òîêîâ iê è ií. Ïîêà äèîä VD1 ïðîâîäèò òîê,
Ðèñ. 11.11. Ñõåìà òèðèñòîðíîãî êîíòàêòîðà ñ äîïîëíèòåëüíûì êîíòóðîì ïåðåçàðÿäà êîììóòèðóþùåãî êîíäåíñàòîðà
Ðèñ. 11.12. Òèðèñòîðíûé êîíòàêòîð ñ êîììóòàöèåé òîêîì êîëåáàòåëüíîãî êîíòóðà: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ
ê òèðèñòîðó VS1 áóäåò ïðèëîæåíî îáðàòíîå íàïðÿæåíèå, ðàâíîå ïðÿìîìó íàïðÿæåíèþ íà äèîäå VD1. Íà ýòîì èíòåðâàëå âðåìåíè òèðèñòîð VS âûêëþ÷àåòñÿ. Êîãäà òîê iê ñíîâà ñòàíåò ìåíüøå òîêà íàãðóçêè ií (ìîìåíò âðåìåíè t4), äèîä VD1 âûêëþ÷èòñÿ. Äàëåå ïðîèñõîäèò äîçàðÿä êîíäåíñàòîðà Cê òîêîì íàãðóçêè ií äî çíà÷åíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ E ïî öåïè: VS2−Lê−Cê−Zí−E . Ïîñëå ýòîãî âêëþ÷àåòñÿ äèîä VD, øóíòèðóþùèé öåïü íàãðóçêè (ìîìåíò âðåìåíè t5). Òàê êàê â ìîìåíò âðåìåíè t5 òîê ií îòëè÷åí îò íóëÿ, òî ýíåðãèÿ, çàïàñåííàÿ â èíäóêòèâíîñòè Lê, ðàñõîäóåòñÿ íà äàëüíåéøåå óâåëè÷å291
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
íèå íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå Cê äî çíà÷åíèÿ, áîëüøåãî íàïðÿæåíèÿ E. Ïîñëå ñïàäàíèÿ òîêà â èíäóêòèâíîñòè Lê äî íóëÿ âêëþ÷àåòñÿ äèîä VD2 (ìîìåíò âðåìåíè t6) è êîíäåíñàòîð Cê ðàçðÿæàåòñÿ
äî íàïðÿæåíèÿ íåñêîëüêî ìåíüøåãî, ÷åì âõîäíîå íàïðÿæåíèå E (ìîìåíò âðåìåíè t7). Ìåòîäèêà ðàñ÷åòà ïàðàìåòðîâ êîììóòèðóþùåãî LêCê-êîíòóðà ïîäðîáíî èçëîæåíà â [97].
11.1.4. ÃÈÁÐÈÄÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÏÎÑÒÎßÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ
÷åé îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûå òðàíçèñòîðû èëè çàïèðàåìûå òèðèñòîðû. Ðàññìîòðèì áîëåå ïîäðîáíî ðàçëè÷íûå ñïîñîáû ñîåäèíåíèÿ ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûõ ñòàòè÷åñêèõ êëþ÷åé ñ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèìè. Ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå êëþ÷åé. Âêëþ÷åíèå ãèáðèäíîãî êîíòàêòîðà â ñõåìå ñ ïàðàëëåëüíûì ñîåäèíåíèåì òðàíçèñòîðîâ è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êîíòàêòîðîâ (ðèñ. 11.14) ïðîèñõîäèò â ñëåäóþùåé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè.  ìîìåíò âðåìåíè t1 ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ ÑÓ ôîðìèðóþòñÿ ñèãíàëû íà âêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà VT è êîíòàêòîðà Ê. Òðàíçèñòîð âêëþ÷àåòñÿ ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííî è ÷åðåç íåãî íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê íàãðóçêè ií.  îáùåì ñëó÷àå íàãðóçêà îáû÷íî èìååò àêòèâíî-èíäóêòèâíûé õàðàêòåð.  ýòîì ñëó÷àå òîê ií áóäåò ïëàâíî íàðàñòàòü
Ãèáðèäíûìè êîììóòàöèîííûìè àïïàðàòàìè íàçûâàþòñÿ êîìáèíèðîâàííûå àïïàðàòû äëÿ êîììóòàöèè öåïåé ïîñòîÿííîãî òîêà ïîñðåäñòâîì êàê ñòàòè÷åñêèõ, òàê è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèëîâûõ êëþ÷åé. Öåëüþ òàêîé êîìáèíàöèè ÿâëÿåòñÿ îáúåäèíåíèå ïîëîæèòåëüíûõ êà÷åñòâ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ è ñòàòè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, à òàêæå äîñòèæåíèå íîâûõ ïîëîæèòåëüíûõ ýôôåêòîâ, óëó÷øàþùèõ òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèå ïîêàçàòåëè. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå êëþ÷è ïîçâîëÿþò ïîëó÷èòü íèçêèå çíà÷åíèÿ ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè è õîðîøóþ ãàëüâàíè÷åñêóþ ðàçâÿçêó â âûêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè. Ñòàòè÷åñêèå êëþ÷è îáåñïå÷èâàþò âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå è ïîçâîëÿþò ðåãóëèðîâàòü ïàðàìåòðû ýëåêòðîýíåðãèè â êîììóòèðóåìîé öåïè. Ïîëîæèòåëüíûì ðåçóëüòàòîì ãèáðèäíîé êîììóòàöèè ÿâëÿåòñÿ òàêæå âîçìîæíîñòü ñóùåñòâåííîãî îáëåã÷åíèÿ ðåæèìà êîììóòàöèè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êëþ÷åé â óñëîâèÿõ ñîâìåñòíîé ðàáîòû ñî ñòàòè÷åñêèìè. Ïðèìåð ïðîñòåéøåé ñõåìû ãèáðèäíîãî àïïàðàòà ïîñòîÿííîãî òîêà, ðåàëèçóþùåé áûñòðîäåéñòâèå òèðèñòîðà, ïðèâåäåí íà ðèñ. 11.13. Ïðè ïîäà÷å èìïóëüñà óïðàâëåíèÿ íà òèðèñòîð ïðîèñõîäèò ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííîå ïîäêëþ÷åíèå íàãðóçêè Zí ê èñòî÷íèêó íàïðÿæåíèÿ E. Çàòåì ïðîèñõîäèò çàìûêàíèå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êîíòàêòîâ Ê, øóíòèðóþùèõ òèðèñòîð. Äèàãðàììà òîêîâ ïðèâåäåíà íà ðèñ. 11.13,á.  ìîìåíò âðåìåíè t0 ïðîèñõîäèò âêëþ÷åíèå òèðèñòîðà è ÷åðåç íåãî íà÷èíàåò ïðîòåêàòü òîê íàãðóçêè Ií, çàòåì â ìîìåíò âðåìåíè t1 ýòîò òîê ïåðåõîäèò â ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå êîíòàêòû, ñîïðîòèâëåíèå êîòîðûõ íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ ìåíüøå, ÷åì ïðÿìîå ñîïðîòèâëåíèå ïðîâîäÿùåãî òèðèñòîðà. Òàêàÿ ñõåìà ìîæåò áûòü óñïåøíî èñïîëüçîâàíà äëÿ áûñòðîãî ïîäêëþ÷åíèÿ ðåçåðâíûõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà, íàïðèìåð, àêêóìóëÿòîðíîé áàòàðåè. Ãèáðèäíûå àïïàðàòû ðàçëè÷àþòñÿ ïî òèïó ñòàòè÷åñêîãî êëþ÷à (òðàíçèñòîðíûå, òèðèñòîðíûå è äð.), à òàêæå ïî ñïîñîáó ñîåäèíåíèÿ åãî ñ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèìè êîíòàêòàìè: ïàðàëëåëüíûå, ïîñëåäîâàòåëüíûå è ïàðàëëåëüíî-ïîñëåäîâàòåëüíûå. Îáû÷íûå òðàäèöèîííûå òèðèñòîðû ïðèìåíÿþòñÿ â ãèáðèäíûõ àïïàðàòàõ ïîñòîÿííîãî òîêà ðåäêî, òàê êàê èõ âûêëþ÷åíèå òðåáóåò ïðèíóäèòåëüíîé êîììóòàöèè. Ïîýòîìó â êà÷åñòâå ñòàòè÷åñêèõ êëþ-
Ðèñ. 11.13. Ïðèíöèï ãèáðèäíîé êîììóòàöèè: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêà; â – âðåìåííàÿ õàðàêòåðèñòèêà äóãè
292
§ 11.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïîñòîÿííîãî òîêà
òàöèè (ïðè âêëþ÷åíèè è âûêëþ÷åíèè) ïðîèñõîäÿò â îáëåã÷åííîì äëÿ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî êîíòàêòîðà ðåæèìàõ. Ñëåäñòâèåì ýòîãî ÿâëÿåòñÿ ìèíèìàëüíûé ýëåêòðè÷åñêèé èçíîñ êîíòàêòîâ è, ñîîòâåòñòâåííî, óâåëè÷åíèå ðåñóðñà èõ ðàáîòû. Êðîìå òîãî, îòñóòñòâèå äóãîîáðàçîâàíèÿ ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî óïðîñòèòü êîíñòðóêöèþ êîíòàêòîðà è ïîâûñèòü åãî ýêîíîìè÷íîñòü ïðè èñïîëüçîâàíèè â óñëîâèÿõ ãèáðèäíîãî àïïàðàòà. Ïîñëå îêîí÷àíèÿ ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîðà Ê â ìîìåíò âðåìåíè t4 ïðåêðàùàåòñÿ ïîäà÷à îòïèðàþùåãî èìïóëüñà îò ÑÓ, òðàíçèñòîð VT âûêëþ÷àåòñÿ, è èñòî÷íèê E îêàçûâàåòñÿ îòêëþ÷åííûì îò íàãðóçêè Zí. Ïðè àêòèâíî-èíäóêòèâíîì õàðàêòåðå íàãðóçêè òîê èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé ïîñëå âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà VT ïðîòåêàåò ÷åðåç îáðàòíûé äèîä VD (ðèñ. 11.14,à). Òàêèì îáðàçîì â ãèáðèäíîì àïïàðàòå ñ ïàðàëëåëüíûì ñîåäèíåíèåì êëþ÷åé ñîõðàíÿþòñÿ áûñòðîäåéñòâèå ïðè âêëþ÷åíèè, ïðèñóùåå ñòàòè÷åñêèì êëþ÷àì, è íèçêèå ïîòåðè ìîùíîñòè âî âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè, õàðàêòåðíûå äëÿ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êîíòàêòîâ. Îäíàêî ýòà ñõåìà íå îáåñïå÷èâàåò ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè ìåæäó ïîòðåáèòåëåì è íàãðóçêîé è íå îáåñïå÷èâàåò âûñîêîãî áûñòðîäåéñòâèÿ ïðè âûêëþ÷åíèè öåïè, ÷òî âàæíî äëÿ âûïîëíåíèÿ ôóíêöèé çàùèòû îò òîêîâûõ ïåðåãðóçîê â àâàðèéíûõ ðåæèìàõ ðàáîòû ñåòè. Ýòè çàäà÷è ïîçâîëÿåò ðåøèòü ñõåìà ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì ñîåäèíåíèåì êëþ÷åé. Ïîñëåäîâàòåëüíîå ñîåäèíåíèå êëþ÷åé. Ñõåìà ñèëîâîé ÷àñòè àïïàðàòà ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì ñîåäèíåíèåì òðàíçèñòîðà è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî êîíòàêòîðà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 11.15,à. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â èñõîäíîì ñîñòîÿíèè ãèáðèäíûé êîíòàêòîð âûêëþ÷åí è íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà E ïðèëîæåíî ê ðàçîìêíóòûì êîíòàêòàì êîíòàêòîðà Ê, òàê êàê èõ ñîïðîòèâëåíèå ñóùåñòâåííî áîëüøå ñîïðîòèâëåíèÿ âûêëþ÷åííîãî òðàíçèñòîðà VT. Ïðè âêëþ÷åíèè ãèáðèäíîãî êîíòàêòîðà â ìîìåíò âðåìåíè t1 â ÑÓ ôîðìèðóþòñÿ ñèãíàëû íà âêëþ÷åíèå êîíòàêòîðà Ê è òðàíçèñòîðà VT. Ïîñëå ñðàáàòûâàíèÿ êîíòàêòîðà Ê â ìîìåíò âðåìåíè (t1–t2) ê òðàíçèñòîðó ïðèëîæåíî ïðÿìîå íàïðÿæåíèå è îí ïåðåõîäèò â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå â ðåæèìå íàñûùåíèÿ. Ïðè âûêëþ÷åíèè öåïè ÑÓ ôîðìèðóåò ñèãíàëû íà âûêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà VT è îòêëþ÷åíèå êîíòàêòîðà Ê. Áëàãîäàðÿ áûñòðîäåéñòâèþ ïåðâûì (â ìîìåíò âðåìåíè t3) âûêëþ÷àåòñÿ òðàíçèñòîð VT è îòêëþ÷àåò íàãðóçêó Zí îò èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ E. Èíäóêòèâíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ òîêà íàãðóçêè íà÷èíàåò ïðîòåêàòü ÷åðåç îáðàòíûé äèîä VD. Çàòåì, â ìîìåíò âðåìåíè t4, ðàçìûêàþòñÿ êîíòàêòû êîíòàêòîðà Ê. Ðàçìûêàíèå êîíòàêòîâ êîíòàêòîðà Ê êàê ïðè âû-
ïî ýêñïîíåíöèàëüíîìó çàêîíó äî óñòàíîâèâøåãîñÿ çíà÷åíèÿ. Ñ çàäåðæêîé âðåìåíè, îáóñëîâëåííîé èíåðöèîííîñòüþ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî êîíòàêòîðà, â ìîìåíò âðåìåíè t2 çàìûêàþòñÿ êîíòàêòû Ê, øóíòèðóÿ òðàíçèñòîð VT.  ðåçóëüòàòå òîê íàãðóçêè ií ïåðåõîäèò â êîíòàêò Ê. Äëÿ âûêëþ÷åíèÿ ãèáðèäíîãî êîíòàêòîðà íåîáõîäèìî â ÑÓ ñôîðìèðîâàòü ñèãíàëû íà âêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà VT è âûêëþ÷åíèå êîíòàêòîðà Ê. Ïðè ïîäà÷å ýòèõ ñèãíàëîâ â ìîìåíò âðåìåíè t3 òðàíçèñòîð VT îêàçûâàåòñÿ ïîäãîòîâëåííûì ê ïåðåõîäó â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå, à êîíòàêòîð Ê íà÷èíàåò âûêëþ÷àòüñÿ.  íà÷àëüíûé ïåðèîä çàìûêàíèÿ êîíòàêòîâ, ÷åðåç êîòîðûå ïðîòåêàåò òîê íàãðóçêè, íà íèõ âîçíèêàåò êîðîòêàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ äóãà. Íà ðèñ. 11.14,á ïîêàçàí íà÷àëüíûé ó÷àñòîê õàðàêòåðèñòèêè èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà êîíòàêòàõ Ê ïðè èõ ðàçìûêàíèè. Ïîëÿðíîñòü íàïðÿæåíèÿ íà êîíòàêòàõ ïî ìåðå åãî íàðàñòàíèÿ, äëÿ òðàíçèñòîðà VT ÿâëÿåòñÿ ïðÿìîé, è îí ïåðåõîäèò â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå.  ðåçóëüòàòå òîê iVT óâåëè÷èâàåòñÿ, à òîê â êîíòàêòàõ êîíòàêòîðà iê óìåíüøàåòñÿ (ðèñ. 11.14,á). Ñ ó÷åòîì áûñòðîäåéñòâèÿ òðàíçèñòîðà ïåðåõîä òîêà ìîæíî ñ÷èòàòü ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííûì. Ïîñëå çàâåðøåíèÿ ïåðåõîäà òîêà ií â òðàíçèñòîð êîíòàêòû êîíòàêòîðà Ê ïðîäîëæàþò ðàçìûêàíèå, íî óæå â îáåñòî÷åííîì ñîñòîÿíèè.  ðåçóëüòàòå â êîíòàêòîðå Ê íå ðàçâèâàåòñÿ ïðîöåññ ïëàçìåííîé äóãè è åãî âûêëþ÷åíèå ïðîèñõîäèò â îáëåã÷åííîì ðåæèìå. Åñëè âûêëþ÷åíèå êîíòàêòîðà ïðîèñõîäèò ïðè íèçêîì íàïðÿæåíèè, ðàâíîì íàïðÿæåíèþ íà ïðîâîäÿùåì íàñûùåííîì òðàíçèñòîðå, òî âñå ïðîöåññû êîììó-
Ðèñ. 11.14. Ãèáðèäíûé êîíòàêòîð ïàðàëëåëüíîãî òèïà: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêîâ
293
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
Ðèñ. 11.16. Ãèáðèäíûé êîíòàêòîð ïàðàëëåëüíî-ïîñëåäîâàòåëüíîãî òèïà: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêà
Ðèñ. 11.15. Ãèáðèäíûé êîíòàêòîð ïîñëåäîâàòåëüíîãî òèïà: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêîâ è íàïðÿæåíèé
êëþ÷åíèè, òàê è ïðè âêëþ÷åíèè â ýòîé ñõåìå ïðîèñõîäèò áåç òîêîâîé íàãðóçêè, ò. å. íà õîëîñòîì õîäó. Äóãîîáðàçîâàíèå â ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êîíòàêòàõ íå âîçíèêàåò, è èõ ýëåêòðè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü ñóùåñòâåííî âîçðàñòàåò. Èç ïðèíöèïà äåéñòâèÿ ñõåìû ãèáðèäíîãî àïïàðàòà ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì ñîåäèíåíèåì êëþ÷åé ñëåäóåò, ÷òî îíà ïîçâîëÿåò ðåàëèçîâàòü áûñòðîäåéñòâèå ñòàòè÷åñêèõ êëþ÷åé ïðè âûêëþ÷åíèè.  òî æå âðåìÿ ýòà ñõåìà íå óñòðàíÿåò ïîòåðü ìîùíîñòè âî âêëþ÷åííîì àïïàðàòå, îáóñëîâëåííûõ ïàäåíèåì íàïðÿæåíèÿ â ñòàòè÷åñêîì êëþ÷å, ïðîâîäÿùåì òîê íàãðóçêè. ×àñòè÷íî äîñòîèíñòâà ñõåì ñ ïàðàëëåëüíûì è ïîñëåäîâàòåëüíûì ñîåäèíåíèåì êëþ÷åé îáúåäèíÿåò ñõåìà ñ ïàðàëëåëüíî-ïîñëåäîâàòåëüíûì ñîåäèíåíèåì êëþ÷åé. Ïàðàëëåëüíî-ïîñëåäîâàòåëüíîå ñîåäèíåíèå êëþ÷åé (ðèñ. 11.16).  ýòîé ñõåìå äâà ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êîíòàêòà Ê1 è Ê2: Ê1 ïîäêëþ÷åí ïàðàëëåëüíî òðàíçèñòîðó, à Ê2 – ïîñëåäîâàòåëüíî. Ýòè êîíòàêòû ìîãóò èìåòü îáùèé ïðèâîä, íî ïðè ýòîì äîëæíà îáåñïå÷èâàòüñÿ çàäåðæêà íà ðàçìûêàíèå è îïåðåæåíèå íà âêëþ÷åíèå êîíòàêòà Ê1 îòíîñèòåëüíî êîíòàêòà Ê2. Ðàññìîòðèì ïîñëåäîâàòåëüíîñòü çàìûêàíèÿ è ðàçìûêàíèÿ êëþ÷åé ïðè âêëþ÷åíèè è âûêëþ÷åíèè àïïàðàòà (ðèñ. 11.16,á). Ïðåäïîëîæèì, ÷òî èñõîäíûì ñîñòîÿíèåì ãèáðèäíîãî àïïàðàòà ÿâëÿåòñÿ ñîñòîÿíèå âûêëþ÷å”
íî”.  ìîìåíò âðåìåíè t1 ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ ôîðìèðóåò èìïóëüñû íà âêëþ÷åíèå ñèëîâûõ êëþ÷åé VT, Ê1 è Ê2. Ïåðâûì äîëæåí âêëþ÷èòüñÿ êîíòàêò Ê2, ïîñëå ÷åãî ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííî ïåðåõîäèò â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå òðàíçèñòîð VT, òàê êàê íà íåãî ïîäàí îòïèðàþùèé ñèãíàë óïðàâëåíèÿ. Çàòåì â ìîìåíò âðåìåíè t3 çàìûêàþòñÿ êîíòàêòû Ê1, è òîê íàãðóçêè ïåðåõîäèò èç öåïè òðàíçèñòîðà â öåïü êîíòàêòà Ê1. Íà ýòîì âêëþ÷åíèå ãèáðèäíîãî àïïàðàòà çàêàí÷èâàåòñÿ. Âûêëþ÷åíèå àïïàðàòà ïðîèñõîäèò ñëåäóþùèì îáðàçîì.  ìîìåíò âðåìåíè t4 ôîðìèðóþòñÿ ñèãíàëû íà ðàçìûêàíèå êîíòàêòîâ Ê1 è Ê2. Ñíà÷àëà íà÷èíàåò ðàçìûêàòüñÿ êîíòàêò Ê1, è â ìîìåíò âðåìåíè t5 òîê ïåðåõîäèò â òðàíçèñòîð VT. Ïðè ýòîì ïðîòåêàþò ïðîöåññû, àíàëîãè÷íûå ðàññìîòðåííûì äëÿ ñõåìû ñ ïàðàëëåëüíûì ñîåäèíåíèåì êîíòàêòîâ. Ïîñëå ïåðåõîäà òîêà íàãðóçêè â òðàíçèñòîð VT â ìîìåíò âðåìåíè t6 ôîðìèðóåòñÿ ñèãíàë íà çàïèðàíèå òðàíçèñòîðà, è èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ E îêàçûâàåòñÿ îòêëþ÷åííûì îò öåïè íàãðóçêè. Èíäóêòèâíàÿ ÷àñòü òîêà íàãðóçêè ïðè ýòîì íà÷èíàåò ïðîòåêàòü ÷åðåç îáðàòíûé äèîä VD, ïîñòåïåííî ñïàäàÿ äî íóëÿ èç-çà ïîòåðü ìîùíîñòè â åå àêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé. Çàòåì ïðîèñõîäèò ðàçìûêàíèå êîíòàêòîâ Ê2, è ñõåìà ïåðåõîäèò â èñõîäíîå âûêëþ÷åííîå ñîñòîÿíèå. Ñõåìà ñ ïàðàëëåëüíî-ïîñëåäîâàòåëüíûì ñî294
§ 11.2. Áàçîâûå ñõåìû ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà
åäèíåíèåì ñèëîâûõ êëþ÷åé îáúåäèíÿåò äîñòîèíñòâà ñõåì ñ ïàðàëëåëüíûì è ïîñëåäîâàòåëüíûì ñîåäèíåíèåì, êðîìå îäíîãî – áûñòðîäåéñòâèÿ ïðè
âûêëþ÷åíèè, ïðèñóùåãî ñõåìå ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì ñîåäèíåíèåì êëþ÷åé. Ýòî îãðàíè÷èâàåò îáëàñòü åå èñïîëüçîâàíèÿ.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è âîçíèêíîâåíèÿ äî ìîìåíòà ïðîáîÿ âàðèñòîðà 100 ìêñ, òîê â èíäóêòèâíîñòè äî âîçíèêíîâåíèÿ ÊÇ 10 À. 6. Îïðåäåëèòå âðåìÿ ïðîòåêàíèÿ òîêà â íàãðóçêå ïîñëå îòêëþ÷åíèÿ ðåëå â ñõåìå íà ðèñ. 11.6,á ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè 1 Îì, ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííàÿ èíäóêòèâíîñòü íàãðóçêè 10 ìÃí, ñòàòè÷åñêàÿ ÂÀÕ îáðàòíîãî äèîäà â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè àïïðîêñèìèðóåòñÿ èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ ∆U = 2 Â, òîê íàãðóçêè â êîíöå èíòåðâàëà îòêëþ÷åíèÿ 100 À. 7. Èçîáðàçèòå äèàãðàììû ôîðìèðîâàíèÿ ñèãíàëîâ â ãèáðèäíûõ êîíòàêòîðàõ: ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì, ïàðàëëåëüíîì è ïàðàëëåëüíî-ïîñëåäîâàòåëüíîì ñîåäèíåíèè êëþ÷åé. 8. Êàêèå ôàêòîðû îïðåäåëÿþò âðåìÿ çàäåðæêè äëÿ ðàçìûêàíèÿ êîíòàêòîâ Ê2 îòíîñèòåëüíî êîíòàêòîâ Ê1 â ñõåìå íà ðèñ. 11.16? 9. Îáúÿñíèòå ïðîöåññ ïåðåõîäà òîêà ïðè âûêëþ÷åíèè ãèáðèäíîãî àïïàðàòà èç ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ êîíòàêòîâ â ïàðàëëåëüíî ïîäêëþ÷åííûé òðàíçèñòîð è ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà ýòîò ïðîöåññ. 10. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå äîñòîèíñòâà è íåäîñòàòêè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ, ñòàòè÷åñêèõ è ãèáðèäíûõ êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòîâ.
1. Êàêèìè îñíîâíûìè äîñòîèíñòâàìè è íåäîñòàòêàìè îáëàäàþò ñòàòè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå êëþ÷è? 2. Êàê âëèÿþò íà äèíàìè÷åñêèå ÂÀÕ ñòàòè÷åñêèõ êëþ÷åé ðåàêòèâíûå ýëåìåíòû (èíäóêòèâíîñòè è åìêîñòè) êîììóòèðóåìîé öåïè? 3.  ÷åì ïðîÿâëÿåòñÿ âëèÿíèå èíäóêòèâíîñòåé âõîäíûõ è âûõîäíûõ öåïåé íà âûêëþ÷åíèå ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî è ñòàòè÷åñêîãî êëþ÷åé? 4. Îïðåäåëèòå âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðíîãî ðåëå ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ (ñì. ðèñ. 11.6,á): íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ E = 24 Â, íàïðÿæåíèå âàðèñòîðà Uvar = 50 Â, âõîäíàÿ èíäóêòèâíîñòü Lâõ = 100 ìêÃí, àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå âõîäíîé öåïè ðàâíî íóëþ, ïî áûñòðîäåéñòâèþ òðàíçèñòîð ñîîòâåòñòâóåò èäåàëüíîìó êëþ÷ó. Ïðè âûêëþ÷åíèè îáðàòíûé äèîä ñî ñòîðîíû íàãðóçêè ïðîâîäèò òîê íàãðóçêè, îáóñëîâëåííûé åå àêòèâíî-èíäóêòèâíûì õàðàêòåðîì. 5. Îïðåäåëèòå òðåáóåìóþ ýíåðãîåìêîñòü âàðèñòîðà â ñõåìå íà ðèñ. 11.6,á, îáåñïå÷èâàþùóþ âûêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðíîãî ðåëå ïîñëå âîçíèêíîâåíèÿ ÊÇ íà âûõîäå ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: âõîäíàÿ èíäóêòèâíîñòü Lâõ = 50 ìêÃí, íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ E = 110 Â, àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå âõîäíîé öåïè, âêëþ÷àþùåé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ, ðàâíî íóëþ, äëèòåëüíîñòü ÊÇ ñ ìîìåíòà
11.2. ÁÀÇÎÂÛÅ ÑÕÅÌÛ ÐÅÃÓËßÒÎÐΠÏÎÑÒÎßÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ 11.2.1. ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß Î ÁÀÇÎÂÛÕ ÑÕÅÌÀÕ
Ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ ðåãóëèðîâàíèÿ ïî îïðåäåëåííîìó çàêîíó èëè ïîääåðæàíèÿ íåèçìåííîñòè (ñòàáèëèçàöèè) íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà â ñèñòåìàõ ýëåêòðîïèòàíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà. Ðåãóëÿòîðû, îñóùåñòâëÿþùèå òîëüêî ñòàáèëèçàöèþ ïàðàìåòðîâ, íàçûâàþòñÿ ñòàáèëèçàòîðàìè. Ðåãóëÿòîðû ìîãóò âûïîëíÿòü è äðóãèå ôóíêöèè, íàïðèìåð, ñîãëàñîâàíèå óðîâíåé íàïðÿæåíèé èëè îáåñïå÷åíèå ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè. Âûïîëíåíèå òàêèõ ôóíêöèé îïðåäåëÿåòñÿ âîçìîæíîñòÿìè êîíêðåòíîé ñõåìû ðåãóëÿòîðà. Íà âûõîäíîå íàïðÿæåíèå èëè òîê ðåãóëÿòîðà âëèÿþò ðàçëè÷íûå ôàêòîðû: èçìåíåíèå âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, òîêà íàãðóçêè, òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû è äð. Ïîñêîëüêó ýòè ôàêòîðû âûçûâàþò èçìåíåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, èõ íàçûâàþò
âîçìóùàþùèìè. Òî÷íîñòü ïîääåðæàíèÿ íàïðÿæåíèÿ ïðè âîçäåéñòâèè ðàçëè÷íûõ âîçìóùàþùèõ ôàêòîðîâ õàðàêòåðèçóåòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèìè ïàðàìåòðàìè ñòàáèëèçàöèè. Ðàçëè÷àþò îöåíêó êà÷åñòâà ñòàáèëèçàöèè â ñòàòè÷åñêèõ è äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ ðàáîòû ðåãóëÿòîðà.  ñòàòè÷åñêèõ (óñòàíîâèâøèõñÿ) ðåæèìàõ ðàáîòû êà÷åñòâî ñòàáèëèçàöèè âûõîäíûõ ïàðàìåòðîâ ïðèíÿòî îöåíèâàòü ñëåäóþùèìè ïîêàçàòåëÿìè: Ñòàáèëüíîñòü âûõîäíîãî ïðè èçìåíåíèÿõ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ êîýôôèöèåíòîì ñòàáèëèçàöèè ïî íàïðÿæåíèþ (KñòU)U, êîòîðûé îïðåäåëÿåòñÿ: (KñòU)U =
295
∆Uâõ Uâõ
⁄
(∆Uâûõ)U Uâûõ
,
(11.13)
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
ãäå Uâõ, Uâûõ – óñòàíîâèâøèåñÿ çíà÷åíèÿ âõîäíîãî è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèé; ∆Uâõ è (∆Uâûõ)U – îòêëîíåíèÿ âõîäíîãî è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèé. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â óñòðîéñòâàõ ïîñòîÿííîãî òîêà, êàê ïðàâèëî, ðàññìàòðèâàþòñÿ ñðåäíèå çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèé, òàê êàê êîýôôèöèåíò (KñòU)U â îáùåì ñëó÷àå çàâèñèò îò Uâõ è Uâûõ, òî åãî çíà÷åíèÿ îïðåäåëÿþò äëÿ êîíêðåòíîãî ðåæèìà ðàáîòû (êàê ïðàâèëî, íîìèíàëüíîãî), ò. å. â (11.13) ïîäñòàâëÿþò íîìèíàëüíûå çíà÷åíèÿ Uâõ è Uâûõ. Âëèÿíèå íà âûõîäíîå íàïðÿæåíèå íàãðóçêè ó÷èòûâàåòñÿ âíóòðåííèì (âûõîäíûì) ñîïðîòèâëåíèåì ðåãóëÿòîðà Râí: Râí =
(∆Uâûõ )I ∆Iâûõ
,
äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé (U~)ä; ðàçíîñòü ìàêñèìàëüíîãî è ìèíèìàëüíîãî ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ
(∆Uâûõ)T ∆T
(11.14)
,
U ~ Uâûõ
,
;
òûâàåìàÿ êàê âðåìÿ îò ìîìåíòà íà÷àëà ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà äî ìîìåíòà âõîæäåíèÿ â çîíó äîïóñòèìîãî îòêëîíåíèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â ñòàòè÷åñêîì ðåæèìå. Ïðè áîëåå äåòàëüíîì àíàëèçå ó÷èòûâàþòñÿ òàêèå ïîêàçàòåëè êàê çàïàñ óñòîé÷èâîñòè ðåãóëÿòîðà, ïîêàçàòåëü êîëåáàòåëüíîñòè ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà è äð. Îöåíêà êà÷åñòâà ðåãóëèðîâàíèÿ ÷àùå âñåãî ïðîâîäèòñÿ íà îñíîâå ÷àñòîòíûõ ìåòîäîâ òåîðèè àâòîìàòè÷åñêîãî ðåãóëèðîâàíèÿ, êîòîðûå õîðîøî ñîãëàñóþòñÿ ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè [91]. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî íà ïðàêòèêå äèíàìè÷åñêèå ñâîéñòâà ðåãóëÿòîðîâ èíîãäà îöåíèâàþòñÿ âíóòðåííèì äèíàìè÷åñêèì èëè äèôôåðåíöèàëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì. Îíî îïðåäåëÿåòñÿ àíàëîãè÷íî ñòàòè÷åñêîìó ïî (11.14), íî ïðè ìàëûõ îòêëîíåíèÿõ òîêà íàãðóçêè â øèðîêîì ÷àñòîòíîì äèàïàçîíå. Ïðè òàêîì îïðåäåëåíèè âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå ÿâëÿåòñÿ ÷àñòîòíîçàâèñèìûì è, ïî ñóùåñòâó, ÿâëÿåòñÿ ÷àñòîòíîé õàðàêòåðèñòèêîé, ñâÿçûâàþùåé (â ëèíåàðèçîâàííîì ïðèáëèæåíèè) âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ñ íàãðóçêîé. Ïî ïðèíöèïó äåéñòâèÿ ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà ðàçäåëÿþòñÿ íà íåïðåðûâíûå è èìïóëüñíûå. Îñíîâíîå âíèìàíèå â ýòîì ðàçäåëå óäåëåíî áîëåå ïåðñïåêòèâíûì îäíîêëþ÷åâûì ñõåìàì ñ èìïóëüñíûì ðåãóëèðîâàíèåì. Íà áàçå ýòèõ ñõåì îáû÷íî ðåàëèçóþòñÿ ôóíêöèè ðåãóëèðîâàíèÿ â êîììóòàöèîííûõ è çàùèòíûõ ñòàòè÷åñêèõ àïïàðàòàõ. Ýòè ñõåìû òàêæå óñïåøíî èñïîëüçóþòñÿ â äðóãèõ âèäàõ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ óïðàâëåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûìè óñòðîéñòâàìè, ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèì ïðèâîäîì è äð.
(11.15)
ãäå (∆Uâûõ)T – îòêëîíåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, âûçâàííîå èçìåíåíèåì òåìïåðàòóðû; ∆T – èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ñðåäû (â óñòàíîâèâøåìñÿ òåïëîâîì ðåæèìå ýòî ñîîòâåòñòâóåò èçìåíåíèþ òåìïåðàòóðû ýëåìåíòîâ ðåãóëÿòîðà). Âàæíûì ïîêàçàòåëåì êà÷åñòâà ýëåêòðîïèòàíèÿ íà ïîñòîÿííîì òîêå ÿâëÿåòñÿ êîýôôèöèåíò ïóëüñàöèé âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Kï, îïðåäåëÿåìûé îáîáùåííûì âûðàæåíèåì Kï =
2
àìïëèòóäà ïåðâîé ãàðìîíèêè ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé Um1. Èíîãäà ñðåäè ïîêàçàòåëåé êà÷åñòâà èñïîëüçóþò ïîêàçàòåëè ÷àñòîòíîãî ñïåêòðà ïóëüñàöèé. Äëÿ îöåíêè êà÷åñòâà ðåãóëèðîâàíèÿ â äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ èñïîëüçóþò îáû÷íî êëàññè÷åñêèå ìåòîäû òåîðèè àâòîìàòè÷åñêîãî ðåãóëèðîâàíèÿ [91]. Îñíîâíûìè âîçìóùàþùèìè ôàêòîðàìè â äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà ïðèíÿòî ñ÷èòàòü ñêà÷êîîáðàçíîå èçìåíåíèå âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà íàãðóçêè. Ñðåäè îñíîâíûõ ïîêàçàòåëåé êà÷åñòâà â ýòèõ ðåæèìàõ ñëåäóåò îòìåòèòü ñëåäóþùèå: ìàêñèìàëüíîå ∆Umax è ìèíèìàëüíîå ∆Umin çíà÷åíèÿ îòêëîíåíèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â ïåðåõîäíûõ ðåæèìàõ; äëèòåëüíîñòü ïåðåõîäíîãî ïðîöåññà tn, ðàññ÷è-
ãäå (∆Uâûõ)I – îòêëîíåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, âûçâàííîå èçìåíåíèåì íàãðóçêè ∆Iâûõ. Çíà÷åíèå Râí, îïðåäåëåííîå ïî (11.14), â ñòàòè÷åñêèõ ðåæèìàõ íàçûâàþò ñòàòè÷åñêèì âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì. Ñîïðîòèâëåíèå Râí çàâèñèò îò ðåæèìà ðàáîòû. Åãî îïðåäåëÿþò äëÿ êîíêðåòíûõ çíà÷åíèé íàãðóçêè è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, îáû÷íî ðàâíûì íîìèíàëüíîìó.  îáùåì ñëó÷àå ýòî ñîïðîòèâëåíèå ÿâëÿåòñÿ íåëèíåéíûì. Îòêëîíåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, âûçâàííîå èçìåíåíèåì òåìïåðàòóðû ýëåìåíòîâ ðåãóëÿòîðà, õàðàêòåðèçóþò êîýôôèöèåíòîì ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ ïî òåìïåðàòóðå (Kñò)T, èçìåðÿåìîì ïðè íåèçìåííûõ çíà÷åíèÿõ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ è òîêà íàãðóçêè: (Kñò)T =
Umax − Umin
(11.16)
ãäå U – ïåðåìåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ âûõîäíîãî íà~ ïðÿæåíèÿ (ïóëüñàöèÿ); Uâûõ – óñòàíîâèâøååñÿ (îáû÷íî íîìèíàëüíîå) çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Óðîâåíü ïóëüñàöèè U~ ïî ðàçëè÷íûì ìåòîäèêàì îöåíèâàåòñÿ ïî-ðàçíîìó. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè ÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå îïðåäåëåíèÿ U : ~ 296
§ 11.2. Áàçîâûå ñõåìû ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà 11.2.2. ÐÅÃÓËßÒÎÐÛ-ÑÒÀÁÈËÈÇÀÒÎÐÛ ÍÅÏÐÅÐÛÂÍÎÃÎ ÄÅÉÑÒÂÈß
Áîëüøèíñòâî ðåãóëÿòîðîâ-ñòàáèëèçàòîðîâ ïî ïðèíöèïó äåéñòâèÿ ìîãóò áûòü ðàçäåëåíû íà äâå ãðóïïû: ïàðàìåòðè÷åñêèå (ðàçîìêíóòûå) è ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ (çàìêíóòûå). Ïîñëåäíèå ìîãóò áûòü íåïðåðûâíîãî è äèñêðåòíîãî (èìïóëüñíîãî) äåéñòâèÿ. Ïàðàìåòðè÷åñêèå ñòàáèëèçàòîðû. Ïàðàìåòðè÷åñêèå ñòàáèëèçàòîðû íàïðÿæåíèÿ ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå ïðîñòûìè ñòàáèëèçèðóþùèìè óñòðîéñòâàìè, øèðîêî ïðèìåíÿåìûìè â ìèêðîýëåêòðîíèêå. Îñîáåííî áîëüøîå ðàñïðîñòðàíåíèå îíè ïîëó÷èëè â ðàçëè÷íîãî ðîäà ýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâàõ äëÿ ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèé ïèòàíèÿ îòäåëüíûõ ôóíêöèîíàëüíûõ óçëîâ ñõåìû.  îñíîâå ïðèíöèïà äåéñòâèÿ ïàðàìåòðè÷åñêèõ ñòàáèëèçàòîðîâ íàïðÿæåíèÿ ëåæèò èñïîëüçîâàíèå íåëèíåéíîñòè íåêîòîðûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ: ñòàáèëèòðîíîâ, äèîäîâ è ïðî÷èõ, âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà êîòîðûõ îáëàäàåò áîëüøîé êðóòèçíîé. Íà ðèñ. (11.17,a) ïðåäñòàâëåíà ïðîñòåéøàÿ ñõåìà îäíîêàñêàäíîãî ïàðàìåòðè÷åñêîãî ñòàáèëèçàòîðà, âûïîëíåííîãî íà ñòàáèëèòðîíå VD. Ðåçèñòîð rá ÿâëÿåòñÿ áàëëàñòíûì ñîïðîòèâëåíèåì, îãðàíè÷èâàþùèì òîê â ñòàáèëèòðîíå è âîñïðèíèìàþùèì èçáûòîê íàïðÿæåíèÿ èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ. Íà ðèñ. 11.17,á ïîêàçàíû âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ñòàáèëèòðîíà 1 è íàãðóçêè 2 (ïðîâåäåíà ïîä óãëîì αí = arctgRí). Ñóììèðóÿ èõ îðäèíàòû, ïîëó÷àþò çàâèñèìîñòü 3 âõîäíîãî òîêà Iâõ îò âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ E. Íà òîì æå ãðàôèêå ïðåäñòàâëåíî çåðêàëüíîå îòîáðàæåíèå âîëüò-àìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè áàëëàñòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ [ïðÿìàÿ 4, ïåðåñåêàþùàÿ îñü àáñöèññ â òî÷êå, ñîîòâåòñòâóþùåé âõîäíîìó íàïðÿæåíèþ E, è ïðîâåäåííàÿ ïîä óãëîì αá = arctg(rá)]. Øòðèõîâîé ëèíèåé íà ðèñ. 11.17,á ïîêàçàíî èçìåíåíèå ïîëîæåíèé ïðÿìîé 4, âûçâàííîå îòêëîíåíèÿìè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ∆E. Ïðè ýòîì èçìåíåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ∆Uâûõ áóäåò çíà÷èòåëüíî ìåíüøå èç-çà íåëèíåéíîñòè êðèâîé 3. Ïðèáëèæåííî êîýôôèöèåíò ñòàáèëèçàöèè â äàííîé ñõåìå îïðåäåëÿåòñÿ KñòU ≈ (ráUâûõ) ⁄ RäE ,
Ðèñ. 11.17. Ïàðàìåòðè÷åñêèé ñòàáèëèçàòîð íàïðÿæåíèÿ: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – ÂÀÕ ñòàáèëèòðîíà è íàãðóçêè
ïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðà îò áàçîâîãî òîêà. Áëàãîäàðÿ ýòîìó ñâîéñòâó òðàíçèñòîð ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ðåçèñòîð ñ ðåãóëèðóåìûì ñîïðîòèâëåíèåì, êîòîðîå îïðåäåëÿåòñÿ òîêîì áàçû.  êà÷åñòâå ðåãóëèðóåìîãî ñîïðîòèâëåíèÿ òðàíçèñòîð (èëè ãðóïïà òðàíçèñòîðîâ) ìîæåò áûòü âêëþ÷åí ïîñëåäîâàòåëüíî èëè ïàðàëëåëüíî ñ íàãðóçêîé (ðèñ. 11.18) è âûïîëíÿòü ôóíêöèè îñíîâíîãî èñïîëíèòåëüíîãî îðãàíà â ðåãóëèðîâàíèè (ñòàáèëèçàöèè) âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ.  ñõåìå íà ðèñ. 11.18,a ïðè óâåëè÷åíèè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ñèãíàë, ïîñòóïàþùèé íà áàçó òðàíçèñòîðà VT îò ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñòàáèëèçàòîðà, óâåëè÷èâàåò ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà äî òàêîãî çíà÷åíèÿ, ïîêà ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà òðàíçèñòîðå ∆UCE íå ñòàíåò ðàâíûì (ñ òî÷íîñòüþ, îáóñëîâëåííîé â îñíîâíîì ñõåìîé ÑÓ) èçìåíåíèþ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ∆E. Ïðè óìåíüøåíèè E ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà óìåíüøàåòñÿ, è ñîîòâåòñòâåííî óìåíüøàåòñÿ ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà íåì. Òàêèì îáðàçîì, ðåãóëèðóÿ ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà òðàíçèñòîðå, ìîæíî ñòàáèëèçèðîâàòü âûõîäíîå íàïðÿæåíèå.  ñõåìå íà ðèñ. 11.18,á òðàíçèñòîð VT âêëþ÷åí ïàðàëëåëüíî íàãðóçêå, è äîïîëíèòåëüíî ââåäåíî áàëëàñòíîå ñîïðîòèâëåíèå rá. Ñòàáèëèçàöèÿ âûõîä-
(11.17)
ãäå Rä – äèíàìè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ñòàáèëèòðîíà. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íîðìàëüíîãî ðåæèìà ñòàáèëèçàöèè íåîáõîäèìî, ÷òîáû òîê â ñòàáèëèòðîíå íàõîäèëñÿ â äèàïàçîíå Iñò min ≤ Iñò ≤ Iñò max, ãäå Iñò min è Iñò max – äîïóñòèìûå çíà÷åíèÿ òîêîâ ñòàáèëèòðîíà. Òðàíçèñòîðíûå ðåãóëÿòîðû ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ðåãóëÿòîðîâ ñ íåïðåðûâíûì ðåãóëèðîâàíèåì îñíîâàí íà çàâèñèìîñòè âîëüò-àì297
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
íîãî íàïðÿæåíèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ çà ñ÷åò ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ E ìåæäó ñîïðîòèâëåíèÿìè rá è rCE (ñîïðîòèâëåíèå ìåæäó êîëëåêòîðîì è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà VT) ïðè ðåãóëèðîâàíèè rCE ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñòàáèëèçàòîðà. Ïðè óâåëè÷åíèè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ E óìåíüøàåòñÿ ñîïðîòèâëåíèå rCE, à ïàäåíèå íàïðÿæåíèÿ íà ñîïðîòèâëåíèè rá óâåëè÷èâàåòñÿ; ïðè óìåíüøåíèè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðîèñõîäèò îáðàòíûé ïðîöåññ. Ðåãóëèðîâàíèå ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà rá ïîçâîëÿåò ñòàáèëèçèðîâàòü âûõîäíîå íàïðÿæåíèå.  êà÷åñòâå îñíîâíîãî ðåãóëèðóþùåãî ýëåìåíòà îáû÷íî èñïîëüçóþò ìîùíûå ñèëîâûå òðàíçèñòîðû, êîòîðûå ñîåäèíÿþòñÿ ïàðàëëåëüíî â êîëè÷åñòâå, îïðåäåëÿåìîì ìîùíîñòüþ ðåãóëÿòîðà.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ðåãóëÿòîðû ïîäîáíîãî òèïà âûïîëíÿþòñÿ, êàê ïðàâèëî, íà ìîùíîñòè îò äîëåé âàòòà äî íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ âàòò. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ðåãóëÿòîðîâ ìîãóò èìåòü ðàçëè÷íûå ñõåìíûå èñïîëíåíèÿ, íî â îñíîâå îáû÷íî ëåæèò ïðèíöèï ðåãóëèðîâàíèÿ ñèñòåì ñ çàìêíóòîé îáðàòíîé ñâÿçüþ. Òàêàÿ ñèñòåìà â ñàìîì îáùåì âèäå ñîñòîèò (ðèñ. 11.18,â) èç äàò÷èêà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ 1, ñðàâíèâàþùåãî óñòðîéñòâà 2 è óñèëèòåëÿ ïîñòîÿííîãî òîêà 3. Ïðèíöèï ðåãóëèðîâàíèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî âõîäíîå íàïðÿæåíèå ñòàáèëèçàòîðà èçìåíèëîñü íà ∆E.  ðåçóëüòàòå èçìåíÿåòñÿ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ñòàáèëèçàòîðà ∆Uâûõ è ðåãèñòðèðóåòñÿ äàò÷èêîì âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ 1. Íàïðÿæåíèå Uä ñ äàò÷èêà 1 ïîñòóïàåò â óñòðîéñòâî 2, ãäå ñðàâíèâàåòñÿ ñ ýòàëîííûì íàïðÿæåíèåì U0. Ðàçíîñòü ýòèõ íàïðÿæåíèé ε ïîñòóïàåò â óñèëèòåëü 3, êîòîðûé óñèëèâàåò ýòî íàïðÿæåíèå äî ∆Uð. Ñ âûõîäà óñèëèòåëÿ íàïðÿæåíèå ∆Uð ïîäàåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî (èëè ÷åðåç ñîãëàñóþùåå óñòðîéñòâî) íà èñïîëíèòåëüíûé îðãàí 4, â êà÷åñòâå êîòîðîãî, êàê óæå îòìå÷àëîñü, èñïîëüçóþòñÿ ñèëîâûå òðàíçèñòîðû. Äåéñòâèòåëüíîå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ áóäåò íåñêîëüêî îòëè÷àòüñÿ îò óñòàíîâëåííîãî çíà÷åíèÿ. Ýòà ðàçíîñòü çàâèñèò îò êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ öåïè îáðàòíîé ñâÿçè (â îñíîâíîì çâåíà 3). Ïîñêîëüêó ïðè ðåãóëèðîâàíèè ïðîèñõîäèò ñðàâíåíèå âûõîäíîãî è ýòàëîííîãî íàïðÿæåíèé, êàê â ïðèáîðàõ äëÿ òî÷íîãî èçìåðåíèÿ íàïðÿæåíèÿ – êîìïåíñàòîðàõ, ñòàáèëèçàòîðû ïîäîáíîãî òèïà èíîãäà íàçûâàþò êîìïåíñàöèîííûìè. (Èñòîðè÷åñêè ñëîæèëîñü, ÷òî ïîä êîìïåíñàöèîííûì ñòàáèëèçàòîðîì îáû÷íî ïîíèìàþò ñòàáèëèçàòîð íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ.  òî æå âðåìÿ ýòîò ïðèíöèï ðåãóëèðîâàíèÿ ëåæèò â îñíîâå è äðóãèõ òèïîâ ñòàáèëèçàòîðîâ, íàïðèìåð èìïóëüñíûõ).
Ðèñ. 11.18. Òðàíçèñòîðíûå ðåãóëÿòîðû íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ: à – ïîñëåäîâàòåëüíîãî òèïà; á – ïàðàëëåëüíîãî òèïà; â – îáùàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà êîìïåíñàöèîííîãî ðåãóëÿòîðà íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 11.19. Òðàíçèñòîðíûé ðåãóëÿòîð íàïðÿæåíèÿ êîìïåíñàöèîííîãî òèïà
 ïðîñòåéøåé ñõåìå êîìïåíñàöèîííîãî ñòàáèëèçàòîðà (ðèñ. 11.19) ôóíêöèè óñèëèòåëüíîãî è ñðàâíèâàþùåãî çâåíüåâ âûïîëíÿåò òðàíçèñòîð VT2, â êà÷åñòâå äàò÷èêà èñïîëüçóåòñÿ äåëèòåëü èç ñîïðîòèâëåíèé R1 è R2, à îïîðíîå íàïðÿæåíèå U0 çàäàåòñÿ ñòàáèëèòðîíîì VD. Êîýôôèöèåíò ñòàáèëèçàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ òàêîãî ðåãóëÿòîðà ïðèáëèæåííî îïðåäåëÿåòñÿ KñòU ≈ 1 +
298
U0 Uâõ
β2 Râõ
1 R1R2 + R1 + R2
,
(11.18)
§ 11.2. Áàçîâûå ñõåìû ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà
íàïðÿæåíèÿ ââîäèòñÿ äàò÷èê âûõîäíîãî òîêà (èëè òîêà íàãðóçêè), êîòîðûé êîíòðîëèðóåò îòêëîíåíèå ïîñëåäíåãî îò çàäàííîãî çíà÷åíèÿ. Êîìïåíñàöèîííûå ñòàáèëèçàòîðû íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ ìîãóò îáåñïå÷èòü âûñîêèé êîýôôèöèåíò ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ (èëè òîêà). Êðîìå òîãî, îíè ïî ïðèíöèïó äåéñòâèÿ ñíèæàþò ïóëüñàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ÿâëÿÿñü îäíîâðåìåííî ôèëüòðîì äëÿ ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé. Ñóùåñòâåííûì èõ íåäîñòàòêîì ÿâëÿåòñÿ íèçêèé ÊÏÄ è, êàê ñëåäñòâèå ýòîãî, ïëîõèå ìàññîãàáàðèòíûå ïîêàçàòåëè.
ãäå U0 – îïîðíîå íàïðÿæåíèå ñòàáèëèòðîíà VD; Râõ è β2 – âõîäíîå ñîïðîòèâëåíèå è êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïî òîêó òðàíçèñòîðà VT2. Ñóùåñòâóåò ìíîãî ìîäèôèêàöèé ñõåì ðàññìîòðåííîãî òèïà, ðàçëè÷àþùèõñÿ â îñíîâíîì ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ, ÷èñëîì òðàíçèñòîðîâ óñèëèòåëüíîãî çâåíà è èñïîëüçîâàíèåì â ñõåìå äîïîëíèòåëüíûõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ ýëåìåíòîâ ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ. Íà îñíîâå ðàññìîòðåííûõ ïðèíöèïîâ ðåãóëèðîâàíèÿ ìîãóò áûòü òàêæå ñîçäàíû ñòàáèëèçàòîðû òîêà.  ñõåìàõ ñòàáèëèçàòîðîâ òîêà âìåñòî äàò÷èêà
11.2.3. ÒÈÏÎÂÛÅ ÑÒÐÓÊÒÓÐÛ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ÈÌÏÓËÜÑÍÛÌÈ ÐÅÃÓËßÒÎÐÀÌÈ
íàë, ñíèìàåìûé äàò÷èêîì, íàïðèìåð, ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà íà âûõîäå ðåãóëÿòîðà. Ðàçíîñòü ñèãíàëîâ ∆X = X0 − Xâûõ óñèëèâàåòñÿ óñèëèòåëåì Ó. Îáû÷íî óñèëèòåëü ñîäåðæèò ýëåìåíòû, ïîçâîëÿþùèå êîððåêòèðîâàòü åãî ïåðåäàòî÷íóþ ôóíêöèþ Wg (S ) è, ñëåäîâàòåëüíî, êà÷åñòâî ðåãóëèðîâàíèÿ â öåëîì. Âûõîäíîé ñèãíàë óñèëèòåëÿ ε ïîñòóïàåò íà êîìïàðàòîð Êîì2, ãäå ñðàâíèâàåòñÿ ñ ñèãíàëîì ïèëîîáðàçíîé ôîðìû Uãïí . Ýòîò ñèãíàë ôîðìèðóåòñÿ ãåíåðàòîðàìè òàêòîâûõ èìïóëüñîâ ÃÒÈ è ïèëîîáðàçíîãî íàïðÿæåíèÿ ÃÏÍ. Ãåíåðàòîð ÃÒÈ çàäàåò ðàáî÷óþ ÷àñòîòó fð ïåðåêëþ÷åíèÿ êëþ÷à S. Ðàçíîñòü ñèãíàëîâ ε è Uãïí ñ âûõîäà êîìïàðàòîðà Êîì2 ïîñòóïàåò íà ôîðìèðîâàòåëü èìïóëüñîâ ÔÈ, íà âûõîäå êîòîðîãî ôîðìèðóþòñÿ èìïóëüñû óïðàâëåíèÿ Us êëþ÷îì S. Äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà Uóïð
Îáùèå ïðèíöèïû èìïóëüñíîãî ðåãóëèðîâàíèÿ ðàññìîòðåíû â § 9.2, ãäå óêàçàíû îñíîâíûå ñïîñîáû èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèè íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà. Íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå â êëàññå èìïóëüñíûõ ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà ïîëó÷èëè øèðîòíîèìïóëüñíàÿ ìîäóëÿöèÿ (ØÈÌ), ÷àñòîòíî-èìïóëüñíàÿ (×ÈÌ) è ðåëåéíàÿ. Ðàññìîòðèì áîëåå ïîäðîáíî ñòðóêòóðó ñèñòåì óïðàâëåíèÿ, ðåàëèçóþùèõ ýòè ñïîñîáû, íà ïðèìåðå îáîáùåííîé ñõåìû èìïóëüñíîãî ðåãóëÿòîðà (ðèñ. 11.20,à). Õàðàêòåð ðåãóëÿòîðà îáóñëîâëåí íàëè÷èåì îáîáùåííîãî êîììóòàòîðà S, êîòîðûé ìîæåò áûòü âûïîëíåí íà îñíîâå îäíîãî èëè áîëåå ñèíõðîííî êîììóòèðóåìûõ êëþ÷åé, óïðàâëÿåìûõ ÑÓ, ñâÿçàííîé â îáùåì ñëó÷àå ñ âõîäíûìè è âûõîäíûìè ïàðàìåòðàìè, à òàêæå âíåøíåé ñðåäîé. Äëÿ óïðîùåíèÿ áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî êîììóòàòîð ñîäåðæèò îäèí ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûé êëþ÷ S. Ïðè ðåãóëèðîâàíèè ïî ñïîñîáó ØÈÌ êëþ÷ S ïåðèîäè÷åñêè âêëþ÷àåòñÿ ñ ÷àñòîòîé fS = 1 ⁄ TS è íàõîäèòñÿ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè âðåìÿ γ, ðàâíîå tâêë ⁄ TS, à îñòàëüíóþ ÷àñòü ïåðèîäà tâûêë êëþ÷ íàõîäèòñÿ â âûêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè (ðèñ. 11.20,á), ò. å. tâûêë = TS − tâêë . (11.19) Êîýôôèöèåíò γ íàçûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì çàïîëíåíèÿ, à âåëè÷èíó îáðàòíóþ åìó q = 1 ⁄ γ, ïðèíÿòî íàçûâàòü ñêâàæíîñòüþ. Êîýôôèöèåíò γ ìîæåò èçìåíÿòüñÿ îò 0 äî 1. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì ñïîñîáîì èìïóëüñíîãî ðåãóëèðîâàíèÿ γ ÿâëÿåòñÿ ØÈÌ. Ñóùåñòâóåò ìíîãî ðàçëè÷íûõ ñïîñîáîâ åå ðåàëèçàöèè. Íàèáîëåå ïðîñòàÿ, ðàñïðîñòðàíåííàÿ ñòðóêòóðà âûïîëíÿåòñÿ ïî ïðèíöèïó âåðòèêàëüíîãî óïðàâëåíèÿ. Íà ðèñ. 11.21,à ïðåäñòàâëåí âàðèàíò òàêîé ñòðóêòóðíîé ñõåìû.  ýòîé ñõåìå ñèãíàë Xâûõ ïîñòóïàåò íà âõîä êîìïàðàòîðà Êîì1, ãäå ñðàâíèâàåòñÿ ñ ýòàëîííûì ñèãíàëîì X0.  êà÷åñòâå ñèãíàëà Xâûõ îáû÷íî èñïîëüçóåòñÿ âûõîäíîé ñèã-
Ðèñ. 11.20. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ: à – îáùàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììà ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ
299
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
Ðèñ. 11.23. Ïðèíöèï ðåëåéíîé ìîäóëÿöèè: à – ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ è ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ
ñëó÷àå ïðè îòñóòñòâèè âîçìóùåíèé íàñòðîéêà îáåñïå÷èâàåò ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå îøèáêè εmin, ò. å. ìèíèìàëüíîå îòêëîíåíèå ðåãóëèðóåìîé âåëè÷èíû Xâûõ îò çàäàííîãî ýòàëîííîãî çíà÷åíèÿ X0. Êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ γ â ýòîì ðåæèìå òàêæå ìèíèìàëåí. Ñ âîçðàñòàíèåì âëèÿíèÿ âîçìóùàþùèõ ôàêòîðîâ ñèãíàë Xâûõ íà÷èíàåò óìåíüøàòüñÿ, à ñèãíàëû ε è êîýôôèöèåíò γ áóäóò óâåëè÷èâàòüñÿ, êîìïåíñèðóÿ âîçäåéñòâèå âîçìóùåíèé. Ïðè ðåãóëèðîâàíèè ïî ñïîñîáó ×ÈÌ ðåãóëèðóþùèì ôàêòîðîì ÿâëÿåòñÿ ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà êîììóòàöèè êëþ÷åé èìïóëüñíîãî ðåãóëÿòîðà. Óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ðåãóëÿòîðà ñ ×ÈÌ ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 11.22.  ýòîé ñõåìå îòêëîíåíèå êîíòðîëèðóåìîãî ïàðàìåòðà Xâûõ îò ýòàëîííîãî çíà÷åíèÿ X0 ïîñòóïàåò íà óñèëèòåëü Ó. Âûõîäíîé ñèãíàë óñèëèòåëÿ ∆X îïðåäåëÿåò ÷àñòîòó fs ñèãíàëîâ ãåíåðàòîðà ïåðåìåííîé ÷àñòîòû ÃÏ×. Ôîðìèðîâàòåëü èìïóëüñîâ ÔÈ ñîãëàñóåò ïàðàìåòðû èìïóëüñîâ ÃÏ× ñ ïàðàìåòðàìè èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ êîììóòàòîðîì S. Ïðè ×ÈÌ èçìåíåíèå ÷àñòîòû ∆fs ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ γ = tâêë ⁄ T = tâêë fs, òàê êàê äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà ts íà âûõîäå ÔÈ ÿâëÿåòñÿ ïîñòîÿííîé âåëè÷èíîé, à îòíîñèòåëüíûå çíà÷åíèÿ âðåìåíè âêëþ÷åííîãî (èëè âûêëþ÷åííîãî) ñîñòîÿíèÿ (ðèñ. 11.22,á) çàâèñÿò îò ∆fs, ò. å.
Ðèñ. 11.21. Ïðèíöèï øèðîòíî-èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèè: à – ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû íàïðÿæåíèé
Ðèñ. 11.22. Ïðèíöèï ÷àñòîòíî-èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèè: à – ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììà íàïðÿæåíèÿ
îïðåäåëÿåòñÿ ñèãíàëàìè Uãïí è ε (ðèñ. 11.21,á). Ñîîòâåòñòâåííî ïðè èçìåíåíèè ñèãíàëà ε èçìåíÿåòñÿ äëèòåëüíîñòü âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ tâêë êëþ÷à S íà èíòåðâàëå ïåðèîäà Ts, ò. å. èçìåíÿåòñÿ êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ γ ïðè óïðàâëåíèè êëþ÷îì ïî ñïîñîáó ØÈÌ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ðåãóëÿòîð íàñòðîåí íà ðàáîòó ñ îòðèöàòåëüíûì ñòàòèçìîì ïðè âîçäåéñòâèè âîçìóùàþùèõ ôàêòîðîâ.  ýòîì
∆γ = tâêë∆fs .
300
(11.20)
§ 11.2. Áàçîâûå ñõåìû ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà
ñõåìû, âëèÿþùèå íà ñêîðîñòü ïðîòåêàíèÿ ïðîöåññîâ, èçìåíÿþòñÿ, íàïðèìåð, ïðè èçìåíåíèè íàãðóçêè, òî ñîîòâåòñòâåííî, èçìåíÿåòñÿ è ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà ïåðåêëþ÷åíèé fs. Òàêæå ìîæåò èçìåíÿòüñÿ è êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ γ. Òî÷íîñòü ðåãóëèðîâàíèÿ â ýòîé ñõåìå îïðåäåëÿåòñÿ ïîðîãîâûìè çíà÷åíèÿìè ñðàáàòûâàíèÿ ∆Xñð ðåëåéíîãî ýëåìåíòà. Ñïîñîá ðåëåéíîãî ðåãóëèðîâàíèÿ íàõîäèò øèðîêîå ïðèìåíåíèå â ñèñòåìàõ ñëåæåíèÿ” çà ýòà” åãî âî âðåìåíè, ëîííûì ñèãíàëîì, ïðè èçìåíåíèè ò. å. êîíòðîëèðóåìûé ïàðàìåòð ÿâëÿåòñÿ ïåðåìåííîé âåëè÷èíîé.  òàêèõ ñèñòåìàõ ðàáî÷àÿ ÷àñòîòà fs äîëæíà ñóùåñòâåííî, áîëåå ÷åì íà ïîðÿäîê, ïðåâûøàòü îñíîâíóþ ÷àñòîòó èçìåíåíèÿ ñèãíàëà X0(t). Ïóëüñàöèè ðåãóëèðóåìîãî ïàðàìåòðà, îáóñëîâëåííûå ïåðåêëþ÷åíèåì êëþ÷åé S íà ÷àñòîòå fs, îòôèëüòðîâûâàþòñÿ âûõîäíûì ôèëüòðîì ðåãóëÿòîðà. Ñ ðîñòîì ÷àñòîòû fs ïàðàìåòðû âûõîäíîãî ôèëüòðà óìåíüøàþòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê óëó÷øåíèþ óäåëüíûõ ìàññîãàáàðèòíûõ ïîêàçàòåëåé ðåãóëÿòîðà â öåëîì.
Îòäåëüíî ñëåäóåò îòìåòèòü ðåëåéíûé ñïîñîá ðåãóëèðîâàíèÿ, êîòîðûé â îáùåì ñëó÷àå ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê ñî÷åòàíèå øèðîòíî- è ÷àñòîòíî-èìïóëüñíîãî óïðàâëåíèÿ. Íà ðèñ. 11.23 ïðåäñòàâëåíû óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà, ðåàëèçóþùàÿ ýòîò ñïîñîá, è äèàãðàììû, èëëþñòðèðóþùèå ïðîöåññû â ðåãóëÿòîðå. Ðåãóëèðóåìûé ïàðàìåòð Xâûõ ñðàâíèâàåòñÿ ñ ýòàëîííûì ñèãíàëîì X0 è ðàçíîñòü ýòèõ ñèãíàëîâ ∆X, ÷åðåç óñèëèòåëü Ó, ïîñòóïàåò íà ðåëåéíûé ãèñòåðåçèñíûé ýëåìåíò ÐÝ, èìåþùèé äâà ÿâíî âûðàæåííûõ ñîñòîÿíèÿ Ó+ è Ó−. Ïîðîãîâûå çíà÷åíèÿ, ïðè êîòîðûõ ïðîèñõîäèò ïåðåêëþ÷åíèå ïî ãèñòåðåçèñíîé ïåòëå, ñîîòâåòñòâóþò ±∆Xñð. Âûõîäíûì ñèãíàëàì ÐÝ Ó+ è Ó− ñîîòâåòñòâóþò ñèãíàëû íà âûõîäå ÔÈ, îïðåäåëÿþùèå âêëþ÷åííîå èëè âûêëþ÷åííîå ñîñòîÿíèå êëþ÷à S èìïóëüñíîãî ðåãóëÿòîðà. Îäíî èç ñîñòîÿíèé âûçûâàåò óâåëè÷åíèå ðåãóëèðóåìîãî ïàðàìåòðà, à äðóãîå åãî óìåíüøåíèå (ðèñ. 11.23,á). Ñêîðîñòü ýòèõ ïðîöåññîâ çàâèñèò îò èíåðöèîííîñòè âñåõ çâåíüåâ ðåãóëÿòîðà, âêëþ÷àÿ ñîáñòâåííî îáúåêò ðåãóëèðîâàíèÿ. Åñëè ïàðàìåòðû
11.2.4. ÈÌÏÓËÜÑÍÛÉ ÐÅÃÓËßÒÎÐ Ñ ÏÎÑËÅÄÎÂÀÒÅËÜÍÛÌ ÊËÞ×ÎÌ
Ýòîò òèï ðåãóëÿòîðà íàçûâàåòñÿ ïîíèæàþùèì, òàê êàê åãî âûõîäíîå íàïðÿæåíèå íå ìîæåò ïðåâûøàòü âõîäíîå. Ðàññìîòðèì ïðèíöèï äåéñòâèÿ ðåãóëÿòîðà â ñõåìå ñ àêòèâíîé íàãðóçêîé Rí (ðèñ. 11.24,à). Ïåðèîäè÷åñêàÿ êîììóòàöèÿ ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìîãî êëþ÷à S ñ ÷àñòîòîé fs = 1 ⁄ Ts âûçûâàåò ïîÿâëåíèå íà íàãðóçêå èìïóëüñíîãî îäíîïîëÿðíîãî íàïðÿæåíèÿ (ðèñ. 11.24,á). Ñðåäíåå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå Uí.ñð çàâèñèò îò ñîîòíîøåíèÿ âðåìåíè âêëþ÷åííîãî tâêë è âûêëþ÷åííîãî tâûêë ñîñòîÿíèé è îïðåäåëÿåòñÿ Uí.ñð =
Ts
∫U (t)dt = EtT
1 Ts 0
í
âêë
= Eγ ,
íåííûì ÿâëÿåòñÿ Ã-îáðàçíûé LC-ôèëüòð. Íà ðèñ. 11.25 ïðåäñòàâëåíà ñèëîâàÿ ÷àñòü ñõåìû ðåãóëÿòîðà ñ LC-ôèëüòðîì, òðàíçèñòîðíûì êëþ÷îì VT è îáðàòíûì äèîäîì VD. Ïîñëåäíèé ñîçäàåò öåïü ïðîòåêàíèÿ òîêà iL ïðè âûêëþ÷åíèè òðàíçèñòîðà VT. Ïðè îòñóòñòâèè äèîäà VD áóäóò âîçíèêàòü íåäîïóñòèìûå ïåðåíàïðÿæåíèÿ íà òðàíçèñòîðå ïðè åãî âûêëþ÷åíèè, îáóñëîâëåííûå âîçíèêíîâåíèåì ïðîòèâîÝÄÑ e = −LdiL ⁄ dt â èíäóêòèâíîñòè ôèëüòðà.
(11.21)
ãäå γ – îòíîñèòåëüíîå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ (â äàííîì ñëó÷àå îòíîñèòåëüíàÿ äëèòåëüíîñòü âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ êëþ÷à S). Èç (11.21) âèäíî, ÷òî èçìåíÿÿ âåëè÷èíó γ, ìîæíî ðåãóëèðîâàòü ñðåäíåå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îò 0 äî E. Ñïîñîáû èçìåíåíèÿ γ ìîãóò áûòü ðàçëè÷íûìè, íî íàèáîëüøåå ðàñïðîñòðàíåíèå äëÿ ýòîãî êëàññà ñõåì ïîëó÷èë ïðèíöèï ðåãóëèðîâàíèÿ íà îñíîâå ØÈÌ. Èìïóëüñíîå ðåãóëèðîâàíèå âûçûâàåò çíà÷èòåëüíóþ ïóëüñàöèþ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Ïîýòîìó íà âûõîäå ðåãóëÿòîðà äëÿ óìåíüøåíèÿ ïóëüñàöèé, êàê ïðàâèëî, âêëþ÷àþò ôèëüòð. Äëÿ ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìû íàèáîëåå ýôôåêòèâíûì è ðàñïðîñòðà-
Ðèñ. 11.24. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ïîñëåäîâàòåëüíîãî êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà: à – ñõåìà; á – äèàãðàììà íàïðÿæåíèÿ
301
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
I èíòåðâàë E − Uí.ñð
i (I) L = IL min +
L
t;
II èíòåðâàë
(11.24) i (II) L = IL max +
Íàëè÷èå LC-ôèëüòðà ñóùåñòâåííî âëèÿåò íà ýëåêòðîìàãíèòíûå ïðîöåññû â ðåãóëÿòîðå. Ðàññìîòðèì ýòè ïðîöåññû áîëåå ïîäðîáíî äëÿ äâóõ ðåæèìîâ ðàáîòû: ñ íåïðåðûâíûì è ïðåðûâèñòûì òîêàìè â èíäóêòèâíîñòè iL. Ïðè ðàññìîòðåíèè ïðèìåì äîïóùåíèå îá èäåàëüíîñòè ñãëàæåííîñòè íàïðÿæåíèÿ Uí, êîãäà ïóëüñàöèÿ ðàâíà íóëþ è íàïðÿæåíèå Uí = Uí.ñð . Ñïðàâåäëèâîñòü òàêîãî äîïóùåíèÿ âûòåêàåò èç òîãî, ÷òî â áîëüøèíñòâå ïðàêòè÷åñêèõ ñõåì ôèëüòð îáåñïå÷èâàåò íèçêèé óðîâåíü ïóëüñàöèé â âûõîäíîì íàïðÿæåíèè ïî ñðàâíåíèþ ñî ñðåäíèì åãî çíà÷åíèåì. Ðåæèì ðàáîòû ñ íåïðåðûâíûì òîêîì iL.  ýòîì ðåæèìå ïðîèñõîäèò ïåðèîäè÷åñêîå èçìåíåíèå äâóõ ñîñòîÿíèé ñõåìû. Ïåðâîå ñîñòîÿíèå (èíòåðâàë I) èìååò ìåñòî ïðè âêëþ÷åííîì òðàíçèñòîðå VT äëèòåëüíîñòüþ tâêë = γTs, à äðóãîå (èíòåðâàë II) ïðè âûêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè â òå÷åíèå âðåìåíè tâûêë = Ts − tâêë = Ts(1 − γ) (ðèñ. 11.26). Äîïóùåíèå èäåàëüíîé ñãëàæåííîñòè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïîçâîëÿåò çàìåíèòü öåïè ôèëüòðà è íàãðóçêè ýêâèâàëåíòíûì èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ Uí.  ýòîì ñëó÷àå ìîæíî ñîñòàâèòü ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ñèëîâîé ÷àñòè ðåãóëÿòîðà, ñîîòâåòñòâóþùèå (ðèñ. 11.26,à). Ñîãëàñíî ýòèì ñõåìàì èçìåíåíèå òîêà iL íà èíòåðâàëàõ I è II îïðåäåëÿåòñÿ óðàâíåíèÿìè I èíòåðâàë diL dt
;
∆Uí =
Uí.ñð =
.
Uí m ax − Uí min 2
,
(11.25)
ãäå ∆Uí – àáñîëþòíàÿ âåëè÷èíà ïóëüñàöèè; Uí max, Uí min – ìàêñèìàëüíîå è ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå ðåãóëÿòîðà. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî ïåðåìåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ òîêà iL ïðåèìóùåñòâåííî ïðîòåêàåò ÷åðåç êîíäåíñàòîð C-ôèëüòðà, ñâÿçü çàðÿäà Q êîíäåíñàòîðà ñ íàïðÿæåíèåì ìîæíî, ñîãëàñíî äèàãðàììå íà ðèñ. 11.26,á, çàïèñàòü â ñëåäóþùåì âèäå: ∆Q = 2∆UíC =
∆ILTs 8
.
(11.26)
Èç (11.26) ñ ó÷åòîì (11.24) ïîëó÷èì
( 11.22)
∆Uí =
II èíòåðâàë di −L L dt
t.
 óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå ðàáîòû ðåãóëÿòîðà òîê iL íà èíòåðâàëå I ïðîòåêàåò ÷åðåç âêëþ÷åííûé òðàíçèñòîð VT, äèîä VD çàïåðò îáðàòíûì íàïðÿæåíèåì ïåðâè÷íîãî èñòî÷íèêà. Íà èíòåðâàëå II òðàíçèñòîð VT âûêëþ÷åí è òîê iL ïðîòåêàåò ÷åðåç äèîä VD. Òàêèì îáðàçîì íà âõîä ôèëüòðà ïîñòóïàåò íàïðÿæåíèå UVD (t) èìïóëüñíîé ôîðìû. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî íà îáîèõ èíòåðâàëàõ âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå èñòî÷íèêà UVD (t) ìàëî (äëÿ èäåàëèçèðîâàííîé ñõåìû ðàâíî íóëþ), èçìåíåíèå òîêà iL ìîæíî îïðåäåëèòü èç ýêâèâàëåíòíîé ñõåìû (ðèñ. 11.26,â), â êîòîðîé ïåðâè÷íûé èñòî÷íèê ïðåäñòàâëåí èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ èìïóëüñíîé ôîðìû UVD (t), îáîáùàþùèì ðåæèìû ðàáîòû â îáîèõ èíòåðâàëàõ. Ñîãëàñíî ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå íà ðèñ. 11.26,â ñðåäíåå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Uí.ñð ïðè LC-ôèëüòðå áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ òàê æå êàê è ïðè àêòèâíîé íàãðóçêå ñîîòíîøåíèåì (11.21). Îíî áóäåò îñòàâàòüñÿ ñïðàâåäëèâûì òîëüêî â ðåæèìàõ ðàáîòû ïðè íåïðåðûâíîì òîêå iL. Îöåíêó óðîâíÿ ïóëüñàöèé âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ LC-ôèëüòðà ìîæíî ïðèáëèæåííî ïðîâåñòè ñëåäóþùèì ìåòîäîì. Ñîãëàñíî îäíîìó èç ïðèíÿòûõ îïðåäåëåíèé ïóëüñàöèè ìîæíî çàïèñàòü
Ðèñ. 11.25. Ïîñëåäîâàòåëüíûé êëþ÷åâîé ðåãóëÿòîð: à – ñõåìà ñèëîâîé ÷àñòè; á – äèàãðàììà ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ
E − Uí.ñð = L
E − Uí.ñð L
2
ET s 16LC
(1 − γ) .
(11.27)
Âûðàæåíèå (11.27) ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü ïðîèçâåäåíèå åìêîñòè C êîíäåíñàòîðà è èíäóêòèâíîñòè L ðåàêòîðà âûõîäíîãî ôèëüòðà èç óñëîâèÿ îáåñïå÷åíèÿ çàäàííîãî óðîâíÿ ïóëüñàöèé ∆Uí, êîòîðûé îáû÷íî çàäàåòñÿ â ôîðìå êîýôôèöèåíòà ïóëüñà-
(11.23)
Èç (11.22 è 11.23) ñëåäóåò, ÷òî èçìåíåíèå òîêà iL ïðîèñõîäèò ïî ëèíåéíûì çàêîíàì (ðèñ 11.26,á): 302
§ 11.2. Áàçîâûå ñõåìû ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà t
Uí = UC = UC (0)e− RíC ,
(11.28)
ãäå UC (0) – çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå â ìîìåíò ñïàäàíèÿ òîêà iL äî íóëÿ.  ðåæèìå ðàáîòû ñ ïðåðûâèñòûì òîêîì iL ñâÿçü ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îòëè÷àåòñÿ îò (11.21) è ïðèíèìàåò ñëåäóþùèé âèä Uí.ñð =
2
Eγ 2
γ +
2L TsRí
.
(11.29)
Èç (11.29) âèäíî, ÷òî íà ñðåäíåå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â ðåæèìå ðàáîòû ñ ïðåðûâèñòûì òîêîì iL âëèÿåò áîëüøå ôàêòîðîâ, ÷åì ïðè ðàáîòå ñ íåïðåðûâíûì òîêîì iL. Íà ðèñ. 11.28 ïðåäñòàâëåíî ñåìåéñòâî âíåøíèõ õàðàêòåðèñòèê â îòíîñèòåëüíûõ åäèíèöàõ ñ óêàçàíèåì ãðàíèöû ðåæèìîâ ïðåðûâèñòîãî è íåïðåðûâíîãî òîêîâ iL. Ïàðàìåòðû, ñîîòâåòñòâóþùèå ýòîé ãðàíèöå, ìîãóò áûòü îïðåäåëåíû Ií.ãð =
öèé Êï â ïðîöåíòíîì âûðàæåíèè ïî îòíîøåíèþ ∆Uí Uí.ñð
2L
γ (1 − γ) ,
(11.30)
ãäå Ií.ãð – ñðåäíåå çíà÷åíèå ãðàíè÷íîãî òîêà íàãðóçêè. Îöåíêà ïóëüñàöèé âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â ðåæèìå ðàáîòû ñ ïðåðûâèñòûì òîêîì iL çäåñü íå ðàññìàòðèâàåòñÿ, òàê êàê ÿâëÿåòñÿ áîëåå ñëîæíîé çàäà÷åé, ÷åì â ðåæèìå ñ íåïðåðûâíûì òîêîì iL. Ïðè÷èíà ýòîãî çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî â òå÷åíèå êàæäîãî ïåðèîäà ðàáîòû ðåãóëÿòîðà ïîÿâëÿåòñÿ èíòåðâàë ñ ñóùåñòâåííî îòëè÷íîé òîïîëîãèåé ñõåìû. Âàæíåéøèì ïîêàçàòåëåì ëþáûõ òèïîâ ðåãóëÿòîðîâ ÿâëÿåòñÿ êà÷åñòâî ðåãóëèðîâàíèÿ â óñòàíîâèâøèõñÿ è ïåðåõîäíûõ ðåæèìàõ, êîòîðîå îïðåäåëÿåòñÿ ïàðàìåòðàìè ñõåìû êàê ñèëîâîé ÷àñòè, òàê è óïðàâëåíèÿ. Äëÿ àíàëèçà êà÷åñòâà ðåãóëèðîâàíèÿ èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå ìåòîäû, êðàòêèå ñâåäåíèÿ î êîòîðûõ ïðåäñòàâëåíû â § 9.2. Îñíîâîé áîëüøèíñòâà ìåòîäîâ ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëåíèå ïåðåäàòî÷íûõ ôóíêöèé îòäåëüíûõ çâåíüåâ ðåãóëÿòîðà äëÿ ïîñëåäóþùåãî àíàëèçà ñèñòåìû ÷àñòîòíûìè èëè äðóãèìè íàèáîëåå ýôôåêòèâíûìè äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñëó÷àÿ ìåòîäàìè [93].  êà÷åñòâå ïðèìåðà ñîñòàâèì ñòðóêòóðíóþ ñõåìó ðåãóëÿòîðà ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì êëþ÷îì (ñì. ðèñ. 11.25,à) è òèïîâîé ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ ïî ñïîñîáó ØÈÌ (ñì. ðèñ. 11.21). Ïðè ýòîì âîñïîëüçóåìñÿ ìåòîäîì óñðåäíåííûõ ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ äëÿ ìàëûõ ñèãíàëîâ â ðåæèìå íåïðåðûâíîãî òîêà iL. Ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ ñèëîâîé ÷àñòè ñõåìû, âêëþ÷àþùåé íàãðóçêó R, â ýòîì ñëó÷àå ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî (9.10). Ýòà ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ ñîîòâåòñòâóåò çâåíó âòîðîãî ïîðÿäêà, êîëåáàòåëüíîñòü êîòîðîãî çàâèñèò îò ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè R.
Ðèñ. 11.26. Ðåæèì ðàáîòû ïîñëåäîâàòåëüíîãî êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà ñ íåïðåðûâíûì òîêîì äðîññåëÿ: à – ñõåìû çàìåùåíèÿ íà èíòåðâàëàõ; á – äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ; â – îáùàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ
ê ñðåäíåìó çíà÷åíèþ, ò. å. Kï =
TsE
⋅ 100%.
Ðåæèì ðàáîòû ñ ïðåðûâèñòûì òîêîì iL.  ýòîì ðåæèìå òîê iL ñïàäàåò äî íóëÿ íà èíòåðâàëå, êîãäà òðàíçèñòîð Ò âûêëþ÷åí, è âîçíèêàåò íîâîå ñîñòîÿíèå ðåãóëÿòîðà ñ äëèòåëüíîñòüþ t ′′âûêë (èíòåðâàë III), êîãäà òîê iL = 0, à íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå ïîääåðæèâàåòñÿ çà ñ÷åò ýíåðãèè, íàêîïëåííîé â êîíäåíñàòîðå ôèëüòðà C (ðèñ. 11.27). Íà èíòåðâàëå III ïðè ïðèíÿòîì âûøå äîïóùåíèè èäåàëüíîé ñãëàæåííîñòè íàïðÿæåíèÿ Uí = Uí.ñð, ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ïðèíèìàåò âèä, ñîîòâåòñòâóþùèé ñõåìå íà ðèñ. 11.27,à.  ðåàëüíîé ñõåìå (ðèñ. 11.27,á), ó÷èòûâàþùåé êîíå÷íîå çíà÷åíèå åìêîñòè êîíäåíñàòîðà Ñ, íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå íà èíòåðâàëå III èçìåíÿåòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ óðàâíåíèåì 303
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
Ðèñ. 11.29. Ñõåìà óïðàâëåíèÿ òðàíçèñòîðíîãî ïîñëåäîâàòåëüíîãî ðåãóëÿòîðà
îòäåëüíûõ çâåíüåâ è ñõåìà ïðåîáðàçîâàííàÿ îòíîñèòåëüíî îòêëîíåíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ∆E. Ñîãëàñíî ýòîé ñõåìå ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ ðàçîìêíóòîé ñèñòåìû, ñâÿçûâàþùåé âõîäíîå è âûõîäíîå íàïðÿæåíèÿ ðåãóëÿòîðà èìååò ñëåäóþùèé âèä Wp(p) =
Ðèñ. 11.27. Ïîñëåäîâàòåëüíûé êëþ÷åâîé ðåãóëÿòîð â ðåæèìå ïðåðûâèñòîãî òîêà äðîññåëÿ: à – ñõåìà çàìåùåíèÿ íà èíòåðâàëå III; á – ñõåìà çàìåùåíèÿ íà èíòåðâàëå III ñ ó÷åòîì êîíäåíñàòîðà ôèëüòðà; â – äèàãðàììû òîêà è ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ
Ðèñ. 11.28. Âíåøíèå õàðàêòåðèñòèêè ðåãóëÿòîðà
Ðàññìîòðèì ñèñòåìó óïðàâëåíèÿ (ðèñ. 11.29) íà îïåðàöèîííûõ óñèëèòåëÿõ, ãäå êîìïàðàòîð è óñèëèòåëü âûïîëíåíû íà îäíîì ÎÓ1 ñ îòðèöàòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçüþ, îáðàçóåìîé ñîïðîòèâëåíèåì ZOC. Ïàðàìåòðû ZOC ìîãóò ñóùåñòâåííî âëèÿòü íà êà÷åñòâî ðåãóëèðîâàíèÿ â öåëîì è ïîñðåäñòâîì èõ ñîîòâåòñòâóþùåãî âûáîðà ìîæíî ïðîèçâîäèòü êîððåêöèþ. Íà ðèñ. 11.30,à ïðåäñòàâëåíû ïîëíàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ðåãóëÿòîðà ñ ïåðåäàòî÷íûìè ôóíêöèÿìè 304
KEWc(p) 1 + WcKäWó(p)KMKγ
,
(11.31)
ãäå Wc(p) – ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ ñèëîâîé ÷àñòè; Êä, Êì – êîýôôèöèåíòû äàò÷èêà è ìîäóëÿòîðà; Wó(p) – ïåðåäàòî÷íàÿ ôóíêöèÿ óñèëèòåëÿ (âêëþ÷àÿ öåïè êîððåêöèè); KE, Kγ – êîýôôèöèåíòû, ñâÿçûâàþùèå îòêëîíåíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ è óïðàâëÿþùåãî âîçäåéñòâèÿ (ñîãëàñíî ñõåìå íà ðèñ. 9.10 KE = γíîì , Kγ = Eíîì). Àìïëèòóäíî-÷àñòîòíàÿ (ËÀ×Õ) è ôàçî-÷àñòîòíàÿ (Ô×Õ) õàðàêòåðèñòèêè ðåãóëÿòîðà ïðè áåçûíåðöèîííîì óñèëèòåëå, êîãäà Wó(p) = Kó, ñîîòâåòñòâóþùèå (11.31), ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 11.31 â ëîãàðèôìè÷åñêîì ìàñøòàáå. Èñïîëüçóÿ êðèòåðèé Íàéêâèñòà, ïî ÷àñòîòíûì õàðàêòåðèñòèêàì ìîæíî îöåíèòü óñòîé÷èâîñòü ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ è êà÷åñòâî ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ. Ñîãëàñíî ýòîìó êðèòåðèþ ÷àñòîòà ñðåçà äîëæíà ðàñïîëàãàòüñÿ ëåâåå äîñòèæåíèÿ Ô×Õ óãëà –180° ñ îïðåäåëåííûì çàïàñîì. Êðîìå òîãî, ïåðåõîäíûé ïðîöåññ èìååò áîëåå áëàãîïðèÿòíûé õàðàêòåð, åñëè íàêëîí À×Õ â ðàéîíå ÷àñòîòû ñðåçà íå ïðåâûøàåò –20 äÁ/äåê. Íà ïðàêòèêå äëÿ äîñòèæåíèÿ ýòèõ öåëåé îáû÷íî èñïîëüçóþò êîððåêòèðóþùèå öåïè. Íàïðèìåð, ïðåäñòàâèâ ZOC â âèäå RC-öåïè è ïîäñîåäèíèâ ê ðåçèñòîðó R2 ïàðàëëåëüíûé êîíäåíñàòîð C, ìîæíî òðàíñôîðìèðîâàòü À×Õ â íóæíîì íàïðàâëåíèè, êàê ýòî ïîêàçàíî øòðèõîâîé ëèíèåé íà ðèñ. 11.31 [98]. Ïðè ýòîì ïîâûøàåòñÿ åãî óñòîé÷èâîñòü è êà÷åñòâî ïåðåõîäíûõ ïðîöåññîâ ïðè ðåãóëèðîâàíèè. Ñëåäóåò îòäåëüíî îòìåòèòü âëèÿíèå ïàðàìåòðîâ LC-ôèëüòðà íà ìàêñèìàëüíûå îòêëîíåíèÿ âûõîä-
§ 11.2. Áàçîâûå ñõåìû ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà
Ðèñ. 11.30. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ òðàíçèñòîðíîãî ïîñëåäîâàòåëüíîãî êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà: à – îáùàÿ ñõåìà; á – ñõåìà ïðåîáðàçîâàííàÿ îòíîñèòåëüíî èçìåíåíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 11.32. Äèàãðàììà íàïðÿæåíèÿ â ïåðåõîäíîì ïðîöåññå â òðàíçèñòîðíîì ïîñëåäîâàòåëüíîì ðåãóëÿòîðå
Ðèñ. 11.31. ×àñòîòíûå õàðàêòåðèñòèêè òðàíçèñòîðíîãî ïîñëåäîâàòåëüíîãî êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà
Ðèñ. 11.33. Ê îïðåäåëåíèþ ïàðàìåòðîâ ôèëüòðà â ðåãóëÿòîðå
ãäå ∆Uí è ∆Ií – ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ è òîêà íàãðóçêè. Ñîîòíîøåíèå (11.32) ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ êàê äîïîëíèòåëüíîå óñëîâèå âûáîðà ïàðàìåòðîâ LCôèëüòðà, êðîìå óñëîâèÿ (11.27) – îáåñïå÷åíèÿ çàäàííîãî óðîâíÿ ïóëüñàöèé. Òàêèì îáðàçîì îáëàñòü äîïóñòèìûõ çíà÷åíèé L è C îïðåäåëÿåòñÿ íåðàâåíñòâîì:
íîãî íàïðÿæåíèÿ ïðè ñáðîñàõ è íàáðîñàõ íàãðóçêè. Îáû÷íî èíåðöèîííîñòü êàíàëîâ ðåãóëèðîâàíèÿ íå ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ïîâëèÿòü íà ýòè îòêëîíåíèÿ. Çíà÷åíèÿ îòêëîíåíèé îïðåäåëÿþòñÿ òåì, ÷òî ïðè ñáðîñå íàãðóçêè ýíåðãèÿ, íàêîïëåííàÿ â èíäóêòèâíîñòè L, ïåðåõîäèò â êîíäåíñàòîð ôèëüòðà, âûçûâàÿ ïåðåíàïðÿæåíèå, à ïðè íàáðîñå íàãðóçêè èíåðöèîííîñòü èíäóêòèâíîñòè ïðèâîäèò ê ôîðñèðîâàííîìó ðàñõîäó ýíåðãèè êîíäåíñàòîðà è, ñîîòâåòñòâåííî, ê ïðîâàëó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ (ðèñ. 11.32). Ïðèáëèæåííî ýòè îòêëîíåíèÿ ìîãóò áûòü îïðåäåëåíû ÷åðåç ïàðàìåòðû LC-ôèëüòðà:
∆Uí = ∆Ií√ CL ,
L C
≥
∆ U 2 í ∆Ií
.
(11.33)
Îáëàñòü äîïóñòèìûõ çíà÷åíèé L è C ñîãëàñíî (11.27) è (11.33), ïîêàçàíà íà ðèñ. 11.33. Âûáîð êîíêðåòíûõ çíà÷åíèé L è C â ýòîé îáëàñòè ÿâëÿåòñÿ ìíîãîôàêòîðíîé îïòèìèçàöèîííîé çàäà÷åé.
(11.32) 305
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà 11.2.5. ÈÌÏÓËÜÑÍÛÉ ÐÅÃÓËßÒÎÐ Ñ ÏÀÐÀËËÅËÜÍÛÌ ÊËÞ×ÎÌ
Ýòîò òèï ðåãóëÿòîðà íàçûâàþò òàêæå ïîâûøàþùèì. Ñèëîâàÿ ÷àñòü ñõåìû ðåãóëÿòîðà ñ òðàíçèñòîðíûì êëþ÷îì VT è åìêîñòíûì âûõîäíûì ôèëüòðîì C ïðèâåäåíà íà ðèñ. 11.34. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ ðåãóëÿòîðà îñíîâàí íà ïåðèîäè÷åñêîì íàêîïëåíèè ýíåðãèè è ïåðåäà÷å åå èç èíäóêòèâíîñòè L â öåïè ôèëüòðà C è íàãðóçêè Rí. Òàê æå êàê è ðåãóëÿòîð ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì êëþ÷îì ýòîò ðåãóëÿòîð ìîæåò ðàáîòàòü â ðåæèìàõ ñ íåïðåðûâíûì è ïðåðûâèñòûì òîêîì ðåàêòîðà iL. Ðåæèì ðàáîòû ñ íåïðåðûâíûì òîêîì iL.  ýòîì ðåæèìå ÷åðåäóþòñÿ äâà ñîñòîÿíèÿ ñõåìû: òðàíçèñòîð VT âêëþ÷åí (èíòåðâàë I) è òðàíçèñòîð VT âûêëþ÷åí (èíòåðâàë II). Äèàãðàììû, èëëþñòðèðóþùèå ýòîò ðåæèì ðàáîòû, ïîêàçàíû íà ðèñ. 11.35. Ïðè ïîñòðîåíèè äèàãðàìì è äàëüíåéøåì ðàññìîòðåíèè ñõåìû ïðèíÿòî äîïóùåíèå îá èäåàëüíîé ñãëàæåííîñòè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Uí = Uí.ñð, òàê æå êàê ýòî áûëî ñäåëàíî â ðàçäåëå 11.2.4. Äëèòåëüíîñòè èíòåðâàëîâ I è II ñîñòàâëÿþò tâêë = γTs è tâûêë = (1 − γ)Ts ñîîòâåòñòâåííî. Íà ðèñ. 11.36 ïðåäñòàâëåíû ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû ïî èíòåðâàëàì ðàáîòû ñõåìû ñ ó÷åòîì ïðèíÿòûõ äîïóùåíèé. Ñîãëàñíî ýòèì ñõåìàì òîê iL íà èíòåðâàëàõ I è II èçìåíÿåòñÿ ïî ëèíåéíûì çàêîíàì I èíòåðâàë
Èç (11.36) âèäíî, ÷òî âûõîäíîå íàïðÿæåíèå ìîæåò èçìåíÿòüñÿ â èäåàëüíîé ñõåìå îò E ïðè γ = 0 äî ∞ ïðè γ = 1.  ðåàëüíîé ñõåìå íàëè÷èå àêòèâíûõ ïîòåðü îãðàíè÷èâàåò ðîñò âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ îöåíêè ïóëüñàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ìîæíî èñïîëüçîâàòü óñëîâèå ðàâåíñòâà íóëþ ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ òîêà iC êîíäåíñàòîðà C â óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå ðàáîòû. Íà ðèñ. 11.37 ïðåäñòàâëåíû
Ðèñ. 11.34. Ñõåìà ïàðàëëåëüíîãî êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà
iL = IL min + Et , L
II èíòåðâàë
(11.34) iL = IL max +
(E − Uí.ñð)t L
.
Èç äèàãðàìì íà ðèñ. 11.35 âèäíî, ÷òî íà èíòåðâàëå I òîê iL ïðîòåêàåò ÷åðåç òðàíçèñòîð VT, à öåïè íàãðóçêè R è êîíäåíñàòîð ôèëüòðà C îòäåëåíû îò âõîäíîãî èñòî÷íèêà äèîäîì VD. Ñâÿçü âõîäíûõ è âûõîäíûõ ïàðàìåòðîâ ñõåìû ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà èç óñëîâèÿ ðàâåíñòâà íóëþ ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âõîäíîì ðåàêòîðå L.  ýòîì ñëó÷àå ïëîùàäè ïîëîæèòåëüíîé è îòðèöàòåëüíîé ñîñòàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèÿ â òå÷åíèå ïåðèîäà Ts ðàâíû ìåæäó ñîáîé, ñëåäîâàòåëüíî: Etâêë = −(E − Uí.ñð)tâûêë èëè
Ðèñ. 11.35. Äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ ïàðàëëåëüíîãî êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà
(11.35) Etγ = −(E − Uí.ñð)(1 − γ) .
Èç (11.35) ïðåíåáðåãàÿ ïîòåðÿìè ìîùíîñòè â ñõåìå, ìîæíî çàïèñàòü Uí.ñð = E ; Ií.ñð = Iâõ.ñð(1 − γ), (11.36) (1 − γ)
ãäå Iâõ.ñð – ñðåäíåå çíà÷åíèå òîêà, ïîòðåáëÿåìîãî èç ïåðâè÷íîãî èñòî÷íèêà.
Ðèñ. 11.36. Ñõåìû çàìåùåíèÿ ïàðàëëåëüíîãî êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà â ðåæèìå ðàáîòû ñ íåïðåðûâíûì òîêîì äðîññåëÿ
306
§ 11.2. Áàçîâûå ñõåìû ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà
Ðåæèì ðàáîòû ñ ïðåðûâèñòûì òîêîì iL. Ïðè ñíèæåíèè òîêà íàãðóçêè ií äî îïðåäåëåííîãî ïàðàìåòðàìè ñõåìû óðîâíÿ ðåãóëÿòîð ïåðåõîäèò â ðåæèì ðàáîòû ñ ïðåðûâèñòûì òîêîì iL (ðèñ. 11.38).  ýòîì ðåæèìå íà èíòåðâàëå âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ òðàíçèñòîðà VT òîê iL ñïàäàåò äî íóëÿ ðàíüøå íà÷àëà ñëåäóþùåãî ïåðèîäà. Íàñòóïëåíèå ãðàíè÷íîãî ðåæèìà âîçìîæíî ïðè óñëîâèè, ÷òî Ií.ãð =
2
LI max
2
Ií.ñðγTs C
.
= PíTs =
2
U í.ñð Rí
√T2LR
äèàãðàììû, ïîçâîëÿþùèå ïðèáëèæåííî îöåíèòü óðîâåíü ïóëüñàöèé â ðåæèìå íåïðåðûâíîãî òîêà iL. Äëÿ ýòîãî íà äèàãðàììå òîêà äèîäà ïîêàçàíà ïåðåìåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ýòîãî òîêà ïðè äîïóùåíèè ñòàáèëüíîñòè ìãíîâåííîãî çíà÷åíèÿ òîêà Ií = Ií.ñð íàãðóçêè Rí. Èçìåíåíèå íàïðÿæåíèÿ îò UC max äî UC min ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì èçìåíåíèÿ çàðÿäà Q íà èíòåðâàëå γTs: =
(11.38)
Ts ,
(11.39)
ãäå Pí – àêòèâíàÿ ìîùíîñòü íàãðóçêè. Èç (11.39) ñ ó÷åòîì (11.38) ïîëó÷èì âûðàæåíèå, ñâÿçûâàþùåå ñðåäíåå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ñ ïàðàìåòðàìè ñõåìû (ïðè ïðèíÿòûõ âûøå äîïóùåíèÿõ îá èäåàëüíîé ñãëàæåííîñòè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ) â ðåæèìå ïðåðûâèñòîãî òîêà iL
Ðèñ. 11.38. Äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ ïàðàëëåëüíîãî êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà â ðåæèìå ïðåðûâèñòîãî òîêà äðîññåëÿ
∆Q C
γ (1 − γ)2 ,
2L
ãäå Ií.ãð – ãðàíè÷íîå ñðåäíåå çíà÷åíèå òîêà íàãðóçêè. Ñðåäíåå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Uí.ñð â ðåæèìå ïðåðûâèñòîãî òîêà IL ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî èç óñëîâèÿ áàëàíñà ýíåðãèè, íàêîïëåííîé â èíäóêòèâíîñòè L çà âðåìÿ âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ òðàíçèñòîðà è îòäàííîé â íàãðóçêó Rí. Ýòî óñëîâèå âûòåêàåò èç òîãî, ÷òî â óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå ðàáîòû ñðåäíåå çíà÷åíèå ýíåðãèè, íàêîïëåííîé â êîíäåíñàòîðå, ïîñòîÿííî.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå èìåëî áû ìåñòî ïîñòîÿííîå óìåíüøåíèå èëè óâåëè÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà êîíäåíñàòîðå, ò. å. âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ðåãóëÿòîðà. Ñ ó÷åòîì èçëîæåííîãî ìîæíî çàïèñàòü
Ðèñ. 11.37. Äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ ïàðàëëåëüíîãî êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïàðàìåòðîâ äðîññåëÿ
∆Uí =
TsUí.ñð
Uí.ñð = Eγ
s í
.
(11.40)
Äëÿ îöåíêè êà÷åñòâà ðåãóëèðîâàíèÿ ìîæíî òàêæå èñïîëüçîâàòü ìåòîäû óñðåäíåííûõ ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ è ÷àñòîòíîãî àíàëèçà. Ïðè ðåãóëèðîâàíèè ïî ñïîñîáó ØÈÌ ñõåìà ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ìîæåò áûòü âûáðàíà àíàëîãè÷íî ñõåìå íà ðèñ. 11.29. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ðåãóëÿòîðà äëÿ ýòîãî ñëó÷àÿ ìîæåò áûòü òàêæå ïîäîáíà ñõåìå è ðèñ. 11.30, òîëüêî ñ ñîîòâåòñòâóþùåé WC.
(11.37)
11.2.6. ÈÌÏÓËÜÑÍÛÉ ÐÅÃÓËßÒÎÐ Ñ ÏÀÐÀËËÅËÜÍÛÌ ÈÍÄÓÊÒÈÂÍÛÌ ÍÀÊÎÏÈÒÅËÅÌ
Ýòîò òèï ðåãóëÿòîðà íàçûâàåòñÿ òàêæå èíâåðòèðóþùèì. Òàêîå íàçâàíèå îáóñëîâëåíî èçìåíåíèåì ïîëÿðíîñòè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îòíîñèòåëüíî âõîäíîãî. Ñõåìà ñèëîâîé ÷àñòè ðåãóëÿòîðà ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 11.39. Ðåàêòîð L íàêàïëèâàåò ýíåð-
ãèþ ïðè âêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè òðàíçèñòîðà VT, ïåðåäàåò åå â íàãðóçêó Rí è â âûõîäíîé ôèëüòð, ñîñòîÿùèé èç êîíäåíñàòîðà C. Ðåãóëÿòîð â çàâèñèìîñòè îò ïàðàìåòðîâ ñõåìû è íàãðóçêè ìîæåò ðàáîòàòü â ðåæèìàõ íåïðåðûâíîãî è ïðåðûâèñòîãî òîêîâ 307
Ãë. 11. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
Ðèñ. 11.39. Ñõåìà êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà ñ èíâåðñèåé âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ
ðåàêòîðà iL. Ïðèíèìàÿ äîïóùåíèå îá èäåàëüíîé ñãëàæåííîñòè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ðàññìîòðèì ýòè ðåæèìû ðàáîòû. Ðåæèì ðàáîòû ñ íåïðåðûâíûì òîêîì iL. Äèàãðàììû òîêîâ è íàïðÿæåíèé â ñõåìå ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 11.40. Ïðè âêëþ÷åííîì òðàíçèñòîðå (èíòåðâàë I) ê ðåàêòîðó L ïðèëîæåíî íàïðÿæåíèå E è îí íàêàïëèâàåò ýíåðãèþ. Äëèòåëüíîñòü ýòîãî èíòåðâàëà ñîîòâåòñòâóåò âðåìåíè âêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ òðàíçèñòîðà tâêë = γTs. Ïðè âûêëþ÷åíèè òðàíçèñòîðà äèîä VD ïåðåõîäèò â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå è ýíåðãèÿ ðåàêòîðà ïîñòóïàåò â íàãðóçêó è âûõîäíîé ôèëüòð (èíòåðâàë II). Äëèòåëüíîñòü èíòåðâàëà II ñîîòâåòñòâóåò âðåìåíè âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ òðàíçèñòîðà tâêë = (1 − γ)Ts. Îáîèì èíòåðâàëàì ñîîòâåòñòâóþò ýêâèâàëåíòíûå ñõåìû, ïðåäñòàâëåííûå íà ðèñ. 11.41. Ñîãëàñíî ýòèì ñõåìàì èçìåíåíèþ òîêà iL ñîîòâåòñòâóþò óðàâíåíèÿ: I èíòåðâàë iL = IL min + E t , (11.41)
Ðèñ. 11.40. Äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà ñ èíâåðñèåé âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â ðåæèìå ðàáîòû ñ íåïðåðûâíûì òîêîì äðîññåëÿ
Ðèñ. 11.41. Ñõåìû çàìåùåíèÿ êëþ÷åâîãî ðåãóëÿòîðà ñ èíâåðñèåé âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â ðåæèìå ðàáîòû ñ íåïðåðûâíûì òîêîì äðîññåëÿ
L
II èíòåðâàë iL = IL max +
Uí.ñð t L
.
áëàãîïðèÿòíûì, â ýòîì îòíîøåíèè, ÿâëÿåòñÿ ðåæèì õîëîñòîãî õîäà, êîãäà íàãðóçêà îòñóòñòâóåò. Ðåæèì ðàáîòû ñ ïðåðûâèñòûì òîêîì iL.  îáëàñòè ìàëûõ íàãðóçîê ñõåìà ïåðåõîäèò â ðåæèì ðàáîòû ñ ïðåðûâèñòûì òîêîì iL. Òîê íà èíòåðâàëå âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ òðàíçèñòîðà ñïàäàåò äî íóëÿ ðàíüøå íà÷àëà ñëåäóþùåãî ïåðèîäà ðàáîòû (ðèñ. 11.42). Ãðàíè÷íîå ñðåäíåå çíà÷åíèå òîêà ðåàêòîðà ILãð ìîæåò áûòü îïðåäåëåíî
Îñíîâíûå ñîîòíîøåíèÿ ïðè ïðèíÿòûõ äîïóùåíèÿõ äëÿ óñòàíîâèâøåãîñÿ ðåæèìà ðàáîòû ñ íåïðåðûâíûì òîêîì iL ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû èç óñëîâèÿ ðàâåíñòâà íóëþ ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ UL íà ðåàêòîðå L (ñì. ðèñ. 11.40): Uí.ñð = Ií.ñð Iâõ
=
Eγ 1−γ 1−γ
γ
; (11.42) ,
ILãð =
ãäå Iâõ – ñðåäíåå çíà÷åíèå òîêà, ïîòðåáëÿåìîãî îò ïåðâè÷íîãî èñòî÷íèêà. Èç (11.43) ñëåäóåò, ÷òî âûõîäíîå íàïðÿæåíèå â ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìå ìîæåò èçìåíÿòüñÿ â øèðîêîì äèàïàçîíå îò íóëÿ ïðè γ = 0 äî áåñêîíå÷íîñòè ïðè γ = 1. Ýòà ñõåìà èìååò ïðåèìóùåñòâî íàä ñõåìàìè, ðàññìîòðåííûìè â ï.11.4.2 è ï.11.4.3. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â ðåàëüíûõ ñõåìàõ ïîòåðè ìîùíîñòè îãðàíè÷èâàþò âûõîäíîå íàïðÿæåíèå, íî íå óñòðàíÿþò îïàñíîñòü âûõîäà èç ñòðîÿ ýëåìåíòîâ ïîä âîçäåéñòâèåì ïîâûøåííîãî íàïðÿæåíèÿ. Íå-
TsUí.ñð (1 2L
− γ) .
(11.43)
Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñâÿçè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ñ ïàðàìåòðàìè ñõåìû è íàãðóçêè â ðåæèìå ðàáîòû ñ ïðåðûâèñòûì òîêîì ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà çàâèñèìîñòü (11.40). Òàêàÿ âîçìîæíîñòü âûòåêàåò èç èäåíòè÷íîñòè ïðîöåññîâ íàêîïëåíèÿ è ïåðåäà÷è ýíåðãèè â ðåæèìå ïðåðûâèñòîãî òîêà iL â ñõåìàõ ñ ïàðàëëåëüíûì êëþ÷îì. Ðåãóëèðîâàíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â ñõåìå ñ ïàðàëëåëüíûì èíäóêòèâíûì ðåàêòîðîì îñóùåñòâëÿåòñÿ èçìåíåíèåì êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ γ, â ÷àñòíîñòè, ïî ñïîñîáó ØÈÌ. 308
§ 11.2. Áàçîâûå ñõåìû ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 6.  êàêîé èç òðåõ ñõåì èìïóëüñíûõ ðåãóëÿòîðîâ ëåã÷å îáåñïå÷èòü íèçêèé óðîâåíü ïóëüñàöèè âõîäíîãî òîêà? 7. Ðàññ÷èòàòü ïàðàìåòðû âûõîäíîãî LC-ôèëüòðà â ñõåìå ðåãóëÿòîðà (ñì. ðèñ. 11.25), îáåñïå÷èâàþùåãî óðîâåíü ïóëüñàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íå áîëåå 1% è îòêëîíåíèå â äèíàìè÷åñêèõ ðåæèìàõ íå áîëåå 10% ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: ñðåäíåå çíà÷åíèå âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ E = 50 Â; ñðåäíåå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Uí.ñð = 24 Â; ñêà÷êîîáðàçíîå èçìåíåíèå òîêà íàãðóçêè ∆I – íå áîëåå 10 À. 8. Çàïèñàòü äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå äëÿ ñõåìû íà ðèñ. 11.34 íà èíòåðâàëå âûêëþ÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ êëþ÷à T â ðåæèìå ðàáîòû ñ íåïðåðûâíûì òîêîì iL ñ ó÷åòîì ïàðàìåòðîâ C è Rí, ò. å. èñêëþ÷àÿ äîïóùåíèå îá èäåàëüíîé ñãëàæåííîñòè íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå. 9. Ðàññ÷èòàòü ñðåäíåå è äåéñòâóþùåå çíà÷åíèÿ òîêà iL â ðåàêòîðå L ðåãóëÿòîðà, âûïîëíåííîãî ïî ñõåìå íà ðèñ. 11.39, äëÿ äâóõ ðåæèìîâ ðàáîòû – ñ íåïðåðûâíûì è ïðåðûâèñòûì òîêîì iL.
1. Îïðåäåëèòü ñîïðîòèâëåíèå rá â ñõåìå íà ðèñ. 11.17 ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: âõîäíîå íàïðÿæåíèå E = 24 Â; âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uí = 12 Â; ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè 1 êÎì; äîïóñòèìîå ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèå òîêà ñòàáèëèòðîíà Iñò = 5 ìÀ. 2. Êàê îòðàçèòñÿ íà çíà÷åíèè âõîäíîãî òîêà ñòàáèëèçàòîðà (ñì. ðèñ. 11.19) èçìåíåíèå íàãðóçêè, åñëè ðåæèì ñòàáèëèçàöèè íàïðÿæåíèÿ ñîõðàíèòñÿ? 3. Êàêèì îáðàçîì ìîæíî èçìåíÿòü âûõîäíîå íàïðÿæåíèå â òðàíçèñòîðíîì ðåãóëÿòîðå íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ? 4. Îïðåäåëèòå âëèÿíèå èçìåíåíèÿ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ÊÏÄ ðåãóëÿòîðà (ñì. ðèñ. 11.19) ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: âõîäíîå íàïðÿæåíèå E èçìåíÿåòñÿ â äèàïàçîíå îò 14 äî 20 Â; òîê íàãðóçêè Ií = 10 À; âûõîäíîå íàïðÿæåíèå 12 Â. 5. Êàêèå ôàêòîðû îïðåäåëÿþò âûñîêèå çíà÷åíèÿ ÊÏÄ è óäåëüíûõ ìàññîãàáàðèòíûõ ïîêàçàòåëåé èìïóëüñíûõ ðåãóëÿòîðîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ íåïðåðûâíûìè?
309
Ãëàâà äâåíàäöàòàÿ ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÊÎÌÌÓÒÀÖÈÎÍÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ È ÐÅÃÓËßÒÎÐÛ ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ 12.1. ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÅ È ÃÈÁÐÈÄÍÛÅ ÊÎÌÌÓÒÀÖÈÎÍÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ 12.1.1. ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß Î ÑÒÀÒÈ×ÅÑÊÈÕ È ÃÈÁÐÈÄÍÛÕ ÀÏÏÀÐÀÒÀÕ
ñ åñòåñòâåííîé êîììóòàöèåé. Ïîýòîìó ñðåäè àïïàðàòîâ ïåðåìåííîãî òîêà ìîæíî âûäåëèòü øèðîêèé êëàññ òèðèñòîðíûõ àïïàðàòîâ ñ åñòåñòâåííîé êîììóòàöèåé, ðàáîòà ïî ýòîìó ïðèíöèïó íà ïîñòîÿííîì òîêå ïðèíöèïèàëüíî íåâîçìîæíà. Ïîâûøåíèå ÷àñòîò ïðåîáðàçîâàíèÿ ýëåêòðîýíåðãèè îòêðûëî íîâûå âîçìîæíîñòè äëÿ ïðèìåíåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ óïðàâëÿåìûõ êîìïîíåíòîâ – ìàãíèòíûõ óñèëèòåëåé, êîòîðûå ìîãóò ðàáîòàòü â êà÷åñòâå èñïîëíèòåëüíûõ îðãàíîâ ðàçëè÷íûõ âèäîâ ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ êàê â íåïðåðûâíîì, òàê è èìïóëüñíîì ðåæèìàõ.
Ñóùåñòâóþò ïðèíöèïèàëüíûå ðàçëè÷èÿ ìåæäó ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè ïîñòîÿííîãî è ïåðåìåííîãî òîêà. Âî-ïåðâûõ, êîëè÷åñòâî ðåãóëèðóåìûõ ïàðàìåòðîâ â öåïÿõ ïåðåìåííîãî òîêà áîëüøå, ÷åì â öåïÿõ ïîñòîÿííîãî òîêà. Íàïðèìåð, íà ïåðåìåííîì òîêå âîçìîæíî ðåãóëèðîâàíèå ÷àñòîòû è ôàçû òîêà è íàïðÿæåíèÿ. Âî-âòîðûõ, íà ïåðåìåííîì òîêå áîëåå ÿâíî ðàçëè÷àþòñÿ ïîíÿòèÿ ìãíîâåííîãî, ñðåäíåãî è äåéñòâóþùåãî çíà÷åíèé, ó÷èòûâàþùèõ ôîðìó íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà. Íà ïåðåìåííîì òîêå øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ îáû÷íûå, íå ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûå òèðèñòîðû
12.1.2. ÒÈÐÈÑÒÎÐÍÛÅ ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÛ È ÐÅÃÓËßÒÎÐÛ ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ Ñ ÅÑÒÅÑÒÂÅÍÍÎÉ ÊÎÌÌÓÒÀÖÈÅÉ
Ïîñêîëüêó îáû÷íûé òèðèñòîð ÿâëÿåòñÿ ñèëîâûì ïîëóïðîâîäíèêîâûì ýëåìåíòîì ñ íåïîëíîé óïðàâëÿåìîñòüþ, äëÿ åãî âûêëþ÷åíèÿ íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü ñïàäàíèå ïðÿìîãî òîêà äî íóëÿ è òðåáóåìîå âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ, ïîñëå ÷åãî òèðèñòîð ñïîñîáåí áëîêèðîâàòü ïðÿìîå íàïðÿæåíèå.  ýòîé ñâÿçè ðàçëè÷àþò äâà îñíîâíûõ ñïîñîáà êîììóòàöèè îáû÷íûõ òèðèñòîðîâ – åñòåñòâåííóþ è èñêóññòâåííóþ (ïðèíóäèòåëüíóþ). Ñîîòâåòñòâåííî ñóùåñòâóþò äâà êëàññà òèðèñòîðíûõ ïðåðûâàòåëåé èëè êîíòàêòîðîâ ïåðåìåííîãî òîêà – ñ åñòåñòâåííîé êîììóòàöèåé (ÒÊÅ) è èñêóññòâåííîé (ÒÊÈ). Ïðåðûâàòåëè ïåðâîãî êëàññà ðåàëèçóþòñÿ ñðàâíèòåëüíî ïðîñòî, òàê êàê íå ñîäåðæàò óñòðîéñòâ, îáåñïå÷èâàþùèõ ïðèíóäèòåëüíîå âûêëþ÷åíèå òèðèñòîðîâ. Íà ðèñ. 12.1,à ïðåäñòàâëåíà îäíîôàçíàÿ ñõåìà ÒÊÅ, âûïîëíåííàÿ íà îñíîâå âñòðå÷íî-ïàðàëëåëüíûõ òèðèñòîðîâ (èëè îäíîãî ñèìèñòîðà). Èìïóëüñû óïðàâëåíèÿ äîëæíû ïîñòóïàòü íà òèðèñòîðû ñèíõðîííî ñ ñåòåâûì íàïðÿæåíèåì. Íà ðèñ. 12.1,á ïîêàçàíà óïðîùåííàÿ ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ÑÓ òèðèñòîðàìè ïðåðûâàòåëÿ, êîòîðàÿ âêëþ÷àåò â ñåáÿ ôîðìèðîâàòåëè èìïóëüñîâ ÔÈ1, ÔÈ2 è âõîäíîå óñòðîéñòâî ÂÓ, îáåñïå÷èâàþùåå ñèíõðîíèçàöèþ èìïóëüñîâ ñ ñåòåâûì íàïðÿæåíèåì. Ïðè ðàáîòå ïðåðûâàòåëÿ â ðåæèìå êîíòàêòîðà, êàæäûé èç òèðèñòîðîâ íàõîäèòñÿ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè ïîëïåðèîäà T/2, îïðåäåëÿåìîãî ÷àñòîòîé íàïðÿæåíèÿ. Ïðè âûêëþ÷åíèè îäíîãî òèðèñòîðà
Ðèñ. 12.1. Òèðèñòîðíûé ðåãóëÿòîð ïåðåìåííîãî òîêà íà âñòðå÷íî-ïàðàëëåëüíûõ òèðèñòîðàõ: à – ñèëîâàÿ ñõåìà; á – ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ
310
§ 12.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïåðåìåííîãî òîêà
Ðèñ. 12.2. Òèðèñòîðíûé ðåãóëÿòîð ïåðåìåííîãî òîêà íà îäíîì òèðèñòîðå
Ðèñ. 12.3. Òðåõôàçíûé òèðèñòîðíûé ðåãóëÿòîð ïåðåìåííîãî òîêà
Ðèñ. 12.4. Äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ òèðèñòîðíîãî ðåãóëÿòîðà ïåðåìåííîãî òîêà
Ðèñ. 12.5. Ðåãóëèðîâî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà òèðèñòîðíîãî ðåãóëÿòîðà ïåðåìåííîãî òîêà
ïðîèñõîäèò âêëþ÷åíèå äðóãîãî, äëÿ ÷åãî ê ýòîìó ìîìåíòó íà åãî óïðàâëÿþùèé ýëåêòðîä äîëæåí áûòü ïîäàí îòïèðàþùèé èìïóëüñ. Ïðè ðàáîòå íà àêòèâíóþ íàãðóçêó ôîðìà òîêà ñîâïàäàåò ñ íàïðÿæåíèåì è óãîë ñäâèãà ìåæäó íàïðÿæåíèåì è òîêîì ϕ ðàâåí íóëþ.  îáùåì ñëó÷àå óãîë ϕ íå ðàâåí íóëþ ïðè àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêå ϕ > 0 è èçìåíÿåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò íàãðóçêè.  ðåçóëüòàòå èçìåíÿåòñÿ òàêæå è ìîìåíò ïðîõîæäåíèÿ òîêà ÷åðåç íóëü, îïðåäåëÿþùèé âûêëþ÷åíèå ïðîâîäÿùåãî òîê íàãðóçêè òèðèñòîðà è âêëþ÷åíèå âñòðå÷íîãî òèðèñòîðà. Ñèñòåìà óïðàâëåíèÿ äîëæíà îòñëåæèâàòü èçìåíåíèå óãëà ϕ èëè ôóíêöèîíèðîâàòü ñ èìïóëüñàìè óïðàâëåíèÿ, ñèíõðîíèçèðîâàííûìè ñ ñåòåâûì íàïðÿæåíèåì, íî èìåþùèõ äëèòåëüíîñòü tè > ϕ, ÷òîáû îáåñïå÷èòü áåçðàçðûâíîñòü òîêà íàãðóçêè. Îäíàêî óâåëè÷åíèå äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà óïðàâëåíèÿ tè ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ ïîòåðü ìîùíîñòè â öåïÿõ óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðàìè, ÷òî íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ïðåðûâàòåëÿ. Òèðèñòîðíûé ïðåðûâàòåëü ìîæåò áûòü âûïîëíåí íà îäíîì òèðèñòîðå (ðèñ. 12.2). Îäíàêî óâåëè-
÷åíèå ÷èñëà äèîäîâ â ñõåìå ïîâûøàåò ïîòåðè ìîùíîñòè â ïðåðûâàòåëå, ÷òî îñîáåííî çàìåòíî íà÷èíàåò ïðîÿâëÿòüñÿ â ñèëüíîòî÷íûõ ÒÊÅ. Òèðèñòîðíûå ïðåðûâàòåëè ìîãóò èìåòü òðåõôàçíîå èñïîëíåíèå, íàïðèìåð, ïî ñõåìå, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 12.3. Î÷åâèäíî, ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ äîëæíà â òàêîé ñõåìå ñîîòâåòñòâîâàòü òðåõôàçíîé ñèñòåìå íàïðÿæåíèé, ò. å. ñëåäîâàòü ñ ñäâèãîì 120° ìåæäó èìïóëüñàìè óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðîâ ñîîòâåòñòâóþùèõ ôàç. Ïðè çàäåðæêå ïîñòóïëåíèÿ èìïóëüñà íà î÷åðåäíîé òèðèñòîð íà óãîë óïðàâëåíèÿ α ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíûì èçìåíÿòü äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå.  ýòîì ñëó÷àå ïðåðûâàòåëü ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ â êà÷åñòâå ðåãóëÿòîðà íàïðÿæåíèÿ èëè òîêà. Ïðè àêòèâíîé íàãðóçêå (ϕ = 0) äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ è òîêà ñîâïàäàþò ïî ôîðìå (ðèñ. 12.4). Î÷åâèäíî, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì óãëà α íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå óìåíüøàåòñÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò ðåàëèçîâàòü ïðèíöèï ôàçîâîãî ðåãóëèðîâàíèÿ íàïðÿæåíèÿ. Ðåãóëèðîâî÷íàÿ õàðàêòåðèñòèêà ïðåðûâàòåëÿ çàâèñèò íå òîëüêî îò óãëà α, íî è îò õàðàêòåðà 311
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
Óñòàíîâèâøàÿñÿ ñîñòàâëÿþùàÿ
íàãðóçêè. Íà ðèñ. 12.5 ïðåäñòàâëåíà çàâèñèìîñòü äåéñòâóþùåãî çíà÷åíèÿ òîêà â îòíîñèòåëüíûõ åäèíèöàõ â àêòèâíîé íàãðóçêå, âêëþ÷åííîé ÷åðåç òèðèñòîðíûé ðåãóëÿòîð ñ ôàçîâûì ðåãóëèðîâàíèåì. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðè ðåãóëèðîâàíèè ôîðìà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ èçìåíÿåòñÿ è ñòàíîâèòñÿ îòëè÷íîé îò ñèíóñîèäàëüíîé. Ýòî ïðèâîäèò ê ñóùåñòâåííîìó ðîñòó êîýôôèöèåíòà èñêàæåíèé âûõîäíîãî òîêà è, ñîîòâåòñòâåííî, íàïðÿæåíèÿ. Ïðè àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêå (ϕ ≠ 0) ðåãóëèðîâàíèå ñ ñèììåòðè÷íîé ðàáîòîé òèðèñòîðîâ îäíîé ôàçû ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíûì òîëüêî ïðè óñëîâèè α ≥ ϕ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïðè âêëþ÷åíèè òèðèñòîðà â ìîìåíò α < ϕ ïåðåõîäíûé ïðîöåññ èçìåíåíèÿ òîêà â àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêå áóäåò ïðåâûøàòü ïîëîâèíó ïåðèîäà.  ðåçóëüòàòå ïðè óçêèõ èìïóëüñàõ óïðàâëåíèÿ âñòðå÷íûé òèðèñòîð íå ñìîæåò âêëþ÷èòüñÿ, òàê êàê áóäåò øóíòèðîâàí äðóãèì òèðèñòîðîì, ïðîâîäÿùèì òîê, èëè âêëþ÷èòñÿ â ìîìåíò, íå ñîîòâåòñòâóþùèé óãëó óïðàâëåíèÿ α , ïðè êîòîðîì áûë âêëþ÷åí ïåðâûé òèðèñòîð. Òàêèì îáðàçîì, âîçíèêíåò íåñèììåòðè÷íûé ðåæèì ðàáîòû òèðèñòîðîâ, ÷òî ïðèâåäåò ê äîïîëíèòåëüíûì èñêàæåíèÿì òîêà íàãðóçêè, ïîÿâëåíèþ ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé, íåðàâíîìåðíîé çàãðóçêå òèðèñòîðîâ è äðóãèì íåæåëàòåëüíûì ïîñëåäñòâèÿì. Ïîýòîìó àëãîðèòì ôîðìèðîâàíèÿ èìïóëüñîâ ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ ðåãóëÿòîðà äîëæåí ó÷èòûâàòü âûïîëíåíèå ñîîòíîøåíèÿ α ≥ ϕ âî âñåõ ðåæèìàõ, âêëþ÷àÿ ïóñêîâîé. Î÷åâèäíî, ÷òî çíà÷åíèå óãëà ϕ áóäåò âëèÿòü íà ðåãóëèðîâî÷íûå õàðàêòåðèñòèêè ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèÿ α ≥ ϕ. Ðàññìîòðèì áîëåå ïîäðîáíî ñëó÷àé ÷èñòî èíäóêòèâíîé íàãðóçêè, êîãäà R = 0 è cosϕ = 1. Òàêèå ñõåìû èñïîëüçóþòñÿ â ðåãóëÿòîðàõ ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè äëÿ êîìïåíñàöèè èçáûòêà ìîùíîñòè åìêîñòíîãî õàðàêòåðà, êîòîðàÿ ìîæåò âîçíèêàòü â ðàçëè÷íûõ óñòðîéñòâàõ: èíâåðòîðàõ òîêà, ôèëüòðîêîìïåíñèðóþùèõ óñòðîéñòâàõ è äð. [97]. Ñõåìà è äèàãðàììû, èëëþñòðèðóþùèå ðàáîòó ðåãóëÿòîðà ñ èíäóêòèâíîñòüþ L0, ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 12.6,à. Äîïóñòèì, íà âõîä êîìïåíñèðóþùåãî óñòðîéñòâà ïîäàåòñÿ ñèíóñîèäàëüíîå íàïðÿæåíèå, ïîòåðè ýíåðãèè â ñõåìå ðàâíû íóëþ, òèðèñòîðû èäåàëüíûå.  ìîìåíò îïðåäåëÿåìûé óãëîì óïðàâëåíèÿ α, íàõîäÿùèìñÿ â èíòåðâàëå îò π ⁄ 2 äî π, íà òèðèñòîð VS1 ïîäàåòñÿ èìïóëüñ óïðàâëåíèÿ. Òèðèñòîð âêëþ÷èòñÿ è ÷åðåç èíäóêòèâíîñòü L0 íà÷íåò ïðîòåêàòü òîê. Ýòîò òîê ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ñóììû äâóõ ñîñòàâëÿþùèõ – ñâîáîäíîé iñâ(θ) è óñòàíîâèâøåéñÿ ió(θ): iL(θ) = iñâ(θ) + ió(θ) .
ió(θ) = −
Um ωL0
cosθ ,
(12.2)
ãäå L0 – èíäóêòèâíîñòü ðåàêòîðà; Um – àìïëèòóäà ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ. Ñâîáîäíóþ ñîñòàâëÿþùóþ ìîæíî îïðåäåëèòü èç çàêîíà êîììóòàöèè òîêà â èíäóêòèâíûõ öåïÿõ, ñîãëàñíî êîòîðîìó òîê â ìîìåíò êîììóòàöèè â èíäóêòèâíîñòè ñêà÷êîì íå èçìåíÿåòñÿ, ò. å. iL(α) = iñâ(α) + ió(α) = 0, (12.3) ãäå α – óãîë âêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðîâ. Èç (12.2) è (12.3) ñëåäóåò iñâ(α) =
Um ωL0
cosα .
(12.4)
Òàê êàê ñâîáîäíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ èç-çà îòñóòñòâèÿ ïîòåðü â ñõåìå íå çàòóõàåò, òî iñâ(θ) = iñâ(α). Èç (12.1), (12.2) è (12.4) ïîëó÷èì: iL(θ) =
Um ωL0
(cosα − cosθ) .
(12.5)
Äèàãðàììû èçìåíåíèé òîêà è íàïðÿæåíèÿ ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 12.6,á.  ìîìåíò (2π − α) òîê iL ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íóëþ è òèðèñòîð VS1 âûêëþ÷àåòñÿ.
Ðèñ. 12.6. Êîìïåíñàòîð ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè: à – ñèëîâàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû ðàáîòû
(12.1) 312
§ 12.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïåðåìåííîãî òîêà
Çàòåì â ìîìåíò âðåìåíè (π + α) ïîäàåòñÿ èìïóëüñ óïðàâëåíèÿ íà òèðèñòîð VS2 è òîê â ðåàêòîðå íà÷èíàåò ïðîòåêàòü â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè. Òîê â ðåàêòîðå ïðè ïåðèîäè÷åñêîì ñëåäîâàíèè èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ èìååò ïåðèîäè÷åñêèé õàðàêòåð è åãî ìîæíî ðàçëîæèòü â ãàðìîíè÷åñêèé ðÿä. Äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå ïåðâîé ãàðìîíèêè òîêà 2 √ IL1 = π Imax(α − π + πsin2α) , (12.6)
íà ðåàêòîðå ∆UL. Åñëè èçìåíÿòü âõîäíîé òîê Iâõ, òî áóäóò èçìåíÿòüñÿ íàïðÿæåíèå ∆UL è íàïðÿæåíèå Uâûõ. Ïðè ýòîì âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uâûõ ìîæíî ðåãóëèðîâàòü òàê, ÷òî åãî çíà÷åíèå ñòàíåò ëèáî ìåíüøå, ëèáî áîëüøå Uâõ. Óãîë ñäâèãà ϕ ìåæäó âõîäíûì òîêîì Iâõ è íàïðÿæåíèåì Uâõ îïðåäåëÿåòñÿ êîýôôèöèåíòîì ìîùíîñòè íàãðóçêè cosϕ, åìêîñòüþ êîíäåíñàòîðà C è ýêâèâàëåíòíûì çíà÷åíèåì èíäóêòèâíîñòè Lýêâ öåïè, ñîñòîÿùåé èç òèðèñòîðîâ VS1, VS2 è èíäóêòèâíîñòè ðåàêòîðà L0. Ýêâèâàëåíòíîå çíà÷åíèå èíäóêòèâíîñòè ýòîé öåïè, â ñâîþ î÷åðåäü, çàâèñèò îò óãëà óïðàâëåíèÿ α. Ïðè èçìåíåíèè óãëà α îò íóëÿ äî π ⁄ 2 çíà÷åíèå Lýêâ èçìåíÿåòñÿ îò L0 (êîãäà êàæäûé òèðèñòîð îòêðûò â òå÷åíèå ïîëóïåðèîäà) äî áåñêîíå÷íîñòè (êîãäà òîê ÷åðåç Lýêâ ðàâåí íóëþ). Ñëåäîâàòåëüíî, èçìåíÿÿ óãîë α, ìîæíî èçìåíÿòü óãîë ϕ, êîòîðûé ïðè ýòîì ïðèíèìàåò ïîëîæèòåëüíûå è îòðèöàòåëüíûå çíà÷åíèÿ, ñîîòâåòñòâóåò åìêîñòíîìó õàðàêòåðó âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ (ωLýêâ ìåíüøå 1 ⁄ ωC) èëè èíäóêòèâíîìó (ωLýêâ áîëüøå 1 ⁄ ωC).
ãäå Imax = Umax ⁄ (ωL0). Äëÿ óïðîùåíèÿ âû÷èñëåíèé ââåäåì óãîë óïðàâëåíèÿ β = π − α (ðèñ. 12.6.), ïðè ýòîì óãîë β èçìåíÿåòñÿ â ïðåäåëàõ 0 − π ⁄ 2. Èç (12.6) ñëåäóåò, ÷òî, èçìåíÿÿ óãîë α â èíòåðâàëå π ⁄ 2 − π, ïîëó÷àþò èçìåíåíèå äåéñòâóþùåãî çíà÷åíèÿ òîêà ïåðâîé ãàðìîíèêè â äèàïàçîíå Imax ⁄ 2 − 0. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî óìåíüøåíèå óãëà α < π ⁄ 2 ïðèâåäåò ê òîìó, ÷òî ïðîâîäèìîñòü ñîîòâåòñòâóþùåãî òèðèñòîðà ñòàíåò áîëüøå ïîëîâèíû ïåðèîäà. Ýòî âûçîâåò íàðóøåíèå â ñèììåòðè÷íîé ðàáîòå òèðèñòîðîâ VS1 è VS2, òàê êàê åñëè èíòåðâàë ïðîâîäèìîñòè îäíîãî òèðèñòîðà áîëüøå, ÷åì π, òî âòîðîé òèðèñòîð ê ìîìåíòó ïîäà÷è íà íåãî èìïóëüñà óïðàâëåíèÿ áóäåò øóíòèðîâàí ïåðâûì è íå âñòóïèò â ðàáîòó. Ñíèæåíèå òîêà IL ïðè óâåëè÷åíèè óãëà α ýêâèâàëåíòíî óâåëè÷åíèþ èíäóêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ XL âñåé öåïè êîìïåíñèðóþùåãî óñòðîéñòâà: XL =
πX0
2(α − π + πsin2α)
,
(12.7)
ãäå X0 = ωL0 èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ðåàêòîðà L0 íà ÷àñòîòå âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ.  ïðèâåäåííîì ïðèìåðå çàâèñèìîñòü òîêà îò óãëà óïðàâëåíèÿ äàíà îòíîñèòåëüíî ïåðâîé (îñíîâíîé) åãî ãàðìîíèêè, ñîîòâåòñòâóþùåé ÷àñòîòå ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî â ñèñòåìàõ ñ êîìïåíñèðóþùèìè óñòðîéñòâàìè îñíîâíóþ ðîëü èãðàåò áàëàíñ ðåàêòèâíûõ ìîùíîñòåé íà îñíîâíîé ãàðìîíèêå, à âîçíèêàþùèå ïðè ðåãóëèðîâàíèè âûñøèå ãàðìîíèêè òîêà, îáóñëîâëåííûå èñêàæåíèåì ôîðìû òîêà â èíäóêòèâíîñòè, ôèëüòðóþòñÿ ïîñðåäñòâîì ôèëüòðîâ âûñøèõ ãàðìîíèê. Íà îñíîâå ñõåìû ðåãóëÿòîðà ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè ìîæåò áûòü âûïîëíåí áåñòðàíñôîðìàòîðíûé ñòàáèëèçàòîð ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ, ïîçâîëÿþùèé îáåñïå÷èòü ïîâûøåíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ îòíîñèòåëüíî âõîäíîãî (ðèñ. 12.7,à). Ïðèíöèï äåéñòâèÿ òàêîãî ñòàáèëèçàòîðà ïîÿñíÿåòñÿ âåêòîðíîé äèàãðàììîé (ðèñ. 12.7,á). Âõîäíîå íàïðÿæåíèå Uâõ ðàâíî ãåîìåòðè÷åñêîé ñóììå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Uâûõ è íàïðÿæåíèÿ
Ðèñ. 12.7. Ñòàáèëèçàòîð ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ: à – ñèëîâàÿ ñõåìà; á – âåêòîðíûå äèàãðàììû ïðè ïîâûøåííîì (ïóíêòèð) è ïîíèæåííîì âõîäíîì íàïðÿæåíèè
313
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
â ìåòàëëóðãè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòè.  òàêèõ ñèñòåìàõ èñïîëüçîâàíèå óïðàâëÿåìûõ òèðèñòîðíûõ âûïðÿìèòåëåé ïðèâîäèò ê ñóùåñòâåííûì èñêàæåíèÿì ñåòåâîãî òîêà. Ïîýòîìó îêàçûâàåòñÿ öåëåñîîáðàçíûì èñïîëüçîâàòü ìíîãîôàçíûå íåóïðàâëÿåìûå âûïðÿìèòåëè, à ñòàáèëèçàöèþ íàïðÿæåíèÿ îñóùåñòâëÿòü ïîñðåäñòâîì òðàíñôîðìàòîðîâ ñ îòïàéêàìè, ïåðåêëþ÷àåìûõ òèðèñòîðàìè. Ïëàâíîñòü ðåãóëèðîâàíèÿ â òàêèõ ñõåìàõ äîñòèãàåòñÿ ôàçîâûì óïðàâëåíèåì òèðèñòîðîâ â ïðåäåëàõ äèàïàçîíîâ íàïðÿæåíèé, îïðåäåëÿåìûõ âèòêàìè ïåðåêëþ÷àåìûõ ñåêöèé îáìîòîê òðàíñôîðìàòîðà. Íà ðèñ. 12.8 ïðåäñòàâëåíà óïðîùåííàÿ ñõåìà ñòàáèëèçàòîðà, îòïàéêè àâòîòðàíñôîðìàòîðà êîòîðîãî ïåðåêëþ÷àþòñÿ òèðèñòîðàìè VS1, VS2 è VS3, VS4. Ñòàáèëèçàöèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â äàííîé ñõåìå îñóùåñòâëÿåòñÿ èçìåíåíèåì ìîìåíòîâ ïåðåêëþ÷åíèÿ îòïàåê àâòîòðàíñôîðìàòîðà.  ïîëîæèòåëüíûé ïîëóïåðèîä âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè ìîãóò íàõîäèòñÿ òèðèñòîðû VS1 èëè VS2, à â îòðèöàòåëüíûé – VS3 èëè VS4. Êîììóòàöèÿ òèðèñòîðîâ â òàêîé ñõåìå ïðîèñõîäèò ïîä âîçäåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ àâòîòðàíñôîðìàòîðà. Äëÿ îáåñïå÷åíèÿ åñòåñòâåííîé êîììóòàöèè òèðèñòîðîâ íåîáõîäèìî, ÷òîáû ïåðåêëþ÷åíèå ïðîèçâîäèëîñü íà îòâîäû ñ áîëåå âûñîêèì ïîòåíöèàëîì. Íàïðèìåð, â ïîëîæèòåëüíóþ ïîëóâîëíó âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ñíà÷àëà âêëþ÷àåòñÿ òèðèñòîð VS2, à çàòåì VS1.  ýòîì ñëó÷àå ïðè âêëþ÷åíèè òèðèñòîðà VS1 îáðàçóåòñÿ êîðîòêîçàìêíóòûé êîíòóð, â êîòîðîì ðàçâèâàåòñÿ òîê, íàïðàâëåííûé âñòðå÷íî òîêó íàãðóçêè, ïðîòåêàþùåìó ÷åðåç òèðèñòîð VS2.  ðåçóëüòàòå òèðèñòîð VS2 âûêëþ÷àåòñÿ è òîê íà÷èíàåò ïðîâîäèòü òèðèñòîð VS1. Ðåãóëèðîâàíèå äåéñòâóþùåãî çíà÷åíèÿ âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ìîæåò â äàííîé ñõåìå ïðîèçâîäèòüñÿ ïëàâíî çà ñ÷åò èçìåíåíèÿ ìîìåíòîâ ïåðåêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðîâ. Íà ðèñ. 12.8,á ïðåäñòàâëåíà äèàãðàììà âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ñòàáèëèçàòîðà ïðè àêòèâíîé íàãðóçêå. Ïðè àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêå âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü â óñëîæíåíèè ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ òèðèñòîðàìè. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî òîê íàãðóçêè áóäåò îòñòàâàòü îò íàïðÿæåíèÿ íà îáìîòêå àâòîòðàíñôîðìàòîðà, à âûêëþ÷åíèå òèðèñòîðîâ ïðîèñõîäèò â ìîìåíòû ïðîõîæäåíèÿ òîêà íàãðóçêè ÷åðåç íóëü.  çàêëþ÷åíèå ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â ñòàáèëèçàòîðàõ íàïðÿæåíèÿ íåâûñîêîé ìîùíîñòè ìîãóò óñïåøíî èñïîëüçîâàòüñÿ òðàíçèñòîðû â ñî÷åòàíèè ñ äèîäàìè, ïîçâîëÿþùèå îñóùåñòâëÿòü êîììóòàöèþ â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè.
Ðèñ. 12.8. Ñòàáèëèçàòîð ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ ñ îòïàéêàìè àâòîòðàíñôîðìàòîðà: à – ñèëîâàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû íàïðÿæåíèÿ
Ïðè åìêîñòíîì õàðàêòåðå âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ òîê Iâõ îïåðåæàåò âõîäíîå íàïðÿæåíèå (íà ðèñ. 12.7,á âåêòîðû òîêà è íàïðÿæåíèé äëÿ ýòîãî ñëó÷àÿ ïîêàçàíû øòðèõîâûìè ëèíèÿìè), à ïðè èíäóêòèâíîì – îòñòàåò. Èç ðèñ. 12.7,á âèäíî, ÷òî ïðè åìêîñòíîì õàðàêòåðå âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uâûõ ñòàáèëèçàòîðà ñòàíîâèòñÿ ïî çíà÷åíèþ áîëüøå âõîäíîãî Uâõ, à ïðè èíäóêòèâíîì – ìåíüøå. Òàêèì îáðàçîì, èçìåíÿÿ óãîë óïðàâëåíèÿ α, ìîæíî ðåãóëèðîâàòü âûõîäíîå íàïðÿæåíèå è, â ÷àñòíîñòè, ñòàáèëèçèðîâàòü åãî ïðè êîëåáàíèÿõ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ è òîêà íàãðóçêè. Îñíîâíûì äîñòîèíñòâîì ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìû ÿâëÿåòñÿ ìàëîå èñêàæåíèå ôîðìû âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ áëàãîäàðÿ íàëè÷èþ êîíäåíñàòîðà C. Îäíàêî óñòàíîâëåííûå ìîùíîñòè êîíäåíñàòîðà è ðåàêòîðà L0 â 2–3 ðàçà âûøå íîìèíàëüíîé ìîùíîñòè íàãðóçêè. Øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëó÷èëè ñòàáèëèçàòîðû íàïðÿæåíèÿ ñ ïåðåêëþ÷åíèåì îòïàåê îáìîòîê òðàíñôîðìàòîðà (èëè àâòîòðàíñôîðìàòîðà). Òàêèå ñòàáèëèçàòîðû ïîçâîëÿþò îáåñïå÷èòü âûñîêóþ òî÷íîñòü ñòàáèëèçàöèè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ ïðè ìàëûõ èñêàæåíèÿõ âõîäíîãî òîêà. Ýòè êà÷åñòâà îñîáåííî âàæíû â ñèñòåìàõ ýëåêòðîñíàáæåíèÿ, ñîäåðæàùèõ ìîùíûå âûïðÿìèòåëüíûå óñòàíîâêè, íàïðèìåð, äëÿ òåõíîëîãè÷åñêèõ ñèñòåì ýëåêòðîëèçà
314
§ 12.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïåðåìåííîãî òîêà 12.1.3. ÒÈÐÈÑÒÎÐÍÛÅ ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÛ ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ Ñ ÈÑÊÓÑÑÒÂÅÍÍÎÉ ÊÎÌÌÓÒÀÖÈÅÉ
Ïðè ïîäà÷å êîìàíäû íà îòêëþ÷åíèå â ñõåìå ðèñ. 12.1 ôîðìèðîâàíèå èìïóëüñîâ áëîêèðóåòñÿ. Ïðè ïðåêðàùåíèè ïîäà÷è èìïóëüñîâ òèðèñòîð VS1, ïðîâîäÿùèé òîê íàãðóçêè, âûêëþ÷àåòñÿ ïðè ñïàäàíèè ýòîãî òîêà äî íóëÿ (ïîä âîçäåéñòâèåì ïåðåìåííîãî ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ ïðîèñõîäèò åñòåñòâåííàÿ êîììóòàöèÿ òèðèñòîðà).  çàâèñèìîñòè îò ìîìåíòà ïîñòóïëåíèÿ êîìàíäû íà âûêëþ÷åíèå âðåìÿ åå âûïîëíåíèÿ ìîæåò èçìåíÿòüñÿ îò 0 äî T ⁄ 2. Òàêîå âðåìÿ ñðàáàòûâàíèÿ ïðåðûâàòåëÿ â ðÿäå ñëó÷àåâ íåäîïóñòèìî. Íàïðèìåð, â óñòàíîâêàõ áåñïåðåáîéíîãî ýëåêòðîñíàáæåíèÿ ïðè âîçíèêíîâåíèè àâàðèéíûõ ñèòóàöèé òðåáóåòñÿ ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííîå ïåðåêëþ÷åíèå íàãðóçêè ñ îäíîãî èñòî÷íèêà íà äðóãîé. Äëÿ ýòèõ öåëåé èñïîëüçóþò ïðåðûâàòåëè ÒÊÈ, ñõåìîòåõíè÷åñêîå èñïîëíåíèå êîòîðûõ èìååò ìíîãî âàðèàíòîâ. Íà ðèñ. 12.9 ïðåäñòàâëåí âàðèàíò ñõåìû ÒÊÈ. Êîãäà ÒÊÈ âêëþ÷åí, òî òîê íàãðóçêè ïðîòåêàåò â îäèí ïîëóïåðèîä ÷åðåç òèðèñòîð VS1 è äèîä VD1, à â äðóãîé – ÷åðåç òèðèñòîð VS2 è äèîä VD2. Êîììóòèðóþùèé êîíäåíñàòîð Cê çàðÿæåí îò ìàëîìîùíîãî çàðÿäíîãî óñòðîéñòâà ÇÓ äî íàïðÿæåíèÿ UC (0) ñ ïîëÿðíîñòüþ, ïîêàçàííîé íà ðèñóíêå, è îòäåëåí îò îñíîâíûõ òèðèñòîðîâ è äèîäîâ êîììóòèðóþùèì òèðèñòîðîì VS3. Äëÿ âûêëþ÷åíèÿ îñíîâíûõ òèðèñòîðîâ VS1 è VS2 íåîáõîäèìî ïîäàòü îòïèðàþùèé èìïóëüñ íà òèðèñòîð VS3. Ïðè ýòîì â ðåçóëüòàòå ðàçðÿäà êîíäåíñàòîðà Cê âîçíèêàåò òîê iê, íàïðàâëåííûé âñòðå÷íî òîêó ïðîâîäÿùåãî â òîò ìîìåíò îñíîâíîãî òèðèñòîðà. Ïðè ýòîì ïðîöåññû â êîììóòàöèîííîì êîíòóðå ïðîèñõîäÿò íà çíà÷èòåëüíî áîëåå âûñîêîé ÷àñòîòå ïî îòíîøåíèþ ê ÷àñòîòå ñåòè, ïîýòîìó òîê ií íà èíòåðâàëå êîììóòàöèè ïðàêòè÷åñêè íå ìåíÿåòñÿ. Äîïóñòèì, ÷òî òîê íàãðóçêè ïðîâîäèë òèðèñòîð VS1. Ïðè âêëþ÷åíèè òèðèñòîðà VS3 â ìîìåíò âðåìåíè t = t1 â êîíòóðå VS3 − VS1 − VD3 − Cê − − Lê − VS3 íà÷íåòñÿ êîëåáàòåëüíûé ïðîöåññ ðàçðÿäà êîíäåíñàòîðà Cê è íàðàñòàíèå òîêà iê (ðèñ. 12.9,á) ïî ñëåäóþùåìó çàêîíó: iê = ãäå ωê =
1
√ Lê Cê
UC (0)
Lê ⁄ Cê √
sin (ωêt) ,
òèðèñòîðà VS1 áîëüøå íóëÿ è îí íàõîäèòñÿ â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè. Äèîä VD2 íà ýòîì èíòåðâàëå âûêëþ÷åí, òàê êàê ê íåìó ïðèëîæåíî îáðàòíîå íàïðÿæåíèå, ðàâíîå ïàäåíèþ íàïðÿæåíèÿ íà âêëþ÷åííîì òèðèñòîðå VS1. Ïðè ðàâåíñòâå òîêîâ iê è ií (ìîìåíò âðåìåíè t2 íà ðèñ. 12.9,á) òîê òèðèñòîðà VS1 ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íóëþ è îí âûêëþ÷àåòñÿ. Îäíîâðåìåííî ïîä âîçäåéñòâèåì ïðÿìîãî ïîëîæèòåëüíîãî íàïðÿæåíèÿ âêëþ÷àåòñÿ äèîä VD2 è ðàçíîñòü òîêîâ ií è iê íà÷èíàåò ïðîòåêàòü ÷åðåç äèîä VD2. Íà èíòåðâàëå ïðîâîäèìîñòè äèîäà VD2 ê òèðèñòîðó VS1 áóäåò ïðèëîæåíî çàïèðàþùåå íàïðÿæåíèå, ðàâíîå ïàäåíèþ íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå VD2.  ìîìåíò âðåìåíè t3 òîê iê ñíîâà ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì òîêó ií, òîê äèîäà VD2 ñòàíîâèòñÿ ðàâíûì íóëþ è îí âûêëþ÷àåòñÿ.
(12.8)
.
Ïðè ýòîì ÷åðåç òèðèñòîð VS1 áóäåò ïðîòåêàòü ðàçíîñòü òîêîâ íàãðóçêè è ðàçðÿäà êîíäåíñàòîðà (ií − iê). Ïîêà òîê iê ìåíüøå òîêà ií, ïðÿìîé òîê
Ðèñ. 12.9. Òèðèñòîðíûé êîíòàêòîð ñ ïðèíóäèòåëüíîé êîììóòàöèåé: à – ñèëîâàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ
315
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
Òîê íàãðóçêè ií íà÷èíàåò ïðîòåêàòü ïî êîíòóðó: VD3 − Cê − Lê − VS3 − VD1 − Zí − Uâõ − VD3. Íà÷èíàÿ ñ ìîìåíòà âðåìåíè t3 ïðîöåññ èçìåíåíèÿ òîêà â ýòîì êîíòóðå ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ íàãðóçêè. Ïðè àêòèâíîé íàãðóçêå Rí < 2√ Lê ⁄ Cê èçìåíåíèå òîêà áóäåò èìåòü êîëåáàòåëüíûé õàðàêòåð ñ ÷àñòîòîé, áëèçêîé ê ωê, ò. å. áóäåò ïî ñóùåñòâó ñîîòâåòñòâîâàòü òîêó iê íà èíòåðâàëå âðåìåíè t3 − t4.  ìîìåíò âðåìåíè t = t4 òîê ñïàäàåò äî íóëÿ è âñå äèîäû è òèðèñòîðû, âêëþ÷àÿ òèðèñòîð VS3 âûêëþ÷àþòñÿ. Òàêèì îáðàçîì, ìîìåíò âðåìåíè t = t4 ñîîòâåòñòâóåò âûêëþ÷åíèþ ïðåðûâàòåëÿ.  ýòîì ñëó÷àå ïîëíîå âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ tâûêë ïðåðûâàòåëÿ, îòñ÷èòûâàåìîå îò ìîìåíòà ïîäà÷è êîìàíäû íà âûêëþ÷åíèå (ïîäà÷è îòïèðàþùåãî èìïóëüñà íà òèðèñòîð VS3), ìîæíî îïðåäåëèòü tâûêë = tâêëVS3 + π√ LêCê ,
12.9,á ïîêàçàí øòðèõîâîé ëèíèåé). Åñëè æå íàãðóçêà àêòèâíî-èíäóêòèâíàÿ, òî âûêëþ÷åíèå òàêæå ïðîèñõîäèò ïîçæå è ïðè ýòîì çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü ýíåðãèè, íàêîïëåííàÿ â èíäóêòèâíîñòè íàãðóçêè Lí, ïåðåõîäèò â êîíäåíñàòîð Cê, óâåëè÷èâàÿ íà íåì îáðàòíîå íàïðÿæåíèå. Ïðè ïðåíåáðåæåíèè ïîòåðÿìè â àêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íàãðóçêè è ýëåìåíòàõ ñõåìû, ýòî íàïðÿæåíèå ïðèìåò âèä UC max ≅
L +L √ C í
ê
ê
Ií0 ,
(12.10)
ãäå Ií0 – çíà÷åíèå òîêà íàãðóçêè â ìîìåíò êîììóòàöèè. Ïåðåíàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå Ñê ìîæíî ñíèçèòü, ââîäÿ â ñõåìó ýíåðãîïîãëîòèòåëüíîå ñîïðîòèâëåíèå Räîá (ðèñ. 12.9,à), èëè èñêëþ÷èòü ïîëíîñòüþ ïîñðåäñòâîì êîìïåíñèðóþùåãî êîíäåíñàòîðà Ñ, ïîäêëþ÷àåìîãî ê öåïè íàãðóçêè ïîñëå ïðåðûâàòåëÿ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïðîáëåìà êîìïåíñàöèè èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íå âîçíèêàåò ïðè èñïîëüçîâàíèè ïðåðûâàòåëåé â ñèñòåìàõ áåñïåðåáîéíîãî ýëåêòðîñíàáæåíèÿ.  òàêîé ñèñòåìå ðåàêòèâíûé òîê íàãðóçêè ïðèíèìàåò îñòàâøèéñÿ â ðàáîòå èíâåðòîð.
(12.9)
ãäå tâêëVS3 – âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà VS3. Ïðè óâåëè÷åíèè àêòèâíîé íàãðóçêè (Rí > > 2√ Lê ⁄ Cê ) ïðîöåññ ñòàíîâèòñÿ àïåðèîäè÷åñêèì è ìîìåíò ñïàäàíèÿ òîêà íàñòóïàåò ïîçæå (íà ðèñ.
12.1.4. ÐÅËÅ È ÊÎÍÒÀÊÒÎÐÛ ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ ÍÀ ÏÎËÍÎÑÒÜÞ ÓÏÐÀÂËßÅÌÛÕ ÊËÞ×ÀÕ
âàÿ, ÷òî âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðîâ ìàëî ïî ñðàâíåíèþ ñî âðåìåíåì èçìåíåíèÿ òîêà è íàïðÿæåíèÿ, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî íà èíòåðâàëàõ âûêëþ÷åíèÿ ëþáîãî èç òðàíçèñòîðîâ VÒ1 èëè VÒ2 òîê ií è âõîäíîå íàïðÿæåíèå ïðàêòè÷åñêè ïîñòîÿííû.  ýòîì ñëó÷àå ýëåêòðîìàãíèòíûå ïðîöåññû â ñõåìå áóäóò ñõîäíû ñ ïðîöåññàìè îòêëþ÷åíèÿ ñòàòè÷åñêèì êîíòàêòîðîì öåïè ïîñòîÿííîãî òîêà (ñì. ãë.11). Ôóíêöèþ îáðàòíîãî äèîäà, çàìûêàþùåãî òîê àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè, â äàííîì ñëó÷àå âûïîëíÿþò òðàíçèñòîðû VÒ2, VÒ3 è äèîäû VD2, VD3, âêëþ÷åíèå êîòîðûõ äîëæíî ïðîèçâîäèòüñÿ ñèíõðîííî ñ âûêëþ÷åíèåì òðàíçèñòîðîâ VÒ1 è VÒ2. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå èñòî÷íèêà ïåðåìåííîãî òîêà (ãåíåðàòîðà, òðàíñôîðìàòîðà è äð.) îáû÷íî èìååò èíäóêòèâíûé õàðàêòåð, ïîýòîìó íà ðèñ. 12.10,à îí ïðåäñòàâëåí ýêâèâàëåíòíîé èíäóêòèâíîñòüþ Lc, îêàçûâàåò ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå íà ïðîöåññ âûêëþ÷åíèÿ êîíòàêòîðà, òàê êàê ïðè ýòîì âîçíèêàåò çàäà÷à âûâîäà íàêîïëåííîé â íåé ýíåðãèè äëÿ èñêëþ÷åíèÿ (îãðàíè÷åíèÿ) ïåðåíàïðÿæåíèÿ íà âûêëþ÷àþùèõñÿ êëþ÷àõ VÒ1 è VÒ2. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì ñïîñîáîì âûâîäà ýòîé ýíåðãèè ÿâëÿåòñÿ ðàññåèâàíèå åå íà íåëèíåéíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ýëåìåíòàõ – âàðèñòîðàõ èëè ñòàáèëèòðîíàõ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ íàèáîëåå ýíåð-
 íàñòîÿùåå âðåìÿ íà îñíîâå ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûõ ñèëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ êëþ÷åé ðàçðàáàòûâàþòñÿ ðåëå è êîíòàêòîðû ñ î÷åíü âûñîêèì áûñòðîäåéñòâèåì è ïðàêòè÷åñêè íåîãðàíè÷åííûì ðåñóðñîì ðàáîòû. Ïðè ýòîì ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíûì îñóùåñòâëÿòü êîììóòàöèþ ñèëîâûõ öåïåé çà âðåìÿ, íå ïðåâûøàþùåå äåñÿòè ìèêðîñåêóíä, ò.å. ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííî îòíîñèòåëüíî ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ àâàðèéíûõ òîêîâ è íàïðÿæåíèé â ïðîìûøëåííûõ ñåòÿõ.  êà÷åñòâå ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé â ñòàòè÷åñêèõ àïïàðàòàõ èñïîëüçóþòñÿ ñèëîâûå òðàíçèñòîðû, çàïèðàåìûå òèðèñòîðû è äð.  òî æå âðåìÿ áûñòðàÿ êîììóòàöèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé âûçûâàåò îïðåäåëåííûå ïðîáëåìû, ñâÿçàííûå ñ íàëè÷èåì â êîììóòèðóåìûõ öåïÿõ èíäóêòèâíîñòåé è âûâîäîì íàêîïëåííîé â íèõ ýíåðãèè ïðè êîììóòàöèè. Ðàññìîòðèì ýòè ïðîöåññû áîëåå ïîäðîáíî íà ïðèìåðå îòêëþ÷åíèÿ íàãðóçêè îäíîôàçíîé öåïè ïåðåìåííîãî òîêà. Íà ðèñ. 12.10 ïðåäñòàâëåíà ñõåìà îäíîôàçíîãî êîíòàêòîðà, âûïîëíåííîãî íà îñíîâå òðàíçèñòîðîâ, è äèàãðàììû, èëëþñòðèðóþùèå ïðîöåññû èçìåíåíèÿ òîêà è íàïðÿæåíèÿ ïðè åãî îòêëþ÷åíèè. Ñòàòè÷åñêèé êîíòàêòîð ñîñòîèò èç äâóõ ïàð òðàíçèñòîðíûõ êëþ÷åé ñî âñòðå÷íî âêëþ÷åííûìè äèîäàìè: VÒ1, VÒ2, VD1, VD2 è VÒ3, VÒ4, VD3, VD4. Ó÷èòû316
§ 12.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïåðåìåííîãî òîêà
çâîëÿåò ýôôåêòèâíî îãðàíè÷èâàòü ïåðåíàïðÿæåíèÿ íà êëþ÷åâûõ ýëåìåíòàõ íà çàäàííîì óðîâíå çà ñ÷åò ïîãëîùåíèÿ çíà÷èòåëüíîé äîçû ýíåðãèè, íàêîïëåííîé â èíäóêòèâíîñòÿõ îòêëþ÷àåìîé öåïè. Âñòðå÷íî âêëþ÷åííûå ñòàáèëèòðîíû èëè âàðèñòîðû ìîãóò âêëþ÷àòüñÿ êàê íåïîñðåäñòâåííî íà âõîäå êîíòàêòîðà, òàê è ïàðàëëåëüíî êëþ÷àì êîíòàêòîðà ïî äðóãèì, ìåíåå ðàñïðîñòðàíåííûì, ñõåìàì. Ðàññìîòðèì âûêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðíîãî êîíòàêòîðà (ðèñ. 12.10,à) áîëåå ïîäðîáíî. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî òîê ií ïðîòåêàåò ÷åðåç âêëþ÷åííûå òðàíçèñòîð VÒ1 è äèîä VD2 è â ìîìåíò âðåìåíè t1 ïîñòóïàþò ñèãíàëû íà åãî çàïèðàíèå è îäíîâðåìåííî íà âêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà VÒ3.  ðåçóëüòàòå ïåðåíàïðÿæåíèé, âîçíèêàþùèõ íà èíäóêòèâíîñòÿõ Lí è Lc ïðè âûêëþ÷åíèè òðàíçèñòîðà VÒ1, âàðèñòîð VAR ïðîáèâàåòñÿ è íà÷èíàåò ïðîâîäèòü âõîäíîé òîê iâõ, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç èíäóêòèâíîñòü Lñ. Îäíîâðåìåííî äîëæíî ïðîèñõîäèòü âêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðà VÒ3 è äèîäà VD4, êîòîðûå øóíòèðóþò òîê íàãðóçêè ií. Ýòîìó ïðîöåññó ñîîòâåòñòâóåò ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ðèñ. 12.10,á, â êîòîðîé âàðèñòîð ïðåäñòàâëåí èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ Uvar. Îáû÷íî âûáèðàþò Uvar = (1,5 ÷ 2)Umax, ãäå Umax – ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå òîê iâõ áóäåò ñïàäàòü. Ïîëàãàÿ, ÷òî íàïðÿæåíèå â ñåòè çà âðåìÿ ñïàäà òîêà iâõ äî íóëÿ èçìåíèòñÿ íåçíà÷èòåëüíî, ìîæíî çàïèñàòü diâõ dt
>
Um
Lc
.
(12.11)
 ïðîöåññå ñïàäà òîêà iâõ ýíåðãèÿ, íàêîïëåííàÿ â èíäóêòèâíîñòè Lc, áóäåò ðàññåèâàòüñÿ â âàðèñòîðå (ðèñ. 12.10,á). Ñ ó÷åòîì íàëè÷èÿ â ñõåìå èñòî÷íèêà ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ, çíà÷åíèå êîòîðîãî áóäåì ñ÷èòàòü ìàêñèìàëüíûì Umax (íàèáîëåå íåáëàãîïðèÿòíûé ðåæèì äëÿ âûêëþ÷åíèÿ), ýíåðãèþ, âûäåëÿåìóþ â âàðèñòîð, ìîæíî âûðàçèòü ñëåäóþùèì ñîîòíîøåíèåì W=
L cT 2
2
Uvar Uvar − Umax
(12.12)
Îáû÷íî âðåìÿ ñïàäà òîêà ií äî íóëÿ çíà÷èòåëüíî ìåíüøå âðåìåíè ñïàäà äî íóëÿ òîêà àêòèâíî-èíäóêòèâíîé íàãðóçêè. Ïîýòîìó ïîñëå ñïàäà òîêà ií äî íóëÿ è âîññòàíîâëåíèÿ ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ íà âàðèñòîðå öåïè íàãðóçêè îêàçûâàþòñÿ îòêëþ÷åííûìè îò èñòî÷íèêà ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ.  òî æå âðåìÿ ýíåðãèÿ, çàïàñåííàÿ â èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íàãðóçêè ií, ñîçäàåò â íàãðóçêå òîê, ñïàäàþùèé ïî ýêñïîíåíöèàëüíîìó çàêîíó ñ ïîñòîÿííîé âðåìåíè τ = LíRí.
Ðèñ. 12.10. Òðàíçèñòîðíûé êîíòàêòîð: à – ñèëîâàÿ ñõåìà; á – ñõåìà çàìåùåíèÿ íà èíòåðâàëå îòêëþ÷åíèÿ; â – äèàãðàììû ðàáîòû
ãîåìêèìè ÿâëÿþòñÿ îãðàíè÷èòåëè ïåðåíàïðÿæåíèÿ ÎÏÍ íà îñíîâå îêñèäíî-öèíêîâûõ âàðèñòîðîâ. Òàêèå ÎÏÍ èìåþò âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå è íåëèíåéíóþ âîëüò-àìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó, ÷òî ïî317
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
Ïðè ïðîåêòèðîâàíèè êîíòàêòîðîâ ïåðåìåííîãî òîêà íà òðàíçèñòîðàõ ñëåäóåò ó÷èòûâàòü, ÷òî îíè ïîçâîëÿþò áëîêèðîâàòü íàïðÿæåíèå îäíîé ïîëÿðíîñòè. Ïîýòîìó òðàíçèñòîðû íàäî äîïîëíÿòü äèîäàìè, âêëþ÷åííûìè ïàðàëëåëüíî èëè ïîñëåäîâàòåëüíî.  ýòîé ñâÿçè â ñëàáîòî÷íûõ öåïÿõ öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü ñõåìó ñ îäíèì òðàíçèñòîðîì, âêëþ÷åííûì íà ñòîðîíå ïîñòîÿííîãî òîêà äèîäíîãî ìîñòà (ðèñ. 12.11).
Ðèñ. 12.11. Òðàíçèñòîðíûé êîíòàêòîð ñ îäíèì òðàíçèñòîðîì
12.1.5. ÃÈÁÐÈÄÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ
Îñíîâíûì äîñòîèíñòâîì ñòàòè÷åñêèõ êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòîâ ïåðåìåííîãî òîêà íà ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûõ êëþ÷åâûõ ýëåìåíòàõ ÿâëÿåòñÿ èõ âûñîêîå áûñòðîäåéñòâèå, ïîçâîëÿþùèå ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííî ïðåäîòâðàòèòü âîçðàñòàíèå àâàðèéíîãî òîêà, îãðàíè÷èâ åãî ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå íà ëþáîì çàäàííîì óðîâíå.  òî æå âðåìÿ âñåì ñòàòè÷åñêèì àïïàðàòàì ïðèñóùè äâà ïðèíöèïèàëüíûõ íåäîñòàòêà – çíà÷èòåëüíûå ïîòåðè àêòèâíîé ìîùíîñòè â ïðîâîäÿùåì ñîñòîÿíèè è îòñóòñòâèå ãàëüâàíè÷åñêîé ðàçâÿçêè â ðàçîìêíóòîì ñîñòîÿíèè. Äëÿ óñòðàíåíèÿ ýòèõ íåäîñòàòêîâ èñïîëüçóþòñÿ ãèáðèäíûå àïïàðàòû (ñì. ï.11.1.4). Ïðèíöèïû ïîñòðîåíèÿ è àëãîðèòìû ðàáîòû ãèáðèäíûõ àïïàðàòîâ ïåðåìåííîãî è ïîñòîÿííîãî òîêîâ âî ìíîãîì ñõîäíû.  êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñ. 12.12 ïðèâåäåíà ñõåìà ãèáðèäíîãî àïïàðàòà íà îñíîâå âñòðå÷íîâêëþ÷åííûõ òèðèñòîðîâ è ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòîðîâ, ïîñëåäîâàòåëüíî è ïàðàëëåëüíî ñîåäèíåííûõ ñ íèìè. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî àïïàðàòû çàùèòû íà îñíîâå òèðèñòîðîâ êàê ÷èñòî ñòàòè÷åñêèå, òàê è ãèáðèäíûå íå ïîçâîëÿþò ãàðàíòèðîâàííî îãðàíè÷èòü ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå óäàðíîãî òîêà ÊÇ. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî âûêëþ÷åíèå òèðèñòîðà ïðîèñõîäèò ïðè ïðîõîæäåíèè òîêà ÷åðåç íóëü, à ïðè íàèáîëåå íåáëàãîïðèÿòíîì ìîìåíòå âîçíèêíîâåíèÿ ÊÇ (ðèñ. 12.12,á) òîê ñïàäàåò äî íóëÿ ïðèìåðíî â êîíöå ïåðèîäà. Çà ýòî âðåìÿ ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå óäàðíîãî òîêà Ióä áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ ñëåäóþùèì ïðèáëèæåííûì ñîîòíîøåíèåì Ióä =
2Um , ωLc
Ðèñ. 12.12. Ãèáðèäíûé êîíòàêòîð ïåðåìåííîãî òîêà: à – ñèëîâàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììà òîêà êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ
 òî æå âðåìÿ ãèáðèäíûé àïïàðàò íà îñíîâå âñòðå÷íî âêëþ÷åííûõ òèðèñòîðîâ ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ïîëîæèòåëüíûå êà÷åñòâà ñòàòè÷åñêîãî è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîãî àïïàðàòîâ.  ðåçóëüòàòå òàêîé ãèáðèäíûé àïïàðàò ìîæåò ðåàëèçîâàòü ìÿã” êèé” ïóñê (òîðìîæåíèå) ýëåêòðîïðèâîäà ñ îãðàíè÷åíèåì çà ñ÷åò ôàçîâîãî ðåãóëèðîâàíèÿ ïóñêîâûõ òîêîâ è ðåçêèõ äèíàìè÷åñêèõ âîçäåéñòâèé â ïåðåõîäíûõ ïðîöåññàõ, à òàêæå ïîâûñèòü ñðîê ñëóæáû ýëåêòðîìåõàíè÷åñêîé ÷àñòè àïïàðàòà ïðè îäíîâðåìåííîì óëó÷øåíèè åå ìàññîãàáàðèòíûõ ïîêàçàòåëåé.
ãäå
ω – ÷àñòîòà ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ; Lc – ýêâèâàëåíòíàÿ èíäóêòèâíîñòü ñåòè.
318
§ 12.2. Ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà ñ èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è ðèñòîðó, ñîñòîèò èç ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííûõ êîíäåíñàòîðà Cê è ðåàêòîðà Lê; âðåìÿ âûêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðà tâûêë = 200 ìêñ; íà÷àëüíîå íàïðÿæåíèå íà êîíäåíñàòîðå UC(0) = 500 Â. 5. Ðàññ÷èòàéòå ýíåðãèþ, ïîãëîùàåìóþ âàðèñòîðîì, ïîäêëþ÷åííûì ïàðàëëåëüíî òðàíçèñòîðíûì êëþ÷àì (ñì. ðèñ. 12.10,à) ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: uc(t) = 311sin(314t); Uvar = 200 Â; âûêëþ÷àåìûé òîê â ïðîöåññå êîììóòàöèè íå èçìåíÿåòñÿ è ðàâåí 100 À. 6. Çàïèøèòå â îáùåì âèäå âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ ãèáðèäíîãî êîíòàêòîðà (ñì. ðèñ. 12.12,à), ó÷èòûâàÿ îñíîâíûå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà ýòè ïðîöåññû. 7. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå äîñòîèíñòâà è íåäîñòàòêè ãèáðèäíûõ êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòîâ ïî ñðàâíåíèþ ñî ñòàòè÷åñêèìè è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèìè. 8. Ïðèâåäèòå âàðèàíò ñòðóêòóðíîé ñõåìû ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ãèáðèäíîãî àïïàðàòà, ïðåäñòàâëåííîãî íà ðèñ. 12.12,à.
1. Ïðèâåäèòå ñõåìó ñèëîâîé ÷àñòè ñòàòè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ïåðåìåííîãî òîêà íà òðàíçèñòîðàõ. 2. Êàêèå ôàêòîðû âëèÿþò íà äëèòåëüíîñòü ïðîöåññà îòêëþ÷åíèÿ öåïè òèðèñòîðíûì êîíòàêòîðîì ïåðåìåííîãî òîêà ñ åñòåñòâåííîé êîììóòàöèåé? 3. Ðàññ÷èòàéòå äåéñòâóþùèå çíà÷åíèÿ òîêà â öåïè àêòèâíîé íàãðóçêè, ïîäêëþ÷åííîé ÷åðåç ðåãóëÿòîð íà îñíîâå âñòðå÷íî âêëþ÷åííûõ òèðèñòîðîâ ñ åñòåñòâåííîé êîììóòàöèåé ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: àìïëèòóäíîå çíà÷åíèå òîêà â öåïè ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ Im = 100 À; óãëû âêëþ÷åíèÿ òèðèñòîðîâ α = 0°, α = 30° è α = 45°. 4. Ïðèâåäèòå àíàëèòè÷åñêîå âûðàæåíèå äëÿ îïðåäåëåíèÿ åìêîñòè êîììóòèðóþùåãî êîíäåíñàòîðà Cê â òèðèñòîðíîì êîíòàêòîðå ñ èñêóññòâåííîé êîììóòàöèåé ïðè ñëåäóþùèõ èñõîäíûõ äàííûõ: êîììóòèðóåìûé òîê Ií = 100 À (ñ÷èòàòü òîê â ïðîöåññå êîììóòàöèè íåèçìåííûì); êîììóòèðóþùàÿ öåïü, ïîäêëþ÷àåìàÿ ïàðàëëåëüíî ê òè-
12.2. ÐÅÃÓËßÒÎÐÛ ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ Ñ ÈÌÏÓËÜÑÍÎÉ ÌÎÄÓËßÖÈÅÉ 12.2.1. ÏÐÈÍÖÈÏ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ÏÀÐÀÌÅÒÐÀÌÈ ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ  ×ÅÒÛÐÅÕ ÊÂÀÄÐÀÍÒÀÕ ÊÎÌÏËÅÊÑÍÎÉ ÏËÎÑÊÎÑÒÈ
íûé. Ðàññìîòðèì áîëåå ïîäðîáíî ðåæèìû ðàáîòû ïðåîáðàçîâàòåëÿ, âûïîëíåííîãî ïî îäíîôàçíîé ìîñòîâîé ñõåìå íà çàïèðàåìûõ òèðèñòîðàõ VS1– VS4 ñ ðåàêòîðîì Ld íà ñòîðîíå ïîñòîÿííîãî òîêà (ðèñ. 12.14). Ñîãëàñíî çàêîíó ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè, ïîëÿðíîñòü íàïðÿæåíèÿ íà èíäóêòèâíîñòè åñòåñòâåííûì îáðàçîì èçìåíÿåòñÿ íà ïðîòèâîïîëîæíóþ ïðè ïåðåõîäå èç ðåæèìà íàêîïëåíèÿ â íåé ýíåðãèè ê ðåæèìó îòäà÷è ýíåðãèè ïðè èíâåðòèðîâàíèè.  ýòîì ñëó÷àå íåò íåîáõîäèìîñòè â ïåðåêëþ÷åíèè ïîëÿðíîñòè èñòî÷íèêà ïîñòîÿííîãî òîêà ïî îòíîøåíèþ ê ìîñòîâîé ñõåìå ïðè ïåðåõîäå èç ðåæèìà âûïðÿìëåíèÿ ê èíâåðòèðîâàíèþ. Ïðèìåì
Èñòî÷íèê ïåðåìåííîãî òîêà ìîæíî ïîäêëþ÷èòü ê èñòî÷íèêó ïîñòîÿííîãî òîêà ÷åðåç ïðåîáðàçîâàòåëü, âûïîëíåííûé íà îñíîâå ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé, ñîåäèíåííûõ ïî èçâåñòíûì ñõåìàì ïðåîáðàçîâàíèÿ [97]. Åñëè â êà÷åñòâå êëþ÷åé âûáðàíû ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûå ýëåìåíòû, íàïðèìåð, òðàíçèñòîðû èëè çàïèðàåìûå òèðèñòîðû, òî èçìåíÿÿ àëãîðèòìû óïðàâëåíèÿ ýòèìè ýëåìåíòàìè ìîæíî îáåñïå÷èòü ëþáûå ðåæèìû ðàáîòû ïðåîáðàçîâàòåëÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå âåêòîðíîé äèàãðàììå íà ðèñ. 12.13. Íà äèàãðàììå ïîêàçàí âåêòîð òîêà Ic è íàïðÿæåíèÿ Uc ñî ñòîðîíû èñòî÷íèêà ïåðåìåííîãî òîêà íà êîìïëåêñíîé ïëîñêîñòè. Ïðåîáðàçîâàòåëü ìîæåò ðàáîòàòü êàê â ðåæèìàõ âûïðÿìëåíèÿ (êâàäðàíòû I è IV), òàê è â ðåæèìàõ èíâåðòèðîâàíèÿ (êâàäðàíòû II è III). Ïîëíàÿ óïðàâëÿåìîñòü êëþ÷åâûõ ýëåìåíòîâ â äàííîì ñëó÷àå ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü ðàáîòó â êâàäðàíòàõ III è IV, ãäå òðåáóåòñÿ ïðèíóäèòåëüíàÿ êîììóòàöèÿ êëþ÷åé â îòëè÷èå îò åñòåñòâåííîé êîììóòàöèè â êâàäðàíòàõ I è IV. Áëàãîäàðÿ ýòîìó ñâîéñòâó òàêèå ïðåîáðàçîâàòåëè íàçûâàþò ÷åòûðåõêâàäðàíòíûìè.  êà÷åñòâå èñòî÷íèêà (ïîòðåáèòåëÿ) ïîñòîÿííîãî òîêà ìîæíî èñïîëüçîâàòü êàêîé-ëèáî íàêîïèòåëü ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè, íàïðèìåð, èíäóêòèâ-
Ðèñ. 12.13. Âåêòîðíàÿ äèàãðàììà òîêà è íàïðÿæåíèÿ â ÷åòûðåõêâàäðàíòíîé ïëîñêîñòè
319
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
òîðîâ VS1–VS4, è âìåñòî çàïèðàåìûõ â ñõåìå ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ îáûêíîâåííûå òèðèñòîðû. Êâàäðàíòû III è IV òàêæå ñîîòâåòñòâóþò èíâåðòîðíîìó è âûïðÿìèòåëüíîìó ðåæèìàì ðàáîòû ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Ñóùåñòâåííûì îòëè÷èåì ýòèõ ðåæèìîâ îò ðåæèìîâ â êâàäðàíòàõ I è II ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòü ïðèíóäèòåëüíîé êîììóòàöèè òèðèñòîðîâ VS1–VS4 èëè èñïîëüçîâàíèÿ çàïèðàåìûõ òèðèñòîðîâ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ïðåîáðàçîâàòåëü ðàáîòàåò â ðåæèìå âûïðÿìëåíèÿ ñ îïåðåæàþùèì óãëîì óïðàâëåíèÿ â êâàäðàíòå IV, à òîê Id ïðîòåêàåò ïî çàïèðàåìûì òèðèñòîðàì VS3 è VS4. Äëÿ òîãî ÷òîáû ïåðåâåñòè òîê â òèðèñòîðû VS1 è VS2, íåîáõîäèìî âûêëþ÷èòü òèðèñòîðû VS3 è VS4 è âêëþ÷èòü – VS1, VS2. Ïðè ýòîì óñëîâèÿ åñòåñòâåííîé êîììóòàöèè îòñóòñòâóþò, òàê êàê ê òèðèñòîðàì VS1 è VS2 ïðèëîæåíî çàïèðàþùåå íàïðÿæåíèå ñî ñòîðîíû ñåòè ïåðåìåííîãî òîêà, ìãíîâåííîå çíà÷åíèå
ñëåäóþùèå äîïóùåíèÿ: ýëåìåíòû ñõåìû èäåàëüíû, â ðåàêòîðå èíäóêòèâíîñòüþ Ld íàêîïëåíà ýíåðãèÿ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ òîêó Id, èíäóêòèâíîñòü äîñòàòî÷íî âåëèêà, ÷òîáû ñ÷èòàòü òîê íåèçìåííûì è ðàâíûì òîêó êîììóòàöèè çàïèðàåìûõ òèðèñòîðîâ VS1–VS4. Äèàãðàììû òîêà è íàïðÿæåíèÿ ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 12.14,á. Êâàäðàíò I ñîîòâåòñòâóåò ðàáîòå â ðåæèìå âûïðÿìëåíèÿ ñ óãëîì óïðàâëåíèÿ (0 − π ⁄ 2) è íàïðàâëåíèå òîêà IC ñîîòâåòñòâóåò ïðèåìó ýíåðãèè èíäóêòèâíûì íàêîïèòåëåì (ýòîìó ðåæèìó ñîîòâåòñòâóåò ïîëÿðíîñòü íà ðåàêòîðå Ld, óêàçàííàÿ áåç ñêîáîê). Êâàäðàíò II ñîîòâåòñòâóåò èíâåðòîðíîìó ðåæèìó ñ óãëîì óïðàâëåíèÿ â äèàïàçîíå (π ⁄ 2−π). Ïðè ýòîì ïîëÿðíîñòü íà ðåàêòîðå ìåíÿåòñÿ íà ïðîòèâîïîëîæíóþ (íà ðèñ. 12.14 óêàçàíà â ñêîáêàõ), ÷òî ñîîòâåòñòâóåò âûâîäó ýíåðãèè èç ðåàêòîðà Ld. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â êâàäðàíòàõ I è II ïðîèñõîäèò åñòåñòâåííàÿ êîììóòàöèÿ òèðèñ-
Ðèñ. 12.14. ×åòûðåõêâàäðàíòíûé ïðåîáðàçîâàòåëü: à – ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììû òîêîâ è íàïðÿæåíèÿ
320
§ 12.2. Ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà ñ èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé
èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèè òîê áóäåò ñîäåðæàòü âûñøèå ãàðìîíèêè, îáóñëîâëåííûå ïåðåêëþ÷åíèåì êëþ÷åé. Äëÿ ôèëüòðàöèè ýòèõ ãàðìîíèê íà ñòîðîíå ïåðåìåííîãî òîêà èñïîëüçóþò LC-ôèëüòð. Òàê êàê îáû÷íî ÷àñòîòà èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèè âûáèðàåòñÿ ïî âîçìîæíîñòè âûñîêîé, ôèëüòð ÿâëÿåòñÿ ñðàâíèòåëüíî ëåãêèì” è ñóùåñòâåííî íå âëèÿåò íà ýíåð” ïîêàçàòåëè ïðåîáðàçîâàòåëÿ. ãåòè÷åñêèå Ðàáîòà ïðåîáðàçîâàòåëÿ â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ, ñîîòâåòñòâóþùèõ ÷åòûðåì êâàäðàíòàì, ìîæåò áûòü ðåàëèçîâàíà è ïðè åìêîñòíîì íàêîïèòåëå íà ñòîðîíå ïîñòîÿííîãî òîêà. Ýòà âîçìîæíîñòü âûòåêàåò èç ñâîéñòâà äóàëüíîñòè åìêîñòíûõ è èíäóêòèâíûõ ýëåìåíòîâ.  ýòîì ñëó÷àå èñòî÷íèê òîêà çàìåíÿåòñÿ èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ Uc. Ïðè äîïóùåíèè äîñòàòî÷íî áîëüøîãî çíà÷åíèÿ åìêîñòè Cd, ïóëüñàöèÿìè íàïðÿæåíèÿ íà íåé ìîæíî ïðåíåáðå÷ü è ïðèíÿòü Uc = const. Îäíàêî íà ñòîðîíå ïåðåìåííîãî òîêà èñòî÷íèê íàïðÿæåíèÿ uc äîëæåí áûòü çàìåíåí èñòî÷íèêîì òîêà ic. Íà ïðàêòèêå ýòî ìîæåò ñîîòâåòñòâîâàòü ïîñëåäîâàòåëüíîìó âêëþ÷åíèþ ïðåîáðàçîâàòåëÿ â öåïü ïåðåìåííîãî òîêà. Íà ðèñ. 12.17 ïðåäñòàâëåíà îäíîôàçíàÿ ñõåìà ïðåîáðàçîâàòåëÿ íà òðàíçèñòîðàõ, íà ñòîðîíå ïîñòîÿííîãî òîêà êîòîðîãî âêëþ÷åí êîíäåíñàòîð åìêîñòüþ Cd. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî çàäà÷åé ïðåîáðàçîâàòåëÿ ÿâëÿåòñÿ ôîðìèðîâàíèå íà ñòîðîíå ïåðåìåííîãî òîêà íàïðÿæåíèÿ, èìåþùåãî ôîðìó ìåàíäðà è ÷àñòîòó òðåòüåé ãàðìîíèêè ïî îòíîøåíèþ ê ÷àñòîòå ñåòåâîãî òîêà fc. Èç äèàãðàììû íà ðèñ. 12.18. âèäíî, ÷òî çà îäèí ïåðèîä ñåòè ïåðåìåííîãî òîêà ñ òðîéíîé ÷àñòîòîé ïðîèñõîäèò êîììóòàöèÿ òðàíçèñòîðîâ VÒ1–VÒ4, ðåçóëüòàòîì êîòîðîé ÿâëÿåòñÿ ôîðìèðîâàíèå íàïðÿæåíèÿ çàäàííîé ôîðìû. Ïðè ýòîì ïðî-
êîòîðîãî îòðèöàòåëüíî â ýòîò ïîëóïåðèîä. Îäíàêî âûêëþ÷åíèå çàïèðàåìûõ òèðèñòîðîâ â çàäàííûé ìîìåíò ñèãíàëîì óïðàâëåíèÿ ïðèâåäåò ê âîçíèêíîâåíèþ ïðîòèâî-ÝÄÑ íà èíäóêòèâíîñòè ñ ïîëÿðíîñòüþ, ñîîòâåòñòâóþùåé ïðÿìîìó íàïðÿæåíèþ íà òèðèñòîðàõ VS1 è VS2.  ýòîì ñëó÷àå ïðè íàëè÷èè ñèãíàëîâ óïðàâëåíèÿ äëÿ âêëþ÷åíèÿ ýòèõ òèðèñòîðîâ îíè ïåðåéäóò â ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå, ò. å. ïðîèçîéäåò ïðîöåññ êîììóòàöèè. Ïðè ïðèíÿòûõ äîïóùåíèÿõ ýòîò ïðîöåññ ïðîòåêàåò ìãíîâåííî.  ðåàëüíûõ ñõåìàõ êîíå÷íûå çíà÷åíèÿ âðåìåíè âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ çàïèðàåìûõ òèðèñòîðîâ ïðèâîäÿò ê íåîáõîäèìîñòè èñïîëüçîâàíèÿ äåìïôèðóþùèõ RC-öåïåé (èëè ñíàááåðîâ), ïàðàìåòðû êîòîðûõ òåì ìåíüøå, ÷åì âûøå áûñòðîäåéñòâèå òèðèñòîðîâ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå â ñõåìå âîçíèêàþò ïåðåíàïðÿæåíèÿ, êîòîðûå ìîãóò ïðèâåñòè ê âûõîäó èç ñòðîÿ òèðèñòîðîâ. Êðîìå òîãî, ñëåäóåò ó÷èòûâàòü âëèÿíèå íà êîììóòàöèþ èíäóêòèâíîñòè ñåòè ïåðåìåííîãî òîêà, êîòîðîå òàêæå áóäåò ïðîÿâëÿòüñÿ â ïåðåíàïðÿæåíèÿõ. Äëÿ óìåíüøåíèÿ ýòîãî âëèÿíèÿ íà ñòîðîíå ïåðåìåííîãî òîêà ïðåîáðàçîâàòåëÿ óñòàíàâëèâàþòñÿ LC-ôèëüòðû. Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì ïðîèñõîäèò êîììóòàöèÿ çàïèðàåìûõ òèðèñòîðîâ ïðè ðàáîòå ïðåîáðàçîâàòåëÿ â ðåæèìå èíâåðòèðîâàíèÿ ñ îïåðåæàþùèì óãëîì óïðàâëåíèÿ (êâàäðàíò III). Ðàáîòà â ðàçëè÷íûõ ðåæèìàõ, ñîîòâåòñòâóþùèõ ÷åòûðåì êâàäðàíòàì, ïîçâîëÿåò óïðàâëÿòü òîêîì ïðåîáðàçîâàòåëÿ ñî ñòîðîíû ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ ïî çàäàííîìó ñèñòåìîé óïðàâëåíèÿ çàêîíó. Íàïðèìåð, â ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìå ìîæåò áûòü ïîëó÷åí òîê â ôîðìå ìåàíäðà ñ ÷àñòîòîé, ðàâíîé ÷àñòîòå òðåòüåé ãàðìîíèêè ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ (ðèñ. 12.15).  ýòîì ñëó÷àå ïåðèîäè÷åñêè ñ ÷àñòîòîé òðåòüåé ãàðìîíèêè ÷åðåäóþòñÿ ðåæèìû ðàáîòû ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Îäíèì èç îñíîâíûõ ìåòîäîâ óïðàâëåíèÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ÿâëÿåòñÿ øèðîòíî-èìïóëüñíàÿ ìîäóëÿöèÿ (ØÈÌ) òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ ïî îïðåäåëåííîìó çàêîíó.  ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìå èñïîëüçîâàíèå çàïèðàåìûõ òèðèñòîðîâ ïîçâîëÿåò ðåàëèçîâàòü ØÈÌ íà ïîâûøåííîé ÷àñòîòå, ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå êîòîðîé îãðàíè÷åíî ÷àñòîòíûìè ïàðàìåòðàìè òèðèñòîðîâ. Ïðèíöèï ðåàëèçàöèè ØÈÌ â ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìå ïîÿñíÿåòñÿ äèàãðàììîé ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ è òîêà (ðèñ. 12.16). Ïàóçû, ñîîòâåòñòâóþùèå íóëåâîìó çíà÷åíèþ òîêà ic, ôîðìèðóþòñÿ, êîãäà âêëþ÷åíà îäíà ïàðà òèðèñòîðîâ VS1, VS4 èëè VS2, VS3, à äðóãàÿ ïàðà òèðèñòîðîâ ìîñòà âûêëþ÷åíà.  ýòèõ èíòåðâàëàõ òîê Id çàìûêàåòñÿ âíóòðè ìîñòà, íå ïîïàäàÿ â èñòî÷íèê ïåðåìåííîãî òîêà.  ðåçóëüòàòå
Ðèñ. 12.15. Òîê è íàïðÿæåíèå ïðè ìîäóëÿöèè òîêà
Ðèñ. 12.16. Øèðîòíî-èìïóëüñíàÿ ìîäóëÿöèÿ
321
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
Ðèñ. 12.17. ×åòûðåõêâàäðàíòíûé ïðåîáðàçîâàòåëü ñ åìêîñòíûì íàêîïèòåëåì
Ðèñ. 12.18. Òîê è íàïðÿæåíèå ïðè ìîäóëÿöèè íàïðÿæåíèÿ
âîäÿùåå ñîñòîÿíèå òðàíçèñòîðîâ VÒ1, VÒ2 (VÒ3, VÒ4) ñîîòâåòñòâóåò èñòîêó ýíåðãèè èç êîíäåíñàòîðà, à ïðîâîäÿùåå ñîñòîÿíèå äèîäîâ VD3, VD4 (VD1, VD2) ïðèåìó (ñòîêó) ýíåðãèè â êîíäåíñàòîð èç ñåòè. Îäíîâðåìåííî ïðîèñõîäèò ÷åðåäîâàíèå ðåæèìîâ ðàáîòû ïî ðàçëè÷íûì êâàäðàíòàì. Ðàññìàòðèâàåìàÿ ñõåìà ïîçâîëÿåò îñóùåñòâëÿòü ØÈÌ. Èíòåðâàëû ñ íóëåâûì çíà÷åíèåì íàïðÿæåíèÿ uc = 0 ñôîðìèðîâàíû â ïðîöåññå ïðîâîäèìîñòè
òðàíçèñòîðíî-äèîäíûõ ïàð VÒ4–VT2 (èëè VT1– VÒ3). Äëÿ ñãëàæèâàíèÿ ïóëüñàöèè íàïðÿæåíèÿ íà ñòîðîíå ïåðåìåííîãî òîêà âêëþ÷åí LC-ôèëüòð. Òàêèì îáðàçîì, ÷åðûðåõêâàäðàíòíûå ïðåîáðàçîâàòåëè ñ èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé ïîçâîëÿþò ðåàëèçîâàòü óïðàâëÿåìûå ïî òðåáóåìîìó çàêîíó èñòî÷íèêè òîêà èëè èñòî÷íèêè íàïðÿæåíèÿ, ÷òî ìîæåò èìåòü øèðîêîå ïðèêëàäíîå çíà÷åíèå â ýëåêòðîòåõíèêå.
12.2.2. ÐÅÃÓËÈÐÎÂÀÍÈÅ ÍÅÀÊÒÈÂÍÎÉ ÌÎÙÍÎÑÒÈ
Ïîä íåàêòèâíîé ìîùíîñòüþ ïîíèìàþò ìîùíîñòü ïåðåìåííîãî òîêà, ñðåäíåå èíòåãðàëüíîå çíà÷åíèå êîòîðîé çà ïåðèîä ðàâíî íóëþ, ò. å. D=
1 T
íîñòè.  ýòîì ñëó÷àå èõ íàçûâàþò ðåãóëÿòîðàìè íåàêòèâíîé ìîùíîñòè. Ñõåìîòåõíè÷åñêîé îñíîâîé àêòèâíûõ ôèëüòðîâ è ðåãóëÿòîðîâ íåàêòèâíîé ìîùíîñòè ÿâëÿþòñÿ ïðåîáðàçîâàòåëè ñ èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé ïàðàìåòðîâ â ÷åòûðåõêâàäðàíòíîé ïëîñêîñòè è ðåàêòèâíûì íàêîïèòåëåì íà ñòîðîíå ïîñòîÿííîãî òîêà. Ðàññìîòðèì ïðèíöèï äåéñòâèÿ àêòèâíûõ ôèëüòðîâ â ïðîñòåéøåé îäíîôàçíîé ñèñòåìå ýëåêòðîñíàáæåíèÿ, ñîñòîÿùåé èç ãåíåðàòîðà ñèíóñîèäàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ (ïåðâîé ãàðìîíèêè íàïðÿæåíèÿ) uC. Ïîëíîå âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå ãåíåðàòîðà ñî ñòîðîíû âûõîäíûõ çàæèìîâ ïðåäñòàâèì èíäóêòèâíîñòüþ Lc. Íàãðóçêà ÿâëÿåòñÿ íåëèíåéíîé (íàïðèìåð, âûïðÿìèòåëü), à òîê, ïîñòóïàþùèé â íàãðóçêó, ñîäåðæèò êðîìå îñíîâíîé (ïåðâîé) ãàðìîíèêè i1 âûñøèå ãàðìîíèêè òîêà, êîòîðûå îáîáùåííî ïðåäñòàâèì òîêîì iâã. Íà ðèñ. 12.19. ïîêàçàíû òèïîâûå ñõåìû ïîäêëþ÷åíèÿ àêòèâíûõ ôèëüòðîâ, ÿâëÿþùèõñÿ ãåíåðàòîðàìè òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ. Ôèëüòð ñ ïàðàëëåëüíûì ïîäêëþ÷åíèåì ãåíåðàòîðà âûñøèõ ãàðìîíèê òîêà iâã, íàõîäÿùèõñÿ â ïðîòèâîôàçå ñ âûñøèìè ãàðìîíèêàìè òîêà, ñîçäàâàåìûìè íåëèíåéíîé íàãðóçêîé, âûïîëíåí íà îñíîâå èíäóêòèâíîãî íàêîïèòåëÿ Ld (ðèñ. 12.19,à). Ôóíêöèè êëþ÷åâûõ ýëåìåíòîâ â ñõåìå âûïîëíÿþò òðàíçèñòîðû VT1–VT4.
T
∫u(t)i(t) dt = 0.
(12.13)
0
Îñíîâíûìè ñîñòàâëÿþùèìè íåàêòèâíîé ìîùíîñòè ÿâëÿþòñÿ ðåàêòèâíàÿ ìîùíîñòü (èíäóêòèâíàÿ èëè åìêîñòíàÿ) Q è ìîùíîñòü èñêàæåíèÿ D0. Ïåðâàÿ îáóñëîâëåíà ðåàêòèâíûìè ñîñòàâëÿþùèìè ïåðâûõ ãàðìîíèê òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ, âòîðàÿ – âûñøèìè ãàðìîíèêàìè òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ [77] è âëèÿíèåì íåëèíåéíûõ ýëåìåíòîâ, âûçûâàþùèõ èñêàæåíèÿ òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ. Íåàêòèâíàÿ ìîùíîñòü ñâÿçàíà ñ ïåðèîäè÷åñêèì îáìåíîì ýëåêòðîýíåðãèè ìåæäó åå èñòî÷íèêîì è ïîòðåáèòåëåì.  ðåçóëüòàòå âîçíèêàåò äîïîëíèòåëüíàÿ íàãðóçêà ñèñòåìû ýëåêòðîïèòàíèÿ è äîïîëíèòåëüíûå ïîòåðè â åå êîìïîíåíòàõ. Ìîùíîñòü èñêàæåíèÿ, êðîìå òîãî, âûçûâàåò äîïîëíèòåëüíûå ïîòåðè èç-çà îñîáåííîñòåé ïåðåäà÷è ýëåêòðîýíåðãèè íà ïîâûøåííûõ ÷àñòîòàõ.  ýòîé ñâÿçè íà ïðàêòèêå íåàêòèâíóþ ìîùíîñòü ñòðåìÿòñÿ ìèíèìèçèðîâàòü. Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóþò ðàçëè÷íûå ôèëüòðû è êîìïåíñàòîðû ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè. Àêòèâíûå ôèëüòðû ïîçâîëÿþò ðåàëèçîâàòü êîìïåíñàöèþ ðåàêòèâíîé ìîù322
§ 12.2. Ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà ñ èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé
Ðèñ. 12.19. Àêòèâíûå ôèëüòðû: à – ïàðàëëåëüíîå ïîäêëþ÷åíèå ñ èíäóêòèâíûì íàêîïèòåëåì; á – ïàðàëëåëüíîå ïîäêëþ÷åíèå ñ åìêîñòíûì íàêîïèòåëåì; â – ïîñëåäîâàòåëüíîå ïîäêëþ÷åíèå ñ åìêîñòíûì íàêîïèòåëåì
ìåð, äîïîëíèòåëüíîãî âûïðÿìèòåëÿ) ìàëîé ìîùíîñòè. Ïàðàëëåëüíîå ïîäêëþ÷åíèå àêòèâíîãî ôèëüòðà ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ è ïðè åìêîñòíîì íàêîïèòåëå (ðèñ. 12.19,á).  ýòîì ñëó÷àå ìîäóëÿöèÿ êëþ÷åé ïðîèçâîäèòñÿ ïî çàêîíó, ôîðìèðóþùåìó ïåðâóþ ãàðìîíèêó ñåòåâîãî íàïðÿæåíèÿ. Âåêòîðû ýòîãî íàïðÿæåíèÿ íàïðàâëåíû âñòðå÷íî ñåòåâîìó íàïðÿæåíèþ è ðàâíû, åñëè ïðåíåáðå÷ü ïàäåíèåì íàïðÿæåíèÿ íà Lc, íàïðÿæåíèþ ãåíåðàòîðà uc.  ðåçóëüòàòå ïåðâàÿ ãàðìîíèêà òîêà i1 ÷åðåç àêòèâíûé ôèëüòð íå ïðîòåêàåò. Îäíàêî, ÿâëÿÿñü èñòî÷íèêîì íàïðÿæåíèÿ ñ ìàëûì ïîëíûì âíóòðåííèì ñîïðîòèâëåíèåì, ôèëüòð øóíòèðóåò âûñøèå ãàðìîíèêè òîêà iâã, ïîðîæäàåìûå íåëèíåéíîé íàãðóçêîé. Âûñîêî÷àñòîòíûå ïóëüñàöèè íàïðÿæåíèÿ uï íà âûõîäå àêòèâíîãî ôèëüòðà, îáóñëîâëåííûå ÷àñòîòîé ïåðåêëþ÷åíèÿ êëþ÷åâûõ ýëåìåíòîâ, ïîäàâëÿþòñÿ ëåãêèì” ïàñ” ñèâíûì LC-ôèëüòðîì. Èñêëþ÷åíèå âûñøèõ ãàðìîíèê òîêà iâã èç öåïè ãåíåðàòîðà è íàëè÷èå LCôèëüòðà íà ñòîðîíå ïåðåìåííîãî òîêà ïîçâîëÿþò îáåñïå÷èòü ñèíóñîèäàëüíîñòü íàïðÿæåíèÿ íà øèíàõ ñèñòåìû ñî ñòîðîíû íàãðóçêè. Ýòà æå çàäà÷à ìîæåò áûòü ðåøåíà ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì âêëþ÷åíèè àêòèâíîãî ôèëüòðà ñ åìêîñòíûì íàêîïèòåëåì (ðèñ. 12.19,â).  òàêîé ñõåìå íà âûõîäå àêòèâíîãî ôèëüòðà ôîðìèðóåòñÿ êîìïåíñèðóþùåå íàïðÿæåíèå uàô, â ïðîòèâîôàçå ñ íàïðÿæåíèåì uâã îáóñëîâëåííûì ïðîòåêàíèåì âûñøèõ ãàðìîíèê òîêà iâã ÷åðåç èíäóêòèâíîñòü Lc.  ðåçóëüòàòå êîìïåíñàöèè íàïðÿæåíèå íà øèíàõ ïåðåìåííîãî
Óïðàâëåíèå êëþ÷åâûìè ýëåìåíòàìè îñóùåñòâëÿåòñÿ ìåòîäîì ØÈÌ ïî çàêîíàì, îáåñïå÷èâàþùèì ôîðìèðîâàíèå òîêîâ âûñøèõ ãàðìîíèê iâã íà âûõîäå ôèëüòðà. Ïåðåêëþ÷åíèå òðàíçèñòîðîâ îñóùåñòâëÿåòñÿ íà ïîâûøåííîé ÷àñòîòå, ïðåâûøàþùåé âåðõíåå çíà÷åíèå ÷àñòîòíîãî äèàïàçîíà ãàðìîíèê. Ñîçäàâàåìûå ïðè ýòîì ïóëüñàöèè òîêà iï, ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé ðàçíîñòü òîêà iâã è ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé òîêà íà âûõîäå àêòèâíîãî ôèëüòðà, øóíòèðóþòñÿ êîíäåíñàòîðîì Cô. Åìêîñòü ýòîãî êîíäåíñàòîðà íåáîëüøàÿ, òàê êàê ïóëüñàöèè ÿâëÿþòñÿ âûñîêî÷àñòîòíûìè.  ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìå âûñøèå ãàðìîíèêè òîêà iâã, ñîçäàâàåìûå íåëèíåéíîé íàãðóçêîé, áóäóò öèðêóëèðîâàòü ìåæäó àêòèâíûì ôèëüòðîì è íàãðóçêîé, íå ïîïàäàÿ â öåïü ãåíåðàòîðà.  ðåçóëüòàòå íàïðÿæåíèå íà âûõîäíûõ øèíàõ ãåíåðàòîðà áóäåò îñòàâàòüñÿ ñèíóñîèäàëüíûì. Ïîëàãàÿ ýëåìåíòû ñõåìû èäåàëüíûìè, ôèëüòð ìîæíî ñ÷èòàòü íåäèññèïàòèâíûì (ïîòåðè àêòèâíîé ìîùíîñòè îòñóòñòâóþò). Âñëåäñòâèå ýòîãî ìåæäó èíäóêòèâíûì íàêîïèòåëåì è ñèñòåìîé ýëåêòðîïèòàíèÿ áóäåò ïðîèñõîäèòü ïåðèîäè÷åñêèé îáìåí ìîùíîñòüþ ñ ñîõðàíåíèåì ýíåðãåòè÷åñêîãî áàëàíñà. Î÷åâèäíî, ÷òî ýíåðãîåìêîñòü íàêîïèòåëÿ äîëæíà áûòü äîñòàòî÷íîé äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ïîñòóïëåíèÿ ýíåðãèè â ñåòü íà èíòåðâàëàõ, äëèòåëüíîñòü êîòîðûõ îïðåäåëÿåòñÿ ÷àñòîòîé ãåíåðèðóåìûõ ôèëüòðîì ãàðìîíèê iâã. Ïðè íàëè÷èè àêòèâíûõ ïîòåðü â ñõåìå ôèëüòðà îíè ìîãóò êîìïåíñèðîâàòüñÿ ïîñòóïëåíèåì ýíåðãèè îò ñåòè â ôèëüòð íà ÷àñòîòå ïåðâîé ãàðìîíèêè èëè îò ïîñòîðîííåãî èñòî÷íèêà (íàïðè323
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
òîêà ñî ñòîðîíû íàãðóçêè, òàêæå êàê è â ñõåìå íà ðèñ. 12.19,á, áóäåò ðàâíûì uc. Ñóùåñòâóþò è äðóãèå ñõåìû ïîäêëþ÷åíèÿ àêòèâíîãî ôèëüòðà, êîòîðûå çäåñü íå ïðèâîäÿòñÿ, òàê êàê ïðèíöèïû èõ ðàáîòû ñõîäíû ñ ðàññìîòðåííûìè.  îñíîâå àêòèâíûõ ôèëüòðîâ ëåæèò óïðàâëåíèå êëþ÷åâûìè ýëåìåíòàìè ìåòîäàìè øèðîòíî-èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèè. Ñóùåñòâóþò ðàçëè÷íûå ìåòîäû ðåàëèçàöèè ØÈÌ, íî îñíîâíûì èç íèõ äëÿ àêòèâíûõ ôèëüòðîâ ÿâëÿåòñÿ ìåòîä ñëåæåíèÿ” çà ” ñèãíàëîì óïðàâëåíèÿ ðåãóëÿòîðà ôèëüòðà.  êà÷åñòâå ýòàëîííûõ ñèãíàëîâ, çà êîòîðûìè ïðîèçâîäèòñÿ ñëåæåíèå, ìîãóò áûòü ïåðâûå ãàðìîíèêè òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ íà øèíàõ ýíåðãîñèñòåìû â ìåñòàõ ïîäêëþ÷åíèÿ àêòèâíîãî ôèëüòðà. Íà âûõîäå ôèëüòðà áóäóò ñôîðìèðîâàíû âûñøèå ãàðìîíèêè òîêà èëè íàïðÿæåíèÿ. Íàïðèìåð, â ñõåìå íà ðèñ. 12.19,à ïðè ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìå òîêà íàãðóçêè àêòèâíûé ôèëüòð ñôîðìèðóåò ñïåêòð âûñøèõ ãàðìîíèê, ñóììà êîòîðûõ ðàâíà ðàçíèöå òîêà íàãðóçêè ií è åãî ïåðâîé ãàðìîíèêè ií1 (ðèñ. 12.20). Ïðèíöèï àêòèâíîé ôèëüòðàöèè ìîæåò áûòü òàêæå èñïîëüçîâàí äëÿ êîìïåíñàöèè ðåàêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà íàãðóçêè.  ýòîì ñëó÷àå ýíåðãèÿ,
Ðèñ. 12.20. Äèàãðàììû òîêîâ àêòèâíîãî ôèëüòðà
íàêîïëåííàÿ â àêòèâíîì ôèëüòðå äîëæíà îáåñïå÷èâàòü êîìïåíñàöèþ ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè â òå÷åíèå ïîëîâèíû ïåðèîäà îñíîâíîé ÷àñòîòû. Ïðè òàêîì ñïîñîáå êîìïåíñàöèè îáìåí ðåàêòèâíîé ýíåðãèåé íà ÷àñòîòå îñíîâíîé ãàðìîíèêè áóäåò ïðîèñõîäèòü ìåæäó èíäóêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé íàãðóçêè è ôèëüòðîì. Íàïðèìåð, åñëè òîê âûïðÿìèòåëÿ áóäåò ñîäåðæàòü èíäóêòèâíóþ ñîñòàâëÿþùóþ iL, òî ôèëüòð äîëæåí íà âûõîäå ãåíåðèðîâàòü åìêîñòíîé òîê iC = iL.
12.2.3. ÐÅÃÓËÈÐÓÅÌÎÅ ÏÎËÍÎÅ ÑÎÏÐÎÒÈÂËÅÍÈÅ
Ðåãóëèðîâàíèå ìîùíîñòè ïîñðåäñòâîì ÷åòûðåõêâàäðàíòíîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ðåãóëèðîâàíèå åãî ïîëíîãî âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå ïðåîáðàçîâàòåëü ñîâìåñòíî ñ íàêîïèòåëåì íà ñòîðîíå ïîñòîÿííîãî òîêà ïðåäñòàâèì äâóõïîëþñíèêîì ñ ðåãóëèðóåìûì ïîëíûì âõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì. Î÷åâèäíî, ÷òî âîçìîæíîñòè ôóíêöèîíèðîâàòü ñ ïîëîæèòåëüíûì àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì (ïîòðåáëåíèå ýíåðãèè) è ñ îòðèöàòåëüíûì àêòèâíûì ñîïðîòèâëåíèåì (ãåíåðàöèÿ ýíåðãèè) áóäóò îãðàíè÷åíû ýíåðãîåìêîñòüþ íàêîïèòåëåé. Ðàáîòà ñ èíäóêòèâíûì èëè åìêîñòíûì âõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì îãðàíè÷åíèé íå èìååò. Ðàññìîòðèì âîïðîñû óïðàâëåíèÿ ïîëíûì ñîïðîòèâëåíèåì áîëåå ïîäðîáíî íà ïðèìåðå ñõåì, ïðåäñòàâëåííûõ íà ðèñ. 12.19.  ýòèõ ñõåìàõ ìîæíî ðåàëèçîâàòü ñëåäóþùóþ ôóíêöèþ ìãíîâåííîãî çíà÷åíèÿ âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ äâóõïîëþñíèêà z(t) =
u(t) i(t)
=
u(t) m(t)I
,
íèå äâóõïîëþñíèêà áóäåò ýêâèâàëåíòíî ëèíåéíîìó àêòèâíîìó ñîïðîòèâëåíèþ Rý. Ïðè÷åì çíà÷åíèå ñîïðîòèâëåíèÿ ìîæåò áûòü êàê ïîëîæèòåëüíûì òàê è îòðèöàòåëüíûì. Ïîñëåäíåå îçíà÷àåò èñòîê ýíåðãèè èç íàêîïèòåëÿ. Åñòåñòâåííî, ÷òî âðåìÿ íàõîæäåíèÿ â ýòèõ ðåæèìàõ, ñîîòâåòñòâóþùåå àêòèâíîìó ñîïðîòèâëåíèþ, îãðàíè÷åíî â ïåðâóþ î÷åðåäü ýíåðãîåìêîñòüþ íàêîïèòåëÿ. Èçâåñòíî, ÷òî àêòèâíàÿ è ðåàêòèâíàÿ ìîùíîñòè ÿâëÿþòñÿ èíòåãðàëüíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ýíåðãåòè÷åñêîãî ïðîöåññà, óñðåäíåííûìè çà ïåðèîä îñíîâíîé ãàðìîíèêè. Òîëüêî ïåðåäà÷à ýíåðãèè íå ïðîèñõîäèò ïîñòîÿííî îò èñòî÷íèêà ê ïîòðåáèòåëþ èëè íàîáîðîò, à èìååò ïóëüñèðóþùèé õàðàêòåð. Èíà÷å, ðåàêòèâíàÿ ìîùíîñòü ÿâëÿåòñÿ èíòåãðàëüíîé ìåðîé ñêîðîñòè èçìåíåíèÿ ìãíîâåííîãî ñîïðîòèâëåíèÿ Z(t) âî âðåìåíè. Èç ýòîãî ïîëîæåíèÿ ñëåäóåò, ÷òî åñëè çàêîí ìîäóëÿöèè m(t) îáåñïå÷èâàåò ïåðèîäè÷åñêîå èçìåíåíèå dZ(t) ⁄ dt, òî ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå äâóõïîëþñíèêà áóäåò èìåòü ðåàêòèâíóþ ñîñòàâëÿþùóþ. Ñëåäîâàòåëüíî, õàðàêòåð ïîëíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìîæíî èçìåíÿòü ââåäåíèåì ñîîòâåòñòâóþùåãî çàêîíà ìîäóëÿöèè êëþ÷åâûõ ýëåìåíòîâ àêòèâíîãî ôèëüòðà. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ðàññìàòðèâàåìûé ÷åòûðåõêâàäðàíòíûé ïðåîáðàçîâàòåëü èìååò âõîäíîé òîê (ãëàäêóþ ñîñòàâëÿþùóþ èëè óñðåäíåííîå çíà÷åíèå), èçìåíÿþùèéñÿ ïî ñèíóñîèäàëüíîìó çàêîíó
(12.14)
d
ãäå u(t) è i(t) – íàïðÿæåíèå è òîê íà âõîäå ÷åòûðåõïîëþñíèêà ñî ñòîðîíû ïåðåìåííîãî òîêà; m(t) – ìîäóëèðóþùàÿ ôóíêöèÿ (ãëàäêàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ); Id – òîê â èíäóêòèâíîì íàêîïèòåëå. Ñîãëàñíî (12.14.), åñëè çàêîí ìîäóëÿöèè òîêà m(t) îáåñïå÷èò dz(t) ⁄ dt = 0, òî ïîëíîå ñîïðîòèâëå324
§ 12.2. Ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà ñ èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé
ñ ÷àñòîòîé ω, ò. å. i(t) = Imsinωt, íàïðÿæåíèå íà åãî øèíàõ ñî ñòîðîíû ïåðåìåííîãî òîêà u(t) = Um(t)sin(ωt + ϕ), ÷òî ñîîòâåòñòâóåò âõîäíîìó ïîëíîìó ñîïðîòèâëåíèþ Z = R + jX è ôàçîâûé óãîë ìåæäó òîêîì è íàïðÿæåíèåì ϕ = arctg(X ⁄ R). Ìãíîâåííîå çíà÷åíèå âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ Z(t) â ýòîì ñëó÷àå ìîæíî âûðàçèòü Z(t) =
u(t) i(t)
=
Zsin(ωt + ϕ)
sinωt
÷åòûðåõêâàäðàíòíîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ (ðèñ. 12.17).  çàâèñèìîñòè îò òîãî, â êàêîì ðåæèìå ðàáîòàë ïðåîáðàçîâàòåëü, åãî âõîäíîå ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå èìååò èíäóêòèâíûé èëè åìêîñòíîé õàðàêòåð, à çíà÷åíèå àêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ áóäåò ïîëîæèòåëüíûì èëè îòðèöàòåëüíûì â çàâèñèìîñòè îò íàïðàâëåíèÿ ïîòîêà àêòèâíîé ìîùíîñòè – îò ñåòè â ïðåîáðàçîâàòåëü èëè íàîáîðîò. Ïðè ýòîì, èçìåíÿÿ çàêîí ìîäóëÿöèè m(t), ìîæíî ðåãóëèðîâàòü ìîäóëü è ôàçó òîêà îñíîâíîé ãàðìîíèêè ïðåîáðàçîâàòåëÿ, ÷òî áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü èçìåíåíèþ åãî ïîëíîãî âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ. Óïðàâëåíèå ïîëíûì ñîïðîòèâëåíèåì âîçìîæíî â ëþáîì ÷åòûðåõêâàäðàíòíîì ïðåîáðàçîâàòåëå ñ èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé è, â ÷àñòíîñòè, ñ åìêîñòíûì íàêîïèòåëåì.  ýòîì ñëó÷àå ïðåîáðàçîâàòåëü ýêâèâàëåíòåí èñòî÷íèêó íàïðÿæåíèÿ, çíà÷åíèå êîòîðîãî ìîäóëèðóåòñÿ ïî çàäàííîìó çàêîíó. Âîçìîæíîñòü ðåãóëèðîâàíèÿ ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè èìååò áîëüøîå ïðèêëàäíîå çíà÷åíèå äëÿ êîìïåíñàöèè ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè è ðåãóëèðîâàíèÿ êîýôôèöèåíòà ìîùíîñòè â ñèñòåìàõ ýëåêòðîñíàáæåíèÿ. Äðóãèì âàæíûì àñïåêòîì ïðèìåíåíèÿ ÷åòûðåõêâàäðàíòíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé â êà÷åñòâå óñòðîéñòâ ñ óïðàâëÿåìûì ïîëíûì âõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå èõ â, òàê íàçûâàåìûõ, ãèáðèäíûõ ôèëüòðàõ.
cosωt = = Zcosϕ + sinϕ sinωt
= R + X ctgωt.
(12.15)
dZ(t) d(R + X ctgωt) Xω = = . 2 dt dt sin ωt
(12.16)
 ýòîì ñëó÷àå
Èç (12.16) ñëåäóåò, ÷òî ïðè ïîëíîì èíäóêòèâíîì ñîïðîòèâëåíèè (ïîëîæèòåëüíîå çíà÷åíèå ðåàêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ) ìãíîâåííîå çíà÷åíèå âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ óáûâàåò, à ïðè åìêîñòíîì (îòðèöàòåëüíîå çíà÷åíèå ðåàêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ) – âîçðàñòàåò. Ñëåäîâàòåëüíî, èçìåíÿÿ çàêîí ìîäóëÿöèè m(t), ïîëó÷àþò òàêîå çíà÷åíèå dZ(t) ⁄ dt, êîòîðîå ñîîòâåòñòâóåò òðåáóåìîìó çíà÷åíèþ ïîëíîãî âõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ïðåîáðàçîâàòåëÿ. Íàãëÿäíî âîçìîæíîñòü óïðàâëåíèÿ ïîëíûì âõîäíûì ñîïðîòèâëåíèåì âèäíà èç äèàãðàììû äëÿ îñíîâíûõ ãàðìîíèê òîêà è íàïðÿæåíèÿ íà âõîäå
12.2.4. ÃÈÁÐÈÄÍÛÉ ÔÈËÜÒÐ ÏÅÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÒÎÊÀ
÷åòûðåõêâàäðàíòíûé ïðåîáðàçîâàòåëü, ñóùåñòâåííî ìåíüøå îäèíî÷íîãî àêòèâíîãî ôèëüòðà. Ïàññèâíàÿ ÷àñòü ôèëüòðà â ñîâîêóïíîñòè ñ àêòèâíûì ýëåìåíòîì ñòàíîâèòñÿ óïðàâëÿåìîé. Ýòî ïîçâîëÿåò êîððåêòèðîâàòü ýêâèâàëåíòíûå çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ ãèáðèäíîãî ôèëüòðà äëÿ äîñòèæåíèÿ íàèáîëüøåãî ýôôåêòà ôèëüòðàöèè âûñøèõ ãàðìîíèê. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå àñïåêòû òàêîé êîððåêöèè áîëåå ïîäðîáíî. Íà ðèñ. 12.21 ïðåäñòàâëåíà ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ñèñòåìû ýëåêòðîïèòàíèÿ ñ ïàññèâíûì LC-ôèëüòðîì, íàñòðîåííûì â ðåçîíàíñ íà n-þ ãàðìîíèêó òîêà, ãåíåðèðóåìóþ íåëèíåéíîé íàãðóçêîé.  ýòîì ñëó÷àå ïàðàìåòðû ôèëüòðà
Ãèáðèäíûé ôèëüòð ñîñòîèò èç ïàññèâíûõ LCçâåíüåâ è àêòèâíîãî ýëåìåíòà, ôóíêöèè êîòîðîãî âûïîëíÿåò â îáùåì ñëó÷àå ÷åòûðåõêâàäðàíòíûé ïðåîáðàçîâàòåëü ñ óïðàâëÿåìûì ïîëíûì ñîïðîòèâëåíèåì. Ñ îäíîé ñòîðîíû ïðèìåíåíèå òîëüêî îäíèõ àêòèâíûõ ôèëüòðîâ áåç ïàññèâíûõ ýëåìåíòîâ îãðàíè÷èâàåòñÿ òåì, ÷òî èõ óñòàíîâëåííàÿ ìîùíîñòü äîñòàòî÷íî âûñîêà, òî÷íåå ñîèçìåðèìà ñ ìîùíîñòüþ íåëèíåéíûõ ïîòðåáèòåëåé â ñèñòåìå ýëåêòðîïèòàíèÿ. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, íåäîñòàòêàìè ïàññèâíûõ ôèëüòðîâ ÿâëÿþòñÿ íèçêàÿ äîáðîòíîñòü, ñíèæåíèå ýôôåêòèâíîñòè ôèëüòðàöèè èç-çà óõóäøåíèÿ ïàðàìåòðîâ ïðè ýêñïëóàòàöèè è â ñëó÷àÿõ îòêëîíåíèÿ ÷àñòîò âûñøèõ ãàðìîíèê îò ðàñ÷åòíûõ çíà÷åíèé, íà êîòîðûå íàñòðîåíû ïàññèâíûå ôèëüòðû. Òàê æå ñóùåñòâåííûì íåäîñòàòêîì ïàññèâíûõ ôèëüòðîâ ÿâëÿåòñÿ èõ íåóïðàâëÿåìîñòü, ÷òî ìîæåò ïðèâîäèòü ê íåæåëàòåëüíûì ïåðåõîäíûì ïðîöåññàì â ñèñòåìå. Ãèáðèäíûé ôèëüòð ÿâëÿåòñÿ êîìïðîìèññíûì òåõíè÷åñêèì ðåøåíèåì. Óñòàíîâëåííàÿ ìîùíîñòü àêòèâíîãî ýëåìåíòà, ôóíêöèè êîòîðîãî âûïîëíÿåò
ωnL = Q=
1 ωnC
ωnL R
; (12.17)
,
ãäå Q – äîáðîòíîñòü ðåçîíàíñíîãî êîíòóðà. Íàïðÿæåíèå íà øèíàõ íàãðóçêè, ñîçäàâàåìîå òîêîì n-é ãàðìîíèêè, îòëè÷íî îò íóëÿ è ðàâíî 325
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
rý = −
Ðèñ. 12.22. ßâëåíèå àíòèðåçîíàíñà: à – ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà çàìåùåíèÿ; á – ÷àñòîòíàÿ õàðàêòåðèñòèêà
ïàäåíèþ íàïðÿæåíèÿ íà àêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé ôèëüòðà, ò. å. uab = uR. Ïîäêëþ÷èâ àêòèâíûé ôèëüòð ê ïàññèâíîìó, êàê ýòî ïîêàçàíî íà ðèñ. 12.21, ìîæíî èñïîëüçîâàòü åãî êàê óïðàâëÿåìîå ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå ñ ðåãóëèðóåìûìè êîìïîíåíòàìè ra, La, Ca. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî íåîáõîäèìî íà ÷àñòîòå ωn îáåñïå÷èòü uab = 0, ò. å. êîìïåíñèðîâàòü âëèÿíèå àêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé ôèëüòðà R. Óñëîâèå ðåçîíàíñà, ò. å. ðàâåíñòâî ðåàêòèâíûõ ñîñòàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèÿ ua0 è ub0 íà ÷àñòîòå ωn ìîæíî çàïèñàòü â âèäå jωL
√ R + 2
2 2 ωnL
.
.
2
R
(12.19)
Äëÿ ïîñòîÿííîé êîìïåíñàöèè ïîòåðü àêòèâíîé ìîùíîñòè, ò. å. ðåàëèçàöèè (12.19), ìîæíî èñïîëüçîâàòü ðåæèì ïîäêà÷êè ýíåðãèè â íàêîïèòåëü íà ÷àñòîòå îñíîâíîé ãàðìîíèêè. Î÷åâèäíî, ÷òî óïðàâëåíèå ïîëíûì ñîïðîòèâëåíèåì àêòèâíîãî ýëåìåíòà ïîçâîëÿåò íå òîëüêî êîððåêòèðîâàòü îòêëîíåíèÿ ïàðàìåòðîâ L, C è R ïàññèâíîãî ôèëüòðà èëè êîìïåíñèðîâàòü àêòèâíóþ ñîñòàâëÿþùóþ, íî è ïðîèçâîäèòü èõ ïîäñòðîéêó ïðè îòêëîíåíèÿõ ÷àñòîòû ∆ωn â öåëÿõ ñîõðàíåíèÿ óñëîâèÿ ðåçîíàíñà äëÿ ïîëíîãî øóíòèðîâàíèÿ ñîîòâåòñòâóþùåé ãàðìîíèêè òîêà. Òàêèì îáðàçîì, ìîæåò áûòü îáåñïå÷åíî ïîäàâëåíèå âûñøèõ ãàðìîíèê â áîëåå øèðîêîé ïîëîñå ÷àñòîò. Ýòî ñâîéñòâî ãèáðèäíîãî ôèëüòðà ñóùåñòâåííî ïîâûøàåò åãî ýôôåêòèâíîñòü, òàê êàê íà ïðàêòèêå ÷àñòîòû âûñøèõ ãàðìîíèê íå ÿâëÿþòñÿ ñòðîãî äåòåðìèíèðîâàííûìè. Êðîìå òîãî, èìåþò ìåñòî íåêàíîíè÷åñêèå ãàðìîíèêè, òàê ÷òî ÷àñòîòíûé ñïåêòð âûñøèõ ãàðìîíèê ÿâëÿåòñÿ âåñüìà ïëîòíûì è èìååò ñòîõàñòè÷åñêèé õàðàêòåð. Äðóãèì ïðåèìóùåñòâîì ãèáðèäíûõ ôèëüòðîâ ÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü èñêëþ÷åíèÿ íåæåëàòåëüíûõ ðåçîíàíñíûõ ÿâëåíèé â ñèñòåìå ýëåêòðîïèòàíèÿ. Íàïðèìåð, ïðè îïðåäåëåííûõ ïàðàìåòðàõ â ñèñòåìå ìîæåò âîçíèêàòü ÿâëåíèå àíòèðåçîíàíñà”. Íà ðèñ. ” 12.22,à ïðåäñòàâëåíà ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà ðåàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ñèñòåìû ñ èäåàëèçèðîâàííûì (áåç ó÷åòà àêòèâíîé ñîñòàâëÿþùåé) ïàññèâíûì LCôèëüòðîì, íàñòðîåííûì íà ÷àñòîòó n-é ãàðìîíèêè òîêà, ïîñòóïàþùåé îò íåëèíåéíîé íàãðóçêè. Âíóòðåííåå ñîïðîòèâëåíèå ãåíåðàòîðà è èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå ëèíèè ïðåäñòàâëåíû íà ñõåìå ýêâèâàëåíòíîé èíäóêòèâíîñòüþ LC. Ñîãëàñíî ýêâèâàëåíòíîé ñõåìå êîìïëåêñíîå ñîïðîòèâëåíèå Zab èìååò âèä
Ðèñ. 12.21. Ãèáðèäíûé ôèëüòð
jωnC =
2 2 2 √ R + ωnL
Zab = j
1 ) ωCn 1 ω(LC + Ln) − ωCn ωLC (ωLn −
.
(12.20)
Õàðàêòåðèñòèêà ñîïðîòèâëåíèÿ ðàâíà íóëþ íà ÷àñòîòå ω0 = 1 è áåñêîíå÷íîñòè – íà ÷àñòîòå
(12.18)
Ïðè ýòîì óñëîâèè äëÿ îáåñïå÷åíèÿ uab = 0 íåîáõîäèìî è äîñòàòî÷íî èñêëþ÷èòü àêòèâíóþ ñîñòàâëÿþùóþ ýòîãî íàïðÿæåíèÿ. Äëÿ ýòîãî ñëåäóåò ïåðåâåñòè àêòèâíûé ýëåìåíò â ðåæèì ãåíåðàöèè àêòèâíîé ìîùíîñòè, ÷òî áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü ýêâèâàëåíòíîìó îòðèöàòåëüíîìó íàïðÿæåíèþ. Ýòî ñîïðîòèâëåíèå äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñëó÷àÿ áóäåò
ωn =
Ln Cn √ 1 (ðèñ. (LC + Ln)C √ n
12.22,á). Ïîýòîìó ïðè âîçäåé-
ñòâèè âûñøèõ ãàðìîíèê òîêà â ÷àñòîòíîì äèàïàçîíå îò (ωï − ω0) ïðè ïðèíÿòûõ äîïóùåíèÿõ, àìïëèòóäû ñîîòâåòñòâóþùèõ ãàðìîíèê íàïðÿæåíèÿ íà øèíàõ ñèñòåìû ýëåêòðîïèòàíèÿ ìîãóò èçìåíÿòüñÿ îò 0 äî ∞. Èíà÷å, âìåñòî ïîäàâëåíèÿ âûñøèõ ãàð326
§ 12.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå óïðàâëÿåìûå êîìïîíåíòû
ìîíèê íàïðÿæåíèÿ íà ÷àñòîòå ωï èìååòñÿ îáðàòíûé ýôôåêò. Íàëè÷èå àêòèâíîãî ýëåìåíòà ñ óïðàâëÿåìûì ïîëíûì ñîïðîòèâëåíèåì â ãèáðèäíîì ôèëüòðå ïîçâîëÿåò èñêëþ÷èòü ýòî íåæåëàòåëüíîå ÿâëåíèå. Ýòî äîñòèãàåòñÿ ïóòåì ñîçäàíèÿ òàêîãî ïîëíîãî âíóòðåííåãî ñîïðîòèâëåíèÿ àêòèâíîãî ýëåìåíòà, ïðè êîòîðîì íà ÷àñòîòå ωï èìååò ìåñòî íå ðîñò âûñøåé ãàðìîíèêè íàïðÿæåíèÿ, à åå ïîäàâëåíèå. Ñëåäóåò òàêæå îòìåòèòü, ÷òî â ðàçâåòâëåííûõ ñèñòåìàõ ýëåêòðîïèòàíèÿ ïðè ïåðèîäè÷åñêîé êîììóòàöèè ìíîãî÷èñëåííûõ ïîòðåáèòåëåé ìîãóò âîçíèêàòü íåæåëàòåëüíûå ïåðåõîäíûå ïðîöåññû, êîëå-
áàòåëüíûé õàðàêòåð êîòîðûõ ìîæåò èíèöèèðîâàòüñÿ ðåàêòèâíûìè ýëåìåíòàìè ïàññèâíûõ ôèëüòðîâ.  ýòîì ñëó÷àå àêòèâíûé ýëåìåíò ìîæåò óñïåøíî âûïîëíÿòü ôóíêöèè óïðàâëÿåìîãî äåìïôåðà. Ãëàâíîå ïðåèìóùåñòâî ãèáðèäíûõ ôèëüòðîâ ïî ñðàâíåíèþ ñ àêòèâíûìè ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ìîùíîñòü àêòèâíîãî ýëåìåíòà â íèõ ìîæåò áûòü ìåíüøå ìîùíîñòè îäíîãî àêòèâíîãî ôèëüòðà íà ïîðÿäîê è áîëåå. Ïðè ýòîì ãèáðèäíûå ôèëüòðû ìîãóò ýôôåêòèâíî âûïîëíÿòü ôóíêöèè ïîäàâëåíèÿ âûñøèõ ãàðìîíèê è îáåñïå÷èòü âûñîêîå êà÷åñòâî íàïðÿæåíèÿ íà øèíàõ ñèñòåìû ýëåêòðîïèòàíèÿ.
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è ìîùíîñòüþ Q ïðè àìïëèòóäå ïåðåìåííîãî òîêà, ðàâíîé Im, è ïîñòîÿííîì íàïðÿæåíèè íà êîíäåíñàòîðå Cd, ðàâíîì Uc. 5. Îïðåäåëèòå ýíåðãîåìêîñòü èíäóêòèâíîãî íàêîïèòåëÿ â îäíîôàçíîì ãèáðèäíîì ôèëüòðå, ñïîñîáíîì ðàáîòàòü â ðåæèìå àêòèâíîãî ïîëîæèòåëüíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ R = 10 Îì â òå÷åíèå 100 ïåðèîäîâ íà ÷àñòîòå 50 Ãö ïåðåìåííîãî òîêà ñèíóñîèäàëüíîé ôîðìû ñ àìïëèòóäîé 300 Â. 6. Äàéòå ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç äîñòîèíñòâ è íåäîñòàòêîâ ïàññèâíûõ, àêòèâíûõ è ãèáðèäíûõ ôèëüòðîâ. 7. Óêàæèòå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà âîçíèêíîâåíèå ÿâëåíèÿ àíòèðåçîíàíñà â ýëåêòðè÷åñêîé öåïè, ñîäåðæàùåé ïàññèâíûå LC-ôèëüòðû.
1.  êàêèõ ðåæèìàõ, ñîîòâåòñòâóþùèõ êàêèì êâàäðàíòàì, êîìïëåêñíîé ïëîñêîñòè ìîãóò ðàáîòàòü ïðåîáðàçîâàòåëè, ñîçäàííûå íà îáû÷íûõ, íå ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûõ òèðèñòîðàõ? 2. Ïîêàæèòå íà âðåìåííîé äèàãðàììå (ðèñ. 12.20) èíòåðâàëû âðåìåíè, ñîîòâåòñòâóþùèå ðàáîòå â ÷åòûðåõ êâàäðàíòàõ (I – IV). 3. Îïðåäåëèòå ìàêñèìàëüíîå ìãíîâåííîå çíà÷åíèå ìîùíîñòè íà âõîäå ôèëüòðà ïðè ôèëüòðàöèè âûñøèõ ãàðìîíèê, ñîäåðæàùèõñÿ â òîêå ñ ôîðìîé ìåàíäðà è àìïëèòóäíûì çíà÷åíèåì Im. 4. Îïðåäåëèòå ñðåäíåå çíà÷åíèå òîêà â îáðàòíûõ äèîäàõ àêòèâíîãî ôèëüòðà, âûïîëíåííîãî ïî ñõåìå, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 12.18, è ðàáîòàþùåãî â ðåæèìå êîìïåíñàöèè ðåàêòèâíîé ýíåðãèè
12.3. ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÛÅ ÓÏÐÀÂËßÅÌÛÅ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÛ 12.3.1. ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß ÎÁ ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÛÕ ÓÏÐÀÂËßÅÌÛÕ ÊÎÌÏÎÍÅÍÒÀÕ
Îñíîâîé ýëåêòðîìàãíèòíûõ óïðàâëÿåìûõ êîìïîíåíòîâ ïåðåìåííîãî òîêà ÿâëÿþòñÿ äðîññåëè íàñûùåíèÿ. Ìàãíèòîïðîâîä ñ îáìîòêàìè, ðàáîòàþùèé â ðåæèìå, ïðè êîòîðîì îäíó äîëþ ïîëóïåðèîäà îí íå íàñûùåí è ïðàêòè÷åñêè íå ïðîïóñêàåò òîê, à äðóãóþ äîëþ òîãî æå ïîëóïåðèîäà îí íàñûùåí è ïðàêòè÷åñêè íå ïðåïÿòñòâóåò ïðîòåêàíèþ òîêà, íàçûâàåòñÿ äðîññåëåì íàñûùåíèÿ ÄÍ (â ñèëîâîé ýëåêòðîòåõíèêå òðàäèöèîííî íàçûâàþò ðåàêòîðàìè). Äðîññåëè íàñûùåíèÿ îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé ñòîéêîñòüþ ê ðàçëè÷íûì âîçìóùàþùèì âîçäåéñòâèÿì (ìåõàíè÷åñêèì, ýëåêòðîìàãíèòíûì, ðàäèàöèîííûì è äð.) è íàäåæíîñòüþ ðàáîòû. Ñ ïîâûøåíèåì ÷àñòîòû ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ ãàáàðèòû è ìàññà ÄÍ ñíèæàþòñÿ. Íà âûñîêèõ (ñâûøå 400–1000 Ãö) óñòðîéñòâà íà ÄÍ ïî ñâîåé ìàññå è ãàáàðèòàì
ñòàíîâÿòñÿ ñîèçìåðèìûìè ñ ïîëóïðîâîäíèêîâûìè óñòðîéñòâàìè, âûïîëíÿþùèìè òå æå ôóíêöèè [42]. Ïåðå÷èñëåííûå ôàêòîðû è îïðåäåëèëè îáëàñòè èñïîëüçîâàíèÿ ÄÍ.  äðîññåëÿõ íàñûùåíèÿ îáìîòêè ðàçëè÷àþò ïî íàçíà÷åíèþ: îáìîòêà, íå ó÷àñòâóþùàÿ â ïðåäíàìåðåííîì èçìåíåíèè ìàãíèòíîãî ñîñòîÿíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà, íàçûâàåòñÿ ðàáî÷åé; âñå îñòàëüíûå îáìîòêè îòíîñÿòñÿ ê îáìîòêàì óïðàâëåíèÿ. Äðîññåëü íàñûùåíèÿ, íå èìåþùèé â ñâîèõ îáìîòêàõ ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà è íå âîñïðèíèìàþùèé âîçäåéñòâèÿ âíåøíåãî ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, íàçûâàåòñÿ äðîññåëåì íàñûùåíèÿ áåç ïîäìàãíè÷èâàíèÿ. Äðîññåëü íàñûùåíèÿ, â êîòîðîì ïðåäóñìîòðåíî ïðîòåêàíèå ïî ëþáîé èç îáìîòîê ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà èëè âîçäåéñòâèå íà íåãî âíåøíåãî ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ íàçûâàåòñÿ äðîññåëåì 327
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
ñòàáèëèçàòîðàõ òîêà, íàïðÿæåíèÿ è ìîùíîñòè, íåêîòîðûõ òèïàõ èçìåðèòåëüíûõ îðãàíîâ ýëåêòðè÷åñêèõ ðåãóëÿòîðîâ è ñòàáèëèçàòîðîâ; îíè ÿâëÿþòñÿ îñíîâîé ìàãíèòíûõ êëþ÷åé è íåêîòîðûõ âèäîâ ëîãè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Äî ñîçäàíèÿ ñèëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ýëåìåíòîâ ìàãíèòíûå óñèëèòåëè áûëè îñíîâíûìè ÿ÷åéêàìè ñòàòè÷åñêèõ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ.  ïîñëåäíåå âðåìÿ â ñâÿçè ñ ñîçäàíèåì âûñîêîýôôåêòèâíûõ ñèëîâûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ äðîññåëåé íàñûùåíèÿ ñóùåñòâåííî ñóçèëàñü. Îäíàêî òàêèå ïðåèìóùåñòâà ÄÍ êàê íàäåæíîñòü è ñòîéêîñòü ê ðàçëè÷íûì âíåøíèì ôàêòîðàì (îñîáåííî ê âîçäåéñòâèþ òåìïåðàòóðû è ðàäèàöèè) îñòàâëÿþò èì äîâîëüíî ÷åòêî âûðàæåííóþ íèøó öåëåñîîîáðàçíîãî èõ ïðèìåíåíèÿ. Íèæå ðàññìàòðèâàþòñÿ ïðèíöèï äåéñòâèÿ, îñíîâíûå ñòàòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè è ïàðàìåòðû äðîññåëåé íàñûùåíèÿ è ïðèìåðû èõ èñïîëüçîâàíèÿ â òåõíèêå. Àíàëèç ðàáîòû äðîññåëåé íàñûùåíèÿ âåäåòñÿ óïðîùåííî ñ èñïîëüçîâàíèåì èäåàëüíîé ïåòëè ãèñòåðåçèñà ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà. Æåëàþùèì äåòàëüíî ïîçíàêîìèòüñÿ ñ ðàáîòîé ìàãíèòíûõ óñèëèòåëåé è óñòðîéñòâ íà èõ îñíîâå ñëåäóåò îáðàòèòüñÿ ê ëèòåðàòóðå [99, 100, 114–119 è äð.].
íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì èëè ìàãíèòíûì óñèëèòåëåì [99, 100, 114–119]. Çà ñ÷åò âàðüèðîâàíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà IÓ óïðàâëåíèÿ èëè èç-çà èçìåíåíèÿ âíåøíåãî ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ìåíÿåòñÿ ñîîòíîøåíèå íåïðîâîäÿùåé è ïðîâîäÿùåé äîëåé ïîëóïåðèîäà è ïðîèñõîäèò èçìåíåíèå ñðåäíèõ çà ïåðèîä çíà÷åíèé òîêà è íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå ìàãíèòíîãî óñèëèòåëÿ. Ìàãíèòíûå óñèëèòåëè ìîæíî ðàçäåëèòü íà äâå îñíîâíûå ãðóïïû: äðîññåëüíûå ìàãíèòíûå óñèëèòåëè (ÄÌÓ) è ìàãíèòíûå óñèëèòåëè ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì (ÌÓÑ). Äðîññåëüíûé ìàãíèòíûé óñèëèòåëü – ýòî äðîññåëü íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì, ïî ðàáî÷èì îáìîòêàì êîòîðîãî ïðîòåêàåò ïåðåìåííûé òîê. Ìàãíèòíûé óñèëèòåëü ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì ýòî äðîññåëü íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì, ðàáî÷èé òîê êîòîðîãî èçìåíÿåò (ïîäìàãíè÷èâàåò, ñòðåìèòñÿ çàâåñòè â íàñûùåííîå ñîñòîÿíèå) ìàãíèòíîå ñîñòîÿíèå ìàãíèòîïðîâîäà, ò.å. äðîññåëü íàñûùåíèÿ, â êîòîðîì ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ òîêà ïðîòåêàåò íå òîëüêî ïî îáìîòêå óïðàâëåíèÿ, íî åùå è ïî ðàáî÷åé îáìîòêå. Äðîññåëè íàñûùåíèÿ èñïîëüçóþòñÿ êàê îñíîâíûå ýëåìåíòû â ðåçîíàíñíûõ è ñãëàæèâàþùèõ ôèëüòðàõ, ôåððîðåçîíàíñíûõ
12.3.2. ÄÐÎÑÑÅËÜ ÍÀÑÛÙÅÍÈß ÁÅÇ ÏÎÄÌÀÃÍÈ×ÈÂÀÍÈß
íàïðÿæåíèé ðàññìàòðèâàåìîé ñõåìû íà îñíîâàíèè óðàâíåíèÿ Êèðõãîôà ìîæíî çàïèñàòü:
Òàêèå äðîññåëè íàõîäÿò ïðèìåíåíèå â ôåððîðåçîíàíñíûõ ñòàáèëèçàòîðàõ íàïðÿæåíèÿ è òîêà, áåñêîíòàêòíûõ ìàãíèòíûõ ðåëå íàïðÿæåíèÿ è ÷àñòîòû, äàò÷èêàõ íàïðÿæåíèÿ è ò. ï. Ïðîñòåéøàÿ ñõåìà ñ ÄÍ ïîêàçàíà íà ðèñ. 12.23,à. Äðîññåëü TS ñ îäíîé îáìîòêîé Np, ðàñïîëîæåííîé íà ìàãíèòîïðîâîäå, ïîäêëþ÷åí ïîñëåäîâàòåëüíî ñ ñîïðîòèâëåíèåì íàãðóçêè Rí ê èñòî÷íèêó íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ e, öèêëè÷åñêè èçìåíÿþùåìóñÿ ñ ÷àñòîòîé f. Ïîñêîëüêó ïî îïðåäåëåíèþ ìàãíèòîïðîâîä ÄÍ íå ïîäìàãíè÷èâàåòñÿ ïîëåì ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà èëè ïîëåì ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà, ïðîòåêàþùåãî ïî åãî îáìîòêå, òî, ïðèíÿâ ñëåäóþùèå äîïóùåíèÿ: ìàòåðèàë ìàãíèòîïðîâîäà îáëàäàåò èäåàëüíîé ïðÿìîóãîëüíîé ïåòëåé ãèñòåðåçèñà; ïîòåðè â ìàãíèòîïðîâîäå îòñóòñòâóþò; ìàãíèòíûé ïîòîê â ìàãíèòîïðîâîäå ïî åãî ñå÷åíèþ ðàñïðåäåëåí ðàâíîìåðíî è ïîòîêè ðàññåÿíèÿ îòñóòñòâóþò; ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè Zí ÷èñòî àêòèâíîå (ðàâíîå Rí, à ñîïðîòèâëåíèå r ñîåäèíèòåëüíûõ ïðîâîäîâ è ïðîâîäà îáìîòêè RNp î÷åíü ìàëû (R = Rí + RNp + + r ≈ Rí), ÷òî ïîçâîëÿåò ïðè àíàëèçå ðàáîòû äðîññåëÿ èõ íå ó÷èòûâàòü, òî äëÿ ìãíîâåííûõ çíà÷åíèé
e = uí + uä = iíR + d Ψ ⁄ dt ,
(12.21)
ãäå e – ÝÄÑ ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ: uí è uä – ñîîòâåòñòâåííî, ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå è íà äðîññåëå; ií – òîê íàãðóçêè. Åñëè ïðèíÿòü âî âíèìàíèå, ÷òî ïðè d Ψ ⁄ dt > 0 ìîæíî ñ÷èòàòü ñïðàâåäëèâûì ñîîòíîøåíèå iíR << d Ψ ⁄ dt, òî èñõîäíîå ðàâåíñòâî áóäåò èìåòü âèä e = d Ψ ⁄ dt = NpSdB ⁄ dt ,
(12.22)
ãäå Np – ÷èñëî âèòêîâ îáìîòêè äðîññåëÿ; S – ðåàëüíàÿ, ìàãíèòíàÿ (ñ ó÷åòîì êîýôôèöèåíòà çàïîëíåíèÿ ïî ñòàëè) ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà; B – èíäóêöèÿ â ìàãíèòîïðîâîäå. Îòñþäà dB ⁄ dt = e ⁄ (NpS) .
(12.23)
Ñëåäîâàòåëüíî, ïåðåìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòîïðîâîäà ïðîèñõîäèò ñî ñêîðîñòüþ, îáóñëîâëåííîé ÝÄÑ e èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ è íèêàê íå çàâèñèò îò ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà äðîññåëÿ. Ïðè óâåëè÷åíèè íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ ñêîðîñòü ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ 328
§ 12.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå óïðàâëÿåìûå êîìïîíåíòû
Íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ ES ÿâëÿåòñÿ âàæíûì ïàðàìåòðîì, èñïîëüçóåìûì ïðè ðàñ÷åòå è àíàëèçå ðàáîòû ìàãíèòíûõ ýëåìåíòîâ. Ýòî òàêîå íàïðÿæåíèå, ïðè êîòîðîì äèàïàçîí èçìåíåíèÿ èíäóêöèè â ìàãíèòîïðîâîäå äîñòèãàåò 2BS, è ìåíÿåòñÿ îò −BS äî +BS (èëè îò +BS äî −BS), ò. å. êîãäà ïðîèñõîäèò ïîëíîå ïåðåìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòîïðîâîäà (ñì. ðèñ. 12.24,à). Ïðè ñðåäíåì íàïðÿæåíèè ïèòàíèÿ (E < ES) ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî òîê ií â öåïè îòñóòñòâóåò. Îáúÿñíÿåòñÿ ýòî òåì, ÷òî ïðè óêàçàííîì íàïðÿæåíèè ïèòàíèÿ ðàáî÷àÿ òî÷êà â êîîðäèíàòàõ (B, H) áóäåò ïåðåìåùàòüñÿ ïî âåðòèêàëüíîé ÷àñòè èäåàëüíîé ïåòëè ãèñòåðåçèñà (ðèñ. 12.24,a), íå äîñòèãàÿ íàñûùåíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå çíà÷åíèå äèíàìè÷åñêîé ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòè µä = dB ⁄ dH ïðèáëèæàåòñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè. Ñëåäîâàòåëüíî, áóäåò ïðàêòè÷åñêè áåñêîíå÷íûì è èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå äðîññåëÿ XL. Äåéñòâèòåëüíî, íà îñíîâàíèè (12.22) ìîæíî çàïèñàòü e = NpS dB ⁄ dt = NpS dB dH = NpS µä dH = dH dt
= N pS
ìàãíèòîïðîâîäà âîçðàñòàåò, ìàãíèòîïðîâîä ñêîðåå ìîæåò äîñòè÷ü íàñûùåíèÿ; â òå÷åíèå ïîëîæèòåëüíîé ïîëóâîëíû ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ çíà÷åíèå dB ⁄ dt òàêæå ïîëîæèòåëüíî, ò. å. èíäóêöèÿ ïðè ïîëîæèòåëüíîé ïîëóâîëíå ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ ìîæåò òîëüêî óâåëè÷èâàòüñÿ è, íàîáîðîò, ïðè îòðèöàòåëüíîé ïîëóâîëíå ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ ïðîèñõîäèò óìåíüøåíèå èíäóêöèè â ìàãíèòîïðîâîäå. Åñëè (12.23) çàïèñàòü äëÿ ñðåäíèõ çà ïåðèîä çíà÷åíèé, òî åãî ìîæíî áóäåò ïðåäñòàâèòü â âèäå =
E NpS
= N 2pS
µä dií l dt
= N 2pΛ
dt
dií di =L í, dt dt
ãäå µä – äèíàìè÷åñêàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà; l – ñðåäíÿÿ äëèíà ëèíèé èíäóêöèè â ìàãíèòîïðîâîäå; Λ – ìàãíèòíàÿ ïðîâîäèìîñòü äðîññåëÿ; L – èíäóêòèâíîñòü äðîññåëÿ. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî èíäóêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå XL áóäåò ðàâíî
Ðèñ. 12.23. Cxeìû âêëþ÷åíèÿ äðîññåëåé íàñûùåíèÿ: a – äðîññåëü áåç ïîäìàãíè÷èâàíèÿ; á – äðîññåëü ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì; â – äâóõïîëóïåðèîäíûé äðîññåëüíûé ìàãíèòíûé óñèëèòåëü
2BS 0,5T
i N µä d í p dt l
XL = ωL = 2πfN 2pΛ = 2πfN 2pS µä ⁄ l = const µä . Ïðè ïåðåìåùåíèè ðàáî÷åé òî÷êè ïî âåðòèêàëüíîé ÷àñòè ïåòëè ãèñòåðåçèñà µä = dB ⁄ dH → ∞. Ñëåäîâàòåëüíî, è Λ → ∞ è XL → ∞. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî âñå íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ áóäåò ïàäàòü íà îáìîòêå äðîññåëÿ (âûäåëåíî øòðèõîâîé ëèíèåé ñ îòðèöàòåëüíûì óãëîì íàêëîíà íà ðèñ 12.24,á); íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò, ïîýòîìó òîê ií â öåïè íå òå÷åò. Òàêèì îáðàçîì, ïîêà ìàòåðèàë ìàãíèòîïðîâîäà ïåðåìàãíè÷èâàåòñÿ, íå äîñòèãàÿ íàñûùåíèÿ, äðîññåëü ìîæíî óïîäîáèòü ðàçîìêíóòîìó êëþ÷ó. Åñëè ñðåäíåå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ E > ES, òî, äîñòèãíóâ íàñûùåíèÿ ïðè óãëå αS, ìàòå-
,
ãäå BS – èíäóêöèÿ íàñûùåíèÿ ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà; T – ïåðèîä èçìåíåíèÿ ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ; E – åãî ñðåäíåå çíà÷åíèå. Îòñþäà E = ES = 4NpSBS ⁄ T = 4NpSf BS , (12.24)
ðèàë ìàãíèòîïðîâîäà ÷àñòü ïîëóïåðèîäà ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ áóäåò îñòàâàòüñÿ â íàñûùåííîì ñîñòîÿíèè (ðèñ. 12.24,à), ïðè÷åì, ÷åì áîëüøå íàïðÿæåíèå E, òåì áûñòðåå ìàãíèòîïðîâîä âîéäåò â íàñûùåíèå è äîëüøå áóäåò îñòàâàòüñÿ â íàñûùåííîì ñîñòîÿíèè.
ãäå ES – íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ; f – ÷àñòîòà êîëåáàíèé ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ. 329
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
Ðèñ. 12.24. Ê ïîÿñíåíèþ ïðèíöèïà äåéñòâèÿ ìàãíèòíîãî êëþ÷à: a – èäåàëèçèðîâàííàÿ ïðÿìîóãîëüíàÿ ïåòëÿ ãèñòåðåçèñà; á – èëëþñòðàöèÿ ðàçîìêíóòîãî è çàìêíóòîãî ñîñòîÿíèé êëþ÷à; â – ôîðìà òîêà íà àêòèâíîé íàãðóçêå â ñõåìå ñ ìàãíèòíûì êëþ÷îì
Ðèñ. 12.25. Âëèÿíèå ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ E è ÷àñòîòû f ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäíûå ïàðàìåòðû öåïè ñ äðîññåëåì íàñûùåíèÿ: a – âëèÿíèå íàïðÿæåíèÿ E; á – âëèÿíèå ÷àñòîòû f ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ
 òî âðåìÿ, êîãäà ìàòåðèàë ìàãíèòîïðîâîäà îêàçûâàåòñÿ â íàñûùåííîì ñîñòîÿíèè, äèíàìè÷åñêàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ñíèæàåòñÿ, ïðèáëèæàÿñü ê íóëþ. Ýòî âåäåò ê ðåçêîìó óìåíüøåíèþ èíäóêòèâíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ XL äðîññåëÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, íàñûùåííûé äðîññåëü ïîäîáåí çàìêíóòîìó êëþ÷ó: íàïðÿæåíèå íà íåì ïðàêòè÷åñêè íå ïàäàåò è öåëèêîì îò èñòî÷íèêà ïîñòóïàåò ê íàãðóçêå (íà ðèñ. 12.24,á âûäåëåíî øòðèõîâîé ëèíèåé ñ ïîëîæèòåëüíûì íàêëîíîì).  ðåçóëüòàòå èçëîæåííîãî ïî öåïè ïîòå÷åò òîê ií (ðèñ. 12.24,â), îáóñëîâëåííûé çíà÷åíèåì ñîïðîòèâëåíèÿ Rí. Ïîñêîëüêó ýòî ñîïðîòèâëåíèå àêòèâíîå, òî è òîê â öåïè áóäåò ÷èñòî àêòèâíûì, ïîëíîñòüþ ïîâòîðÿþùèì ïî ôîðìå íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå, ôàçîâûé ñäâèã ìåæäó òîêîì è íàïðÿæåíèåì ðàâåí íóëþ.
Çàâèñèìîñòè ñðåäíèõ çíà÷åíèé íàïðÿæåíèé íà íàãðóçêå è íà äðîññåëå è òîêà íàãðóçêè â ôóíêöèè ñðåäíåãî íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ ïîêàçàíû íà ðèñ. 12.25,à; çàâèñèìîñòü òåõ æå âåëè÷èí îò ÷àñòîòû f ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ ïîêàçàíà íà ðèñ. 12.25,á; ÷àñòîòà fS íàñûùåíèÿ â çàâèñèìîñòè îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ E îïðåäåëÿåòñÿ ðàâåíñòâîì fs =
E 4NpSBS
.
Èç ðèñ. 12.25 âèäíî, ÷òî ÄÍ áåç ïîäìàãíè÷èâàíèÿ ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàí êàê ñèãíàëèçàòîð (äàò÷èê, ôèêñàòîð) îïðåäåëåííîãî çíà÷åíèÿ ñðåäíåãî ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ (ïðè f = const) èëè ÷àñòîòû ïèòàíèÿ (ïðè E = const).
12.3.3. ÄÐÎÑÑÅËÜ ÍÀÑÛÙÅÍÈß Ñ ÏÎÄÌÀÃÍÈ×ÈÂÀÍÈÅÌ
 îòëè÷èå îò ðàññìîòðåííîãî âûøå äðîññåëü íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì õàðàêòåðèçóåòñÿ òåì, ÷òî õîòÿ áû ïî îäíîé èç åãî îáìîòîê ïðîòåêàåò ïîñòîÿííûé òîê, èëè åãî ìàãíèòîïðîâîä ïîäìàãíè÷èâàåòñÿ ïîëåì âíåøíåãî ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà. Ýòè äðîññåëè íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì èñïîëüçóþòñÿ â êà÷åñòâå èçìåðèòåëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà è íàïðÿæåíèÿ, ñòàáèëèçà-
òîðîâ òîêà, ðåãóëèðóåìûõ òðàíñôîðìàòîðîâ, ôîðìèðîâàòåëåé èìïóëüñîâ, äàò÷èêîâ íàïðÿæåíèÿ è òîêà è ò. ï. Ñõåìà ïðîñòåéøåãî äðîññåëÿ íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì ïîêàçàíà íà ðèñ. 12.23,á. Íà ôåððîìàãíèòíîì ìàãíèòîïðîâîäå (ñì. ðèñ. 12.23,á) ðàñïîëàãàþòñÿ äâå îáìîòêè. Îáìîòêà Np, êàê è ðàíåå, âêëþ÷àåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíî ñ ñîïðî330
§ 12.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå óïðàâëÿåìûå êîìïîíåíòû
ìàãíèòíîé èíäóêöèè â ìàãíèòîïðîâîäå, òàêæå ïðàêòè÷åñêè ðàâíà íóëþ.  èòîãå ìîæíî ïîëó÷èòü îñíîâîïîëàãàþùåå ñîîòíîøåíèå äëÿ ÄÍ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì:
òèâëåíèåì íàãðóçêè Rí ê èñòî÷íèêó ïåðåìåííîé ÝÄÑ e, ïåðèîäè÷åñêè èçìåíÿþùåéñÿ âî âðåìåíè. Ýòà îáìîòêà îáû÷íî íàçûâàåòñÿ ðàáî÷åé, êàê è ñàìà öåïü, â êîòîðóþ îíà âêëþ÷åíà. Âòîðàÿ îáìîòêà ñ ÷èñëîì âèòêîâ Nó ñîåäèíÿåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíî ñ áîëüøèì áàëëàñòíûì ñîïðîòèâëåíèåì Zá è ïîäêëþ÷àåòñÿ ê èñòî÷íèêó ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ Eó. Ýòà îáìîòêà íàçûâàåòñÿ îáìîòêîé óïðàâëåíèÿ (èëè óïðàâëÿþùåé). Öåïü, ñîäåðæàùàÿ îáìîòêó Nó, íàçûâàåòñÿ öåïüþ óïðàâëåíèÿ. Îòëè÷èå ÄÍ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì îò ÄÍ áåç ïîäìàãíè÷èâàíèÿ ëåãêî óñìîòðåòü, ñðàâíèâàÿ ðèñ. 12.23,à è 12.23,á: â ÄÍ áåç ïîäìàãíè÷èâàíèÿ ìàãíèòíîå ñîñòîÿíèå ìàãíèòîïðîâîäà çàâèñèò ëèøü îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ e ñåòè è åå ÷àñòîòû f, à â ÄÍ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì – åùå è îò òîêà Ió óïðàâëåíèÿ. ÌÄÑ Fð, ñîçäàâàåìàÿ ðàáî÷åé îáìîòêîé, óðàâíîâåøèâàåòñÿ ÌÄÑ Fï ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà è ÌÄÑ Fó îáìîòêè óïðàâëåíèÿ, ò.å. Fp = Fï + Fó .
Fp = Fó
Ïîñêîëüêó äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ ÄÍ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì èñïîëüçóþòñÿ ìàòåðèàëû, îáëàäàþùèå óçêîé ïåòëåé ãèñòåðåçèñà, ó êîòîðûõ êîýðöèòèâíàÿ ñèëà, Hc → 0 òî ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî è ÌÄÑ Fï ≈ Hc lì, ãäå lì – ñðåäíÿÿ äëèíà ëèíèè
.
Ýòî ñîîòíîøåíèå èíîãäà íàçûâàþò çàêîíîì ðàâåíñòâà ÌÄÑ ðàáî÷åé îáìîòêè è îáìîòêè óïðàâëåíèÿ. Ýòî ðàâåíñòâî ñîáëþäàåòñÿ ïðè ëþáîé ôîðìå âõîäíîãî ñèãíàëà, åñëè òîëüêî ÌÄÑ âûðàæàþòñÿ â ñðåäíèõ çíà÷åíèÿõ. Ñëåäóåò äîáàâèòü, ÷òî ðàáîòà ÄÍ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì íå íàðóøèòñÿ, åñëè îáìîòêà óïðàâëåíèÿ áóäåò ïèòàòüñÿ ïåðåìåííûì òîêîì, ÷àñòîòà êîòîðîãî âî ìíîãî (â 10 è áîëåå) ðàç ìåíüøå ÷àñòîòû òîêà â ðàáî÷åé îáìîòêå. Ìàãíèòíûå ñâîéñòâà ìàãíèòîïðîâîäà, íà êîòîðîì ðàçìåùåíû îáìîòêè Nó è Np, ðåçêî íåëèíåéíî çàâèñÿò îò òîêà óïðàâëåíèÿ (ïîäìàãíè÷èâàíèÿ). Íåçíà÷èòåëüíûå èçìåíåíèÿ òîêà Ió öåïè óïðàâëåíèÿ âûçûâàþò ñóùåñòâåííûå èçìåíåíèÿ ìàãíèòíîãî ñîñòîÿíèÿ ñåðäå÷íèêà è, êàê ñëåäñòâèå, òîêà Ip ðàáî÷åé öåïè. Ïîñêîëüêó ïðè ïîìîùè ìàëûõ ìîùíîñòåé âõîäíîé öåïè óïðàâëåíèÿ óäàåòñÿ óïðàâëÿòü áîëüøèìè ìîùíîñòÿìè íà âûõîäå, â öåïè íàãðóçêè (ðàáî÷åé öåïè), òî ðàññìàòðèâàåìûå óñòðîéñòâà ïîëó÷èëè
Ðèñ. 12.26. Õàðàêòåðèñòèêà óïðàâëåíèÿ äðîññåëüíîãî ìàãíèòíîãî óñèëèòåëÿ: à – áåç ñìåùåíèÿ è îáðàòíîé ñâÿçè (èñõîäíàÿ); á – ñî ñìåùåíèåì; â è ã – ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ, áåç ñìåùåíèÿ; ä – ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ è ñìåùåíèåì
331
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
– íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ ñèíóñîèäàëüíî (e = = Emax sin(ωt); ω = 2πf) è ñðåäíåå çíà÷åíèå E < 2Es, ãäå Es = 4fNpSBs. Õàðàêòåðèñòèêà óïðàâëåíèÿ äðîññåëüíîãî ìàãíèòíîãî óñèëèòåëÿ. Çàâèñèìîñòü òîêà íàãðóçêè Ií (èëè ðàáî÷åãî òîêà Ip) îò òîêà óïðàâëåíèÿ Ió â ñòàòè÷åñêîì, óñòàíîâèâøåìñÿ ðåæèìå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé õàðàêòåðèñòèêó óïðàâëåíèÿ ÄÌÓ. Î÷åíü óäîáíî ýòó õàðàêòåðèñòèêó ïðåäñòàâëÿòü íå â ôóíêöèè ðåàëüíîãî òîêà óïðàâëåíèÿ, à êàê çàâèñèìîñòü îò ïðèâåäåííîãî ê ðàáî÷åé öåïè òîêà óïðàâëåíèÿ Ió′ = IóNó ⁄ Np. Ïðè óêàçàííûõ âûøå äîïóùåíèÿõ õàðàêòåðèñòèêà óïðàâëåíèÿ ÄÌÓ èìååò âèä, ïîêàçàííûé íà ðèñ. 12.26,à. Õàðàêòåðèñòèêà ñèììåòðè÷íà îòíîñèòåëüíî îñè îðäèíàò, ïîýòîìó íåðåäêî èçîáðàæàþò ëèøü îäíó ïîëîâèíó õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëåíèÿ. Ïðè òîêå óïðàâëåíèÿ Ió = 0 (èëè Eó = 0) ìàãíèòîïðîâîäû äðîññåëåé íå íàñûùåíû, íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ îêàçûâàåòñÿ ïðèëîæåííûì ê èõ ðàáî÷èì îáìîòêàì, òîê â ðàáî÷åé öåïè Ip = 0 (òî÷êà 0 íà õàðàêòåðèñòèêå óïðàâëåíèÿ) – ðåæèì õîëîñòîãî õîäà. Ïðè Ió′ = IóNó ⁄ Np < I ′ó max = Ip max = E ⁄ Rp èëè
íàçâàíèÿ äðîññåëüíûõ ìàãíèòíûõ óñèëèòåëåé (ÄÌÓ). Äðîññåëüíûé ìàãíèòíûé óñèëèòåëü ìîæåò èìåòü íå îäíó, à íåñêîëüêî ãàëüâàíè÷åñêè ðàçâÿçàííûõ îáìîòîê óïðàâëåíèÿ. Ýòî ïîçâîëÿåò ñóììèðîâàòü ñèãíàëû, ìåíÿòü õàðàêòåðèñòèêó óïðàâëåíèÿ ÄÌÓ è åå ðàñïîëîæåíèå â îñÿõ Ií(Ió) (ñì. ðèñ. 12.26) è ïîëó÷àòü ïðàêòè÷åñêè ëþáûå êîýôôèöèåíòû óñèëåíèÿ è âîçâðàòà kâ, åñëè ÄÌÓ ðàáîòàåò â ðåëåéíîì ðåæèìå. Áîëüøîå áàëëàñòíîå ñîïðîòèâëåíèå Zá â öåïè
óïðàâëåíèÿ (ñì. ðèñ. 12.23,á) íåîáõîäèìî äëÿ óìåíüøåíèÿ ïåðåìåííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà, êîòîðàÿ ìîæåò ïîÿâèòüñÿ â öåïè óïðàâëåíèÿ çà ñ÷åò òðàíñôîðìàöèè ïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ èç ðàáî÷åé (ïåðâè÷íîé) öåïè. Åñëè Zá îòñóòñòâóåò èëè î÷åíü ìàëî, òî íåçàâèñèìî îò òîêà ïîäìàãíè÷èâàíèÿ ïî öåïè íàãðóçêè áóäåò èäòè òîê, îïðåäåëÿåìûé, â îñíîâíîì, ñîïðîòèâëåíèåì íàãðóçêè Rí; äðîññåëü íå áóäåò óïðàâëÿòü òîêîì è ìîùíîñòüþ â íàãðóçêå. Äëÿ íîðìàëüíîé ðàáîòû óñòðîéñòâà íåîáõîäèìî, ÷òîáû öåïü óïðàâëåíèÿ ÿâëÿëàñü öåïüþ èñòî÷íèêà òîêà”, â êîòîðîé ” òîê îäíîçíà÷íî îïðåäåëÿåòñÿ íàïðÿæåíèåì óïðàâëåíèÿ Eó è íå çàâèñèò îò ìàãíèòíîãî ñîñòîÿíèÿ äðîññåëÿ. Íàëè÷èå Zá óõóäøàåò ïîêàçàòåëè ñõåìû. Åñëè Zá – ÷èñòî àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå, òî ïîòåðè ìîùíîñòè â íåì áóäóò ñîèçìåðèìû ñ ïîëåçíîé ìîùíîñòüþ â íàãðóçêå. Åñëè æå Zá ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ëèíåéíûé äðîññåëü (Zá ≈ ωLá ), òî åãî ãàáàðèòíûå ðàçìåðû áóäóò ñîèçìåðèìû ñ îñíîâíûì, íàñûùàþùèìñÿ äðîññåëåì. Ïîýòîìó íà ïðàêòèêå îáû÷íî èñïîëüçóþòñÿ ñõåìû íà äâóõ îäèíàêîâûõ ÄÍ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì (ñì ðèñ. 12.23,â).  íèõ äëÿ óñòðàíåíèÿ òðàíñôîðìàöèè ïåðåìåííîãî òîêà èç ðàáî÷åé öåïè â öåïü óïðàâëåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíîå ñîãëàñíîå ñîåäèíåíèå îáìîòîê Nó è ïîñëåäîâàòåëüíîå âñòðå÷íîå ñîåäèíåíèå ðàáî÷èõ îáìîòîê Np äâóõ äðîññåëåé. Ïðè èäåíòè÷íûõ ìàãíèòîïðîâîäàõ è óêàçàííîì âêëþ÷åíèè îáìîòîê ÝÄÑ îñíîâíîé ÷àñòîòû, òðàíñôîðìèðóåìûå èç ðàáî÷åé öåïè â öåïü óïðàâëåíèÿ, îêàçûâàþòñÿ â ïðîòèâîôàçå è âçàèìíî êîìïåíñèðóþò äðóã äðóãà. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî: – ìàãíèòîïðîâîäû äðîññåëåé âûïîëíåíû èç ìàòåðèàëà ñ èäåàëüíîé ïðÿìîóãîëüíîé ïåòëåé ãèñòåðåçèñà; – ìàãíèòîïðîâîäû äðîññåëåé TS1 è TS2 èäåíòè÷íû; – ïîòåðè â ìàãíèòîïðîâîäàõ îòñóòñòâóþò; – íàãðóçêà àêòèâíàÿ;
(0 < Eó < < E
R ó Np ) Rp Nó
íàñòóïàåò ðàáî÷èé ðåæèì ÄÌÓ
(ó÷àñòîê îò òî÷êè 0 äî òî÷êè 1).  ýòîì ðåæèìå çà ñ÷åò ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ óïðàâëåíèÿ Eó â ìàãíèòîïðîâîäàõ äðîññåëåé ïîÿâëÿåòñÿ ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ èíäóêöèè, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ íàïðÿæåíèþ Eó. Äëÿ ðàáî÷åãî ðåæèìà ðàáîòû ÄÌÓ ñïðàâåäëèâ çàêîí ðàâåíñòâà ñðåäíèõ çíà÷åíèé ÌÄÑ: Fp – ÌÄÑ ðàáî÷åé öåïè; Fó – ÌÄÑ öåïè óïðàâëåíèÿ Fp = Fó , ÷òî ðàâíîñèëüíî IpNp = IóNó èëè Ip = Ió′. Åñëè õàðàêòåðèñòèêà óïðàâëåíèÿ ïîñòðîåíà â êîîðäèíàòàõ [Ió′, Ip], òî ïðè ðàâíûõ ìàñøòàáàõ òîêîâ ïî óêàçàííûì îñÿì ðàáî÷èé ó÷àñòîê õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëåíèÿ ðàñïîëàãàåòñÿ ïîä óãëîì 45° ëþáîé èç îñåé (äî òî÷êè 1 èëè òî÷êè 2). Ëåâåå òî÷êè 1 (ïðè îòðèöàòåëüíûõ çíà÷åíèÿõ òîêîâ óïðàâëåíèÿ) è ïðàâåå òî÷êè 2 (ïðè ïîëîæèòåëüíûõ çíà÷åíèÿõ òîêîâ óïðàâëåíèÿ) õàðàêòåðèñòèêà èìååò ãîðèçîíòàëüíûå ó÷àñòêè, ñâèäåòåëüñòâóþùèå î íåèçìåííîñòè òîêà â ðàáî÷åé öåïè â ýòîì ðåæèìå. Ýòîò ðåæèì íàçûâàåòñÿ ðåæèìîì ìàêñèìàëüíîé îòäà÷è. Îí íàñòóïàåò ïðè 332
§ 12.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå óïðàâëÿåìûå êîìïîíåíòû
Ió′ =
Ió NNó = ER p
(èëè Eó ≥ E
ó
Nó
ó
Np
≥ Ip max = RE
èëè æå äâóõïîëóïåðèîäíûé âûïðÿìëåííûé – ïðè íàëè÷èè âåíòèëåé. Òî÷êè 1 èëè 2 íà õàðàêòåðèñòèêå óïðàâëåíèÿ ÿâëÿþòñÿ ãðàíè÷íûìè ìåæäó ðàáî÷èì ðåæèìîì è ðåæèìîì ìàêñèìàëüíîé îòäà÷è. Òîê óïðàâëåíèÿ äëÿ ýòèõ òî÷åê îáîçíà÷àåòñÿ êàê I ′ó max. Îí ðàâåí I ′ó max = Ió maxNó ⁄ Np = Ip max .
í
Ró Np ). Rp Nó
Íà ýòîì ó÷àñòêå òîê â íàãðóçêå ñèíóñîèäàëüíûé, åñëè îíà âêëþ÷åíà áåç âåíòèëåé (ñì. ðèñ. 12.23,â)
12.3.4. ÄÐÎÑÑÅËÈ ÍÀÑÛÙÅÍÈß Ñ ÑÀÌÎÏÎÄÌÀÃÍÈ×ÈÂÀÍÈÅÌ
Îòëè÷èòåëüíîé ÷åðòîé äðîññåëåé íàñûùåíèÿ ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî â öåïè èõ ðàáî÷èõ îáìîòîê âêëþ÷àþòñÿ âåíòèëè (íàïðèìåð, ðèñ. 12.27). Áëàãîäàðÿ ýòîìó ïî ðàáî÷èì îáìîòêàì ïðîòåêàåò òîëüêî îäíîïîëóïåðèîäíûé âûïðÿìëåííûé òîê. Ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ òîêà â ðàáî÷èõ îáìîòêàõ, äàæå ïðè îòñóòñòâèè òîêà óïðàâëåíèÿ, ïîäìàãíè÷èâàåò ìàãíèòîïðîâîäû äðîññåëåé íàñûùåíèÿ. Ïî ýòîé ïðè÷èíå óêàçàííûå äðîññåëè ïîëó÷èëè íàçâàíèå äðîññåëåé (ìàãíèòíûõ óñèëèòåëåé) ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì (ÌÓÑ). Ïîñêîëüêó äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ èñïîëüçóåòñÿ ìàòåðèàë ñ óçêîé ïåòëåé ãèñòåðåçèñà è âûñîêîé ïðÿìîóãîëüíîñòüþ, òî ïîñëå îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ïîëóïåðèîäîâ ðàáî÷åãî íàïðÿæåíèÿ ìàòåðèàë äðîññåëåé âõîäèò â íàñûùåíèå. Ïî ýòîé ïðè÷èíå òàêèå óñòðîéñòâà íàçûâàþòñÿ èíîãäà ìàãíèòíûìè óñèëèòåëÿìè ñ ñàìîíàñûùåíèåì. Èçìåíåíèå òîêà Ió öåïè óïðàâëåíèÿ âûçûâàåò èçìåíåíèå ñóììàðíîãî ïîäìàãíè÷èâàíèÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ, èõ ìàãíèòíîãî ñîñòîÿíèÿ è, êàê ñëåäñòâèå, òîêà Ip ðàáî÷åé öåïè è íàïðÿæåíèÿ Uí íà íàãðóçêå. Åñëè ó÷åñòü òî, ÷òî ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ âûõîäíîãî òîêà íàãðóçêè òàê æå, êàê è âõîäíîé òîê óïðàâëåíèÿ, ïîäìàãíè÷èâàåò ìàãíèòîïðîâîäû äðîññåëåé, òî ïî ñâîåìó äåéñòâèþ îíà ýêâèâàëåíòíà îáðàòíîé ñâÿçè. Íà ýòîì îñíîâàíèè ÌÓÑ èíîãäà íàçûâàþò åùå ìàãíèòíûì óñèëèòåëåì ñ ïîëîæèòåëüíîé âíóòðåííåé îáðàòíîé ñâÿçüþ. ÌÓÑ ìîãóò áûòü ïîñòðîåíû íà îäíîì ìàãíèòîïðîâîäå èëè íà äâóõ. Ïî òåì æå ïðè÷èíàì, î êîòîðûõ ãîâîðèëîñü â ïàðàãðàôå, ïîñâÿùåííîì ÄÌÓ, ÷àùå èñïîëüçóþòñÿ äâóõïîëóïåðèîäíûå ñõåìû ÌÓÑ íà äâóõ ìàãíèòîïðîâîäàõ. Íà ïðàêòèêå ìàãíèòíûå óñèëèòåëè ìîãóò èìåòü íå îäíó, à íåñêîëüêî îáìîòîê óïðàâëåíèÿ (ëþáûå îáìîòêè, êðîìå ðàáî÷åé). Îáû÷íî ðàçëè÷àþò (èñïîëüçóþò) ñëåäóþùèå âèäû îáìîòîê: – îáìîòêè óïðàâëåíèÿ ñ ÷èñëîì âèòêîâ Nó; – îáìîòêè ñìåùåíèÿ ñ ÷èñëîì âèòêîâ Nñì; – îáìîòêè îáðàòíîé ñâÿçè ñ ÷èñëîì âèòêîâ Nîñ; – äîïîëíèòåëüíûå îáìîòêè ñ ÷èñëîì âèòêîâ Näîï . 333
Èñïîëüçîâàíèå íåñêîëüêèõ îáìîòîê óïðàâëåíèÿ ïîçâîëÿåò óïðàâëÿòü ìàãíèòíûìè óñèëèòåëÿìè îò ðàçíûõ èñòî÷íèêîâ, ïðîèçâîäèòü ñóììèðîâàíèå ñèãíàëîâ, ïîëó÷àòü ëîãè÷åñêèå ýëåìåíòû, à ãëàâíîå, âîçäåéñòâîâàòü íà ïîëîæåíèå õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëåíèÿ è åå êðóòèçíó. ×åì êðó÷å õàðàêòåðèñòèêà óïðàâëåíèÿ, òåì âûøå êîýôôèöèåíòû óñèëåíèÿ òîêà, íàïðÿæåíèÿ è ìîùíîñòè. Äåéñòâèå ëþáîé èç äîïîëíèòåëüíûõ îáìîòîê óïðàâëåíèÿ ìîæíî ïðèâåñòè ê äåéñòâèþ èñõîäíîé îáìîòêè óïðàâëåíèÿ. Òàêîå ïðèâåäåíèå îñíîâàíî íà èñïîëüçîâàíèè çàêîíà ðàâåíñòâà ÌÄÑ, ñîçäàííûõ äâóìÿ îáìîòêàìè óïðàâëåíèÿ, Fó1 = Fó2 èëè Ió1Nó1 = Ió2Nó2. Ïðè îäíîâðåìåííîì âêëþ÷åíèè íåñêîëüêèõ îáìîòîê óïðàâëåíèÿ ðåçóëüòèðóþùåå âîçäåéñòâèå ìîæåò ïðîÿâëÿòüñÿ ïî-ðàçíîìó. Îñíîâíûå ñõåìû ÌÓÑ ïîêàçàíû íà ðèñ. 12.27.  äèôôåðåíöèàëüíîé (ðèñ. 12.27,à) è ìîñòîâîé (ðèñ. 12.27,á) ñõåìàõ îáåñïå÷èâàåòñÿ äâóõïîëóïåðèîäíûé ïîñòîÿííûé âûïðÿìëåííûé òîê â ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè, à â ñõåìå (ðèñ. 12,27,â) – ïåðåìåííûé òîê. Íà ðèñ. 12.27,ã ïîêàçàí ïðèìåð äâóõïîëóïåðèîäíîãî îäíîîáìîòî÷íîãî ÌÓÑ, âûïîëíåííîãî íà äâóõ îäíîòèïíûõ ìàãíèòîïðîâîäàõ.  òàêèõ ÌÓÑ (ñì. ðèñ. 12.28) ðîëü ðàáî÷åé îáìîòêè, îáìîòêè óïðàâëåíèÿ, îáìîòêè ñìåùåíèÿ è îáìîòêè îáðàòíîé ñâÿçè èãðàåò îäíà è òà æå îáìîòêà. Òàêèå óñòðîéñòâà íàçûâàþòñÿ îäíîîáìîòî÷íûìè ÌÓÑ èëè óïðàâëÿåìûìè ìàãíèòíûìè êëþ÷àìè (ÌÊ) [45]. Êàê è â äðóãèõ ìàãíèòíûõ óñèëèòåëÿõ, â íèõ ïóòåì èçìåíåíèÿ òîêà óïðàâëåíèÿ ëåãêî óäàåòñÿ ìåíÿòü ñîñòîÿíèå êëþ÷à, ïåðåâîäÿ åãî èç çàêðûòîãî ñîñòîÿíèÿ â îòêðûòîå, è íàîáîðîò. Ñõåìà ñ ÌÊ ïðè ñîîòâåòñòâóþùåì âêëþ÷åíèè äèîäîâ è ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè Rí ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü ïðîòåêàíèå ïî ïîñëåäíåìó êàê ïîñòîÿííîãî, òàê è ïåðåìåííîãî òîêà. Äëÿ ïîÿñíåíèÿ ðàáîòû ÌÊ íåîáõîäèìî ðàññìîòðåòü îñíîâíóþ, áàçîâóþ ñõåìó îäíîïîëóïåðèîäíîãî îäíîîáìîòî÷íîãî ìàãíèòíîãî óñèëèòåëÿ (ñì. ðèñ. 12.29). Ñõåìà ñîäåðæèò äðîññåëü íàñûùåíèÿ TS, âåíòèëè VD1 è VD2, ñãëàæèâàþùèé LôCô – ôèëüòð è ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè Rí. Êðîìå òîãî â ñõåìå èìååòñÿ âåíòèëü îáðàòíîãî âêëþ÷åíèÿ VD0. Òîê Ió, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç âåíòèëü VD2, çàâèñèò îò
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
Ðèñ. 12.27. Ñõåìû ìàãíèòíûõ óñèëèòåëåé ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì: à – òðàíñôîðìàòîðíàÿ; á – ìîñòîâàÿ; â – äèôôåðåíöèàëüíàÿ; ã – îäíîîáìîòî÷íàÿ
Ðèñ. 12.28. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà äâóõïîëóïåðèîäíîãî ìàãíèòíîãî êëþ÷à íà áàçå îäíîîáìîòî÷íîãî ìàãíèòíîãî óñèëèòåëÿ
Ðèñ. 12.29. Ê ïîÿñíåíèþ ïðèíöèïà äåéñòâèÿ ìàãíèòíîãî êëþ÷à
ñîïðîòèâëåíèÿ Róý óïðàâëÿþùåãî ýëåìåíòà (ÓÝ). ÓÝ ìåíÿåò ñâîå ñîïðîòèâëåíèå ïîä äåéñòâèåì ñèãíàëà eó, ïîñòóïàþùåãî îò ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ (ÑÓ). Ðàáîòó ñõåìû ëåã÷å ïîíÿòü, åñëè ðàññìîòðåòü õàðàêòåðíûå åå ðåæèìû ðàáîòû, óñëîâíî ïðåäñòàâëåííûå íà ðèñ. 12.30. Ñõåìà ïîëó÷àåò ïèòàíèå îò èñòî÷íèêà çíàêîïåðåìåííîãî íàïðÿæåíèÿ e(t). Äëÿ ïðîñòîòû ïðèìåì, ÷òî íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ èìååò ïðÿìîóãîëüíóþ ôîðìó, êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 12.30,â.  äàëüíåéøåì áóäåì íàçûâàòü ðàáî÷èì ïîëóïåðèîäîì òàêîé ïîëóïåðèä ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ, ïðè êîòîðîì òîê Ií ïðîõîäèò îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ÷åðåç ÌÊ TS, ðàáî÷èé âåíòèëü VD1 è ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè Rí. Äðóãîé ïîëóïåðèîä, â òå÷åíèå êîòîðîãî âåíòèëü VD1 ïîä äåéñòâèåì íàïðÿæåíèÿ ïèòàíèÿ
çàêðûò, áóäåì íàçûâàòü óïðàâëÿþùèì ïîëóïåðèîäîì. Óêàçàííûå ïîëóïåðèîäû íà äèàãðàììå (ðèñ. 12.30,â) îáîçíà÷åíû áóêâàìè Ð (ðàáî÷èé) è Ó (óïðàâëÿþùèé). Äëÿ íîðìàëüíîãî ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ñõåìû íåîáõîäèìî òàê ïîäîáðàòü ïàðàìåòðû äðîññåëÿ TS (åãî ìàòåðèàë ñ îïðåäåëåííîé èíäóêöèåé íàñûùåíèÿ BS è ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå, à òàêæå ÷èñëî âèòêîâ N îáìîòêè), ÷òîáû ñîáëþäàëîñü îñíîâíîå ðàâåíñòâî (12.24): E = (ES = 4NSBS) ⁄ T, ãäå E – ñðåäíåå çà ïîëïåðèîäà çíà÷åíèå ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ e(t); ES – íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ; S – àêòèâíàÿ ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ìàãíèòî334
§ 12.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå óïðàâëÿåìûå êîìïîíåíòû
U = η kñõ E;
ïðîâîäà (S = kçñ Sã, çäåñü kçñ = 0,85–0,93 – êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ ïî ñòàëè; Sã – ðåàëüíàÿ, ãåîìåòðè÷åñêàÿ ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà); T – ïåðèîä ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ. Ïðåäñòàâèì, ÷òî ïîñëå âêëþ÷åíèÿ ñõåìû â ðàáîòó âñå ïåðåõîäíûå ïðîöåññû äàâíî çàâåðøèëèñü, è â ñõåìå íàñòóïèë êâàçèóñòàíîâèâøèéñÿ ðåæèì. Íà÷íåì ðàññìîòðåíèå ðàáîòû ñõåìû ñ ìãíîâåíèÿ, êîãäà óïðàâëÿþùèé ïîëóïåðèîä ïî÷òè ïîëíîñòüþ çàêîí÷èëñÿ è íàïðÿæåíèå e(t) èç òî÷êè 1 (ñì. ðèñ.12.30,â) óñòðåìëÿåòñÿ â òî÷êó 2, ìåíÿÿ ñâîþ ïîëÿðíîñòü íà îáðàòíóþ è ïåðåõîäÿ îò çíà÷åíèÿ –E ê çíà÷åíèþ +E. Êðîìå òîãî áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî â ýòîò ìîìåíò ìàãíèòîïðîâîä äðîññåëÿ TS íàõîäèëñÿ â òî÷êå 1 (ñì. ðèñ. 12.30,á) â ñîñòîÿíèè îòðèöàòåëüíîãî íàñûùåíèÿ –BS. Ðàññìàòðèâàåìîìó ðåæèìó áóäåò ñîîòâåòñòâîâàòü ñõåìà çàìåùåíèÿ, ïðåäñòàâëåííàÿ íà ðèñ. 12.30,à. Ïîä äåéñòâèåì ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ ðàáî÷èé âåíòèëü VD1 çàêðûò è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàçîìêíóòûé êëþ÷; óïðàâëÿþùèé æå âåíòèëü VD2 íàõîäèòñÿ â îòêðûòîì ñîñòîÿíèè è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàìêíóòûé êëþ÷, ÷åðåç êîòîðûé ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ ìîæåò ïðîòåêàòü òîê iVD2 = Ió. Ïîñêîëüêó ïîä äåéñòâèåì èçìåíÿþùåãîñÿ îò –E äî +E íàïðÿæåíèÿ e(t) ïðîèñõîäèò ïåðåìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòîïðîâîäà èç òî÷êè 1 â òî÷êó 2 (ñì. ðèñ. 12.30,á), òî â ýòîì ðåæèìå òîê ÷åðåç ìàãíèòíûé êëþ÷ TS ïðîòåêàòü íå ìîæåò (ñì. ðèñ. 12.24), TS â ýòîì ñëó÷àå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàçîìêíóòûé êëþ÷. Òàêèì îáðàçîì, â ðàññìàòðèâàåìîì ðåæèìå ðàáîòû òîê íèãäå íå ïðîòåêàåò: ÷åðåç íàãðóçêó îí íå òå÷åò òàê êàê çàêðûò ðàáî÷èé âåíòèëü VD1, à ÷åðåç óïðàâëÿþùèé âåíòèëü VD2 (õîòÿ îí è çàìêíóò) òîê íå òå÷åò, òàê êàê ðàçîìêíóò ìàãíèòíûé êëþ÷ TS. Íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå Uí. Ïîñëå òîãî, êàê ïðîèçîøëî ïåðåìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòîïðîâîäà TS, íàñòóïàåò âòîðîé ðåæèì ðàáîòû ÌÊ. Ñõåìà çàìåùåíèÿ ýòîãî ðåæèìà èçîáðàæåíà íà ðèñ. 12.30,ã. Äëÿ âòîðîãî ðåæèìà õàðàêòåðíî òî, ÷òî ïðè èçìåíèâøåéñÿ ïîëÿðíîñòè ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ ìàãíèòîïðîâîä TS íàõîäèòñÿ â íàñûùåííîì ñîñòîÿíèè (ðèñ. 12.30,ä), è ðàáî÷àÿ òî÷êà ïîä äåéñòâèåì ðàáî÷åãî ïîëóïåðèîäà Ð ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ e(t) ïåðåìåùàåòñÿ ïî ãîðèçîíòàëüíîìó ó÷àñòêó èäåàëüíîé ïåòëè ãèñòåðåçèñà B(H) èç òî÷êè 2 â òî÷êó 3. Ïðè óêàçàííûõ óñëîâèÿõ îòñóòñòâóåò èçìåíåíèå èíäóêöèè â ìàãíèòîïðîâîäå ÌÊ. Ýòî ñîîòâåòñòâóåò çàìêíóòîìó ñîñòîÿíèþ ÌÊ. Âåíòèëü VD1 òàêæå ïðåäñòàâëÿåò çàìêíóòûé êëþ÷, òàê êàê îí îòêðûò ïîä äåéñòâèåì ïðèëîæåííîé ïîëîæèòåëüíîé ïîëóâîëíû ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ. Âñå íàïðÿæåíèå ñåòè ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ ïðèêëàäûâàåòñÿ ê ñîïðîòèâëåíèþ íàãðóçêè
η=
Rí Rð
=
Rí , (Rí + rä)
ãäå η – êîýôôèöèåíò, ó÷èòûâàþùèé íå ïîëíóþ ïåðåäà÷ó íàïðÿæåíèÿ îò èñòî÷íèêà ê ñîïðîòèâëåíèþ íàãðóçêè; kñõ – êîýôôèöèåíò ñõåìû (äëÿ îäíîïîëóïåðèîäíûõ ñõåì kñõ = 0,5; äëÿ äâóõïîëóïåðèîäíûõ – kñõ = 1); Rð = Rí + räîï – ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå ðàáî÷åé öåïè; rä = RN +Rïð + R – ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå ðàáî÷åé öåïè çà âû÷åòîì ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè, ãäå, â ñâîþ î÷åðåäü, RN, Rïð, R – ñîîòâåòñòâåííî ñîïðîòèâëåíèå ðàáî÷åé îáìîòêè, ñîïðîòèâëåíèå ñîåäèíèòåëüíûõ ïðîâîäîâ, ñîïðîòèâëåíèå âåíòèëåé â ðàáî÷åé öåïè. Ïî îêîí÷àíèè ðàáî÷åãî ïîëóïåðèîäà, ê ìîìåíòó ïåðåõîäà ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ ÷åðåç íóëü, ðàáî÷àÿ òî÷êà â êîîðäèíàòàõ B(H) – ñì. ðèñ. 12.30,ä – âîçâðàùàåòñÿ â òî÷êó 2.  ñëåäóþùèé, óïðàâëÿþùèé ïîëóïåðèîä, åñëè ñîïðîòèâëåíèå Róý óïðàâëÿþùåãî ýëåìåíòà ïðèíÿòü áåñêîíå÷íûì, à òîê Ió = 0, òî èíäóêöèÿ â ìàãíèòîïðîâîäå ÌÊ íå èçìåíèòñÿ, ðàáî÷àÿ òî÷êà îñòàíåòñÿ â ïîëîæåíèè 2. È õîòÿ TS îñòàåòñÿ â íàñûùåííîì ñîñòîÿíèè (ÌÊ çàìêíóò), òîê â ðàáî÷åé öåïè ïðîòåêàòü íå ìîæåò, òàê êàê âåíòèëü VD1 îêàçûâàåòñÿ çàïåðòûì îòðèöàòåëüíûì íàïðÿæåíèåì ñåòè.  òîêå íàãðóçêå íàáëþäàåòñÿ ïàóçà äëèòåëüíîñòüþ ïîëïåðèîäà , îò T äî 3T (ñì. ðèñ. 12.30,å). Ñ íà÷àëîì 2
íîâîãî ðàáî÷åãî ïîëóïåðèîäà, â èíòåðâàëå îò
3T 2
äî
2T, ðàáî÷àÿ òî÷êà â êîîðäèíàòàõ B(H) âíîâü ïåðåìåùàåòñÿ èç ïîëîæåíèÿ 2 â ïîëîæåíèå 3, âåíòèëü VD1 îòêðûò, è îïÿòü ïî öåïè íàãðóçêè ïðîòåêàåò òîê Ií =
Uí Rí
=
E . (Rí + rä)
 äàëüíåéøåì, åñëè öåïü óïðàâëåíèÿ ðàçîìêíóòà, Ió = 0 (ñì. ðèñ. 12.30,ã), òî âñå ïðîöåññû áóäóò ïîâòîðÿòüñÿ. Íà ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè áóäåò íàáëþäàòüñÿ íàèáîëüøåå âîçìîæíîå ñðåäíåå íàïðÿæåíèå, íàñòóïèò ðåæèì ìàêñèìàëüíîé îòäà÷è (ìàêñèìàëüíîé ìîùíîñòè è òîêà â íàãðóçêå). Åñëè çà ñ÷åò ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ îáåñïå÷èòü â óïðàâëÿþùèé ïîëóïåðèîä ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ ïðîòåêàíèå íåêîòîðîãî òîêà Ió ≠ 0 ïî êîíòóðó èñòî÷íèê – Róý-VD2-TS, òî èìåííî â ýòîò ïîëóïåðèîä áóäåò ïðîèñõîäèòü íåêîòîðîå ðàçìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòîïðîâîäà, ïðîïîðöèîíàëüíîå òîêó óïðàâëåíèÿ. Òîãäà â óïðàâëÿþùèé ïîëóïåðèîä èíäóêöèÿ â ìàãíèòîïðîâîäå ÌÊ ñíèçèòñÿ íà íåêîòîðîå çíà÷åíèå Âó, è ðàáî÷àÿ òî÷êà èç ïîëîæåíèÿ 2 ñ èíäóêöèåé +ÂS ïåðåìåñòèòñÿ â òî÷êó 4 (ñì. ðèñ. 335
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
Ðèñ. 12.30. Äèàãðàììû ñîñòîÿíèÿ ìàãíèòíîãî êëþ÷à
ãäå ∆B (Hó) – èçìåíåíèå èíäóêöèè îò ïðèëîæåííîé íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ óïðàâëåíèÿ. Çíà÷åíèå ∆B (Hó) âûáèðàåòñÿ ïî ñîîòâåòñòâóþùèì äèíàìè÷åñêèì êðèâûì ðàçìàãíè÷èâàíèÿ, ñíÿòûì äëÿ ðàçëè÷íûõ ìàòåðèàëîâ, íà ðàçíûõ ÷àñòîòàõ ïðè íåèçìåííîé òîëùèíå ëåíòû, èç êîòîðîé íàâèò ìàãíèòîïðîâîä ÌÓÑ [99, 100]. ×åì ñèëüíåå ðàçìàãíè÷èâàþùåå äåéñòâèå òîêà Ió óïðàâëåíèÿ, ÷åì áîëüøå ðàçìàãíè÷èâàþùàÿ èíäóêöèÿ Âó, òåì áëèæå ê òî÷êå 2 íàõîäèòñÿ òî÷êà 6. ×åì äàëüøå îíà îòñòîèò îò òî÷êè 3, òåì ìåíüøå âðåìåíè ïðîòåêàåò òîê íàãðóçêè, òåì ìåíüøå ñðåäíåå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uí.  èòîãå, ïðè îïðåäåëåííîì çíà÷åíèè òîêà óïðàâëåíèÿ Ió, ðàâíîì òîêó
12.30,ç). Âñëåäñòâèå ýòîãî â î÷åðåäíîé ðàáî÷èé ïîëóïåðèîä ïîä äåéñòâèåì èçìåíèâøåéñÿ ïîëÿðíîñòè ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ ðàáî÷àÿ òî÷êà íà÷íåò ïåðåìåùàòüñÿ ïî ïåòëå ãèñòåðåçèñà èç ïîëîæåíèÿ 4 â òî÷êó 6. Íà íà÷àëüíîì ó÷àñòêå óêàçàííîãî ïåðåìåùåíèÿ ðàáî÷àÿ òî÷êà äâèãàåòñÿ ââåðõ äî ïîëîæåíèÿ 5 (ñì. ðèñ. 12.30,ç). Íà ýòîì ó÷àñòêå ïåòëè ãèñòåðåçèñà äèíàìè÷åñêàÿ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü µä → ∞, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò ðàçîìêíóòîìó ñîñòîÿíèþ ÌÊ (ñì. ðèñ. 12.24). Òîê ïî ðàáî÷åé öåïè, äàæå â ðàáî÷èé ïîëóïåðèîä, â òå÷åíèå êàêîãî-òî èíòåðâàëà âðåìåíè ïðîòåêàòü íå ìîæåò. Ñïóñòÿ íåêîòîðîå âðåìÿ tS íàñûùåíèÿ, êàê òîëüêî ðàáî÷àÿ òî÷êà äîñòèãíåò ïîëîæåíèÿ 5, ïðîèçîéäåò íàñûùåíèå TS è îí áóäåò ïðåäñòàâëÿòü çàìêíóòûé êëþ÷. Òîò÷àñ ÷åðåç íåãî ïîòå÷åò òîê íàãðóçêè, êîòîðûé áóäåò ïðîòåêàòü â òå÷åíèå îñòàâøåéñÿ ÷àñòè ðàáî÷åãî èíòåðâàëà, â òå÷åíèå ðàáî÷åãî âðåìåíè tð = T − tç. Çäåñü tç – âðåìÿ çàäåðæêè, ðàâíîå âðåìå-
IS =
2
E − 2NS ∆B (Hó)
T
íàñûùåíèÿ ÌÊ, íàñòóïàåò ðåæèì, ïðè êî-
òîðîì âðåìÿ çàäåðæêè ñîñòàâëÿåò ïîëïåðèîäà ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ. Ýòî çíà÷èò, ÷òî ðàáî÷àÿ òî÷êà â óïðàâëÿþùèé ïîëóïåðèîä áóäåò ïåðåìåùàòüñÿ ïî ïåòëå ãèñòåðåçèñà (ñì. ðèñ. 12.30,ç) èç ïîëîæåíèÿ 2 â ïîëîæåíèå 1, à â ðàáî÷èé ïîëóïåðèîä – èç ïîëîæåíèÿ 1 â ïîëîæåíèå 2, íèêîãäà íå çàõîäÿ íà ãîðèçîíòàëüíûå ó÷àñòêè ïåòëè ãèñòåðåçèñà, ò. å. ÌÊ âñåãäà áóäåò ðàçîìêíóò, íàñòóïèò ðåæèì ìèíèìàëüíîé îòäà÷è èëè õîëîñòîãî õîäà. Õàðàêòåðèñòèêà, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ýòîìó ðåæèìó, ïîêàçàíà íà ðèñ. 12.30,ê. Ïðè ëþáûõ èíûõ òîêàõ óïðàâëåíèÿ
íè íàñûùåíèÿ tS. Âðåìÿ ïðîòåêàíèÿ ðàáî÷åãî òîêà ñîîòâåòñòâóåò íà äèàãðàììàõ (ñì. ðèñ. 12.30,ç è ðèñ. 12.30,è) ó÷àñòêàì ìåæäó òî÷êàìè 5 è 6. Òî÷êà 6 íà ðèñ. 12.30,ç íàõîäèòñÿ ëåâåå òî÷êè 3. Ñðåäíåå âûõîäíîå íàïðÿæåíèå Uí ðàáî÷åãî ðåæèìà ðàâíî Uí = η kñõ
ES Rí
,
336
§ 12.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå óïðàâëÿåìûå êîìïîíåíòû
Ðèñ. 12.31. Õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëåíèÿ ìàãíèòíîãî óñèëèòåëÿ ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì: a – èñõîäíàÿ; á – ñî ñìåùåíèåì; â – ñ îáðàòíîé ñâÿçüþ
Ió = iVD2 = iVD1, ïðè÷åì iVD1 = Ií < IS, áóäåò ñîõðàíÿòüñÿ ðåæèì ìèíèìàëüíîé îòäà÷è, õîòÿ ðàáî÷àÿ òî÷êà â ýòîì ñëó÷àå â êîîðäèíàòàõ B(H) áóäåò ñîâåðøàòü ïåðèîäè÷åñêèå êîëåáàíèÿ ïî âåðòèêàëüíîé ÷àñòè ïåòëè ãèñòåðåçèñà ñ ìåíüøåé àìïëèòóäîé. Ðàáîòà äâóõïîëóïåðèîäíûõ ÌÊ (ðèñ. 12.27,ã è ðèñ. 12.28) íè÷åì íå îòëè÷àåòñÿ îò ðàññìîòðåííîãî îäíîïîëóïåðèîäíîãî êëþ÷à, ñ òîé ëèøü îãîâîðêîé, ÷òî ðàáî÷èé ïîëóïåðèîä äëÿ TS1 ÿâëÿåòñÿ óïðàâëÿþùèì äëÿ TS2, è íàîáîðîò.  èòîãå ñðåäíèå çíà÷åíèÿ íàïðÿæåíèÿ è òîêà íàãðóçêè âîçðàñòàþò â 2 ðàçà, à îòäàâàåìàÿ â íàãðóçêó ìîùíîñòü – â 4 ðàçà. Òàêèì îáðàçîì, äâóõïîëóïåðèîäíûå êëþ÷è â 2 ðàçà áîëåå ýôôåêòèâíû ïî ñðàâíåíèþ ñ îäíîïîëóïåðèîäíûìè. Ìíîãîîáìîòî÷íûå ÌÓÑ ðàáîòàþò íà òîì æå ïðèíöèïå, ÷òî è îäíîîáìîòî÷íûå, íî ó íèõ ðàçíåñåíû âñå îáìîòêè. Ïîýòîìó ïðè àíàëèçå è ðàñ÷åòå íåîáõîäèìî êîíêðåòèçèðîâàòü, î êàêîé ãîâîðèòñÿ îáìîòêå, è òî÷íî óêàçûâàòü åå ÷èñëî âèòêîâ. Õàðàêòåðèñòèêà óïðàâëåíèÿ ÌÓÑ. Îíà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàâèñèìîñòü êàêîãî-ëèáî âûõîäíîãî ïàðàìåòðà (ñðåäíåãî çà ïåðèîä âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Up; ñðåäíåãî çà ïåðèîä íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå
Uí èëè ñðåäíåãî òîêà íàãðóçêè Ií) îò âõîäíîãî ïàðàìåòðà – òîêà óïðàâëåíèÿ Ió. Õàðàêòåðèñòèêà èìååò âèä, ïðåäñòàâëåííûé íà ðèñ. 12.31,a (ñïëîøíàÿ ëèíèÿ – ðåàëüíàÿ; øòðèõîâàÿ äëÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ ñ ïðÿìîóãîëüíîé ïåòëåé ãèñòåðåçèñà).  ÌÓÑ ïðè òîêå óïðàâëåíèÿ Ió = 0 íàáëþäàåòñÿ ïðàêòè÷åñêè ðåæèì ìàêñèìàëüíîé îòäà÷è. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî çà ñ÷åò ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà ðàáî÷åé öåïè ìàãíèòîïðîâîä äîñòèãàåò íàñûùåíèÿ. Ïîñëåäíåå îñîáåííî ñïðàâåäëèâî äëÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ ñ ïðÿìîóãîëüíîé äèíàìè÷åñêîé ïåòëåé ãèñòåðåçèñà. Ïîýòîìó ïîäà÷à â îáìîòêó óïðàâëåíèÿ ïîëîæèòåëüíîãî ñèãíàëà, äåéñòâèå êîòîðîãî íàïðàâëåíî íà ïîäìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòîïðîâîäà, íå ìîæåò ñóùåñòâåííî ñêàçàòüñÿ íà èçìåíåíèè ìàãíèòíîãî ñîñòîÿíèÿ ìàãíèòîïðîâîäà è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå (ó÷àñòîê õàðàêòåðèñòèêè, ëåæàùåé ïðàâåå òî÷êè 1 íà ðèñ. 12.31,à; ñîîòâåòñòâóþùèå òî÷êè ðåàëüíîé è èäåàëüíîé õàðàêòåðèñòèê óïðàâëåíèÿ îáîçíà÷åíû îäèíàêîâûìè öèôðàìè). Ïðè ïîäà÷å îòðèöàòåëüíîãî ñèãíàëà â îáìîòêó óïðàâëåíèÿ ïðîèñõîäèò ðàçìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòîïðîâîäà â îòðèöàòåëüíûé (óïðàâëÿþùèé) ïîëóïåðèîä ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ; íàáëþäàåòñÿ èçìå337
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
êðàéíå ðåäêî. Îáû÷íî ðàáîòà ÌÓÑ ïðîèñõîäèò ìåæäó òî÷êàìè 1 è 3. Òî÷êà 3 ñîîòâåòñòâóåò ðåæèìó õîëîñòîãî õîäà. Õàðàêòåðèñòèêà óïðàâëåíèÿ ìîæåò áûòü îïèñàíà ìàòåìàòè÷åñêè ñëåäóþùèì ñîîòíîøåíèåì [99, 100]
íåíèå ìàãíèòíîãî ñîñòîÿíèÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ è íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå. Äî òî÷êè 2 ýòî èçìåíåíèå ïðàêòè÷åñêè íå îùóùàåòñÿ. Ñâÿçàíî ýòî ñ òåì, ÷òî ó÷àñòîê ìåæäó òî÷êàìè 1 è 2 ñîîòâåòñòâóåò ïëàâíîèçìåíÿþùåéñÿ ÷àñòè äèíàìè÷åñêîé ïåòëè ãèñòåðåçèñà. (Äëÿ èäåàëüíîé õàðàêòåðèñòèêè ó÷àñòîê 1–2 – ãîðèçîíòàëåí). Ïîñëå òî÷êè 2 ïðîèñõîäèò ðåçêîå èçìåíåíèå Uí(Ió) äî òî÷êè 3.  òî÷êå 3 ïîä äåéñòâèåì ñèãíàëà óïðàâëåíèÿ ìàãíèòîïðîâîä äîñòèãàåò ïðîòèâîïîëîæíîãî ðåæèìà íàñûùåíèÿ. Åñëè â òî÷êå 1 èíäóêöèþ ìîæíî ñ÷èòàòü ðàâíîé +BS, òî â òî÷êå 3 îíà äîñòèãàåò çíà÷åíèÿ −BS. Äëÿ èäåàëüíîé êðèâîé äàëüíåéøåå àáñîëþòíîå óâåëè÷åíèå òîêà óïðàâëåíèÿ íå ìîæåò ïðèâåñòè ê èçìåíåíèþ âûõîäíîãî ñèãíàëà.  ðåàëüíûõ îáðàçöàõ ëåâåå òî÷êè 3 íàáëþäàåòñÿ íåêîòîðîå âîçðàñòàíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Uí. Íà ó÷àñòêå ëåâåå òî÷êè 3 ÌÓÑ ðàáîòàåò ïîäîáíî ÄÌÓ, â ðåæèìå èñòî÷íèêà òîêà. Ýòîò ðåæèì ìàëîýôôåêòèâåí è èñïîëüçóåòñÿ
Uí = η[E − 2fNpS∆B(Hó)] , ãäå Uí – ñðåäíåå çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå; E – ñðåäíåå çíà÷åíèå ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ (ÝÄÑ); f – ÷àñòîòà ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ; Nð – ÷èñëî âèòêîâ ðàáî÷åé îáìîòêè; ∆B (Hó) – èçìåíåíèå èíäóêöèè îò ïðèëîæåííîé íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ óïðàâëåíèÿ. Çíà÷åíèå ∆B (Hó) âûáèðàåòñÿ ïî ñîîòâåòñòâóþùèì äèíàìè÷åñêèì êðèâûì ðàçìàãíè÷èâàíèÿ, ñíÿòûì äëÿ ðàçëè÷íûõ ìàòåðèàëîâ, íà ðàçíûõ ÷àñòîòàõ ïðè íåèçìåííîé òîëùèíå ëåíòû, èç êîòîðîé íàâèò ìàãíèòîïðîâîä ÌÓÑ [42, 45, 99, 100, 105]. Îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ÌÓÑ òàêèå æå, ÷òî è ÄÌÓ.
12.3.5. ÑÌÅÙÅÍÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊ ÓÏÐÀÂËÅÍÈß, ÈÇÌÅÍÅÍÈÅ ÈÕ ÊÐÓÒÈÇÍÛ, ÏÎËÓ×ÅÍÈÅ ÐÅËÅÉÍÎÃÎ ÐÅÆÈÌÀ ÌÀÃÍÈÒÍÎÃÎ ÓÑÈËÈÒÅËß
ðÿò, ÷òî îáðàòíàÿ ñâÿçü ñëàáàÿ (êîýôôèöèåíò îáðàòíîé ñâÿçè kîñ < 1); åñëè èìååòñÿ òàêîé ó÷àñòîê, – êðèòè÷åñêàÿ (kîñ = 1). Ïðè äàëüíåéøåì óâåëè÷åíèè êîýôôèöèåíòà îáðàòíîé (kîñ > 1) íàñòóïàåò ñèëüíàÿ èëè çàêðèòè÷åñêàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü.  ýòîì ñëó÷àå íà ðåçóëüòèðóþùåé õàðàêòåðèñòèêå ïîÿâëÿåòñÿ ó÷àñòîê, èìåþùèé îòðèöàòåëüíûé íàêëîí ïî îòíîøåíèþ ê èñõîäíîìó ïîëîæåíèþ õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëåíèÿ. Ó÷àñòîê ñ îòðèöàòåëüíûì íàêëîíîì ñîîòâåòñòâóåò íåóñòîé÷èâîìó ðåæèìó ðàáîòû óñèëèòåëÿ. Ìàãíèòíûé óñèëèòåëü ïåðåõîäèò â ðåëåéíûé ðåæèì ðàáîòû. Ïðè èñïîëüçîâàíèè îáìîòîê ñìåùåíèÿ è îáðàòíîé ñâÿçè õàðàêòåðèñòèêà áóäåò ìåíÿòü ñâîå ïîëîæåíèå è ñâîþ êîíôèãóðàöèþ (ðèñ. 12.26,ä). Îòíîøåíèå òîêà Ió îòï óïðàâëåíèÿ îòïóñêàíèÿ, ïðè êîòîðîì âûõîäíîé ïàðàìåòð (Ií èëè Uí) ðåçêî ïàäàåò, ê òîêó Ió ñð óïðàâëåíèÿ ñðàáàòûâàíèÿ, ïðè êîòîðîì âûõîäíîé ïàðàìåòð ðåçêî âîçðàñòàåò (ðèñ. 12.26,ä), ïîêàçûâàåò êîýôôèöèåíò âîçâðàòà kâ áåñêîíòàêòíîãî ðåëå íà ìàãíèòíûõ óñèëèòåëÿõ.  îòëè÷èå îò ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, ó êîòîðûõ êîýôôèöèåíò âîçâðàòà kâ < 1, ó áåñêîíòàêòíûõ ðåëå îí ìîæåò áûòü è áîëåå 1.
Ïðèâåäåííûå âûøå õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëåíèÿ ÄÌÓ è ÌÓÑ (ðèñ. 12.26,à è ðèñ 12.31,à) ñîîòâåòñòâîâàëè ñëó÷àþ, êîãäà ìàãíèòíûå óñèëèòåëè èìåëè ëèøü îäíó îáìîòêó óïðàâëåíèÿ. Ïðè îäíîâðåìåííîì âêëþ÷åíèè íåñêîëüêèõ îáìîòîê óïðàâëåíèÿ ðåçóëüòèðóþùåå âîçäåéñòâèå ìîæåò ïðîÿâëÿòüñÿ ïî-ðàçíîìó. Åñëè èñïîëüçîâàòü òîëüêî îáìîòêè óïðàâëåíèÿ è ñìåùåíèÿ, òî â çàâèñèìîñòè îò íàïðàâëåíèÿ ÌÄÑ, ñîçäàííûõ ýòèìè îáìîòêàìè, õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëåíèÿ áóäóò ñìåùàòüñÿ âëåâî èëè âïðàâî, íå ìåíÿÿ ñâîåé ôîðìû (ñì. ðèñ. 12.26,á è 12.31,á). Åñëè æå èñïîëüçîâàòü óïðàâëÿþùóþ îáìîòêó è îáìîòêó îáðàòíîé ñâÿçè, òîê â êîòîðîé ïðîïîðöèîíàëåí òîêó Ií èëè íàïðÿæåíèþ Uí íàãðóçêè, òî õàðàêòåðèñòèêà óïðàâëåíèÿ íå èçìåíèò ñâîåãî ïåðâîíà÷àëüíîãî ïîëîæåíèÿ, íî ïðåòåðïèò èçìåíåíèå ñâîåé ôîðìû, ïðè÷åì, åñëè êðóòèçíà ∆Ií(∆Ió) èëè ∆Uí(∆Ió) õàðàêòåðèñòèêè óïðàâëåíèÿ âîçðàñòàåò, òî ãîâîðÿò, ÷òî äåéñòâóåò ïîëîæèòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü, à åñëè ïàäàåò – îòðèöàòåëüíàÿ (ðèñ. 12.26,â è ðèñ. 12.26,ã – äëÿ ÄÌÓ, à íà ðèñ. 12.31,â – äëÿ ÌÓÑ). ×àùå âñåãî èñïîëüçóþòñÿ ïîëîæèòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü. Åñëè ïðè ýòîì ðåçóëüòèðóþùàÿ õàðàêòåðèñòèêà íå èìååò âåðòèêàëüíîãî ó÷àñòêà, òî ãîâî-
12.3.6. ÔÅÐÐÎÐÅÇÎÍÀÍÑÍÛÅ ÑÒÀÁÈËÈÇÀÒÎÐÛ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß È ÒÎÊÀ
Äðîññåëè íàñûùåíèÿ áåç ïîäìàãíè÷èâàíèÿ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ â òåõíèêå â êà÷åñòâå îñíîâíûõ
ýëåìåíòîâ ñòàáèëèçàòîðîâ íàïðÿæåíèÿ è òîêà [42, 45, 99, 100, 105]. 338
§ 12.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå óïðàâëÿåìûå êîìïîíåíòû
Ðèñ. 12.32. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà (à) è êîíñòðóêòèâíûå èñïîëíåíèÿ ôåððîðåçîíàíñíûõ ñòàáèëèçàòîðîâ (á-æ)
Íà ðèñ. 12.32 è ðèñ. 12.33,à ïîêàçàíû îñíîâíûå ñõåìû ïîäîáíûõ óñòðîéñòâ, à íà ðèñ. 12.32,á–æ – èõ êîíñòðóêòèâíûå èñïîëíåíèÿ. Ñòàáèëèçàòîð íàïðÿæåíèÿ ñîñòîèò èç íåëèíåéíîãî äðîññåëÿ íàñûùåíèÿ XL è áàëëàñòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ Zá. Ýòî ñîïðîòèâëåíèå îãðàíè÷èâàåò òîê èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ ïðè íàñûùåíèè äðîññåëÿ, çàùèùàåò öåïü èñòî÷íèêà îò êîðîòêèõ çàìûêàíèé è ñëóæèò äëÿ ïîãëîùåíèÿ èçáûòî÷íîãî (ñâåðõ ñòàáèëèçèðóåìîãî íàïðÿæåíèÿ íàãðóçêè) íàïðÿæåíèÿ ñåòè. Ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè ïîäêëþ÷àåòñÿ ïàðàëëåëüíî äðîññåëþ íàñûùåíèÿ XL. Ïîýòîìó, åñëè íàïðÿæåíèå íà äðîññåëå áóäåò íåèçìåííûì, òî áóäåò ïîñòîÿííûì è íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå. Ïðè öèêëè÷åñêîì èçìåíåíèè âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ e äðîññåëü XL ñ ÷èñëîì âèòêîâ NL (ðèñ. 12.33,à) áóäåò ïåðèîäè÷åñêè ïåðåìàãíè÷èâàòüñÿ è çàõîäèòü â íàñûùåíèå. Ïðè e = e1 äðîññåëü XL äîñòèãàåò íàñûùåííîãî ñîñòîÿíèÿ â ìîìåíò âðåìåíè ts1 (ñì. ðèñ. 12.33,á). Äî ýòîãî ìîìåíòà âñå 339
íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà ïàäàåò ïðàêòè÷åñêè ïîëíîñòüþ íà äðîññåëå è ñîîòâåòñòâåííî íà ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè Rí. Ôîðìà íàïðÿæåíèÿ íà íàãðóçêå ïîâòîðÿåò ôîðìó ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ (çàøòðèõîâàííàÿ ÷àñòü). Ïîñëå ts1 ïðîèñõîäèò íàñûùåíèå äðîññåëÿ. Åãî ñîïðîòèâëåíèå ïàäàåò ïðàêòè÷åñêè äî íóëÿ, è âñå íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ îêàçûâàåòñÿ ïðèëîæåííûì ê áàëëàñòíîìó ñîïðîòèâëåíèþ Zá. Åñëè íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà óâåëè÷èòñÿ è äîñòèãíåò çíà÷åíèÿ e2 > e1, òî âðåìÿ íàñûùåíèÿ ñîêðàòèòñÿ è ñòàíåò ðàâíûì ts2 < ts1. Ôîðìà ïðèëîæåííîãî ê íàãðóçêå íàïðÿæåíèÿ íåñêîëüêî èñêàçèòñÿ, íî ïðè ýòîì ñðåäíåå çà ïîëïåðèîäà çíà÷åíèå íàïðÿæåíèÿ íà äðîññåëå XL è ñîïðîòèâëåíèè Rí îñòàåòñÿ íåèçìåííûì (ñì. çàøòðèõîâàííóþ ÷àñòü íà ðèñóíêå) è ðàâíÿåòñÿ Uí = 4fNSBs, ãäå f – ÷àñòîòà ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ; N – ÷èñëî âèòêîâ îáìîòêè äðîññåëÿ; S – ïëîùàäü åãî ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ; Bs – èíäóêöèÿ íàñûùåíèÿ ìàòåðèàëà ìàãíèòîïðîâîäà. Íåîáõîäèìî ñïåöèàëüíî îòìåòèòü, ÷òî ïðè êîëåáàíèÿõ âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ e äåéñòâóþùåå íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå íå îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì. Ýòî æå áóäåò íàáëþäàòüñÿ è ïðè êîëåáàíèÿõ ÷àñòîòû f ïèòàþùåãî íàïðÿæåíèÿ. Íåèçìåííûì îñòàåòñÿ ëèøü ñðåäíåå íàïðÿæåíèå íà íàãðóçêå. Ïîòðåáèòåëü Zí ìîæåò âêëþ÷àòüñÿ íåïîñðåäñòâåííî â ñõåìó (ñì. ðèñ. 12.32,à è ðèñ. 12.33,a) èëè ÷åðåç ðàçäåëÿþùèé òðàíñôîðìàòîð (ðèñ. 12.32,á è ðèñ. 12.33,â), êîòîðûé îäíîâðåìåííî èãðàåò ðîëü íåëèíåéíîãî äðîññåëÿ XL. Íàëè÷èå äâóõ ýëåêòðè÷åñêè èçîëèðîâàííûõ îáìîòîê N1 è N2 äðîññåëÿ îáåñïå÷èâàåò ïîëíóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ðàçâÿçêó âõîäíîé öåïè è öåïè íàãðóçêè, ïîçâîëÿåò èìåòü ëþáîå íàïðÿæåíèå íà âûõîäå. Ïîòðåáèòåëè ìîãóò ðàáîòàòü íå òîëüêî íà ïåðåìåííîì, íî è íà ïîñòîÿííîì òîêå (ñì. ðèñ. 12.33,ã). Áàëëàñòíûì ñîïðîòèâëåíèåì ìîãóò áûòü êàê àêòèâíûå Rá, òàê è ðåàêòèâíûå ýëåìåíòû (ëèíåéíûé äðîññåëü Xë èëè êîíäåíñàòîð C ñ ñîïðîòèâëåíèåì XC), êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 12.32,á è ðèñ. 12.32,e. Äëÿ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ñõåìû (ðèñ. 12.32,â, ðèñ. 12.33,ä è äð.), óâåëè÷åíèÿ cosϕ, ðàñøèðåíèÿ åå ôóíêöèîíàëüíûõ âîçìîæíîñòåé ïàðàëëåëüíî äðîññåëþ íàñûùåíèÿ, ïîäêëþ÷àåòñÿ êîíäåíñàòîð C. Íàëè÷èå â ñõåìàõ èíäóêòèâíûõ è åìêîñòíûõ ýëåìåíòîâ ìîæåò ïðèâåñòè ê âîçíèêíîâåíèþ ôåððîðåçîíàíñà â ýòèõ ñõåìàõ. Ñòàáèëèçàòîðû, ó êîòîðûõ ðàñêà÷êà ôåððîðåçîíàíñíûõ êîëåáàíèé ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò òîêîâ ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ â çàìêíóòîì ïàðàëëåëüíîì êîíòóðå XL − XC, ìèíóÿ èñòî÷íèê ïèòàíèÿ (ðèñ. 12.32,ä), íàçûâàþò ôåððîðåçîíàíñíûì ñòàáèëèçàòîðàì íàïðÿ-
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
Ðèñ. 12.33. Ê ïîÿñíåíèþ ïðèíöèïà äåéñòâèÿ ñòàáèëèçàòîðà íàïðÿæåíèÿ: a – óïðîùåííàÿ ñõåìà; á – äèàãðàììà íàïðÿæåíèé; â – ñõåìà ñ òðàíñôîðìàòîðíîé ñâÿçüþ; ã – ñõåìà ñ íàãðóçêîé íà ïîñòîÿííîì òîêå; ä – ñõåìà ñ ôåððîðåçîíàíñîì òîêîâ; e – ñõåìà ñ ôåððîðåçîíàíñîì íàïðÿæåíèé; æ – ïîëíàÿ ñõåìà ôåððîðåçîíàíñíîãî íàïðÿæåíèÿ
æåíèÿ ñ ôåððîðåçîíàíñîì òîêîâ. Ñòàáèëèçàòîðû, ó êîòîðûõ ðàñêà÷êà ôåððîðåçîíàíñíûõ êîëåáàíèé âîçíèêàåò çà ñ÷åò òîêîâ ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ, çàìûêàþùèõñÿ ÷åðåç èñòî÷íèê ïèòàíèÿ è ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèíåííûå XL è XC (ñì. ðèñ. 12.33,å), íàçûâàþò ôåððîðåçîíàíñíûìè ñòàáèëèçàòîðàìè íàïðÿæåíèÿ ñ ôåððîðåçîíàíñîì íàïðÿæåíèé.
ñõåìà îáû÷íî íàçûâàåòñÿ ñõåìîé Áóøåðî. Äëÿ íåå õàðàêòåðíî [42, 45]: Ií =
Uâûõ Rí
=
E Xë
.
 ðåàëüíûõ ñõåìàõ ôåððîðåçîíàíñíûõ ñòàáèëèçàòîðîâ äëÿ ïîâûøåíèÿ òî÷íîñòè âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ íà ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè èñïîëüçóþòñÿ âîëüòîäîáàâî÷íûå óñòðîéñòâà, íàïðèìåð, êîìïåíñèðóþùèé òðàíñôîðìàòîð Tê ñ îáìîòêàìè Nê1 è Nê2 [42]. Íàïðÿæåíèå íà îáìîòêó Nê1 ïîäàåòñÿ ñî âõîäà (èëè âòîðè÷íîé îáìîòêè âõîäíîãî òðàíñôîðìàòîðà T, êàê ïîêàçàíî íà ðèñ. 12.33,æ), èëè îò ëèíåéíîãî äðîññåëÿ Xë. Âûõîäíîå íàïðÿæåíèå îáìîòêè êîìïåíñèðóþùåãî òðàíñôîðìàòîðà Tê äîáàâëÿåòñÿ ê íàïðÿæåíèþ íàñûùàþùåãîñÿ äðîññåëÿ XL. Äëÿ îáëåã÷åíèÿ çàïóñêà ñõåìû, äàæå ïðè íàïðÿæåíèè, ìåíüøåì Es, â ðåàëüíûõ ñõåìàõ (ðèñ.
Ïðè ìàëîì âõîäíîì íàïðÿæåíèè (E < Es), êîãäà ñîïðîòèâëåíèå äðîññåëÿ íàñûùåíèÿ XL ìîæíî ñ÷èòàòü ðàâíûì áåñêîíå÷íîñòè (ñì. ðèñ. 12.33,ä), åãî ìûñëåííî óäàëÿþò èç ñõåìû. Ñõåìû íà ðèñ. 12.33,ä è 12.33,å ñòàíîâÿòñÿ ýêâèâàëåíòíûìè. Åñëè â ñõåìå íà ðèñ. 12.33,ä ïðèíÿòü, ÷òî Xë = Xc è E = const, òî òîê Ií â öåïè íàãðóçêè íå áóäåò çàâèñåòü îò ñîïðîòèâëåíèÿ Rí íàãðóçêè, Ií = const, è ñõåìà áóäåò âûïîëíÿòü ôóíêöèè ñòàáèëèçàòîðà òîêà. Òàêàÿ 340
§ 12.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå óïðàâëÿåìûå êîìïîíåíòû
íåííûé, íàïðèìåð, ïî îäíîîáìîòî÷íîé ñõåìå [42, 45, 99, 100]. Òàêàÿ âîçìîæíîñòü ïîÿâëÿåòñÿ, åñëè ðåãóëÿòîð âûïîëíåí íà îñíîâå âûïðÿìèòåëÿ èëè ñîäåðæèò çâåíî ïåðåìåííîãî òîêà, íàïðèìåð, ïðîìåæóòî÷íûé èíâåðòîð. Åñëè íà âõîäå íåóïðàâëÿåìîãî âûïðÿìèòåëÿ, âûïîëíåííîãî íà îñíîâå äèîäîâ, âêëþ÷èòü ìàãíèòíûé óñèëèòåëü è óïðàâëÿòü ðåæèìîì åãî ðàáîòû, íàïðèìåð, çà ñ÷åò èçìåíåíèÿ óðîâíÿ åãî ïîäìàãíè÷èâàíèÿ ïîñòîÿííûì òîêîì [45], òî âîçìîæíî îñóùåñòâëÿòü ðåãóëèðîâàíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ âûïðÿìèòåëÿ.
12.33,æ) èñïîëüçóåòñÿ ðåëå Ð ñ ðàçìûêàþùèìèñÿ êîíòàêòàìè P. Ïðè âêëþ÷åíèè çà ñ÷åò øóíòèðîâàíèÿ Xë êîíòàêòàìè ðåëå Ð ê äðîññåëþ íàñûùåíèÿ XL ïîäàåòñÿ ïîâûøåííîå íàïðÿæåíèå. Îí áûñòðåå âõîäèò â ôåððîðåçîíàíñ è, ïîñëå ñðàáàòûâàíèÿ ðåëå, ñõåìà íàäåæíî ôóíêöèîíèðóåò, èñïîëüçóÿ â êà÷åñòâå áàëëàñòíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ëèíåéíûé äðîññåëü Xë.  êà÷åñòâå ñòàáèëèçàòîðîâ è ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà è íàïðÿæåíèÿ ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ óñòðîéñòâà, îñíîâíûì ýëåìåíòîì êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ äðîññåëü íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì, âûïîë-
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è ôîðìó; ïèòàþùåå íàïðÿæåíèå èìååò ïðÿìîóãîëüíóþ ôîðìó. 13. Íàéòè â óñëîâèÿõ çàäà÷è 11 ìàêñèìàëüíîå âõîäíîå íàïðÿæåíèå Emax, ïðè êîòîðîì íàïðÿæåíèå íà âûõîäå Uí = 50 B.
1. ×òî íàçûâàåòñÿ äðîññåëåì íàñûùåíèÿ? 2. ×òî íàçûâàåòñÿ äðîññåëåì íàñûùåíèÿ áåç ïîäìàãíè÷èâàíèÿ? 3. ×òî íàçûâàåòñÿ äðîññåëåì íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì? 4. ×òî íàçûâàåòñÿ äðîññåëåì íàñûùåíèÿ ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì? 5.  ÷åì îòëè÷èå ïðîñòåéøåãî äðîññåëÿ íàñûùåíèÿ áåç ïîäìàãíè÷èâàíèÿ îò äðîññåëÿ íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì? 6. ×òî òàêîå ìàãíèòíûé êëþ÷ ? 7.  ÷åì îòëè÷èå äðîññåëÿ íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì îò äðîññåëÿ íàñûùåíèÿ ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì? 8. Êàêîé ðåæèì ìàãíèòíûõ óñèëèòåëåé íàçûâàåòñÿ ðåëåéíûì ? Êàêîâû óñëîâèÿ åãî ïîëó÷åíèÿ? 9.  êàêèõ ìàãíèòíûõ óñèëèòåëÿõ (äðîññåëüíûõ èëè ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì) îáìîòêè óïðàâëåíèÿ èìåþò áîëüøåå ÷èñëî âèòêîâ è ïî÷åìó ? 10. Êàêàÿ õàðàêòåðèñòèêà íàçûâàåòñÿ õàðàêòåðèñòèêîé óïðàâëåíèÿ ìàãíèòíûõ óñèëèòåëåé? 11. B ñõåìå, ñîäåðæàùåé ìàãíèòíûé êëþ÷ TS (ðèñ. 12.34,a), òðåáóåòñÿ íàéòè ÷èñëî âèòêîâ N äðîññåëÿ, ïðè êîòîðîì äåéñòâóþùåå çíà÷åíèå âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ Uí áóäåò â äâà ðàçà ìåíüøå äåéñòâóþùåãî âõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ E. Âõîäíîå íàïðÿæåíèå e(t) èìååò òðåóãîëüíóþ ôîðìó (ðèñ. 12.34,ã), ó êîòîðîãî àìïëèòóäà Emax = 100 B, ïåðèîä T = 0,001 c. Êëþ÷ S â ñõåìå çàìêíóò, à êëþ÷ Só – ðàçîìêíóò. Ìàãíèòíûé êëþ÷ âûïîëíåí íà çàìêíóòîì òîðîèäàëüíîì ìàãíèòîïðîâîäå òèïà ÎË 10/16-4, ãåîìåòðè÷åñêàÿ ïëî2 ùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ Sã = 12 ìì (êîýôôèöèåíò çàïîëíåíèÿ ïî ñòàëè kc = 0,85), ìàòåðèàë ìàãíèòîïðîâîäà 50HÏ, åãî èíäóêöèÿ íàñûùåíèÿ ÂS = 1,35 Òë. [105]. 12. Ðåøèòü ïðåäûäóùóþ çàäà÷ó ïðè óñëîâèÿõ: ïèòàþùåå íàïðÿæåíèå èìååò ñèíóñîèäàëüíóþ
Ðèñ. 12.34. Ñõåìà ìàãíèòíîãî êëþ÷à (à) è ãðàôèêè, ïîÿñíÿþùèå åãî ðàáîòó (á–ã)
341
Ãë. 12. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà
ñõåìó òàêîãî óñòðîéñòâà, îïèøèòå åãî ðàáîòó, à åñëè íåò, òî ïî÷åìó. 19. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà âîçâðàòà áåñêîíòàêòíîãî ðåëå íà ìàãíèòíûõ óñèëèòåëÿõ êóäà ñëåäóåò ñìåùàòü õàðàêòåðèñòèêó óïðàâëåíèÿ (ñì. ðèñ. 12.26): âëåâî èëè âïðàâî? 20. Îïðåäåëèòå âðåìÿ ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ ìàãíèòíîãî êëþ÷à èç ñîñòîÿíèÿ íàñûùåíèÿ ïðè B = BS äî ñîñòîÿíèÿ B = 0 ïðè ñëåäóþùèõ óñëîâèÿõ: èíäóêöèÿ BS = 1,2 Òë; íàïðÿæåíèå ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ ïîñòîÿííî è ðàâíî 30 Â; ÷èñëî âèòêîâ ÌÊ 2 Nð = 1000, ñå÷åíèå ìàãíèòîïðîâîäà S = 1 ñì .
14. Ðåøèòü çàäà÷ó 11, åñëè êëþ÷ Só (ñì. ðèñ. 12.34,a) çàìêíóò è òîê Ió = 10 ìÀ; ÷èñëî âèòêîâ îáìîòêè óïðàâëåíèÿ Nó = 250 âèòêîâ. 15.  ïðåäûäóùåé çàäà÷å íàéòè òîê Ió, åñëè èçâåñòíî, ÷òî ∆Bó = 0,2 Të. 16.  ïðåäûäóùåé çàäà÷å íàéòè âðåìÿ íàñûùåíèÿ (ïåðåìàãíè÷èâàíèÿ) tS. 17. Êàêèì îáðàçîì ñ ïîìîùüþ äðîññåëÿ íàñûùåíèÿ ìîæíî ðåàëèçîâàòü ðåëå ÷àñòîòû? Ïðèâåäèòå ñõåìó òàêîãî óñòðîéñòâà, îïèøèòå åãî ðàáîòó. 18. Ìîæíî ëè ñ ïîìîùüþ äðîññåëÿ íàñûùåíèÿ ðåàëèçîâàòü äàò÷èê ÷àñòîòû? Åñëè äà, ïðèâåäèòå
342
ÏÐÈËÎÆÅÍÈß ÏÅÐÅ×ÅÍÜ ÏÐÎÄÓÊÖÈÈ ÊÎÍÖÅÐÍÀ ABB ÀÁÁ ñàìûé êðóïíûé â ìèðå ìíîãîíàöèîíàëüíûé ýëåêòðîòåõíè÷åñêèé êîíöåðí, îáúåäèíÿþùèé ñâûøå 1000 ïðåäïðèÿòèé â ðàçíûõ ñòðàíàõ ñ áîëåå, ÷åì 200 òûñ. ñîòðóäíèêîâ. ÀÁÁ ÿâëÿåòñÿ âåäóùåé â ìèðå èíæåíåðíî-òåõíè÷åñêîé ãðóïïîé êîìïàíèé â îáëàñòè ýíåðãåòèêè ñî ñòîëåòíèìè äîñòèæåíèÿìè, óõîäÿùèìè ñâîèìè ðàçâåòâëåííûìè êîðíÿìè â èñòîðèþ ôèðì ÀÑÅÀ (Øâåöèÿ) è ÁÐÀÓÍ ÁÎÂÅÐÈ (Øâåéöàðèÿ), ñëèÿíèå êîòîðûõ ïðîèçîøëî â 1988 ãîäó. Êîìïàíèÿ ÀÁÁ Ýëåêòðîèíæèíèðèíã ÿâëÿåòñÿ äî÷åðíåé êîìïàíèåé ìåæäóíàðîäíîãî ýëåêòðîòåõíè÷åñêîãî êîíöåðíà ÀÁÁ è èìååò ñîáñòâåííîå ïðîèçâîäñòâî ýëåãàçîâûõ áàêîâûõ è êîëîíêîâûõ âûêëþ÷àòåëåé 110 è 220 ê â ã. ×åáîêñàðû, Ðîññèÿ. Âûêëþ÷àòåëè, âûïóñêàåìûå ðîññèéñêèì ïðåäïðèÿòèåì ïî òåõíîëîãèè âåäóùèõ çàïàäíûõ êîìïàíèé ÀÁÁ, ñåðòèôèöèðîâàíû íà ñîîòâåòñòâèå òðåáîâàíèÿì ñòàíäàðòîâ ÐÔ è àäàïòèðîâàíû ê óñëîâèÿì ðàáîòû â îòå÷åñòâåííûõ ýíåðãîñèñòåìàõ. Êîìïàíèÿ ÀÁÁ Ýëåêòðîèíæèíèðèíã òàêæå îñóùåñòâëÿåò ïðîåêòíûå, ìîíòàæíûå è ïóñêî-íàëàäî÷íûå ðàáîòû, îêàçûâàåò ïîìîùü â âûïîëíåíèè ðàáîò ïî òåõíè÷åñêîìó îáñëóæèâàíèþ, îáåñïå÷èâàåò çàêàç÷èêîâ íåîáõîäèìûì ãàçîòåõíîëîãè÷åñêèì îáîðóäîâàíèåì, ñïåöèàëüíûìè èíñòðóìåíòàìè, ïðèñïîñîáëåíèÿìè è ìàòåðèàëàìè. ÀÁÁ Ýëåêòðîèíæèíèðèíã: Ðîññèÿ, 111250, Ìîñêâà, óë. Êðàñíîêàçàðìåííàÿ, 12/45, òåë. (095) 95665-75, 234-02-75, ôàêñ (095) 234-02-74 ÝËÅÃÀÇÎÂÛÅ ÁÀÊÎÂÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ ÑÅÐÈÈ ÐÌ
Áîëåå äâóõ äåñÿòèëåòèé ýëåãàç (øåñòèôòîðèñòàÿ ñåðà SF6), áëàãîäàðÿ ñâîèì ïðåêðàñíûì èçîëèðóþùèì è äóãîãàñÿùèì ñâîéñòâàì, óñïåøíî ïðèìåíÿåòñÿ ïðè ñîçäàíèè âûñîêîâîëüòíîãî îáîðóäîâàíèÿ. Êîíöåðí AÁÁ âíåñ ñóùåñòâåííûé âêëàä â ðàçðàáîòêè â äàííîé îáëàñòè è íàêîïèë îáøèðíûé îïûò â ñîçäàíèè êàê âûêëþ÷àòåëåé, òàê è ãåðìåòèçèðîâàííûõ êîìïëåêòíûõ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ. Òàê, â ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëÿõ ñåðèè ÐÌ èñïîëüçóåòñÿ ïîðøíåâîé è àâòîäóòüåâîé ïðèíöèïû ãàøåíèÿ äóãè: âî âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ ýëåãàçîâîãî âûêëþ÷àòåëÿ ãàç ñæèìàåòñÿ è ïðîïóñêàåòñÿ ÷åðåç êîíòàêòû âûêëþ÷àòåëÿ, îáåñïå÷èâàÿ ïðè ýòîì ãàøåíèå äóãè. Âûêëþ÷àòåëè ñîäåðæàò ëèòûå àëþìèíèåâûå áàêè ñ ïðåðûâàòåëÿìè, ïðóæèííûé ïðèâîä, åäèíóþ ýëåãàçîâóþ ñèñòåìó ñ ìèíèìàëüíûì äàâëåíèåì ýëåãàçà 0,63 ÌÏà ïðè 20 °Ñ, øêàô óïðàâëåíèÿ. Òðàíñôîðìàòîðû òîêà ðàñïîëîæåíû íà âíåøíåé ñòîðîíå çàïîëíåííûõ ýëåãàçîì ââîäîâ âûêëþ÷àòåëÿ. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ýëåãàçîâûõ áàêîâûõ âûêëþ÷àòåëåé ñåðèè ÐÌ ïðèâåäåíû â òàáëèöå. Ýëåãàçîâûå áàêîâûå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè ÐÌ Òèï âûêëþ÷àòåëÿ Êîëè÷åñòâî äóãîãàñèòåëüíûõ ðàçðûâîâ Ïðèâîä
145ÐÌ
242PMR
1
1
242PMG
362PM
550PM
1
1
2
Ïðóæèííûé èëè ãèäðîïðóæèííûé 145 2000; 3000 40; 50; 63
252 20004000 40
252 20004000 40; 50; 63
363 20003000 40; 50
550 20004000 40; 50; 63
Ñêâîçíîé òîê ÊÇ, êÀ: íàèáîëüøèé ïèê òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè (3-ñåêóíäíûé)
158 63
100 40
158 63
125 50
158 63
Åìêîñòíîé òîê íåíàãðóæåííîé ëèíèè, À Åìêîñòíîé òîê êîíäåíñàòîðíîé áàòàðåè, À Ñîáñòâåííîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå Ïîëíîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
31,5 500 30 55
125 250 30 55
125 250 30 55
400 400 15 35
500 1050 17 40
Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
343
Ãèäðîïðóæèííûé
Îêîí÷àíèå òàáëèöû
Òèï âûêëþ÷àòåëÿ
145ÐÌ
242PMR
242PMG
362PM
550PM
Âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
65
65
65
70
60
Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ: ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ïîëíîãî ãðîçîâîãî èìïóëüñà ñðåçàííîãî ãðîçîâîãî èìïóëüñà, 2 ìêñ
310 650 838
460 1050 1160
460 1050 1160
555 1300 1680
860 1800 2320
Äàâëåíèå çàïîëíåíèÿ ýëåãàçà, ÌÏà
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7
2820
4000
6260
9640
16750
27
43
123
137
517
Ìàññà âûêëþ÷àòåëÿ, êã Ìàññà ýëåãàçà, êã Óòå÷êà ýëåãàçà çà ãîä
Ìåíåå 1 %
Õàðàêòåðèñòèêè âñòðîåííûõ òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà âûêëþ÷àòåëåé ñåðèè ÐÌ Íàèìåíîâàíèå õàðàêòåðèñòèêè Îáùåå êîëè÷åñòâî íà ïîëþñ
Îáìîòêà äëÿ çàùèòû äî 6
Íîìèíàëüíûé ïåðâè÷íûé òîê, À
100; 200; 300; 400; 500; 600; 800; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000
Íîìèíàëüíûé âòîðè÷íûé òîê, À Íîìèíàëüíàÿ âòîðè÷íàÿ íàãðóçêà,  À Íîìèíàëüíûé êëàññ òî÷íîñòè Íîìèíàëüíàÿ ïðåäåëüíàÿ êðàòíîñòü òîêà
Îáìîòêà äëÿ èçìåðåíèé äî 6 100; 200; 300; 400; 500; 600; 800; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000
1; 5
1; 5
10; 20; 30; 40; 60
10; 20; 30
5Ð; 10Ð
0,2; 0,5; 1,0
10; 20; 30
ÝËÅÃÀÇÎÂÛÅ ÊÎËÎÍÊÎÂÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ
Ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè HPL-A è HPL-B ñ ôàðôîðîâûì ðåçåðâóàðîì è äóãîãàñèòåëåì ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ íàïðÿæåíèé îò 145 äî 550 ê è äëÿ íîìèíàëüíûõ òîêîâ îòêëþ÷åíèÿ äî 63 êÀ. Âêëþ÷åíèå è îòêëþ÷åíèå ïðîèçâîäÿòñÿ ïðóæèííûì ïðèâîäîì. Ïîëþñ âûêëþ÷àòåëÿ, ãåðìåòè÷åñêè çàïîëíåííûé ýëåãàçîì ïîä äàâëåíèåì 0,5 ÌÏà, ñîñòîèò èç êîíòàêòíîé ñèñòåìû, ôàðôîðîâîãî îïîðíîãî èçîëÿòîðà è ïðóæèííîãî ïðèâîäà ñ äâèãàòåëüíûì çàâîäíûì óñòðîéñòâîì. Èñïîëíåíèå âêëþ÷àòåëÿ îäíîïîëþñíîå è òðåõïîëþñíîå. Âûñîêîâîëüòíûé ýëåãàçîâûé âûêëþ÷àòåëü ñåðèè LTB ýòî ïåðâûé ñîâìåñòíî ðàçðàáîòàííûé â êîíöåðíå ÀÁÁ âûêëþ÷àòåëü è ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ðàáîòû ñ íàïðÿæåíèåì â ñèñòåìå 72,5 170 ê ïðè íîìèíàëüíîì òîêå îòêëþ÷åíèÿ 31,5 40 êÀ. Òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû ýëåãàçîâûõ êîëîíêîâûõ âûêëþ÷àòåëåé ñåðèè HPL, LTB, VF12 è HA3-12 ïðèâåäåíû â òàáëèöàõ.
344
Ýëåãàçîâûå êîëîíêîâûå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè HPL-B Òèï âûêëþ÷àòåëÿ
HPL245/B1
Êîëè÷åñòâî äóãîãàñèòåëüíûõ ðàçðûâîâ
HPL420/B2
HPL550/B2
2
2
1
Ïðèâîä
Ïðóæèííûé òèïà BLG 1002
Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
252
420
Íîìèíàëüíûé òîê, À
550
2500-3150-4000-5000
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
50
50
50
Ñêâîçíîé òîê ÊÇ, êÀ: íàèáîëüøèé ïèê òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè (3-ñåêóíäíûé)
125 50
125 50
125 50
Ñîáñòâåííîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
18
18
18
Ïîëíîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
40
40
40
Âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
80
55
55
Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå îòíîñèòåëüíî çåìëè, êÂ: ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ãðîçîâîãî èìïóëüñà
460 1050
560 1175
860 1550
Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ìåæäó êîíòàêòàìè, êÂ: ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ãðîçîâîãî èìïóëüñà
460 1050
750 1380
1030 1865
Äàâëåíèå çàïîëíåíèÿ ýëåãàçà, ÌÏà Ìàññà âûêëþ÷àòåëÿ, êã Ìàññà ýëåãàçà, êã
0,5
0,5
0,5
2900
6500
7100
27
39
18
Óòå÷êà ýëåãàçà çà ãîä
Ìåíåå 1 %
Ýëåãàçîâûå êîëîíêîâûå âûêëþ÷àòåëè òèïà LTB-145D1 Òèï âûêëþ÷àòåëÿ Êîëè÷åñòâî äóãîãàñèòåëüíûõ ðàçðûâîâ Ïðèâîä
LTB 145 D1
LTB 145 D1/B
1
1
Ãèäðîïðóæèííûé
Ïðóæèííûé
Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
145
Íîìèíàëüíûé òîê, À
3150
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
40
Ñêâîçíîé òîê ÊÇ, êÀ: íàèáîëüøèé ïèê òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè( 3-ñåêóíäíûé)
100 40
Ñîáñòâåííîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
30
20
Ïîëíîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
50
40
Âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
65
40
Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ: ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ïîëíîãî ãðîçîâîãî èìïóëüñà
310 650
Äàâëåíèå çàïîëíåíèÿ ýëåãàçà, ÌÏà
0,5
Ìàññà âûêëþ÷àòåëÿ, êã
1300
Ìàññà ýëåãàçà, êã
1360
5,3
Óòå÷êà ýëåãàçà çà ãîä
5,0 Ìåíåå 1 %
345
Ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè íà íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå 10 ê Òèï âûêëþ÷àòåëÿ
VF 12
Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À
ÍÀÇ-12
12,0
12,0
800; 1250; 1600; 2000; 2500
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
1600; 2000; 2500; 3150
16; 31,5; 40
25; 31,5; 40; 50
Ñêâîçíîé òîê ÊÇ, êÀ íàèáîëüøèé ïèê òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè (3-ñåêóíäíûé)
40; 80; 110 16; 31,5; 43,5
63; 80; 100; 125 25; 31,5; 40; 50
Ñîáñòâåííîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
60
70
Ïîëíîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
75
85
Âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
60
50
Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ: ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ïîëíîãî ãðîçîâîãî èìïóëüñà
42 75
28 75
Äàâëåíèå çàïîëíåíèÿ ýëåãàçà, ÌÏà
0,6
Ìàññà âûêëþ÷àòåëÿ, êã
105; 120; 130
200; 230
ÂÀÊÓÓÌÍÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ ÍÀ ÍÎÌÈÍÀËÜÍÎÅ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ 10 êÂ
Âàêóóìíûå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè VD-4 ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ óñòàíîâêè âíóòðè ïîìåùåíèé è âõîäÿò â ñîñòàâ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ ñ âîçäóøíîé èçîëÿöèåé. Ïðåèìóùåñòâî âàêóóìíûõ âûêëþ÷àòåëåé îñîáåííî ïðîÿâëÿåòñÿ ïðè ðàáîòå â ñåòÿõ ñ âûñîêîé ÷àñòîòîé ïåðåêëþ÷åíèÿ â íîìèíàëüíîì ðåæèìå. Âàêóóìíûå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè VD-4 ìîæíî èñïîëüçîâàòü â ñõåìàõ ñ àâòîìàòè÷åñêèì âîññòàíîâëåíèåì ïîäà÷è ýíåðãèè, îíè îáëàäàþò î÷åíü âûñîêîé ýêñïëóàòàöèîííîé íàäåæíîñòüþ è áîëüøèì ñðîêîì ñëóæáû. Ïîëþñà, ñêîíñòðóèðîâàííûå â âèäå êîëîíí è ñìîíòèðîâàíû íà çàäíåé êîíñîëüíîé ÷àñòè êîðïóñà ñ àðìàòóðîé âûêëþ÷àòåëÿ. Òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû âàêóóìíûõ âûêëþ÷àòåëåé ïðèâåäåíû â òàáëèöå.
Âàêóóìíûå âûêëþ÷àòåëè íà íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå 10 ê Òèï âûêëþ÷àòåëÿ Ïðèâîä Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À
VD-4
VD-4
ÂÂÝ-10
Ïðóæèííûé
Ïðóæèííûé
Ýëåêòðîìàãíèòíûé
12,0
17,5
630; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000
12,0 630; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
16; 20; 25; 31,5; 40; 50
16; 20; 25; 31,5; 40
20; 31,5
Ñêâîçíîé òîê ÊÇ, êÀ: íàèáîëüøèé ïèê òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè (3-ñåêóíäíûé)
40; 50; 63; 80;100;125 16; 20; 25; 31,5; 40; 50
40; 50; 63; 80;100 16; 20; 25; 31,5; 40
50; 63 20; 31,5
Ñîáñòâåííîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
45
45
55
Ïîëíîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
60
60
70
Âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ, ìñ, íå áîëåå
60
60
300
346
Îêîí÷àíèå òàáëèöû Òèï âûêëþ÷àòåëÿ
VD-4
VD-4
ÂÂÝ-10
Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ: ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ïîëíîãî ãðîçîâîãî èìïóëüñà
28 75
38 95
42 75
Ìåõàíè÷åñêèé ðåñóðñ, öèêëû ÂÎ
30000
30000
25000
Êîììóòàöèîííûé ðåñóðñ, öèêëû ÂÎ: ïðè íîìèíàëüíîì òîêå ïðè íîìèíàëüíîì òîêå îòêëþ÷åíèÿ
30000 5080
30000 5080
25000 50
Ìàññà , êã
67170
67159
140274
ÃÅÐÌÅÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÛÅ ÊÎÌÏËÅÊÒÍÛÅ ÝËÅÃÀÇÎÂÛÅ ÐÀÑÏÐÅÄÅËÈÒÅËÜÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ ( ÊÐÓÝ )
ÊÐÓÝ çàíèìàþò íåçíà÷èòåëüíóþ ÷àñòü ïëîùàäè è îáúåìà, òðåáóåìûõ äëÿ îáû÷íîé êîììóòàöèîííîé àïïàðàòóðû ñ âîçäóøíîé èçîëÿöèåé.  ðàéîíàõ ñ âûñîêîé ïëîòíîñòüþ ýëåêòðè÷åñêîé íàãðóçêè, îñîáåííî â ãîðîäàõ è èíäóñòðèàëüíûõ öåíòðàõ, ïðèìåíåíèå ÊÐÓÝ ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ýêîíîìè÷íûì ðåøåíèåì. Äèàïàçîí íîìèíàëüíûõ íàïðÿæåíèé ÊÐÓÝ îò 72,5 äî 765 ê ïðè íîìèíàëüíûõ òîêàõ îòêëþ÷åíèÿ äî 63 êÀ. ÊÐÓÝ ñåðèè ELK ñòðîÿòñÿ íà îñíîâå êîìáèíàöèè âûáðàííûõ ìîäóëåé îáîðóäîâàíèÿ, â ñîñòàâ êîòîðûõ âõîäÿò: øèíû ñ êîìáèíèðîâàííûì ðàçúåäèíèòåëåì-çàçåìëèòåëåì, ñèëîâûå âûêëþ÷àòåëè ñ òðàíñôîðìàòîðîì òîêà, âûêëþ÷àòåëè íàãðóçêè èëè ñèëîâûå ðàçúåäèíèòåëè, ìîäóëè êàáåëüíîãî ââîäà, òðàíñôîðìàòîðû íàïðÿæåíèÿ, ýëåãàçîâûé âîçäóøíûé ââîä, øêàô óïðàâëåíèÿ è âñïîìîãàòåëüíûå ìîäóëè. Ìîäóëè èìåþò èíäèâèäóàëüíóþ çàùèòó è ëåãêî ðàñøèðÿþòñÿ äëÿ äàëüíåéøåé ìîäèôèêàöèè.  êà÷åñòâå ìàòåðèàëà äëÿ îáîëî÷åê îòñåêîâ âûáðàí ñòîéêèé ê êîððîçèè àëþìèíèé. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû ÊÐÓÝ ñåðèè ELK ïðèâåäåíû â òàáëèöå. Ãåðìåòèçèðîâàííûå êîìïëåêòíûå ýëåãàçîâûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà ( ÊÐÓÝ ) Òèï ÊÐÓÝ Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé òîê (ÿ÷åéêè), À Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ, êÀ Íîìèíàëüíûé òîê äèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ Íîìèíàëüíûé òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ (3-ñåêóíäíûé) Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû, êÂ: îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó êîíòàêòàìè ðàçúåäèíèòåëåé Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ãðîçîâîãî èìïóëüñà, êÂ: îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó êîíòàêòàìè ðàçúåäèíèòåëåé Ìèíèìàëüíîå äàâëåíèå ýëåãàçà (àáñ.), ÌÏà: â îòñåêå âûêëþ÷àòåëÿ â äðóãèõ îòñåêàõ Êîëè÷åñòâî ðàçðûâîâ íà ïîëþñ âûêëþ÷àòåëÿ Ïðèâîä âûêëþ÷àòåëÿ Èñïîëíåíèå Ñðåäíÿÿ ìàññà ÿ÷åéêè (3 ïîëþñà), ò
EXK-0
ELK-0
ELK-14
126 2500 31,5; 40 80; 100 31,5; 40
170 3150 31,5; 40 80; 100 31,5; 40
300 3150 50 125 50
362 4000 63 170 63
550 4000 63 170 63
800 5000 50 125 50
230 265
275 325
460 530
520 610
740 910
960 1270
550 630
650 750
1050 1050+245
1300 1300+ 295
1550 1550+300
2100 2100+650
0,6 0,42
ELK-3
ELK-4
0,60 0,45 1
Òðåõôàçíîå 2,5 3,7
2 Ãèäðîïðóæèííûé Îäíîôàçíîå 68 14 14
0,60 0,39 4
30
Íà íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå 10 ê øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ ÊÐÓ ñåðèè UniSwitch, ÊÓ-10, ZV2 è ZX1. Èõ òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû ïðèâåäåíû â òàáëèöàõ.
347
Êîìïëåêòíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà ( ÊÐÓ ) ñåðèé UNISWITCH è ÊÓ-10 íà íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå 10 êÂ
Òèï ÊÐÓ
UniSwitch
UniSwitch
ÊÓ-10
12,0
17,5
12,0
630 6301250
630 630
6303150 10003150
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ, êÀ
25
20
20; 31,5; 40
Íîìèíàëüíûé òîê äèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ
63
50
51; 81; 102
Íîìèíàëüíûé òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè , êÀ
25
20
20; 31,5; 40
Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû, êÂ
28
38
42
Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ãðîçîâîãî èìïóëüñà, êÂ
75
95
75
Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À: ãëàâíûõ öåïåé ñáîðíûõ øèí
Âûêëþ÷àòåëü Øèðèíà ÿ÷åéêè, ìì: ÿ÷åéêà ñ âûêëþ÷àòåëåì ÿ÷åéêà ñ âûêëþ÷àòåëåì íàãðóçêè
Ýëåãàçîâûé Âàêóóìíûé
Ýëåãàçîâûé Âàêóóìíûé
800 375 / 500
1000 375 / 500
Ýëåãàçîâûé Âàêóóìíûé 750; 900; 1125
Ãåðìåòèçèðîâàííûå ýëåãàçîâûå êîìïëåêòíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà 10 êÂ
Òèï ÊÐÓ
ZV2
ZX1
12,0
12,0
1250160020002500 1250-1600-2000-2500
Äî 2000 Äî 2000
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ, êÀ
40
31.5
Íîìèíàëüíûé òîê äèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ
100
80
Íîìèíàëüíûé òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè , êÀ 1-cåêóíäíûé 3-cåêóíäíûé
40 31,5
31,5
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû, êÂ
281)
281)
75
75
Ýëåãàç
Àçîò
0,12
0,12
Ìàêñèñìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À: ãëàâíûõ öåïåé ñáîðíûõ øèí
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ãðîçîâîãî èìïóëüñà, ê Èçîëèðóþùèé ãàç Íîìèíàëüíîå äàâëåíèå ãàçà, àáñ., ïðèâåäåííîå ê 20
°Ñ,
ÌÏà
Âûêëþ÷àòåëü Øèðèíà ÿ÷åéêè, ìì
1)
Âàêóóìíûé
Âàêóóìíûé
750
750
Áîëüøèå çíà÷åíèÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ íàöèîíàëüíûìè ñòàíäàðòàìè ïî çàïðîñó.
348
ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÛ ÒÎÊÀ ÑÅÐÈÈ TG
Òðàíñôîðìàòîðû òîêà ñîîòâåòñòâóþò ìåæäóíàðîäíûì è ðîññèéñêèì ñòàíäàðòàì, îáëàäàþò âûñîêîé ñòîéêîñòüþ ê âîçäåéñòâèþ îêðóæàþùåé ñðåäû, èìåþò êîíòðîëü óðîâíÿ äàâëåíèÿ ýëåãàçà, õàðàêòåðèçóþòñÿ îòñóòñòâèåì ÷àñòè÷íûõ ðàçðÿäîâ è íå ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íèêîì ðàäèîïîìåõ, ïðîñòû â ýêñïëóàòàöèè è îáëàäàþò âûñîêîé íàäåæíîñòüþ. Òðàíñôîðìàòîðû òîêà âûïîëíåíû â âèäå îïîðíîé êîíñòðóêöèè. Âòîðè÷íûå îáìîòêè íàìîòàíû íà òîðîèäàëüíûå ìàãíèòîïðîâîäû è çàêëþ÷åíû â çàùèòíûé ýêðàí. Ïåðâè÷íàÿ îáìîòêà ñîñòîèò èç êàíàëà è òðåõ âíóòðåííèõ è òðåõ âíåøíèõ èçîëèðîâàííûõ øèí. Ïàðàëëåëüíî ïåðâè÷íûì âèòêàì ïîäêëþ÷åí íåëèíåéíûé ðåçèñòîð äëÿ çàùèòû èõ èçîëÿöèè îò ïðèõîäÿùèõ ñ ëèíèè ïåðåíàïðÿæåíèé. Ïåðåêëþ÷àþùèå ïåðåìû÷êè çàêðûòû ñúåìíûìè èçîëÿöèîííûìè êîðîáêàìè. Òðàíñôîðìàòîðû òîêà ñíàáæåíû çàùèòíîé ìåìáðàíîé, êîòîðàÿ ðàçðóøàåòñÿ ïðè ñêà÷êîîáðàçíîì ïîâûøåíèè äàâëåíèÿ ãàçà âñëåäñòâèå äóãîâûõ ïåðåêðûòèé âíóòðè àïïàðàòà. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà ñåðèè TG ïðèâåäåíû â òàáëèöå.
Òðàíñôîðìàòîðû òîêà òèïà TG TG 245 Òèï òðàíñôîðìàòîðà
TG 145
Òèï èçîëÿöèè Âèä óñòàíîâêè Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå ñèñòåìû, ê Íàèáîëüøåå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà, Ãö Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ãðîçîâîãî èìïóëüñà, ê Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû, ê Íîìèíàëüíûé ïåðâè÷íûé òîê, À (îñíîâíîå èñïîëíåíèå) Íîìèíàëüíûé ïåðâè÷íûé òîê, À (âîçìîæíûå âàðèàíòû, ïî ñïåöèàëüíîìó çàêàçó)
110 126 550 230 3006001200 400800 5001000 10002000 15003000
Òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ: 1-ñåêóíäíûé 3-ñåêóíäíûé Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ Íîìèíàëüíûé âòîðè÷íûé òîê, À
31,5 20 80
Îñíîâíîå èñïîëíåíèå SF 6 èëè SF 6-N 2 Äëÿ ÎÐÓ 220 252 50 900 395 50010002000
50 31,5 125 5 (1)
Âàðèàíòû
1050 460 5001000 3006001200 4008001600 2000 50 31,5 80
Âòîðè÷íàÿ îáìîòêà Êëàññ òî÷íîñòè/íîìèíàëüíàÿ âòîðè÷íàÿ íàãðóçêà, ÂÀ Îáìîòêè äëÿ èçìåðåíèé-¹ 1 Íîìèíàëüíûé êîýôôèöèåíò áåçîïàñíîñòè ïðèáîðîâ Êëàññ òî÷íîñòè/íîìèíàëüíàÿ âòîðè÷íàÿ íàãðóçêà, Â.À ¹2 Îáìîòîê äëÿ çàùèòû - ¹ 3 ¹4 Íîìèíàëüíàÿ ïðåäåëüíàÿ êðàòíîñòü îáìîòîê äëÿ çàùèòû Ìàòåðèàë èçîëÿòîðà Äèàïàçîí ðàáî÷èõ òåìïåðàòóð, 0Ñ
0,2/20
0,5/30 10
0,2/20
5Ð/20 10Ð/30 10Ð/40
10Ð/30 10Ð/30 10Ð/30 20 Ôàðôîð
10Ð/20 10Ð/20 10Ð/20
-60 ¸ + 45
Ìàññà, êã
580
349
630
ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÛ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß ÒÈÏÀ ÑPA È ÑÐÂ
Åìêîñòíûå òðàíñôîðìàòîðû íàïðÿæåíèÿ óñòàíàâëèâàþòñÿ ìåæäó ôàçîé è çåìëåé â ñåòÿõ ñ çàçåìëåííîé íåéòðàëüþ è ìåæäó ôàçîé è íåéòðàëüþ â ñåòÿõ ñ èçîëèðîâàííîé íåéòðàëüþ.  ñîñòàâ òðàíñôîðìàòîðà íàïðÿæåíèÿ âõîäÿò åìêîñòíîé äåëèòåëü íàïðÿæåíèÿ è ýëåêòðîìàãíèòíûé ìîäóëü òèïà EOA è EOB, êîòîðûå ñîåäèíåíû ìåæäó ñîáîé âíóòðåííèì ââîäîì. Òðàíñôîðìàòîð ñîñòîèò èç ñåðäå÷íèêà, ñîáðàííîãî èç âûñîêîêà÷åñòâåííîãî ñòàëüíîãî ëèñòà è îáìîòîê, èçîëèðîâàííûõ áóìàãîé, ïðîïèòàííîé ìàñëîì. Ïåðâè÷íàÿ îáìîòêà ðàçäåëåíà íà îñíîâíóþ è íåñêîëüêî óðàâíèòåëüíûõ, èñïîëüçóåìûõ äëÿ íàñòðîéêè êîýôôèöèåíòà òðàíñôîðìàöèè. Ìîäóëè EOA è EOB èìåþò ðåàêòîð, ñîåäèíåííûé ïîñëåäîâàòåëüíî ñ äåëèòåëåì íàïðÿæåíèÿ è âûñîêîâîëüòíîé îáìîòêîé. Îí ñëóæèò äëÿ êîìïåíñàöèè óãëà ñäâèãà ôàç, âûçâàííûé äåëèòåëåì íàïðÿæåíèÿ. Òðàíñôîðìàòîð, êîìïåíñèðóþùèé ðåàêòîð è äåìïôèðóþùèé ìîäóëü íàõîäÿòñÿ â ãåðìåòè÷íîì àëþìèíèåâîì áàêå, çàïîëíåííîì ìèíåðàëüíûì ìàñëîì.  âåðõíåé ÷àñòè áàêà ðàñïîëîæåíà ãàçîâàÿ ïîäóøêà â âèäå ðàñøèðèòåëüíîé ñèñòåìû. Òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû òðàíñôîðìàòîðîâ íàïðÿæåíèÿ ñåðèè CPA è CPB ïðèâåäåíû â òàáëèöå.
Òðàíñôîðìàòîðû íàïðÿæåíèÿ òèïà ÑPÀ è ÑÐÂ
Òèï òðàíñôîðìàòîðà
ÑÐÀ/ÑÐÂ123
ÑÐÀ/ÑÐÂ245
ÑÐÀ/ÑÐÂ362
ÑÐÀ/ÑÐÂ550
Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ
110/Ö3
220/Ö3
330/Ö3
500/Ö3
Íàèáîëüøåå äëèòåëüíî äîïóñòèìîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
126/Ö3
252/Ö3
363/Ö3
525/Ö3
1
1
2
2
110 000 / Ö3 100 / Ö3 100
220 000 / Ö3 100 / Ö3 100
330 000 / Ö3 100 / Ö3 100
500 000 / Ö3 100 / Ö3 100
Íîìèíàëüíàÿ íàãðóçêà è êëàññ òî÷íîñòè äëÿ ÑÐÀ: âòîðè÷íàÿ îáìîòêà ¹ 1, ÂÀ/êëàññ âòîðè÷íàÿ îáìîòêà ¹ 2, ÂÀ/êëàññ
200/0,5 400/3Ð
200/0,5 400/3Ð
200/0,5 400/3Ð
200/0,5 400/3Ð
Íîìèíàëüíàÿ íàãðóçêà è êëàññ òî÷íîñòè äëÿ ÑÐÂ: âòîðè÷íàÿ îáìîòêà ¹ 1, ÂÀ/êëàññ âòîðè÷íàÿ îáìîòêà ¹ 2, ÂÀ/êëàññ
400/0,5 500/3Ð
400/0,5 500/3Ð
400/0,5 500/3Ð
300/0,5 500/3Ð
Åìêîñòü, ôàçà-çåìëÿ, ïÔ
14300
7400
5200
3500
Äëèíà ïóòè óòå÷êè òîêà ïî âíåøíåé èçîëÿöèè, ìì
3880
6510
9200
13980
Ðàçðÿäíîå ðàññòîÿíèå, ìì
1545
2610
3570
5610
Îäíîìèíóòíîå èñïûòàòåëüíîå ïåðåìåííîãî òîêà, ìîêð./ñóõ., êÂ
230/230
325/325
-/510
-/680
Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ïîëíîãî ãðîçîâîãî èìïóëüñà (1,2/50 ìêñ), êÂ
550
1050
1175
1550
Êîëè÷åñòâî åìêîñòíûõ ìîäóëåé, øò. Íàïðÿæåíèÿ îáìîòîê, Â
350
ÄÂÓÕÊÎËÎÍÊÎÂÛÉ ÃÎÐÈÇÎÍÒÀËÜÍÎ-ÏÎÂÎÐÎÒÍÛÉ ÐÀÇÚÅÄÈÍÈÒÅËÜ ÑÅÐÈÈ SGF
Ðàçúåäèíèòåëü ïðåäíàçíà÷åí äëÿ èçîëÿöèè ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé è îáðàçóåò â îòêëþ÷åííîì ñîñòîÿíèè âèäèìûé èçîëèðóþùèé ïðîìåæóòîê. Îí ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ è äëÿ êîììóòàöèè ìàëûõ òîêîâ, à òàêæå äëÿ çàçåìëåíèÿ îòêëþ÷åííûõ ó÷àñòêîâ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè ïðè ïîìîùè çàçåìëèòåëåé. Äâóõêîëîíêîâûå ðàçúåäèíèòåëè ñåðèè SGF ãîðèçîíòàëüíî-ïîâîðîòíîãî òèïà ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ â âûñîêîâîëüòíûõ ïîäñòàíöèÿõ ëþáîãî òèïà, ñ íîìèíàëüíûì íàïðÿæåíèåì 110 è 220 ê è íîìèíàëüíûì òîêîì 1600 è 2500 À. Òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû ðàçúåäèíèòåëåé ñåðèè SGF ïðèâåäåíû â òàáëèöå.
Äâóõêîëîíêîâûé ãîðèçîíòàëüíî-ïîâîðîòíûé ðàçúåäèíèòåëü òèïà SGF Ðàçúåäèíèòåëü
110 êÂ
Îáîçíà÷åíèå Äîïîëíèòåëüíîå îáîçíà÷åíèå: ñ 1 âñòðîåííûì çàçåìëèòåëåì ñ 2 âñòðîåííûìè çàçåìëèòåëÿìè Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå, ê Íàèáîëüøåå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè äëÿ ðàçúåäèíèòåëÿ è çàçåìëèòåëÿ, êÀ Òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè äëÿ ðàçúåäèíèòåëÿ è çàçåìëèòåëÿ, êÀ Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû, êÂ: îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó êîíòàêòàìè ðàçúåäèíèòåëåé Íîðìèðîâàííîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ãðîçîâîãî èìïóëüñà, êÂ: îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó êîíòàêòàìè ðàçúåäèíèòåëåé Íàïðÿæåíèå ðàäèîïîìåõ ïðè 78 êÂ, ìêÂ, íå áîëåå Ðàçðûâíàÿ ñïîñîáíîñòü â òðåõôàçíîé öåïè ïðè èíäóêòèâíîé èëè åìêîñòíîé íàãðóçêå, À Êîíñòðóêöèÿ èçîëÿòîðà: ìèíèìàëüíàÿ ðàçðóøàþùàÿ íàãðóçêà, êÍ ïîëíàÿ âûñîòà, ìì ìèíèìàëüíàÿ äëèíà ïóòè óòå÷êè, ìì Äîïóñêàåìàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ íàãðóçêà íà âûâîä: ñòàòè÷åñêàÿ è äèíàìè÷åñêàÿ, êÍ ñòàòè÷åñêàÿ äîëÿ, êÍ
220 êÂ
SGF 123n
SGF 123p
SGF 245n
SGF 245ç
+ 1Å/ + 2Å/ 110 126 1600 100 40
+ 1Å/ + 2Å/ 110 126 2500 100 40
+ 1Å/ + 2Å/ 220 252 1600 100 40
+ 1Å/ + 2Å/ 220 252 2500 125 50
230 265
230 265
460 530
460 530
550 630 500 2
550 630 500 2
1050 1200 500 1,5
1050 1200 500 1,5
4-6-8 1220 2800
4-6-8 1220 2800
4-6-8 2300 4800
4-6-8 2300 4800
3-4,5-6 1,2-1,5-1,5
3-4,5-6 1,2-1,5-1,5
3,4-5,1-6,0 1,3-1,5-1,5
3,4-5,1-6 1,3-1,5-1,5
ÎÊÈÑÍÎ-ÖÈÍÊÎÂÛÉ ÎÃÐÀÍÈ×ÈÒÅËÜ ÏÅÐÅÍÀÏÐßÆÅÍÈÉ ÑÅÐÈÈ EXLIM
Îãðàíè÷èòåëè ïåðåíàïðÿæåíèé ÿâëÿþòñÿ ïåðâè÷íîé çàùèòîé îò ðàçëè÷íîãî ðîäà ïåðåíàïðÿæåíèé â öåïè (àòìîñôåðíûõ èëè êîììóòàöèîííûõ). Îáû÷íî îíè ïðèñîåäèíÿþòñÿ ïàðàëëåëüíî ê çàùèùàåìîìó îáîðóäîâàíèþ. Àêòèâíûå ýëåìåíòû îãðàíè÷èòåëåé èçãîòàâëèâàþòñÿ èç êåðàìè÷åñêèõ ðåçèñòîðîâ ñ êðóòîé íåëèíåéíîé õàðàêòåðèñòèêîé. Ñàìè ýëåìåíòû ñîñòîÿò èç îêèñè öèíêà, ñìåøàííîé ñ îêèñëàìè äðóãèõ ìåòàëëîâ è ñïå÷åííûõ âìåñòå. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû îãðàíè÷èòåëåé ïåðåíàïðÿæåíèé ñåðèè EXLIM ïðèâåäåíû â òàáëèöå.
351
Îêèñíî-öèíêîâûé îãðàíè÷èòåëü ïåðåíàïðÿæåíèÿ òèïà EXLIM P Òèï îãðàíè÷èòåëÿ ïåðåíàïðÿæåíèé Íàïðÿæåíèå ñèñòåìû ÍÑ, ê Íîìèíàëüíûå íàïðÿæåíèÿ ÍÍ, ê Íîìèíàëüíûé ðàçðÿäíûé òîê ïî ÌÝÊ(ïèêîâûé) , êÀ Âûäåðæèâàåìûé ðàçðÿäíûé òîê: áîëüøîé òîê 4/10 ìêñ (ïèêîâûé), êÀ ìàëûé òîê 2400 ìêñ (ïèêîâûé), À ìàëûé òîê 2000 ìêñ (ïèêîâûé), À Îãðàíè÷èâàþùàÿ ñïîñîáíîñòü: êëàññ ëèíåéíîãî ðàçðÿäà ïî ÌÝÊ [2 èìïóëüñà, ÌÝÊ ï.7.5.5 (ïðè ÍÍ)], êÄæ/ê Íîìèíàëüíàÿ ýíåðãèÿ ïðè èñïûòàíèÿõ (ïðè ÍÍ), êÄæ/êÂ: (ïðèåìî-ñäàòî÷íûå èñïûòàíèÿ íà êàæäîì áëîêå, 3 èìïóëüñà â òå÷åíèå 1 ìèí) Ýíåðãèÿ îäíîãî èìïóëüñà (ïðè ÍÍ), êÄæ/êÂ: (îäèíî÷íûé 4 ìñ èìïóëüñ, îõëàæäåíèå ïðè âðåìåííûõ ïåðåíàïðÿæåíèÿõ è äëèòåëüíîì ðàáî÷åì íàïðÿæåíèè) Òîê ñðàáàòûâàíèÿ çàùèòíîãî óñòðîéñòâà, êÀ: EXLIM P-A EXLIM P-B
EXLIM P 12550 9468 20 100 950 1350 4 10,9 8,8 7 65 80
Îêèñíî-öèíêîâûé îãðàíè÷èòåëü ïåðåíàïðÿæåíèÿ òèïà EXLIM Q Òèï îãðàíè÷èòåëÿ ïåðåíàïðÿæåíèé
EXLIM Q
Íàïðÿæåíèå ñèñòåìû ÍÑ, ê Íîìèíàëüíûå íàïðÿæåíèÿ ÍÍ, ê Íîìèíàëüíûé ðàçðÿäíûé òîê ïî ÌÝÊ(ïèêîâûé) , êÀ Âûäåðæèâàåìûé ðàçðÿäíûé òîê: áîëüøîé òîê 4/10 ìêñ (ïèêîâûé), êÀ ìàëûé òîê 2400 ìêñ (ïèêîâûé), À ìàëûé òîê 2000 ìêñ (ïèêîâûé), À Îãðàíè÷èâàþùàÿ ñïîñîáíîñòü: êëàññ ëèíåéíîãî ðàçðÿäà ïî ÌÝÊ [2 èìïóëüñà, ÌÝÊ ï.7.5.5 (ïðè ÍÍ)], êÄæ/ê Íîìèíàëüíàÿ ýíåðãèÿ ïðè èñïûòàíèÿõ (ïðè ÍÍ), êÄæ/êÂ: (ïðèåìî-ñäàòî÷íûå èñïûòàíèÿ íà êàæäîì áëîêå, 3 èìïóëüñà â òå÷åíèå 1 ìèí) Ýíåðãèÿ îäíîãî èìïóëüñà (ïðè ÍÍ), êÄæ/êÂ: (îäèíî÷íûé 4 ìñ èìïóëüñ, îõëàæäåíèå ïðè âðåìåííûõ ïåðåíàïðÿæåíèÿõ è äëèòåëüíîì ðàáî÷åì íàïðÿæåíèè) Òîê ñðàáàòûâàíèÿ çàùèòíîãî óñòðîéñòâà, êÀ
4362 3336 10 100 700 900 3 7,8 5,6 4,5 65
Îêèñíî-öèíêîâûé îãðàíè÷èòåëü ïåðåíàïðÿæåíèÿ òèïà EXLIM R Òèï îãðàíè÷èòåëÿ ïåðåíàïðÿæåíèé
EXLIM R
Íàïðÿæåíèå ñèñòåìû ÍÑ, êÂ
4245
Íîìèíàëüíûå íàïðÿæåíèÿ ÍÍ, êÂ
4228
Íîìèíàëüíûé ðàçðÿäíûé òîê ïî ÌÝÊ(ïèêîâûé) , êÀ
10
Âûäåðæèâàåìûé ðàçðÿäíûé òîê: áîëüøîé òîê 4/10 ìêñ (ïèêîâûé), êÀ ìàëûé òîê 2000 ìêñ (ïèêîâûé), À
100 550
Îãðàíè÷èâàþùàÿ ñïîñîáíîñòü: êëàññ ëèíåéíîãî ðàçðÿäà ïî ÌÝÊ [2 èìïóëüñà, ÌÝÊ ï.7.5.5 (ïðè ÍÍ)], êÄæ/êÂ
2 5,1
Íîìèíàëüíàÿ ýíåðãèÿ ïðè èñïûòàíèÿõ (ïðè ÍÍ), êÄæ/êÂ: (ïðèåìî-ñäàòî÷íûå èñïûòàíèÿ íà êàæäîì áëîêå, 3 èìïóëüñà â òå÷åíèå 1 ìèí)
3,6
Ýíåðãèÿ îäíîãî èìïóëüñà (ïðè ÍÍ), êÄæ/êÂ: (îäèíî÷íûé 4 ìñ èìïóëüñ, îõëàæäåíèå ïðè âðåìåííûõ ïåðåíàïðÿæåíèÿõ è äëèòåëüíîì ðàáî÷åì íàïðÿæåíèè)
2,5
Òîê ñðàáàòûâàíèÿ çàùèòíîãî óñòðîéñòâà, êÀ: EXLIM Rxxx - AM 145 êÀ Âñå äðóãèå
50 65
352
ÝËÅÊÒÐÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÎÅ ÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ, ÏÐÎÈÇÂÎÄÈÌÎÅ ÍÀ ÏÐÅÄÏÐÈßÒÈßÕ ÀÊÖÈÎÍÅÐÍÎÃÎ ÎÁÙÅÑÒÂÀ ÑÈÌÅÍÑ
Ôèðìà ÑÈÌÅÍÑ áûëà îñíîâàíà â 1847 ã. êàê íåáîëüøàÿ ìàñòåðñêàÿ ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñòðåëî÷íûõ òåëåãðàôîâ.  òå÷åíèå ïîñëåäóþùèõ 150 ëåò îíà ñòàëà îäíèì èç êðóïíåéøèõ è ñîâðåìåííåéøèõ êîíöåðíîâ ìèðà, çàíèìàþùåãî âåäóùèå ïîçèöèè â îáëàñòè ýëåêòðîòåõíèêè è ýëåêòðîíèêè. Ïðàêòè÷åñêè ëþáàÿ ïðîäóêöèÿ ôèðìû îò ìèêðî÷èïà äî ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ êðóïíåéøèõ â ìèðå ýëåêòðîñòàíöèé ðàçðàáàòûâàåòñÿ, ïðîèçâîäèòñÿ è ïîñòàâëÿåòñÿ çàêàç÷èêàì áîëåå ÷åì â 140 ñòðàíàõ ìèðà. Îäíèì èç âåäóùèõ ñàìîñòîÿòåëüíûõ ñòðóêòóðíûõ ïîäðàçäåëåíèé êîíöåðíà ÿâëÿåòñÿ äåïàðòàìåíò ïåðåäà÷è è ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè (EV). Ñïåêòð ïðîèçâîäèìîãî èì îáîðóäîâàíèÿ è óñëóã âêëþ÷àåò êàê ïîñòàâêó îòäåëüíûõ ïðèáîðîâ, àïïàðàòîâ è óñòàíîâîê, òàê è ðåàëèçàöèþ êîìïëåêñíûõ ïðîåêòîâ ýëåêòðîñíàáæåíèÿ «ïîä êëþ÷». Íà÷èíàÿ ñ 1997 ã. íà ðîññèéñêîì ðûíêå ðàáîòàåò îáùåñòâî ñ îãðàíè÷åííîé îòâåòñòâåííîñòüþ Ñèìåíñ ðîññèéñêîå ïðåäïðèÿòèå ñ íåìåöêèì êàïèòàëîì.  åãî ñòðóêòóðå òàêæå èìååòñÿ äåïàðòàìåíò ïåðåäà÷è è ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè (EV), â çàäà÷ó êîòîðîãî âõîäèò ïîñòàâêà ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ, ïðîèçâîäèìîãî íà çàâîäàõ êîíöåðíà ÑÈÌÅÍÑ. Âñ¸ ïîñòàâëÿåìîå íàìè ýëåêòðîîáîðóäîâàíèå íà êëàññû íàïðÿæåíèÿ îò 6 äî 750 ê è íåîáõîäèìûå äëÿ íåãî âòîðè÷íûå íèçêîâîëüòíûå ïðèáîðû è óñòðîéñòâà ñåðòèôèöèðîâàíû Ãîññòàíäàðòîì Ðîññèè è óæå õîðîøî çàðåêîìåíäîâàëè ñåáÿ â ðîññèéñêèõ ýêñïëóàòàöèîííûõ óñëîâèÿõ. Ìû ïðåäëàãàåì íàøèì çàêàç÷èêàì: 1.Ýëåêòðîîáîðóäîâàíèå ñðåäíèõ êëàññîâ íàïðÿæåíèé (6-35 êÂ): 1.1. Âàêóóìíûå ñèëîâûå âûêëþ÷àòåëè òèïà 3ÀÍ 1.2. Êîìïëåêòíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà ñ âîçäóøíîé èçîëÿöèåé (ÊÐÓ) òèïà NXAÄR ñ âàêóóìíûìè ñèëîâûìè âûêëþ÷àòåëÿìè (NXACT) 1.3. Êîìïëåêòíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà ñ ýëåãàçîâîé (SF6) èçîëÿöèåé (ÊÐÓÝ) òèïîâ 8DH10,8DC11 è NXPLUS ñ âàêóóìíûìè ñèëîâûìè âûêëþ÷àòåëÿìè (3ÀÍ) 1.4. ÊÐÓÝ òèïîâ 8DJ10 è 8DJ20 ñ âûêëþ÷àòåëÿìè íàãðóçêè è âûñîêîâîëüòíûìè ïðåäîõðàíèòåëÿìè 1.5. Ñóõèå ðàñïðåäåëèòåëüíûå òðàíñôîðìàòîðû òèïà Geafol ìîùíîñòüþ 100-2500 ê À íà íàïðÿæåíèå 6-24 ê /0,4 ê 1.6. ÁÊÒÏÌ êîìïëåêòíûå òðàíñôîðìàòîðíûå ïîäñòàíöèè çàâîäñêîé ãîòîâíîñòè â áåòîííîì êîðïóñå 2. Âûñîêîâîëüòíîå ýëåêòðîîáîðóäîâàíèå âûñîêîãî íàïðÿæåíèé (110-500êÂ): 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6.
Ñèëîâûå ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè êîëîíêîâîãî è áàêîâîãî òèïîâ 3AP è SPS2 ÊÐÓÝ òèïîâ 8 DN8, 8 DN9 Îãðàíè÷èòåëè ïåðåíàïðÿæåíèé (ÎÏÍ) 6-500 ê Ðàçúåäèíèòåëè, òðàíñôîðìàòîðû òîêà è íàïðÿæåíèÿ Òðàíñôîðìàòîðíûå ââîäû Ñèëîâûå òðàíñôîðìàòîðû 110...750êÂ/ 16...225 Ì À.
3. Àâòîìàòèçèðîâàííûå ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ (ÀÑÓ) ýëåêòðè÷åñêîé ÷àñòüþ ñòàíöèé, ïîäñòàíöèé, ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèé. Óñòðîéñòâà öèôðîâîé ðåëåéíîé çàùèòû íà îñíîâå ìèêðîïðîöåññîðíîé òåõíèêè: 3.1. 3.2 3.3 3.4. 3.5.
Êîìïëåêò çàùèò òèïà Siprotec äëÿ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ ñðåäíåãî è âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ. Êîìïëåêò àïïàðàòíûõ ñðåäñòâ äëÿ ÀÑÓ òèïà Sicam RTU,Sicam SAS, Sicam PCC. Ñèñòåìà äèñïåò÷åðñêîãî óïðàâëåíèÿ (SCADÀ) òèïà Sinaut Spectrum Ñèñòåìû äëÿ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè ïî ËÝÏ (Â×-ñâÿçü) òèïà ESB 2000 Ñèñòåìû êîíòðîëÿ è óïðàâëåíèÿ êà÷åñòâîì ýëåêòðîýíåðãèè Sipcon.
353
4. Ñ÷¸ò÷èêè è ñèñòåìû êîììåð÷åñêîãî ó÷¸òà ýíåðãîðåñóðñîâ îòäåëà «Ñèìåíñ ìèòåðèíã» (áûâøàÿ ôèðìà «Ëýíäèñ & Ãèð»): 4.1. Âûñîêîòî÷íûå ýëåêòðîííûå ñ÷¸ò÷èêè ýëåêòðîýíåðãèè «Ëýíäèñ è Ãèð» òèïîâ Z.U è Z.B. 4.2. Ñèñòåìû êîììåð÷åñêîãî ó÷¸òà ýíåðãîðåñóðñîâ «Ëýíäèñ è Ãèð» òèïà DGC 2000 äëÿ êðóïíûõ ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèé. 4.3. Ñèñòåìû êîììåð÷åñêîãî ó÷¸òà ýíåðãîðåñóðñîâ «Ëýíäèñ è Ãèð» òèïà DGC 300 äëÿ ñðåäíèõ è ìàëûõ ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèé. Íàøè ñïåöèàëèñòû âñåãäà ãîòîâû ïðåäîñòàâèòü Âàì ëþáóþ äîïîëíèòåëüíóþ èíôîðìàöèþ è îêàçàòü íåîáõîäèìóþ òåõíè÷åñêóþ ïîìîùü: Íàø àäðåñ: ÎÎÎ «Ñèìåíñ» Äåïàðòàìåíò ïåðåäà÷è è ðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèè, EV 117071, Ìîñêâà, óë. Ìàëàÿ Êàëóæñêàÿ, 17 òåë.: (095) 737 2469; 737 2403; 737 2462; 737 2413; 737 1814; ôàêñ: (095) 737 23 85 E-mail:
[email protected] ÝËÅÊÒÐÎÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ ÑÐÅÄÍÅÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß 635 ê ÂÀÊÓÓÌÍÛÅ ÑÈËÎÂÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ ÒÈÏÀ 3ÀÍ
Òð¸õïîëþñíûå ñèëîâûå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè 3ÀÍ áëàãîäàðÿ óíèâåðñàëüíîé êîíñòðóêöèè ïðèìåíÿþòñÿ âî âñåõ òèïàõ ðàñïðåäóñòðîéñòâ âíóòðåííåé óñòàíîâêè, âûïóñêàåìûõ äëÿ êëàññîâ íàïðÿæåíèé îò 6 äî 35 ê ÀÎ Ñèìåíñ. Îíè ïîëíîñòüþ ñîîòâåòñòâóþò òðåáîâàíèÿì, ïðåäúÿâëÿåìûì ê ñîâðåìåííûì êîììóòàöèîííûì àïïàðàòàì ïðè îòêëþ÷åíèè âñåãî äèàïàçîíà òîêîâ: îò èíäóêòèâíûõ è åìêîñòíûõ òîêîâ ÊÇ âïëîòü äî 80 êÀ Âñå ìîäèôèêàöèè âûêëþ÷àòåëåé ýòîé ñåðèè íå òðåáóþò íèêàêîãî òåõíè÷åñêîãî îáñëóæèâàíèÿ â òå÷åíèå âñåãî ñðîêà ñëóæáû, ðåãëàìåíòèðóåìîãî êàê 20-25 ëåò èëè 10 òûñÿ÷ îòêëþ÷åíèé íîìèíàëüíîãî òîêà. È ëèøü äëÿ âûêëþ÷àòåëåé òèïîâ 3ÀÍ2 è 3ÀÍ4, ðàññ÷èòàííûõ, ñîîòâåòñòâåííî íà 60 è 120 òûñÿ÷ îòêëþ÷åíèé, ïðåäóñìîòðåíî ïðîâåäåíèå ðåãëàìåíòíûõ ðàáîò â òå÷åíèå ñðîêà ñëóæáû è çàìåíà âàêóóìíûõ êàìåð ïîñëå 30 òûñÿ÷ êîììóòàöèé. ÏßÒÜ ÒÈÏÎÐÀÇÌÅÐΠÂÀÊÓÓÌÍÛÕ ÑÈËÎÂÛÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ ÑÈÌÅÍÑ
Èçíîñîñòîéêîñòü, öèêëîâ ÂÎ Òèï
Íàçíà÷åíèå
Îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ
Iîòêë ÊÇ, êÀ ìåõàíè êîììóòà- êîììóòà-÷åñêàÿ öèîííàÿ öèîííàÿ ñ Iíîì ñ Iêç
Uíîì, êÂ
Iíîì, À
7.22
8003150
1640
10.000
10.000
50
3ÀÍ2 Ñ ïîâûøåííûì êîììó- Äëÿ êîíäåíñàòîðíûõ áàòàðåé òàöèîííûì ðåñóðñîì è äóãîãàñÿùèõ ðåàêòîðîâ
7.22
8003150
31.540
60.000
30.000
50
3ÀÍ3 Ìîùíûé, ãåíåðàòîðíûé Äëÿ ãåíåðàòîðíûõ òîêîïðîâîäîâ è ââîäíûõ ÿ÷ååê ÊÐ
7.23
125012000
31.580
10.000
10.000
50
3ÀÍ4 Ñî ñâåðõâûñîêèì êîì- Äëÿ êîììóòàöèè ýëåêòðîäóãîìóòàöèîííûì ðåñóðñîì âûõ ïå÷åé
243
12502500
31.540
120.000
30.000
50
1217
8001250
13.12
10.000
10.000
25
3ÀÍ1 Ñòàíäàðòíûé
3ÀÍ5 Ýêîíîìè÷íûé
Äëÿ ââîäíûõ, ñåêöèîííûõ, ôèäåðíûõ ÿ÷ååê ÊÐÓ
Äëÿ ââîäíûõ, ñåêöèîííûõ, ôèäåðíûõ ÿ÷ååê ÊÐÓ
354
ÊÐÓ ÒÈÏÀ NXAIR
Ìîäóëüíîå êîìïëåêòíîå ðàñïðåäóñòðîéñòâî òèïà NXAIR äëÿ êëàññîâ íàïðÿæåíèé 612 ê ñ ñèëîâûìè âàêóóìíûìè âûêëþ÷àòåëÿìè è âîçäóøíîé èçîëÿöèåé, ïîëíîñòüþ ñåêöèîíèðîâàííîå, ïðîøåäøåå òèïîâûå èñïûòàíèÿ, çàâîäñêîé ãîòîâíîñòè, ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ âíóòðåííåé óñòàíîâêè â ïîìåùåíèÿõ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ ïîäñòàíöèé ïðîìûøëåííûõ è ýíåðãåòè÷åñêèõ ïðåäïðèÿòèé ñðåäíåé è áîëüøîé ìîùíîñòè, à òàêæå äëÿ ñîáñòâåíííûõ íóæä ýëåêòðîñòàíöèé. Ýòî ïåðâîå ðàñïðåäóñòðîéñòâî ñâîåãî êëàññà, â êîòîðîì îïòèìàëüíîå ñî÷åòàíèå âîçäóøíîé è òâåðäîé èçîëÿöèè ïðè ìîäóëüíîì ïðèíöèïå ïîñòðîåíèÿ êîíñòðóêöèè ïðèíåñëî íåîñïîðèìûå ïðåèìóùåñòâà. Îòëè÷èòåëüíûå îñîáåííîñòè: · ìîäóëü âàêóóìíîãî ñèëîâîãî âûêëþ÷àòåëÿ NXAC (ñîâìåùàåò ôóíêöèè ñèëîâîãî âûêëþ÷àòåëÿ è ðàçúåäèíèòåëÿ) íà âûêàòíîé òåëåæêå èëè âûäâèæíîì ýëåìåíòå; · âñòðîåííûå â ïðîõîäíûå èçîëÿòîðû èçìåðèòåëüíûå òðàíñôîðìàòîðû òîêà; · âñòðîåííûé áëîê öèôðîâîãî çàùèòíîãî ìèêðîïðîöåññîðíîãî óñòðîéñòâà òèïà SIPROTEC äëÿ âûïîëíåíèÿ ôóíêöèé çàùèòû, óïðàâëåíèÿ è îáìåíà äàííûìè ñ óñòðîéñòâàìè ÀÑÓ ÒÏ; · êàáåëüíûå ââîäû îòêðûòû äëÿ äîñòóïà êàê ñïåðåäè, òàê è ñçàäè; · îäíîñòîðîííåå îáñëóæèâàíèå è ïðèñòåííàÿ óñòàíîâêà. ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÄÀÍÍÛÅ
Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå
12 êÂ
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ÷àñòîòîé 50 Ãö, 1 ìèí
28 (42) * êÂ
Èìïóëüñíîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå
75 (95) * êÂ
Íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà
50 Ãö
Íîìèíàëüíûé îòêëþ÷àåìûé òîê ÊÇ
25 êÂ
Íîìèíàëüíûé êðàòêîâðåìåííûé òîê (3 ñ)
25 êÀ
Íîìèíàëüíûé âêëþ÷àåìûé òîê ÊÇ
63 êÀ
Íîìèíàëüíûé òîê ñáîðíûõ øèí
2500 À
Íîìèíàëüíûé òîê îòõîäÿùåé ëèíèè
1250 / 2500 À
Íîìèíàëüíûé òîê ìåæñåêöèîííîãî ñîåäèíåíèÿ
2500 À
Òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû: ïåðâè÷íûå öåïè âòîðè÷íûå öåïè** Ñòåïåíü çàùèòû ñòàíäàðò (îïöèÿ)
îò -5 äî +55 °Ñ îò -5 äî +70 °Ñ IP3XD
(IP51)
Ãàáàðèòû ÿ÷ååê: Øèðèíà
800 ìì
Ãëóáèíà
1350 ìì
Âûñîòà
2000 ìì
* ïî çàïðîñó ** ñ ìåñòíûì îáîãðåâîì íèçêîâîëüòíîãî îòñåêà
355
ÊÐÓÝ ÒÈÏA 8DJ10/8DJ20
ÊÐÓÝ çàâîäñêîé ãîòîâíîñòè â çàêðûòîì ìåòàëëè÷åñêîì êîðïóñå öåëüíîñâàðíûì ðåçåðâóàðîì è ñòàöèîíàðíî óñòàíîâëåííûìè âûêëþ÷àòåëÿìè íàãðóçêè-ðàçúåäèíèòåëÿìè. Ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ âíóòðåííåé óñòàíîâêè â ïîìåùåíèÿõ çàêðûòûõ òðàíñôîðìàòîðíûõ ïîäñòàíöèé, â êîëüöåâîé êàáåëüíîé ñåòè äëÿ ýíåðãîñíàáæåíèÿ ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèé è êîììóíàëüíûõ ïîòðåáèòåëåé. Ïðîøëî òèïîâûå èñïûòàíèÿ è ñåðòèôèöèðîâàíî â Ðîññèè. Îòëè÷èòåëüíûå îñîáåííîñòè: íèêàêîãî òåõíè÷åñêîãî óõîäà íà âåñü ñðîê ýêñïëóàòàöèè íå ìåíåå 25 ëåò; ïîëíàÿ çàùèòà îò ïðèêîñíîâåíèÿ ê òîêîâåäóùèì ÷àñòÿì; åìêîñòíûå óêàçàòåëè íàïðÿæåíèÿ äëÿ êîíòðîëÿ íàïðÿæåíèÿ; ìèíèìàëüíàÿ ïîòðåáíîñòü â çàíèìàåìîé ïëîùàäè; ïðîñòîòà â ìîíòàæå, îòñóòñòâèå êàêèõ-ëèáî ðàáîò ñ ýëåãàçîì; îòñóòñòâèå çàâèñèìîñòè îò êëèìàòè÷åñêèõ ôàêòîðîâ â ïðåäåëàõ ýêñïëóàòaöèîííûõ òåìïåðàòóð -40 +70 °Ñ; · ìíîãîîáðàçèå èñïîëíåíèé (ñâûøå 20 ñõåì). · · · · · ·
Ñõåìà 10
Ñõåìà 71
Ñõåìà 61
Ñõåìà 62
ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÊÐÓÝ
Çíà÷åíèÿ íîìèíàëüíûõ ïàðàìåòðîâ Íàïðÿæåíèå Íàèáîëüøåå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå Èìïóëüñíîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ÷àñòîòû 50 Ãö, 1 ìèí. Òîê êàáåëüíîãî ïðèñîåäèíåíèÿ Òîê òðàíñôîðìàòîðíîãî ïðèñîåäèíåíèÿ Âêëþ÷àåìûé òîê ÊÇ:
ê ê ê ê À À
12 7,2 75 28
äëÿ êàáåëüíîãî ïðèñîåäèíåíèÿ äëÿ òðàíñôîðìàòîðíîãî ïðèñîåäèíåíèÿ Êðàòêîâðåìåííûé òîê, 1 ñ Èçîëÿöèîííàÿ è äóãîãàñÿùàÿ ñðåäà, äàâëåíèå Òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû:
êÀ êÀ êÀ SF6 °Ñ
52 25 21 0,5 áàð Îò -40 äî +70
Ðàçìåðû òèïîâ ÿ÷ååê, ìì Øèðèíà Ãëóáèíà Âûñîòà
Ñõåìà 10 800 800 1760
Ñõåìà 71 1170 800 1760
356
Ñõåìà 61 1660 800 1760
24 12 125 50 400/630 200
Ñõåìà 62 1660 800 1760
ÊÐÓÝ ÒÈÏA 8DH10
ÊÐÓÝ ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ïðèìåíåíèÿ â êà÷åñòâå ââîäíûõ, ñåêöèîííûõ è ôèäåðíûõ ÿ÷ååê â ðàñïðåäåëèòåëüíûõ ïîäcòàíöèÿõ ñðåäíåé ìîùíîñòè ïðîìûøëåííûõ è ýíåðãåòè÷åñêèõ ïðåäïðèÿòèé â ðàéîíàõ ñ ïîâûøåííîé çàïûë¸ííîñòüþ, ñåðòèôèöèðîâàíî â Ðîññèè. Âûïîëíåíî â ìåòàëëè÷åñêîì êîðïóñå ñ çàïîëíåííûì ýëåãàçîì ãåðìåòè÷íûì ðåçåðâóàðîì ñ ñèëîâûìè âûêëþ÷àòåëÿìèè âûêëþ÷àòåëÿìè íàãðóçêè. Ïðèìåð êîìïàíîâêè
ß÷åéêà ñ ñèëîâûì âûêëþ÷àòåëåì
ß÷åéêà ñ âûêëþ÷àòåëåì íàãðóçêè
Òðàíñôîðìàòîðíàÿ ÿ÷åéêà
ß÷åéêà ñåêöèîííîãî âûêëþ÷àòåëÿ
Îòëè÷èòåëüíûå îñîáåííîñòè: · íå òðåáóåò íèêàêîãî òåõíè÷åñêîãî îáñëóæèâàíèÿ; · óõîäà â òå÷åíèå âñåãî ñðîêà ñëóæáû íå ìåíåå 25 ëåò; · ìèíèìàëüíàÿ ïîòðåáíîñòü â çàíèìàåìîé ïëîùàäè; · ðåàëèçîâàíà ïîëíàÿ íåäîñòóïíîñòü ê òîêîâåäóùèì ÷àñòÿì ïîä íàïðÿæåíèåì; · âîçìîæíîñòü óñòàíîâêè èçìåðèòåëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà è íàïðÿæåíèÿ, êàê íà ñáîðíûõ øèíàõ, òàê è íà ïðèñîåäèíåíèÿõ; · îòñóòñòâèå çàâèñèìîñòè îò êëèìàòè÷åñêèõ ôàêòîðîâ â ïðåäåëàõ ýêñïëóàòàöèîííûõ òåìïåðà -5 +55 °Ñ; · ïðîñòîòà â ìîíòàæå, îòñóòñòâèå êàêèõëèáî ðàáîò ñ ýëåãàçîì.
ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå, ê Íàèáîëüøåå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà òîêà, Ãö Íîìèíàëüíîå èìïóëüñíîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ÷àñòîòîé 50 Ãö,1 ìèí, ê Íîìèíàëüíûé òîê ñáîðíîé øèíû, À Íîìèíàëüíûé òîê ââîäíîé ÿ÷åéêè, À Íîìèíàëüíûé òîê îòõîäÿùåé êàáåëüíîé ëèíèè, À Íîìèíàëüíûé òîê òðàíñôîðìàòîðíîãî ôèäåðà, À Íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ ïðè ÊÇ, êÀ Íîìèíàëüíûé êðàòêîâðåìåííûé òîê 1 ñ, êÀ Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ ïðè ÊÇ, êÀ Èçîëÿöèîííàÿ è äóãîãàñÿùàÿ ñðåäà, äàâëåíèå SF6, êã/ñì2 Íîìèíàëüíîå óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå äëÿ ïðèâîäîâ,  Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÿ÷ååê, ìì: ß÷åéêà êàáåëüíûõ ëèíèé (øèðèíà) ß÷åéêà ñ âàêóóìíûì âûêëþ÷àòåëåì(øèðèíà) ß÷åéêà òðàíñôîðìàòîðíàÿ ñ ïðåäîõðàíèòåëåì(øèðèíà) ß÷åéêà ñåêöèîííàÿ(øèðèíà) Áîêîâàÿ ñòåíêà (íà êàæäóþ ñòîðîíó ðàñïðåäóñòðîéñòâà, øèðèíà) Âûñîòà ÿ÷ååê (áåç îòñåêà íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ) Âûñîòà ÿ÷åéêè ñ îòñåêîì íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ Ãëóáèíà ÿ÷ååê Ðàññòîÿíèå äî ñòåíêè ïîìåùåíèÿ (ñçàäè è ïî áîêàì)
357
24 10 50 125 50 630 630 400/630 200 50 21 25 0,5 ~220; =220
350 500 500 500 10 1400 2000 730 50
ÊÐÓ ÒÈÏÀ 8DC11
ÊÐÓÝ çàâîäñêîé ãîòîâíîñòè âûïîëíåíî â çàêðûòîì ìåòàëëè÷åñêîì êîðïóñå ñ ðåçåðâóàðîì, çàïîëíåííûì ýëåãàçîì (SF6) è ñòàöèîíàðíî óñòàíîâëåííûìè ñèëîâûìè âûêëþ÷àòåëÿìè è ðàçúåäèíèòåëÿì-çàçåìëèòåëÿìè ïðîøëî òèïîâûå èñïûòàíèÿ è ñåðòèôèöèðîâàíî â Ðîññèè. Ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ âíóòðåííåé óñòàíîâêè â ïîìåùåíèÿõ. Õàðàêòåðíûå ïðèçíàêè: · ïîëíîå îòñóòñòâèå íåîáõîäèìîñòè â òåõíè÷åñêîì óõîäà â òå÷åíèå âñåãî ñðîêà ýêñïëóàòàöèè íå ìåíåå 25 ëåò; · ïðîñòîòà è óäîáñòâî â îáñëóæèâàíèè; · øèðîêèå âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ ÊÐÓÝ çà ñ÷¸ò ìíîãîîáðàçèÿ òèïîèñïîëíåíèé ÿ÷ååê; · ìèíèìàëüíàÿ ïîòðåáíîñòü â çàíèìàåìîé ïëîùàäè; · âîçìîæíîñòü óñòàíîâêè èçìåðèòåëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà è íàïðÿæåíèÿ êàê íà ñáîðíûõ øèíàõ, òàê è íà ïðèñîåäèíåíèè â êàæäîé ÿ÷åéêå; · îòñóòñòâèå çàâèñèìîñòè îò êëèìàòè÷åñêèõ ôàêòîðîâ â ïðåäåëàõ ýêñïëóàòàöèîííîãî äèàïàçîíà òåìïåðàòóð îò -5 äî +55 °Ñ; · ïðîñòîòà â ìîíòàæå, îòñóòñòâèå êàêèõ-ëèáî ðàáîò ñ ýëåãàçîì. ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ
Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå
12 êÂ
24 êÂ
Íàèáîëüøåå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå
7,2 êÂ
12 êÂ
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ÷àñòîòîé 50 Ãö, 1 ìèí
28 êÂ
50 êÂ
Èìïóëüñíîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå
75 êÂ
125 êÂ
Íîìèíàëüíûé òîê ñáîðíûõ øèí
1250 À
Íîìèíàëüíûé òîê ââîäíîé ÿ÷åéêè
1250 À
Íîìèíàëüíûé òîê îòõîäÿùèõ ôèäåðîâ
630, 800, 1250 À
Íîìèíàëüíûé òîê ñåêöèîííîé ÿ÷åéêè
1250 À
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ ïðè ÊÇ
16, 20, 25 êÀ
Íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ ïðè ÊÇ
50 êÀ
Êðàòêîâðåìåííûé òîê 3 ñ
25 êÀ
Òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû ïåðâè÷íûå öåïè
îò -5 äî +55 °C
âòîðè÷íîé öåïè*
îò -5 äî +70 °C
Ñòåïåíü çàùèòû
IP65/IP3XD
Óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå äëÿ ïðèâîäîâ
~220 Â; =220 Â
Óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå äëÿ ïðèáîðîâ çàùèòû
~220 Â; =220 Â
Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÿ÷ååê, ìì: øèðèíà
600 ìì
ãëóáèíà
1225 ìì
âûñîòà
2250 ìì
* Ñ ìåñòíûì îáîãðåâîì íèçêîâîëüòíîãî îòñåêà
358
ÊÐÓÝ ÒÈÏA NXPLUS
ÊÐÓÝ äëÿ âíóòðåííåé óñòàíîâêè cî ñòàöèîíàðíî óñòàíîâëåííûìè âàêóóìíûìè âûêëþ÷àòåëÿìè è ðàçúåäèíèòåëÿìèçàçåìëèòåëÿìè íà íàïðÿæåíèå 635 êÂ.
Âíåøíèé âèä è ðàçðåç ÊÐÓÝ òèïà NXPLUS
Îòëè÷èòåëüíûå îñîáåííîñòè: · ïîëíîå îòñóòñòâèå íåîáõîäèìîñòè â òåõíè÷åñêîì óõîäå çà ñðîê ýêñïëóàòàöèè íå ìåíåå 25 ëåò; · ïîëíàÿ çàùèòà îò ïðèêîñíîâåíèÿ ê òîêîâåäóùèì ÷àñòÿì çàêðûòûì ìåòàëëè÷åñêèì êîðïóñîì; · öåëüíîñâàðíûå ðåçåðâóàðû, çàïîëíåííûå ýëåãàçîì; · ïîëíîñòüþ èçîëèðîâàííûå ñáîðíûå øèí; · ìèíèìàëüíàÿ ïîòðåáíîñòü â çàíèìàåìîé ïëîùàäè; · âîçìîæíîñòü ïîñòàâêè â âèäå åäèíè÷íûõ ÿ÷ååê èëè áëîêîâ; · ïðîñòîòà â ìîíòàæå, îòñóòñòâèå êàêèõ-ëèáî ðàáîò ýëåãàçîì; · îòñóòñòâèå çàâèñèìîñòè îò êëèìàòè÷åñêèõ ôàêòîðîâ â ïðåäåëàõ ýêñïëóàòàöèîííûõ òåìïåðàòóð -5 +55 °Ñ ; · øèðîêèå âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ ÊÐÓÝ çà ñ÷¸ò ìíîãîîáðàçèÿ òèïîèñïîëíåíèé ÿ÷ååê; · âîçìîæíîñòü óñòàíîâêè èçìåðèòåëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà è íàïðÿæåíèÿ êàê íà ñáîðíûõ øèíàõ, òàê è íà ïðèñîåäèíåíèè â êàæäîé ÿ÷åéêå ñ ñèëîâûì âûêëþ÷àòåëÿì.
ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ
Êëàññ íàïðÿæåíèÿ
24 êÂ
36 êÂ
Íàèáîëüøåå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå
12 êÂ
40.5 êÂ
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ÷àñòîòîé 50 Ãö, 1 ìèí
42 êÂ
85 êÂ
Èìïóëüñíîå èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå
95 êÂ
185 êÂ
Íîìèíàëüíûé òîê ñáîðíûõ øèí
2500 À
Íîìèíàëüíûé òîê ââîäíîé ÿ÷åéêè (ìàêñ.)
2500 À
Íîìèíàëüíûé òîê îòõîäÿùèõ ôèäåðîâ (ìàêñ.)
2500 À
Íîìèíàëüíûé òîê ñåêöèîííîé ÿ÷åéêè (ìàêñ.)
2500 À
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ ïðè ÊÇ (ìàêñ.)
31.5 êÀ
Íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ ïðè ÊÇ (ìàêñ.)
80 êÀ
Êðàòêîâðåìåííûé òîê 3 ñ (ìàêñ.)
31.5 êÀ
Òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû ïåðâè÷íûå öåïè
îò -5 äî +55 °Ñ
âòîðè÷íûå öåïè
îò -5 äî +70 °Ñ
Ñòåïåíü çàùèòû
IP65/IP3XD
Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÿ÷ååê øèðèíà
600 ìì
ãëóáèíà
1600 ìì
âûñîòà
2250 ìì
359
ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÛ Ñ ËÈÒÎÉ ÈÇÎËßÖÈÅÉ ÑÅÐÈÈ GEAFOL® Òðàíñôîðìàòîðû ìîùíîñòüþ 1002500 ê À ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ âíóòðåííåé óñòàíîâêè è èìåþò ñëåäóþùèå îñîáåííîñòè êîíñòðóêöèè: 1. Òð¸õñòåðæíåâîé ñåðäå÷íèê íàáèðàåòñÿ èç ñòðóêòóðíîîðèåíòèðîâàííûõ ýëåêòðîïëàñòèí, ñ íèçêèìè ïîòåðÿìè, èçîëèðîâàííûõ ñ îáåèõ ñòîðîí. 2. Îáìîòêà íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ íàáèðàåòñÿ èç àëþìèíèåâîé ïîëîñû. Âèòêè æ¸ñòêî ñêëåèâàþòñÿ âìåñòå ïîñðåäñòâîì øèðîêîïîëîñíîãî èçîëèðóþùåãî ìàòåðèàëà. 3. Îáìîòêà âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ ñîñòîèò èç îáðàáîòàííûõ â âàêóóìå îòäåëüíûõ îáìîòîê èç àëþìèíèåâîé ôîëüãè. 4. Ââîäû íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ îáû÷íî ñâåðõó (ñïåöèàëüíàÿ îïöèÿ ñíèçó). 5. Ââîäû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ. Âûñîêîâîëüòíûå îòïàéêè óñòàíîâëåíû íà íèçêîâîëüòíîé ñòîðîíå äëÿ ðåãóëèðîâàíèÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ õàðàêòåðèñòèêàìè ñèñòåìû, ïåðåêëþ÷àþòñÿ â îòêëþ÷¸ííîì ñîñòîÿíèè òðàíñôîðìàòîðà. 6. Ýëàñòè÷íûå ðàñïîðêè èçîëèðóþò ñåðäå÷íèê è îáìîòêè îò ìåõàíè÷åñêèõ êîëåáàíèé è îáåñïå÷èâàþò ýôôåêòèâíîå ïîäàâëåíèå øóìîâ. 7. Îïîðíàÿ ðàìà è ïëàòôîðìà. Ðîëèêè ìîãóò ïîâîðà÷èâàòüñÿ âîêðóã âåðòèêàëüíîé îñè äëÿ òðàíñïîðòèðîâêè òðàíñôîðìàòîðà â ïðîäîëüíîì èëè ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè. 8. Èçîëÿöèÿ: ñìåñü ýïîêñèäíîé ñìîëû è êâàðöåâîãî ïîðîøêà. Îáåñïå÷èâàåò íåîáñëóæèâàåìîñòü, âëàãîíåïðîíèöàåìîñòü, ïîæàðîïðî÷íîñòü, ñàìîïîãàøàåìîñòü òðàíñôîðìàòîðà, äà¸ò âîçìîæíîñòü ðàáîòû â òðîïè÷åñêèõ óñëîâèÿõ. ÏÐÈÌÅÐÛ ÊÐÀÒÊÈÕ ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÄÀÍÍÛÕ ÍÀ ÒÐÀÍÑÔÎÐÌÀÒÎÐÛ ÑÎ ÇÍÀ×ÅÍÈßÌÈ ÍÎÌÈÍÀËÜÍÛÕ ÌÎÙÍÎÑÒÅÉ 630 È 1000 Ê À
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
·
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
Íîìèíàëüíàÿ ìîùíîñòü, ê À Âûñøàÿ ñòîðîíà (ÂÍ), ê Íèçøàÿ ñòîðîíà (ÍÍ), ê Ãðóïïà âêëþ÷åíèÿ îáìîòîê Ñòåïåíü çàùèò Òèï îõëàæäåíèÿ Êëèìàòè÷åñêàÿ êàòåãîðèÿ Êëàññ îêðóæàþùåé ñðåäû Êëàññ ïîæàðîáåçîïàñíîñòè Òèï óñòàíîâêè Âûñîòà óñòàíîâêè, äî ì Òåìïåðàòóðà ïîìåùåíèÿ, °C Íàãðåâ ïî ñòîðîíå ÂÍ, K Íàãðåâ ïî ñòîðîíå ÍÍ, K Êëàññ èçîëÿöèè ÂÍ Êëàññ èçîëÿöèè ÍÍ ×àñòîòà òîêà, Ãö Ïîòåðè õ.õ., Âò Âûâîäû ÂÍ % Óðîâåíü øóìà, Äá Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû, ìì: äëèíà õ øèðèíà õ âûñîòà ðàññòîÿíèå ìåæäó îïîðíûìè ðîëèêàìè Ìàññà, êã
360
630 10 0,4 Dyn11 IP00 (áåç êîæóõà) AN (åñòåñòâåííîå) Ñ2 Å2 F1 Âíóòðåííÿÿ 1000 40 100 100 F F 50 1370 +2*2,5 -2*2,5 70
1000 10 0,4 Dyn11 IP00 (áåç êîæóõà) AN (åñòåñòâåííîå) Ñ2 Å2 F1 Âíóòðåííÿÿ 1000 40 100 100 F F 50 2000 +2*2,5 -2*2,5 73
1520´835´1300 820 1660
162´990´1570 820 2410
ÝËÅÊÒÐÎÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÅ ÂÛÑÎÊÎÃÎ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß 110500ê ÂÛÑÎÊÎÂÎËÜÒÍÛÉ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÜ 3ÀÐ1 FG145
Ýëåãàçîâûé êîëîíêîâûé âûêëþ÷àòåëü òèïà 3ÀÐ1 FG145 äëÿ ñåòåé 110êÂ, 3150À, 31,5êÀ äëÿ íàðóæíîé óñòàíîâêè äî ìèíóñ 40 °C ñ ïðóæèííûì ïðèâîäîì. Âûêëþ÷àòåëü ñåðòèôèöèðîâàí äëÿ Ðîññèè. Äâà âûêëþ÷àòåëÿ ýêñïëóàòèðóþòñÿ â Ìîñýíåðãî è Ïåðìüýíåðãî ñ àâãóñòà 1998 ã. ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ Êîëè÷åñòâî äóãîãàñèòåëüíûõ ðàçðûâîâ íà ôàçó Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå, ê Âûäåðæèâàåìîå íàïðÿæåíèå(1ìèí), ê Ãðîçîâîå èìïóëüñíîå íàïðÿæåíèå 1,2/50 ìêñ, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À Íîìèíàëüíûé óäàðíûé òîê, êÀ Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ Íîìèíàëüíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü êîììóòàöèé:
1 145 230 550 3150 100 31,5 Î-0,3ñ-ÂÎ-3ìèí-ÂÎ èëè ÂÎ-15 ñ ÂÎ 55 60 50 òðåõôàçíûé 60250 60250 120240 800
Âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ ,ìàêñ, ìñ Âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìàêñ, ìñ ×àñòîòà òîêà, Ãö Ïðóæèííûé ïðèâîä Óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå,  ïîñò Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå ýëåêòðîäâèãàòåëÿ,  ïîñò  50Ãö Íîìèíàëüíàÿ ìîùíîñòü ýëåêòðîäâèãàòåëÿ, Âò Êîíñòðóêòèâíûå äàííûå áàçîâîãî èñïîëíåíèÿ: Ìèíèìàëüíîå ðàññòîÿíèå ôàçà/çåìëÿ, ìì Äëèíà ïóòè óòå÷êè, ìì Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû, ìì: âûñîòà, øèðèíà ãëóáèíà Ðàññòîÿíèå ìåæäó ôàçàìè, ìì Ìàññà âûêëþ÷àòåëÿ, êã Ðåâèçèÿ ïîñëå, ëåò
1250 1200 3300 3900 660 1700 1500 20
ÂÛÑÎÊÎÂÎËÜÒÍÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ 3AP1DT
Ýëåãàçîâûé áàêîâûé âûêëþ÷àòåëü òèïà 3AP1DT-145 äëÿ ñåòåé 110êÂ, 3150À, 40êÀ äëÿ íàðóæíîé óñòàíîâêè äî ìèíóñ 50°C ñ ïðóæèííûì ïðèâîäîì è âñòðîåííûìè òðàíñôîðìàòîðàìè òîêà. Ýëåãàçîâûé áàêîâûé âûêëþ÷àòåëü òèïà 3AP1DT-245 äëÿ ñåòåé 220êÂ, 3150À, 50êÀ äëÿ íàðóæíîé óñòàíîâêè äî ìèíóñ 50°C ñ ïðóæèííûì ïðèâîäîì è âñòðîåííûìè òðàíñôîðìàòîðàìè òîêà. ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ 3AP1DT-145 Êîëè÷åñòâî äóãîãàñèòåëüíûõ ðàçðûâîâ íà ôàçó Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå, ê Âûäåðæèâàåìîå íàïðÿæåíèå(1ìèí), ê Ãðîçîâîå èìïóëüñíîå íàïðÿæåíèå 1,2/50 ìêñ, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À Íîìèíàëüíûé óäàðíûé òîê, êÀ Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ Íîìèíàëüíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü êîììóòàöèé:
1 145 230 550 3150 100 40 Î-0,3ñ-ÂÎ-3ìèí-ÂÎ èëè ÂÎ-15 ñ ÂÎ
361
Ïîäñòàíöèÿ Íîâî-Êîñèíî â Ìîñêâå
Âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ, ìàêñ, ìñ Âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìàêñ, ìñ ×àñòîòà òîêà, Ãö Ïðóæèííûé ïðèâîä: Óïðàâëÿþùåå íàïðÿæåíèå,  ïîñò Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå ýëåêòðîäâèãàòåëÿ,  ïîñò  50Ãö Íîìèíàëüíàÿ ìîùíîñòü ýëåêòðîäâèãàòåëÿ, Âò Êîíñòðóêòèâíûå äàííûå áàçîâîãî èñïîëíåíèÿ Ìèíèìàëüíîå ðàññòîÿíèå ôàçà/çåìëÿ, ìì Äëèíà ïóòè óòå÷êè, ìì Ðàçìåðû, ìì: âûñîòà øèðèíà ãëóáèíà Ðàññòîÿíèå ìåæäó ôàçàìè, ìì Ìàññà âûêëþ÷àòåëÿ, êã Ðåâèçèÿ ïîñëå, ëåò
58 60 50 60250 60250 120240 800 1178 2489 4118 3900 1676 1576 3266 20
ÑÂÅÐÕÂÛÑÎÊÎÂÎËÜÒÍÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ ÐÀÇËÈ×ÍÛÕ ÒÈÏÎÂ
Ýëåãàçîâûé êîëîíêîâûé âûêëþ÷àòåëü òèïà 3ÀÐ2 FI 362 äëÿ ñåòåé 330êÂ, 3150À, 40êÀ äëÿ íàðóæíîé óñòàíîâêè äî ìèíóñ 40°C ñ ïðóæèííûì ïðèâîäîì.
Ýëåãàçîâûé áàêîâûé âûêëþ÷àòåëü òèïà 3AT2DT-550 äëÿ ñåòåé 500êÂ, 3150À, 50êÀ äëÿ íàðóæíîé óñòàíîâêè äî ìèíóñ 50°C ñ ãèäðàâëè÷åñêèì ïðèâîäîì è âñòðîåííûìè òðàíñôîðìàòîðàìè òîêà.
Ýëåãàçîâûé êîëîíêîâûé âûêëþ÷àòåëü òèïà 3AT2-550 äëÿ ñåòåé 500ê ,3150À, 40êÀ äëÿ íàðóæíîé óñòàíîâêè äî ìèíóñ 40°C ñ ãèäðàâëè÷åñêèì ïðèâîäîì.
362
ÎÃÐÀÍÈ×ÈÒÅËÈ ÏÅÐÅÍÀÏÐßÆÅÍÈÉ ÎÊÑÈÄÍÎÖÈÍÊÎÂÛÅ ÎÏÍ òèïà 3ÅÊ7 äëÿ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ ñåòåé 6...35 ê Ìàêñèìàëüíîå äëèòåëüíîå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé îòâîäèìûé òîê, êÀ Òîê ïðÿìîóãîëüíûé ôîðìû, A Êîðïóñ Âûñîòà, ìì Ìàññà, êã
36 10 300 ïîëèìåðíûé 205 2,1
ÎÏÍ òèïà 3ÅQ1B äëÿ êàáåëüíûõ ñåòåé, ê Ìàêñèìàëüíîå äëèòåëüíîå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé îòâîäèìûé òîê, êÀ Òîê ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû, À Êîðïóñ Âûñîòà, ìì Ìàññà, êã
ÎÏÍ òèïà 3ÅP2 äëÿ âûñîêîâîëüòíûõ ñåòåé, ê Íîìèíàëüíûé îòâîäèìûé òîê, êÀ Òîê ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû, À Êîðïóñ Ìàêñèìàëüíàÿ óñòîé÷èâîñòü ê òîêó ÊÇ, êÀ
ÎÏÍ òèïà 3ÅP3 äëÿ âûñîêîâîëüòíûõ ñåòåé, ê Íîìèíàëüíûé îòâîäèìûé òîê, êÀ Òîê ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû, À Êîðïóñ Ìàêñèìàëüíàÿ óñòîé÷èâîñòü ê òîêó ÊÇ, êÀ
363
610 11 20 1200 ïîëèìåðíûé 296 8
110330 10/20 1200 ôàðôîðîâûé 50/63
220750 20 3900 ôàðôîðîâûé 100
ÒÅÕÍÈÊÀ ÇÀÙÈÒÛ È ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ÔÈÐÌÛ ÑÈÌÅÍÑ
Ôèðìà Siemens îñóùåñòâëÿåò ðàçðàáîòêó è ïðîèçâîäñòâî:
§ Ìèêðîïðîöåññîðíûõ óñòðîéñòâ ðåëåéíîé çàùèòû è àâòîìàòèêè (ÌÏ ÐÇÀ);
§ Ìèêðîïðîöåññîðíûõ ñèñòåì óïðàâëåíèÿ ýíåðãîñíàáæåíèÿ (ÀÑÓ ýíåðãîñíàáæåíèÿ).
ÌÏ ÐÇÀ ôèðìû Siemens îòëè÷àþò ñëåäóþùèå îñîáåííîñòè: · óíèôèêàöèÿ è ìîäóëüíîñòü ïîñòðîåíèÿ ïðîãðàììíî-àïïàðàòíûõ ñðåäñòâ, à èìåííî: ìîäóëüíîå êîíñòðóêòèâíîå èñïîëíåíèå è óíèôèöèðîâàííûé ìîíòàæ; åäèíàÿ êîíöåïöèÿ íàñòðîéêè è îáñëóæèâàíèÿ äëÿ âñåõ òèïîâ óñòðîéñòâ è, êàê ñëåäñòâèå, óíèôèöèðîâàííûé óäîáíûé ïîëüçîâàòåëüñêèé èíòåðôåéñ; óäîáíîå è äîñòóïíîå ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå äëÿ âûïîëíåíèÿ îáñëóæèâàíèÿ; èñïîëüçîâàíèå ñòàíäàðòíûõ êîììóíèêàöèîííûõ èíòåðôåéñîâ äëÿ ñâÿçè ñ ñèñòåìîé êîíòðîëÿ óïðàâëåíèÿ; · ïðåäëîæåíèå øèðîêîé ãàììû óñòðîéñòâ äëÿ âñåõ êëàññîâ íàïðÿæåíèÿ è òèïîâ çàùèùàåìîãî ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ; · ñðîê ýêñïëóàòàöèè óñòðîéñòâ, êàê ìèíèìóì 25 ëåò, âêëþ÷àþùèé âîçìîæíîñòü òåõíè÷åñêîé ïîääåðæêè ïðè ðàçâèòèè; · îáåñïå÷åíèå íàèâûñøèõ òðåáîâàíèé ê êà÷åñòâó ïðîäóêöèè è ñåðâèñíîìó îáñëóæèâàíèþ; · ïðîâåäåíèå îáó÷åíèÿ è ïåðåïîäãîòîâêè îáñëóæèâàþùåãî ïåðñîíàëà. ÊÎÌÁÈÍÈÐÎÂÀÍÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ ÐÇÀ È ÓÏÐÀÂËÅÍÈß ÏÐÈÑÎÅÄÈÍÅÍÈÅÌ SIPROTEC 4
SIPROTEC 4 - ñåðèÿ ìíîãîôóíêöèîíàëüíûõ óñòðîéñòâ ÐÇÀ è óïðàâëåíèÿ ïðèñîåäèíåíèåì, â êîòîðûõ îáúåäèíåíû ôóíêöèè ÐÇÀ è óïðàâëåíèÿ ïðèñîåäèíåíèåì â îäíîì ìíîãîôóíêöèîíàëüíîì óñòðîéñòâå ñ íîâîé àïïàðàòíîé ïëàòôîðìîé íà áàçå ìèêðîïðîöåññîðîâ ôèðìû «Motorola», øèðîêèìè êîììóíèêàöèîííûìè âîçìîæíîñòÿìè è ýðãîíîìè÷íûì óíèôèöèðîâàííûì ïîëüçîâàòåëüñêèì èíòåðôåéñîì (ñâåòîäèîäíàÿ ñèãíàëèçàöèÿ, ÷åòûð¸õñòðî÷íûé èëè ãðàôè÷åñêèé îñâåùåííûé äèñïëåé, ôóíöèîíàëüíûå êëàâèøè), îáåñïå÷èâàþùàÿ ãèáêèé âûáîð òðåáóåìîãî ïîëüçîâàòåëþ óñòðîéñòâà ñ îïòèìàëüíîé ïî çàòðàòàì àïïàðàòíîé êîíôèãóðàöèåé. Ñ ïîìîùüþ äàííîãî äèñïëåÿ âîçìîæåí îäíîâðåìåííûé ïîêàç íåñêîëüêèõ èçìåðèòåëüíûõ âåëè÷èí è ìíåìîñõåì. Ïðåäëàãàåòñÿ êîíñòðóêòèâíîå èñïîëíåíèå óñòðîéñòâ êàê äëÿ íàâåñíîãî ìîíòàæà íà ðåëåéíîé ïàíåëè, òàê è äëÿ âñòðàèâàíèÿ â øêàô/ïàíåëü. Ïðèìåíåíèå ñàìîé ñîâðåìåííîé ýëåìåíòíîé áàçû, òåõíîëîãèé ðàçðàáîòêè è ïðîèçâîäñòâà ïîçâîëèëî ðåàëèçîâàòü â íîâîé ñåðèè ÌÏ ÐÇÀ ïîâûøåííûå òðåáîâàíèÿ ïî óñòîé÷èâîñòè ê ýëåê-òðîìàãíèòíûì âîçäåéñòâèÿì è îáåñïå÷èòü áîëåå øèðîêèé òåìïåðàòóðíûé äèàïàçîí. Ïðè ðàçðàáîêå ñåðèè çàëîæåíû ïåðñïåêòèâíûå âîçìîæíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ íåòðàäèöèîííûõ èçìåðèòåëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ îïòîýëåêòðîííûå ÒÒ è ÒÍ. Äëÿ ðåàëèçàöèè êîììóíèêàöèé ìåæäó óñòðîéñòâàìè ÌÏ ÐÇÀ è êîîðäèíèðóþùèì ÿäðîì ñèñòåìû êîíòðîëÿ óïðàâëåíèÿ (ÀÑÓ ÒÏ) èñïîëüçóåòñÿ ñòàíäàðòíûé ïðîòîêîë ÌÝÊ: IEC 60870-5-103, êîòîðûé ïîääåðæèâàåòñÿ âñåìè âåäóùèìè ïðîèçâîäèòåëÿìè òåõíèêè óïðàâëåíèÿ è ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü óñòðîéñòâà ÌÏ ÐÇÀ ðàçëè÷íûõ ïðîèçâîäèòåëåé â ñîñòàâå åäèíîé ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ. Ïðè ðàçðàáîòêå óñòðîéñòâ SIPROTEC 4 òàêæå îñîáîå âíèìàíèå óäåëÿëîñü èñïîëüçîâàíèþ êîììóíèêàöèîííûõ ñòàíäàðòîâ. Ôèðìà Siemens ôîðñèðóåò èñïîëüçîâàíèå øèíû äàííûõ Profibus â îáëàñòè àâòîìàòèçàöèè îáúåêòîâ ýëåêòðîýíåðãåòèêè, ÷òî ïîçâîëÿåò óâåëè÷èòü ñêîðîñòü ïåðå-äà÷è äàííûõ îò óñòðîéñòâ ÌÏ ÐÇÀ äî 1.5 ÌÁîä (Profibus FMS) è îò äðóãèõ óñòðîéñòâ äî 12 ÌÁîä (Profibus DP).  SIPROTEC 4 ðåàëèçîâàí ìîäóëüíûé ïðèíöèï îðãàíèçàöèè êîììóíèêàöèîííûõ èíòåðôåé-ñîâ, êîòîðûé ïîçâîëÿåò ãèáêî âñòðàèâàòü óñòðîéñòâà ÌÏ ÐÇÀ â ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñ ðàçëè÷íîé àðõèòåêòóðîé è êîììóíèêàöèîííûìè ïðîòîêîëàìè. Íàðÿäó ñî ñòàíäàðòàìè IEC 60870-5-103 è Profibus, óñòðîéñòâà SIPROTEC 4 ïîääåðæèâàþò òàêèå ïðîòîêîëû êàê DNP.3, Ethernet èëè Modbus.
364
ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÛÅ ÑÈÑÒÅÌÛ ÊÎÍÒÐÎËß È ÓÏÐÀÂËÅÍÈß Ñ ÎÒÊÐÛÒÎÉ ÀÐÕÈÒÅÊÒÓÐÎÉ È ÑÒÀÍÄÀÐÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÛÌÈ ÊÎÌÌÓÍÈÊÀÖÈßÌÈ
Äëÿ ýôôåêòèâíîãî ðåøåíèÿ øèðîêîãî ñïåêòðà çàäà÷ àâòîìàòèçàöèè óïðàâëåíèÿ â ýëåêòðî-ýíåðãåòèêå íà áàçå ïðîãðàììíî-òåõíè÷åñêèõ êîìïëåêñîâ (ÏÒÊ) ñ îòêðûòîé àðõèòåêòóðîé è ñòàíäàðòèçèðîâàííûìè êîììóíèêàöèÿìè ôèðìà Siemens ïðåäëàãàåò êîìïëåêñíóþ ñèñòåìó àâòîìàòèçàöèè SICAM, êîòîðàÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñîâîêóïíîñòü òðåõ, âûäåëÿåìûõ ïî ôóíêöèîíàëüíîìó íàçíà÷åíèþ, êîìïîíåíò-ïîäñèñòåì: SICAM SAS, SICAM RTU, SICAM PCC.  çàâèñèìîñòè îò êîíêðåòíîãî ñîñòàâà è îáúåìà çàäà÷ àâòîìàòèçàöèè óïðàâëåíèÿ ïðè ïðîèçâîäñòâå, ïåðåäà÷å è ðàñïðåäåëåíèè ýëåêòðîýíåðãèè, ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ îäíà èç ïîäñèñòåì èëè èõ ñî÷åòàíèå, ÷åì äîñòèãàåòñÿ ýôôåêòèâíîñòü ïðèìåíåíèÿ ñèñòåìû SICAM, çà ñ÷åò ãèáêîñòè ïîñòðîåíèÿ, âîçìîæíîñòè ïîýòàïíîé ìîäåðíèçàöèè è íàðàùèâàåìîñòè, îïòèìèçàöèè çàòðàò íà ñîçäàíèå ÀÑÓ ÒÏ. Øèðîêèå êîììóíèêàöèîííûå âîçìîæíîñòè óñòðîéñòâ SIPROTEC 4 ñîçäàþò ïðåäïîñûëêè äëÿ ïîñòðîåíèÿ ñèñòåì ñ îòêðûòîé àðõèòåêòóðîé íà áàçå ñòàíäàðòíîé îáúåêòíîé øèíû äàííûõ. Íîâûé áàçîâûé ÏÒÊ ôèðìû Siemens äëÿ ñîçäàíèÿ ñèñòåì êîíòðîëÿ è óïðàâëåíèÿ (ÀÑÓ ÒÏ) ýíåðãîîáúåêòîâ â ýëåêòðîýíåðãåòèêå SICAM SAS, ÿâëÿåòñÿ ëîãè÷åñêèì ïðîäîëæåíèåì ìèêðîïðîöåññîðíîé ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ SINAUT LSA è ñòðîèòñÿ íà èñïîëüçîâàíèè øèðîêî ðàñïðîñòðàí¸ííûõ è îïðîáîâàííûõ ïðîäóêòîâ è ñðåäñòâ, êàê â ÷àñòè êîììóíèêàöèé ñòàíäàðòû Profibus è IEC 60870-5-103, òàê è â ÷àñòè ïîëüçîâàòåëüñêîãî è èíñòðóìåíòàëüíîãî ÏÎ èç îáëàñòè àâòîìàòèçàöèè ïðîìûøëåííûõ ïðîöåññîâ WinCC; PlusTOOLS, Step7, ÷òî ñîêðàùàåò çàòðàòû íà ñîçäàíèå è ýêñïëóàòàöèþ ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ, ïîâûøàåò íàä¸æíîñòü è óäîáñòâî ðàáîòû ïåðñîíàëà. Öåíòðàëüíîå óñòðîéñòâî (ÖÓ) óïðàâëåíèÿ ÏÒÊ SICAM SAS (SICAM SC) êîíñòðóêòèâíî è ïðîãðàììíîàïïàðàòíî ñòðîèòñÿ íà êîìïîíåíòàõ ñèñòåìû SIMATIC è ðàñïîëàãàåò âîçìîæíîñòÿìè ñâÿçè ñ äèñïåò÷åðñêèì óðîâíåì óïðàâëåíèÿ ïî ïðîòîêîëó òåëåìåõàíèêè, ìîæåò áûòü ïîäêëþ÷åí â ëîêàëüíóþ âû÷èñëèòåëüíóþ ñåòü (LAN Industrial Ethernet) è ðàáîòàòü â ñðåäå «Ñåðâåð Êëèåíò». Îðãàíèçàöèÿ ÀÐÌ îïåðàòèâíîãî ïåðñîíàëà âûïîëíÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììû ïîëíîãðàôè÷åñ-êîé âèçóàëèçàöèè è óïðàâëåíèÿ SICAM WinCC. Âîçìîæíà îðãàíèçàöèÿ öåíòðàëèçîâàííîé íàñòðîéêè è îáñëóæèâàíèÿ óñòðîéñòâ ÌÏ ÐÇÀ è êîìáèíèðîâàííûõ óñòðîéñòâ ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììû DIGSI 4 è ÷åðåç îáúåêòíóþ øèíó äàííûõ. Íàðÿäó ñ ýòèì, óñòðîéñòâà SIPROTEC 4 ïîçâîëÿþò îðãàíèçîâàòü óäàëåííîå îáñëóæèâàíèå ÷åðåç ìîäåì, ïîäêëþ÷àåìûé ê ñîîòâåòñòâóþùåìó ïîñëåäîâàòåëüíîìó ïîðòó óñòðîéñòâà. Ñîñòàâ óñòðîéñòâ íèæíåãî óðîâíÿ óïðàâëåíèÿ ÏÒÊ SICAM SAS ìîæåò áûòü ðàñøèðåí çà ñ÷åò ïîäêëþ÷åíèÿ ïî ñòàíäàðòíûì ìåæäóíàðîäíûì ïðîòîêîëàì: ¨ óñòðîéñòâ ÌÏ ÐÇÀ ñåðèè V3 (êîììóíèêàöèè òèïà òî÷êà-òî÷êà ïî ñòàíäàðòíîìó ïðîòîêîëó ÌÝÊ: IEC 60870-5-103); ¨ óñòðîéñòâ ÌÏ ÐÇÀ äðóãèõ ïðîèçâîäèòåëåé; ¨ êîìïàêòíûõ óñòðîéñòâ ÐÇÀ (êîììóíèêàöèè ïî øèíå RS 485 è ñòàíäàðòíîìó ïðîòîêîëó ÌÝÊ: IEC 60870-5-103); ¨ óñòðîéñòâ è ñðåäñòâ àâòîìàòèçàöèè, êîòîðûå ïîääåðæèâàþò êîììóíèêàöèè ïî Profibus. SICAM RTU ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèñòåìó òåëåìåõàíèêè, îáåñïå÷èâàþùóþ âîçìîæíîñòü ðåøåíèÿ çàäà÷ àâòîìàòèçàöèè. Ïðè ýòîì â êà÷åñòâå öåíòðàëüíîãî óñòðîéñòâà, ïðè íåçíà÷èòåëüíûõ çàòðàòàõ íà ìîäåðíèçàöèþ, èñïîëüçóåòñÿ ÖÓ SICAM SC, êîòîðîå îñóùåñòâëÿåò ââîä/âûâîä çíà÷èòåëüíîãî îáúåìà äàííûõ (ñîîòâåòñòâóþùèå ìîäóëè ââîäà/âûâîäà). SICAM PCC ýòî ïðîãðàììíûé ïðîäóêò, èñïîëüçóþùèé ñîâðåìåííûå èíôîðìàöèîííûå òåõíîëîãèè äëÿ ïîñòðîåíèÿ èíòåãðèðîâàííûõ ñèñòåì äèñïåò÷åðñêîãî è òåõíîëîãè÷åñêîãî óïðàâëåíèÿ â ýëåêòðîýíåðãåòèêå. Áàçèðóÿñü íà òåõíîëîãèÿõ êîðïîðàòèâíîé ðàñïðåäåëåííîé èíôîðìàöèîííî-óïðàâëÿþùåé ñåòè (WAN) è ñîîòâåòñòâóþùåì ïðîãðàììíîì îáåñïå÷åíèè, SICAM PCC ïîçâîëÿåò îðãàíèçîâàòü ÷åðåç WAN âçàèìîäåéñòâèå ðàçëè÷íûõ ïîëüçîâàòåëåé/ ïîäñèñòåì àâòî-ìàòèçàöèè (â òîì ÷èñëå, SICAM SAS) ïî ñòàíäàðòíîìó ïðîòîêîëó ÌÝÊ: IEC 60870-6-TASE.2 (ICCP). SICAM PCC, êàê ôóíêöèîíàëüíî-ñàìîñòîÿòåëüíàÿ êîìïîíåíòà SICAM ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ êàê ýêîíîìè÷åñêè - îïòèìàëüíîå ðåøåíèå äëÿ ïîñòðîåíèÿ ñèñòåì äèñïåò÷åðñêîãî è òåõíîëîãè÷åñêîãî óïðàâëåíèÿ íà áàçå ÏÊ (áåç èñïîëüçîâàíèÿ óñòðîéñòâà SICAM SC) äëÿ áîëåå íèçêèõ óðîâíåé íàïðÿæåíèÿ.
365
Ñèñòåìà êîììåð÷åñêîãî ó÷åòà ýíåðãîðåñóðñîâ LandisGyr DGC2000 Ñèñòåìà DGC2000 ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ ìîäóëåé. Îñíîâíîé ìîäóëü íå çàâèñèò îò êîíêðåòíîãî ïðèìåíåíèÿ è îáúåäèíÿåò â ñåáå ñàìûå âàæíûå îñíîâíûå ôóíêöèè. Äîïîëíèòåëüíûå ìîäóëè ïîçâîëÿþò èíäèâèäóàëüíî íàñòðîèòü DGC2000 íà êîíêðåòíóþ ïðèêëàäíóþ çàäà÷ó.
Ðåãèîí 1 Ãðóïïà ïîòðåáèòåëåé À
C2000
C2000
Ðåãèîí 2 Ãðóïïà ïîòðåáèòåëåé À
ýëåêòðîýíåðãèÿ
ýëåêòðîýíåðãèÿ
X-òåðìèíàë
X-òåðìèíàë Ýìóëÿöèÿ
Êîììóòèðóåìûé êàíàë
Ïðèåìíèê òî÷íîãî âðåìåíè
Ìîäåì
Ñåðâåð
Ñ÷åò Ñåòü Êîììóòèðóåìûé êàíàë C2000
Ñåðâåð ïå÷àòè
Ãàç
Ìîäåì
DGC2000 îñóùåñòâëÿåò ñáîð ïîêàçàíèé ðåãèñòðîâ ñ÷åò÷èêîâ è äàí×Ì-Êàíàë Êàíàë ×Ì C2000 Ýëåêòðîýíåðãèÿ íûõ äëÿ ðàñ÷åòà çà ýíåðãèþ ïî ïðîòîêîëó STOM (ïîñëåäîâàòåëüíàÿ ïåðåäà÷à îðèãèíàëüíûõ ïîêàçàíèé ðåãèñòðîâ ñ÷åò÷èêîâ). Ñáîð äàííûõ ìîæåò ïðîèçâîäèòüñÿ ïî òàêèì ëèíèÿì ñâÿçè, êàê òåëåôîííàÿ ñåòü, âûäåëåííûå êàíàëû ñâÿçè, ÷àñòîòíî-ìîäóëèðóåìûå êàíàëû (×Ìêàíàëû), ïî ñèëîâûì âûñîêîâîëüòíûì ëèíèÿì ýëåêòðîïåðåäà÷è ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðîòîêîëîâ SCTM (ïîñëåäîâàòåëüíàÿ êîäèðîâàííàÿ òåëåìåòðèÿ) è IEC 870-5-102. Íàðÿäó ñ äàííûìè, ïîëó÷àåìûìè ïî êîììóíèêàöèîííûì ñåòÿì, ñèñòåìà DGC2000 ïîçâîëÿåò ñ÷èòûâàòü äàííûå íà ìåñòå. Îáìåí äàííûìè ñ äðóãèìè ñèñòåìàìè îñóùåñòâëÿåòñÿ â ôîðìàòå L&G, òåêñòîâîì ôîðìàòå èëè ïî çàïðîñàìè SQL íà óðîâíå áàçû äàííûõ ORACLE. Ïîëó÷àåìûå ñî ñ÷åò÷èêîâ äàííûå èñïîëüçóþòñÿ äëÿ ðàñ÷åòà ðàöèîíàëüíîãî ïîòðåáëåíèÿ ýíåðãèè, èññëåäîâàíèÿ ñèñòåìû òàðèôîâ, ïðîãíîçèðîâàíèÿ íàãðóçêè, óïðàâëåíèÿ òàðèôàìè, ñòàòèñòèêè è ïëàíèðîâàíèÿ ñåòåé è êîíñóëüòàöèè ïîòðåáèòåëåé.  ñî÷åòàíèè ñ ÎÑ UNIX DGC2000 îáðàçóåò îòêðûòóþ è ãîòîâóþ äëÿ ðàñøèðåíèÿ ñèñòåìó. DGC2000 ñèíõðîíèçèðóåò âñþ ñèñòåìó ó÷åòà ëèáî ïî ëîêàëüíîìó âðåìåíè, ëèáî åäèíîìó âðåìåíè îò ðàäèîïåðåäàò÷èêà DCF èëè ñïóòíèêà GPS.DGC2000 îáëàäàåò áîëüøèì íàáîðîì ôóíêöèé äëÿ ðàñ÷åòà áàëàíñà ýíåðãîñèñòåìû èëè ïðåäïðèÿòèÿ, ïîëó÷åíèè ðàñ÷åòíîé ìîùíîñòè, àíàëèçà ïðîôèëåé íàãðóçêè, âûðàáîòêè òàðèôíûõ ìîäåëåé, ñòàòèñòèêè ïîòðåáëåíèÿ è ïðîãíîçà íàãðóçêè. Ñèñòåìà DGC2000 èñïîëüçóåòñÿ äëÿ îðãàíèçàöèè ýíåðãîó÷åòà â ñåòÿõ ýëåêòðî-; âîäî-; ãàçîñíàáæåíèÿ è öåíòðàëüíîãî îòîïëåíèÿ. ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÎ ÑÁÎÐÀ, ÎÁÐÀÁÎÒÊÈ È ÏÅÐÅÄÀ×È ÄÀÍÍÛÕ LANDISGYR FAG10
Óíèâåðñàëüíûé ïðèáîð ñáîðà, îáðàáîòêè è ïåðåäà÷è äàííûõ LandisGyr FAG10 ïîçâîëÿåò ïðèíèìàòü îò ñ÷åò÷èêîâ ýíåðãèè ïîêàçàíèÿ ðåãèñòðîâ (èíòåðôåéñ STOM) è ñ÷åòíûå èìïóëüñû äëÿ ëîêàëüíîé îáðàáîòêè è äàëüíåéøåé ïåðåäà÷è íà âûøåñòîÿùèå öåíòðû äèñòàíöèîííîãî ó÷åòà. Óñòðîéñòâî FAG10 ïðèìåíÿåòñÿ â êà÷åñòâå òðàíñêîäåðà ïðè ïîëó÷åíèÿ äàííûõ èç ðåãèñòðîâ âûñîêîòî÷íûõ ñ÷åò÷èêîâ Z.U200/Z.V200 (êîíöåïöèÿ STOM). Ïðè ýòîì èñïîëüçóþòñÿ âõîäíûå ìîäóëè äëÿ ïîñëåäîâàòåëüíîãî îïðîñà ïîêàçàíèé ðåãèñòðîâ. Êàæäûé ìîäóëü èìååò 6 ëèíèé
Ïîêàçàíèÿ ñ÷åò÷èêîâ (STOM)
Èìïóëüñû DATAGYR FAG
DCF Intern
-- --
Ñåðâèñ Óñòðîéñòâî ïåðåäà÷è (JEIDA) - SRAM - FLASH EPROM
Äàííûå Ïàðàìåòðû
Ñâÿçü: äî 4 x RS 232Cäëÿ ìîäåìîâ / ×Ì êàíàëîâ Ïðîòîêîë îáìåíà: - IEC 870-5-102 - SCTM
P ri n t e r P ri n t e r
Îò÷åò íà ìåñòå
Ïðîãðàìèðîâàíèå Ñ÷èòûâàíèå Òåñòèðîâàíèå
366
Öåíòðàëüíàÿ ñòàíöèÿ 1 Óñòðîéñòâî äëÿ ñ÷èòûâàíèÿ DATACARD
Öåíðòàëüíàÿ ñòàíöèÿ 2
(èíòåðôåéñ RS485), ê êàæäîé èç êîòîðûõ ìîæåò áûòü ïîäêëþ÷åíî äî 8 ñ÷åò÷èêîâ. Ïîêàçàíèÿ ðåãèñòðîâ ïîäêëþ÷åííûõ ñ÷åò÷èêîâ (ïî 8 çíà÷åíèé îò êàæäîãî ñ÷åò÷èêà) îïðàøèâàþòñÿ êàæäóþ ìèíóòó è â êà÷åñòâå 1-ìèíóòíûõ çíà÷åíèé ïåðåäàþòñÿ íà òðàíñêîäåð. Âûáîð è êîëè÷åñòâî çàïîìèíàåìûõ äàííûõ çàäàåòñÿ äëÿ êàæäîãî êîììóíèêàöèîííîãî ïîðòà. Ïàìÿòü ñîîáùåíèé (ñïîíòàííûé áóôåð) ñëóæèò äëÿ õðàíåíèÿ èíôîðìàöèè î íåïîëàäêàõ èëè èçìåíåíèÿõ â ðàáîòå ñèñòåìû. Ïàìÿòü îáåñïå÷åíà àâòîíîìíûì ïèòàíèåì äëÿ òîãî, ÷òîáû ïðè îòêëþ÷åíèè íàïðÿæåíèÿ äàííûå áûëè áû ñîõðàíåíû. Äëÿ ïðèåìà ñ÷åòíûõ èìïóëüñîâ FAG10 îñíàùàåòñÿ ìîäóëÿìè âõîäà/âûõîäà äëÿ èìïóëüñîâ. Êàæäûé ìîäóëü èìååò â ðàñïîðÿæåíèè (â çàâèñèìîñòè îò âèäà âõîäíîãî ïîäêëþ÷åíèÿ) äî 20 èìïóëüñíûõ âõîäîâ èëè äî 12 èìïóëüñíûõ âõîäîâ ñ 8 èìïóëüñíûìè âûõîäàìè. Âñòðîåííûé ìèêðîïðîöåññîð îáåñïå÷èâàåò îáðàáîòêó èìïóëüñîâ íà òðåõ óðîâíÿõ.  êà÷åñòâå ïðîòîêîëà ïåðåäà÷è â ðàñïîðÿæåíèè èìååòñÿ íà âûáîð ëèáî SCTM, ëèáî IEC870-5-102.  øàññè ïðèáîðà ïðåäóñìîòðåíà âîçìîæíîñòü óñòàíîâêè ìîäóëÿ ìîäåìà èëè ×Ì-êàíàëà. Êðîìå ìîäóëåé âõîäà/âûõîäà óñòðîéñòâî ìîæåò áûòü äîïîëíåíî ðàäèî÷àñàìè è ìîäóëåì ðàñøèðåíèÿ ïàìÿòè. Ñ×ÅÒ×ÈÊÈ LANDISGYR Z.U/Z.V
Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü Ñèìåíñ Ìèòåðèíã ïðîèçâîäèò áîëüøóþ ãàììó ñ÷åò÷èêîâ: îò îäíîôàçíûõ èíäóêöèîííûõ äî ìíîãîôàçíûõ ýëåêòðîííûõ ñ÷åò÷èêîâ âûñîêîé òî÷íîñòè. Áîëüøàÿ ÷àñòü èç íèõ ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ èçìåðåíèÿ è ïåðåäà÷è äàííûõ â ñèñòåìû ó÷åòà. LandisGyr Z.U è Z.V - ñåðèÿ ýëåêòðîííûõ êîìáèíèðîâàííûõ ñ÷åò÷èêîâ âûñøåé òî÷íîñòè. Èçìåðåíèå àêòèâíîé è ðåàêòèâíîé ýíåðãèè â îáîèõ íàïðàâëåíèÿõ ñ ðàñïðåäåëåíèåì íà êâàäðàíòû Ñ÷åò÷èêè ñåðèè LandisGyr Z.U/Z.V èçìåðÿþò àêòèâíóþ è ðåàêòèâíóþ ýíåðãèþ â îáîèõ íàïðàâëåíèÿõ ñ õðàíåíèåì è îòîáðàæåíèåì èçìåðåííûõ âåëè÷èí, âû÷èñëåííûõ çíà÷åíèé è òàðèôîâ â ðàçëè÷íîé ôîðìå â ðåãèñòðàõ ñ÷åò÷èêîâ. Ñ÷åò÷èê Z.V200 ïîçâîëÿåò êîððåêòíî âåñòè êîììåð÷åñêèé ó÷åò ýëåêòðîýíåðãèè ñ ó÷åòîì ïîòåðü â ñòàëè è ìåäè ïðè íåñîâïàäåíèè òî÷êè ó÷åòà è òî÷êè èçìåðåíèÿ. Èñêëþ÷èòåëüíûå èçìåðèòåëüíûå ñâîéñòâà â êëàññàõ òî÷íîñòè 0.2S è 0.5S äëÿ àêòèâíîé ýíåðãèè è, ñîîòâåòñòâåííî 1.0 äëÿ ðåàêòèâíîé ýíåðãèè. Èñêëþ÷èòåëüíûå èçìåðèòåëüíûå ñâîéñòâà äîñòèãàþòñÿ ñ ïîìîùüþ âûñîêîèíòåãðèðîâàííîãî èçìåðèòåëüíîãî áëîêà, à òàêæå ñ ïðèìåíåíèåì òåõíîëîãèè ïåðåìíîæåíèÿ òîêà I íà íàïðÿæåíèå U ïî ïðèíöèïó øèðîòíî-èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèè ñèãíàëà è êâàíòîâàíèåì ïî ïðèíöèïó ñèãìà-äåëüòà. Ïåðåäà÷à îðèãèíàëüíûõ ïîêàçàíèé ðåãèñòðîâ ñ÷åò÷èêîâ (STOM) Ïåðåäà÷à îðèãèíàëüíûõ ïîêàçàíèé ðåãèñòðîâ âìåñòî ñ÷åòíûõ èìïóëüñîâ - êëþ÷åâîé ìîìåíò íîâîé êîíöåïöèè STOM. Ó ñ÷åò÷èêîâ Z.U/Z.V äàííûå ðåãèñòðîâ ïåðèîäè÷åñêè ñ÷èòûâàþòñÿ òðàíñêîäåðîì FAG ÷åðåç èíòåðôåéñ RS 485. Äîïîëíèòåëüíûé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ îáåñïå÷èâàåò ïåðåäà÷ó è îòîáðàæåíèå èíôîðìàöèè â ñëó÷àå îòêëþ÷åíèÿ èçìåðÿåìîãî íàïðÿæåíèÿ. Ïîëíàÿ ïðîãðàììèðóåìîñòü ñî ñâîáîäíûì âûáîðàì êîíôèãóðàöèè Èçìåíåíèå ïàðàìåòðîâ ñ÷åò÷èêà è ïðîãðàììèðîâàíèå åãî ôóíêöèé îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè ïîìîùè ÏÊ ñ óñòàíîâëåííîé ñåðâèñíîé ïðîãðàììîé ïîä ÎÑ Windows, à òàêæå ñïåöèàëüíîé ñ÷èòûâàþùåé ãîëîâêè. Âîçìîæíà óñòàíîâêà ñëåäóþùèõ ôóíêöèé: îòîáðàæåíèå ðåãèñòðîâ ñ÷åò÷èêà, îòîáðàæåíèå òàðèôîâ, îòîáðàæåíèå ïîòåðü, èíôîðìàöèÿ ñîñòîÿíèÿ, ñèãíàëû òðåâîã, ïàðàìåòðû.
367
Øèðîêèé ñïåêòð ïðèìåíåíèÿ Áëàãîäàðÿ ìîäóëüíîé êîíñòðóêöèè è ðàçëè÷íûì òèïàì êîðïóñîâ (íàâåñíûå è âñòðàèâàåìûå) ñ÷åò÷èêè Z.U ïîëó÷èëè øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå. Êîíöåïöèÿ STOM Îñíîâíûìè êîìïîíåíòàìè äàííîé òåõíîëîãèè ÿâëÿþòñÿ âûñîêîòî÷íûå ñ÷åò÷èêè Z.U/Z.V è òðàíñêîäåðû FAG. Ïåðåäà÷à äàííûõ ïî òåõíîëîãèè STOM äàåò ñëåäóþùèå ïðåèìóùåñòâà â ñðàâíåíèè ñ èìïóëüñíîé òåõíîëîãèåé: · èäåíòè÷íîñòü äàííûõ â ðåãèñòðàõ ñ÷åò÷èêîâ è íà öåíòðàëüíîé ñòàíöèè; · âûñîêàÿ òî÷íîñòü èçìåðåíèÿ; · âûñîêàÿ ñêîðîñòü îáìåíà äàííûìè ïî ëèíèÿì ñâÿçè; · çàùèòà äàííûõ îò ïîòåðè ïðè îáðûâå ëèíèè ñâÿçè; · ïîëó÷åíèå äàííûõ ðåãèñòðîâ ñ÷åò÷èêîâ ñðàçó ïîñëå ïåðåõîäà èç àâàðèéíîãî íà íîðìàëüíûé ðåæèì ðàáîòû; · âîçìîæíîñòü ñáîðà äàííûõ íà ìåñòå.
Êîìáèíèðîâàííûé ñ÷åò÷èê Landis & Gyr àêòèâíîé è ðåàêòèâíîé ýíåðãèè ZMD / ZFD405 / 410 ñ òàðèôíûì ìîäóëåì Ñ÷åò÷èêè ZMD ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ ïðèìåíåíèÿ íà ïîäñòàíöèÿõ ýíåðãîñèñòåì, íà êðóïíûõ è ñðåäíèõ ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèÿõ. Ñ÷åò÷èêè ñåðèè ZMD èçìåðÿþò àêòèâíóþ è ðåàêòèâíóþ ýíåðãèþ â îáîèõ íàïðàâëåíèÿõ ñ õðàíåíèåì è îòîáðàæåíèåì èçìåðåííûõ âåëè÷èí, âû÷èñëåííûõ çíà÷åíèé è òàðèôîâ â ðàçëè÷íîé ôîðìå â ðåãèñòðàõ ñ÷åò÷èêîâ. Áëàãîäàðÿ èñïîëüçîâàíèþ ìîäóëüíîé ñòðóêòóðû, à òàêæå íîâîãî ïðîòîêîëà ÌÝÊ äëÿ ïåðåäà÷è ïîêàçàíèé ýíåðãîðåñóðñîâ DLMS, ñ÷åò÷èêè ZMD ïðåäîñòàâëÿþò óíèâåðñàëüíîå ñðåäñòâî ïî ó÷åòó, òàðèôèêàöèè, õðàíåíèÿ è ïåðåäà÷å äàííûõ.
Îñíîâíûå ôóíêöèîíàëüíûå âîçìîæíîñòè
ZMD405CT41
Äîïîëíèòåëüíàÿ ïëàòà Äîïîëí. ïëàòà
2407
0 2 4 6
áåç âõîäîâ óïðàâëåíèÿ ñ 2-ìÿ âõîäàìè óïðàâë. ñ 4-ìÿ âõîäàìè óïðàâë. ñ 6-þ âõîäàìè óïðàâë.
1 Ñ÷. àêòèâí. ýí., ïðÿìîå ïîäêëþ÷. 2 Ñ÷. àêòèâí. ýí., òðàíñô. ïîäêëþ÷. 3 4-õ êâàäðàíòíûé ñ÷åò÷èê, ïðÿìîãî ïîäêëþ÷åíèÿ 4 4-õ êâàäðàíòíûé ñ÷åò÷èê, òðàíñôîðìàòîðí. ïîäêëþ÷åíèå
0 2 4 6
áåç âûõîäíûõ êîíòàêòîâ ñ 2-ìÿ âûõîäí. êîíòàêòàìè ñ 4-ìÿ âûõîäí. êîíòàêòàìè ñ 6-þ âûõîäí. êîíòàêòàìè
0 3
áåç ïðèåìíèêà ñèãí. óïð. ïî ñåòè ñ ïðèåìíèêîì ñèãí. óïð. ïî ñåòè
05 Êëàññ òî÷íîñòè 0,5S 10 Êëàññ òî÷íî÷òè 1,0 20 Êëàññ òî÷íîñòè 2,0
0 7
áåç ïðîôèëÿ íàãðóçêè ñ ïàìÿòüþ ïðîôèëåé íàãðóçêè (ïðîô. íàãð., ÷àñîâîé ïðîôèëü è ò.ä.)
ZFD 3 ïðîâîäíîé - 3 ôàçíûé ZMD 4 ïðîâîäíîé - 3 ôàçíûé
AT Ñ÷. àêòèâí. ýí., ìíîãîòàðèôíûé (4 âõ. óïðàâëåíèÿ è1 âûõîä) CT 4-õ êâàäðàíòíûé ñ÷åò÷èê (3 âõ. óïðàâëåíèÿ è2 âûõîäà) 2 òîëüêî èçìåðåíèå ýíåðãèè 4 èçìåðåíèå ýíåðãèè è ìîùíîñòè 1 Óïðàâëåíèå òàðèôàìè ÷åðåç âõ. óïðàâëåíèÿ 4 Óïðàâëåíèå òàðèôàìè îò âíóòðåííèõ ÷àñîâ è îò âõîäîâ óïðàâëåíèÿ
Êîììóíèêàöèîííûé ìîäóëü Òèï: A...Z
Êîììóíèêàöèîííûé ìîäóëü
Ñ×ÅÒ×ÈÊÈ LANDISGYR Z.D - DIALOG
A1
A à CS RS232 S0 B à RS485 RS232 S0 C à ... ... ... ¦ ¦ M à âñòðîåí. ìîäåì ¦
Èñïîëíåíèå: 1...9 Ïðèìåðû: A1 = CS + RS232+ S0 A2 = CS + RS232 RS232 + S0 A3 = A4 = CS A5 = RS232
Âñòðîåííûå ñìåííûå ìîäóëè ïîçâîëÿþò èñïîëüçîâàòü ðàçëè÷íûå êîììóíèêàöèîííûå ðåøåíèÿ îò ñòàíäàðòíûõ ìîäåìîâ äî ìîäåìîâ ñòàíäàðòà GSM.
368
ÏÐÎÄÓÊÖÈß ÔÈÐÌÛ LEGRAND
Èñòîðèÿ Legrand áåðåò ñâîå íà÷àëî ñ íåáîëüøîé ìàñòåðñêîé ïî ïðîèçâîäñòâó ôàðôîðà â ã.Ëèìîæ (Ôðàíöèÿ), îòêðûòîé â 1860 ã.  òî âðåìÿ èçîëèðóþùèå ÷àñòè ýëåêòðè÷åñêèõ ïðèáîðîâ áûëè ôàðôîðîâûìè, è â 1914 ã. ôèðìà, ïàðàëëåëüíî ñ ôàðôîðîì, íà÷èíàåò ïðîèçâîäèòü óñòàíîâî÷íîå ýëåêòðîîáîðóäîâàíèå. Ïîñòåïåííî ýòî íàïðàâëåíèå ñòàëî îñíîâíûì, è â 1950 ã. ôèðìà ïîëíîñòüþ îòêàçûâàåòñÿ îò ïðîèçâîäñòâà ñòîëîâîãî ôàðôîðà, ñîñðåäîòà÷èâàÿ âñå ñâîå âíèìàíèå íà ýëåêòðîîáîðóäîâàíèè. Ñ òåõ ïîð Legrand ñòàë ìîùíîé ìíîãîíàöèîíàëüíîé ôèðìîé. Ñåãîäíÿ â ãðóïïå Legrand áîëåå 50% ðàáîòíèêîâ çàíÿòû çà ïðåäåëàìè Ôðàíöèè â ôèëèàëàõ è ïðåäñòàâèòåëüñòâàõ â 43 ñòðàíàõ ìèðà, à îáùåå ÷èñëî ðàáîòàþùèõ ïðåâûñèëî 26 000 ÷åëîâåê.  1993 ãîäó áûëî îòêðûòî ïðåäñòàâèòåëüñòâî â Ìîñêâå, à íà ñåãîäíÿøíèé äåíü äåéñòâóåò ñåòü ïðåäñòàâèòåëüñòâ â êðóïíåéøèõ ãîðîäàõ Ñ.Ïåòåðáóðãå, Í.Íîâãîðîäå, Åêàòåðèíáóðãå, Ðîñòîâå-íà-Äîíó, Ñàìàðå, Êàçàíè, Íîâîñèáèðñêå. Îñíîâíûìè íàïðàâëåíèÿìè äåÿòåëüíîñòè ÿâëÿåòñÿ ïðîèçâîäñòâî è ðàñïðîñòðàíåíèå (äèñòðèáüþöèÿ) íèçêîâîëüòíîãî ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ, â òîì ÷èñëå àïïàðàòóðû çàùèòû ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé è àêñåññóàðîâ äëÿ ýëåêòðîìîíòàæà. Ïðîäóêöèÿ Legrand îðèåíòèðîâàíà íà øèðîêèé ñïåêòð îáëàñòåé ïðèìåíåíèÿ è èñïîëüçóåòñÿ êàê â æèëûõ äîìàõ è îôèñíûõ ïîìåùåíèÿõ, òàê è íà ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèÿõ: ìîäóëüíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà ñ øèðèíîé ìîäóëÿ 17,5 ìì, ãëàâíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà, ââîäíûå óñòðîéñòâà, íàáîðû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ øèí è ñóïïîðòà äëÿ èõ óñòàíîâêè; ýëåêòðîøêàôû è ùèòû, óñòàíîâî÷íîå ýëåêòðîîáîðóäîâàíèå. Ìîäóëüíîå ýëåêòðîîáîðóäîâàíèå çàùèòû è óïðàâëåíèÿ äî 125 À LexicÔ ÿâëÿåòñÿ íîâûì ñëîâîì â àïïàðàòîñòðîåíèè.  îñíîâå ëåæèò êîíöåïöèÿ áåçîïàñíîñòè, êîòîðàÿ âêëþ÷àåò ñëåäóþùèå îñíîâîïîëàãàþùèå ïðèíöèïû: ñâîáîäà, áåçîïàñíîñòü è ïðîñòîòà. Ñâîáîäà ïîäêëþ÷åíèÿ óíèâåðñàëüíîé ãðåáåíêîé (ñîåäèíèòåëåì), îáåñïå÷èâàþùåé ýëåêòðè÷åñêóþ ñâÿçü àïïàðàòîâ. Ïîäêëþ÷åíèå ñâåðõó èëè ñíèçó, ðàçäåëåíèå ñèëîâûõ öåïåé è öåïåé óïðàâëåíèÿ, ðàñïðåäåëèòåëüíûå áëîêè. Ñâîáîäà ïðè îáñëóæèâàíèè, çàìåíå èçäåëèÿ. Ïðè ïîäêëþ÷åíèè ãðåáåíêîé, íàëè÷èå äâîéíûõ ôèêñàòîðîâ ïîçâîëÿåò èçâëå÷ü àïïàðàò èç ðàñïðåäåëèòåëüíîãî óñòðîéñòâà áåç ïîëíîãî äåìîíòàæà âñåé ðåéêè. Âî âñåõ íîâûõ ìîäóëüíûõ óñòðîéñòâàõ èñïîëüçóþòñÿ óíèâåðñàëüíûå âèíòîâûå ñîåäèíåíèÿ, íàãëÿäíàÿ ìàðêèðîâêà ñ èñïîëüçîâàíèåì äåðæàòåëåé ýòèêåòîê è ëàçåðíîé ãðàâèðîâêè íà êîðïóñàõ, ñïåöèàëüíûå ôèêñèðóþùèå óñòðîéñòâà â âèäå çàùåëêè äëÿ ïîäñîåäèíåíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ óñòðîéñòâ ê îñíîâíîìó ýëåìåíòó àïïàðàòà, áîëüøîé íàáîð äîïîëíèòåëüíûõ óñòðîéñòâ, ðàñøèðÿþùèõ ôóíêöèîíàëüíûå âîçìîæíîñòè àïïàðàòà â öåëîì. Áåçîïàñíîñòü íåâîçìîæíîñòü ïðÿìîãî êîíòàêòà ñ òîêîâåäóùèìè ÷àñòÿìè (IP2). Äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò çàùèòíûõ øòîðîê íà êîíòàêòàõ è óòîïëåííûõ âèíòîâ íà ìîäóëüíûõ óñòðîéñòâàõ, à òàêæå ýëåêòðîèçîëèðóþùèìè êðûøêàìè è ïåðåãîðîäêàìè â äðóãèõ óñòðîéñòâàõ. Ïðîñòîòà îáñëóæèâàíèÿ, èäåíòèôèêàöèè, èíòóèòèâíî ïîíÿòíîå ïðîãðàììèðîâàíèå òàéìåðîâ è äðóãèõ óñòðîéñòâ óïðàâëåíèÿ. Íèæå ðàññìàòðèâàþòñÿ îñíîâíûå âèäû ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ, â ãàììå LexicÔ, è ââîäíî-ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà, êîìïëåêòóþùèåñÿ ýòèìè àïïàðàòàìè: ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ, ñðåäè êîòîðûõ ñëåäóåò âûäåëèòü ñèëîâûå çàùèòíîêîììóòàöèîííûå àïïàðàòû (àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè DPXÔ íà òîêè îò 16 äî 1600 À è DXÔ íà òîêè îò 1 äî 125 À, óñòðîéñòâà äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû, âûêëþ÷àòåëè ðàçúåäèíèòåëè VistopÔ , ïëàâêèå ïðåäîõðàíèòåëè è äåðæàòåëè äëÿ íèõ, ðàçðÿäíèêè, êëåììíûå ñîåäèíåíèÿ, àêñåññóàðû ýëåêòðè÷åñêèå è ìîíòàæíûå), àïïàðàòû óïðàâëåíèÿ (íåàâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè, ïåðåêëþ÷àòåëè, êíîïêè, ðåëå), èçìåðèòåëüíûå ïðèáîðû, ðàñïðåäåëèòåëüíûå ùèòû ðàçëè÷íîãî íàçíà÷åíèÿ; ýëåêòðîóñòàíîâî÷íûå èçäåëèÿ, âêëþ÷àÿ ñîåäèíèòåëè, óäëèíèòåëè è âèëêè, ðîçåòêè è âûêëþ÷àòåëè, ðàñïðåäåëèòåëüíûå êîðîáêè, êàáåëüíûå êàíàëû, óñòðîéñòâà äëÿ èõ ïðîêëàäêè è ìîíòàæà, óñòðîéñòâà óïðàâëåíèÿ îñâåùåíèåì, áëîêè àâàðèéíîãî îñâåùåíèÿ
369
ýëåêòðîìîíòàæíûå èçäåëèÿ ïðîìûøëåííîãî íàçíà÷åíèÿ òàêèå êàê ñèëîâûå ðàçúåìû è ñîåäèíèòåëè, ñèëîâûå ïëàâêèå âñòàâêè, òðàíñôîðìàòîðû äëÿ öåïåé óïðàâëåíèÿ, ùèòû è øêàôû äëÿ ñèëîâîãî ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå èç ïåðå÷èñëåííûõ àïïàðàòîâ áîëåå ïîäðîáíî. Ââîäíûå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè DPXÔ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûé òèï àïïàðàòîâ çàùèòû â ëèòûõ êîðïóñàõ îò 16 äî 1600 À. Êîðïóñà âûïîëíåíû èç èçîëÿöèîííîãî ìàòåðèàëà íèçêîé ãèãðîñêîïè÷íîñòè, ñïîñîáíîãî âûäåðæàòü ïðåäåëüíûå òåðìè÷åñêèå è ìåõàíè÷åñêèå íàãðóçêè. Ïðèìåíÿþòñÿ àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè DPXÔ âî ââîäíî-ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ è âûïóñêàþòñÿ â 6-òè òèïîðàçìåðàõ: 125, 160, 250, 630,1600 è 250 ER (óìåíüøåííûå ãàáàðèòû). Öèôðîâîå îáîçíà÷åíèå òèïîðàçìåðà ïðåäñòàâëÿåò ìàêñèìàëüíûé íîìèíàëüíûé òîê â äàííîì òèïîðàçìåðå. Íàïðèìåð, îáîçíà÷åíèå DPX 125 îçíà÷àåò ÷òî ðå÷ü èäåò îá àâòîìàòå íà 125 À â òèïîðàçìåðå 125. Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ äàííûõ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé ÿâëÿåòñÿ: íåáîëüøèå ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ïðè íàëè÷èè âûñîêîé îòêëþ÷àþùåé ñïîñîáíîñòè äî 100000 À è íîìèíàëüíûõ òîêàõ äî 1600 À; íàëè÷èå âñòðîåííîãî ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ðàñöåïèòåëÿ â àâòîìàòàõ òèïîðàçìåðîâ 630 è 1600; óíèôèöèðîâàííàÿ ãàììà ýëåêòðè÷åñêèõ àêñåññóàðîâ; äèñòàíöèîííîå óïðàâëåíèå, âîçìîæíîñòü ðàáîòû â ðåæèìå ÀÂÐ â ñèñòåìàõ áåñïåðåáîéíîãî ýëåêòðîñíàáæåíèÿ; ïîäêëþ÷åíèå äèôôeðåíöèàëüíûõ áëîêîâ. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè DPX îñíàùàþòñÿ òåðìîìàãíèòíûìè èëè ýëåêòðîííûìè ðàñöåïèòåëÿìè äëÿ óäîâëåòâîðåíèÿ òðåáîâàíèé â áîëüøèíñòâå ïðîåêòîâ. Âåñü àññîðòèìåíò ïðåäëàãàåòñÿ â ñòàöèîíàðíîì èñïîëíåíèè, êîòîðûé ëåãêî ìîæåò áûòü ïåðåîáîðóäîâàí â ñúåìíûé òèï (äî DÐÕ 630) èëè âûêàòíîé òèï (îò DÐÕ 250 äî DÐÕ 1600). Òåðìîìàãíèòíûé ðàñöåïèòåëü äëÿ âûêëþ÷àòåëåé DÐÕ îáåñïå÷èâàåò çàùèòó îò ïåðåãðóçîê ïåðåìåííîãî è ïîñòîÿííîãî òîêà è îò êîðîòêèõ çàìûêàíèé. Âñå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè èìåþò âîçìîæíîñòü ðåãóëèðîâàíèÿ óñòàâêè òåïëîâîãî ðàñöåïèòåëÿ. Óñòàâêà ñðàáàòûâàíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ðàñöåïèòåëÿ ðåãóëèðóåòñÿ íà ìîäåëÿõ DÐÕ 250, 400 è 1250 À; àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ñ ýëåêòðîííûì ðàñöåÈíäèêàöèÿ ïîëîæåíèÿ êîíòàêòîâ ïèòåëåì DPX îò 160 äî 1600 À âêëþ÷àþò áîëüøå çàùèòíûõ ôóíêöèé è áîëåå øèðîêèå äèàïàçîíû ðåãóëèðîâàíèÿ òîêà è âðåìåíè îòêëþ÷åíèÿ. Êðîìå òîãî, â íèõ ïðåäóñìàòðèâàþòñÿ ôóíêöèè ñèãíàëèçàöèè, èçìåðåíèÿ è ñâÿÒÅÑÒ çè. Èìååòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíûé ïîðò äëÿ ïîäêëþ÷åíèÿ èçìåðèòåëüíîãî ïðèáîðà, îáåñïå÷èâàþùåãî ôóíêöèè äèàãíîñòèêè è èçìåðåíèÿ ïàðàìåòðîâ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêÐåãóëèðîâàíèå ëþ÷àòåëåé. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè DPX òåïëîâîé óñòàíîâêè èìåþò âûñîêóþ ñòåïåíü çàùèòû ïîëüçîâàòåëåé îò ïðÿÐåãóëèðîâàíèå ýëåêòðîìûõ êîíòàêòîâ ñ òîêîâåäóùèìè ÷àñòÿìè, ÷òî îáóñëàâëèìàãíèòíîé óñòàíîâêè âàåòñÿ ïîâûøåííûìè òðåáîâàíèÿìè ê èçîëÿöèè ñîãëàñíî ñòàíäàðòàì ÃÎÑÒ Ð 50345-92, ÃÎÑÒ Ð 30325-95 (ÌÝÊ 60947-3).Ïðèìåíåíèå ýëåìåíòîâ ýëåêòðîíèêè ïîçâîëèëî óïðîñòèòü âûáîð è ðàñøèðèòü îáëàñòü ïðèìåíåíèÿ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé, óìåíüøèòü èõ ãàáàðèòíûå ðàçìåðû, ïîâûñèòü òî÷íîñòü ðåãóëèðîâîê. Èñïîëüçóÿ ôóíêöèþ òî÷íîé ðåãóëèðîâêè ìîæíî äîáèòüñÿ èçáèðàòåëüíîñòè ðàáîòû ìåæäó àâòîìàòè÷åñêèìè âûêëþ÷àòåëÿìè, ðàñïîëîæåííûìè ïîñëåäîâàòåëüíî â ðàçíûõ ÷àñòÿõ ýëåêòðè÷åñêîé ñõåìû. Òàêèì îáðàçîì, ðåøàåòñÿ çàäà÷à áåñïåðåáîéíîñòè ýëåêòðîñíàáæåíèÿ. ×òîáû ñäåëàòü òåõíè÷åñêîå îáñëóæèâàíèå è ðåìîíò ïðîùå è áåçîïàñíåå, èñïîëüçóåòñÿ øàññè ñúåìíîãî òèïà ñ ïåðåäíèì èëè çàäíèì ñîåäèíåíèåì, îáåñïå÷èâàþùèì âèäèìûé ðàçðûâ. Ýòî ïîçâîëÿåò îñóùåñòâèòü çàìåíó àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ áåç ïðîâåäåíèÿ ìîíòàæíûõ ðàáîò èëè çàìåíó àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ ïðè åãî ïîâðåæäåíèè. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè DPX èìåþò øèðîêèé ñïåêòð àêñåññóàðîâ (ïîâîðîòíûå ðóêîÿòêè, óäëèííÿþùèå ñòåðæíè, êëåììû, çàùèòíûå êîæóõà è èçîëèðóþùèå ïåðåãîðîäêè).
370
Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè DPX ìîãóò îñíàùàòüñÿ áëîêàìè äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû (äî 630 À) èëè íàáîðîì èç äèôôåðåíöèàëüíîãî ðåëå, òîðà è íåçàâèñèìîãî ðàñöåïèòåëÿ. Îñíîâíûìè ïðåèìóùåñòâàìè äàííûõ óñòðîéñòâ ÿâëÿþòñÿ: ó÷åò ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé òîêà; âîçìîæíîñòü ðåãóëèðîâàíèÿ âûäåðæêè âðåìåíè è óñòàâêè ïî òîêó óòå÷êè. íàëè÷èå ñâåòîäèîäíîé èíäèêàöèè òîêà óòå÷êè (â âåðñèè ñ èíäèêàöèåé). ïîäêëþ÷åíèå ê àâòîìàòè÷åñêèì âûêëþ÷àòåëÿì ñíèçó èëè ñáîêó. Êîìïëåêñ èç àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ DPX è óñòðîéñòâà äèô. çàùèòû ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ â êà÷åñòâå óñòðîéñòâà çàùèòû è îòêëþ÷åíèÿ äëÿ ââîäíî ðàñïðåäåëèòåëüíûõ øêàôîâ. Ìîäóëüíûå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè DXÔ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ â öåïÿõ óïðàâëåíèÿ, â êà÷åñòâå áûòîâûõ è ïðîìûøëåííûõ àïïàðàòîâ çàùèòû. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè DX âûïóñêàþòñÿ â îäíîïîëþñíîì (äî 80 À), äâóõ-, òðåõ- è ÷åòûðåõïîëþñíîì èñïîëíåíèè (äî 125 À), íà íàïðÿæåíèÿ ñåòè ~230/400 Â. Äîïóñòèìîå íàïðÿæåíèå ïîñòîÿííîãî òîêà 80  íà ïîëþñ. Îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü 6, 10 è 25 êÀ. Êðèâûå îòêëþ÷åíèÿ B, C, D è Z ñîãëàñíî ÌÝÊ 898 (ñì. ðèñóíîê). Äîïîëíèòåëüíî îíè èìåþò óñòðîéñòâà ñèãíàëèçàöèè îòêëþ÷åíèÿ è äèñòàíöèîííîãî óïðàâëåíèÿ, áëîê âñïîìîãàòåëüíûõ êîíòàêòîâ, ðàñöåïèòåëü ìèíèìàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ, äèôôåðåíöèàëüíûå áëîêè. Äèôôåðåíöèàëüíûé àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü (ñ ÓÇÎ) îáåñïå÷èâàåò íàäåæíóþ çàùèòó ëþäåé îò ïîðàæåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì ïðè ïðÿìûõ èëè íåïðÿìûõ êîíòàêòàõ ñ òîêîâåäóùèìè ÷àñòÿìè.
371
ÒÀÁËÈÖÀ ÂÛÁÎÐÀ ÀÂÒÎÌÀÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÉ DPX
Òèï êîðïóñà
DPX 125 DPX-E
×èñëî ïîëþñîâ Íîìèíàëüíûé òîê ðàñöåïèòåëÿ In, À
DPX 125 DPX-E
DPX
DPX 160 DPX
DPX
1
34
34
16125
16125
25160
230
500
500
Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå, =Ue, Â
250
250
Êàòåãîðèÿ ïðèìåíåíèÿ
À
À
À
Òèï àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ
E
E
Êîììóòàöèîííàÿ ñïîñîáíîñòü ïðè íàïðÿæåíèè: ~230/240 Â ~400/415 Â =690 Â
16
22 16
35 25
50 36
50 36
16
25
30
36
Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå, ~Ue(50, 60 Ãö ), Â
=250  Èçíîñîñòîéêîñòü, öèêëîâ ÂÎ: ìåõàíè÷åñêàÿ
8500
8500
7000
êîììóòàöèîííàÿ
8500
4500
1000
+
+
+
+
+
+
+
Òèïû çàùèò: ýëåêòðîìàãíèòíûé è òåïëîâîé ðàñöåïèòåëü ïîëóïðîâîäíèêîâûé ðàñöåïèòåëü âûñîêîèçáèðàòåëüíûé ïîëóïðîâîäèêîâûé ðàñöåïèòåëü ñ áëîêîì îáíàðóæåíèÿ óòå÷êè íà çåìëþ Äèôôåðåíöèàëüíûå áëîêè: óñòàíîâêà ñíèçó óñòàíîâêà ñáîêó Äîïîëíèòåëüíûå ýëåìåíòû Äèñòàíöèîííîå óïðàâëåíèå
+
+
+
+
+
+
+
+
3-ïîëþñíûé
75,6õ120õ74
90õ150õ74
4-ïîëþñíûé
101õ120õ74
120õ150õ74
3-ïîëþñíûé 4-ïîëþñíûé
1 1,2
1,2 1,6
Ñòàöèîíàðíûé òèï
+
Ñúåìíûé òèï Âûêàòíîé òèï Ïîâîðîòíàÿ ðó÷êà ÀÂÐ Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû (LxHxD), ìì: 1-ïîëþñíûé
Ìàññà, êã:
25õ120õ74
372
DPX 250 DPX
DPX 400
DPX-H DPX-L
DPX
DPX 630
DPX-H DPX-L
DPX
DPX-H
DPX 1250 DPX-L
DPX
DPX 1600
DPX-H DPX-L
DPX
DPX-H
34
34
34
34
34
25250
250400
160630
5001250
6301600
690
690
690
690
690
250
250
250
À
À
H
L
60 36 36
100 70 40
170 100 40
100
75
50
Â(160400) À
H
L
60 36 36
100 70 40
170 100 40
100
75
50
À(630 À)
À
H
L
H
L
60 36
100 70
170 100
80 50 50
100 70 50
170 100 50
60 50
100 70
100
75
50
75
75
50
100
75
7000
4000
4000
1000
1000
1000
+
+
 H
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
105õ200õ105
160õ260õ105
140õ260õ105
210õ320õ140
210õ320õ140
140õ200õ105
183õ260õ105
183õ260õ105
280õ320õ140
280õ320õ140
2,5 3,7
5,5 6,4
5,35,8 6,87,4
12,218 15,123,4
12,218 15,123,8
+
373
ÒÀÁËÈÖÀ ÄËß ÂÛÁÎÐÀ ÁËÎÊÎÂ ÓÇÎ
Ìîíòàæ Äëÿ DPX êàëèáðà Òèï ÓÇÎ Íîìèíàëüíûé òîê In, A
Óñòàíîâêà ñáîêó
Óñòàíîâêà ñíèçó
Óñòàíîâêà ñáîêó
Óñòàíîâêà ñíèçó
Óñòàíîâêà ñíèçó
Óñòàíîâêà ñíèçó
125
125
160
160
250
äî 630
ýëåêòðîííîå
ýëåêòðîííîå
ýëåêòðîííîå
ýëåêòðîííîå
ýëåêòðîííîå
ýëåêòðîííîå
63-125
63-125
160
160
160-250
400
Êîëè÷åñòâî ïîëþñîâ
3-4
4
3-4
4
4
4
Ðàçìåðû, ìì: øèðèíà
101
101
120
120
140
183
ãëóáèíà
74
74
74
74
105
105
âûñîòà
120
90
150
108
108
152
Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå Ue,  ~ (50-60 Ãö) Ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå,  ~ (50-60 Ãö) Íà òîêè óòå÷êè IDn, A Ïîðîã âûäåðæêè âðåìåíè t, ñ
500
500
500
500
500
500
230 - 500
230 - 500
230 - 500
230 - 500
230 - 500
230 - 500
0,03-0,3-1,3
0,03-0,3-1,3
0,03 - 0,3 -1,3
0,03-0.3-1,3
0,03-0,3-1,3
0,03-0,3-1,3
0-0,3-1,3
0-0,3-1,3
0-0,3-1,3
0-0,3-1,3
0-0,3-1,3
0-0,3-1,3
Ôóíêöèîíèðîâàíèå â ïðèñóòñòâèè ïîñòîÿííûõ ñîñòàâëÿþùèõ òîêà
+
+
+
+
+
+
Ìîíòàæ íà ðåéêå DIN
+
Òèï èñïîëíåíèÿ
+
ñòàöèîíàðíûé, êëåììû íà ïåðåäíåé ïàíåëè
ïîñòàâëÿþòñÿ ñ DPX
+
+
+
ñòàöèîíàðíûé, êëåììû íà çàäíåé ïàíåëè Êëåììíèêè
+
+
+ +
+
+
+
+
+ +
ïî çàêàçó
+
+
+
+
Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè äëÿ ðó÷íîãî óïðàâëåíèÿ è çàùèòû òðåõôàçíûõ ýëåêòðîäâèãàòåëåé, âûïîëíåíû ñ òåïëîâûì è ýëåêòðîìàãíèòíûì ðàñöåïèòåëÿìè è ðó÷íûì óïðàâëåíèåì. Äîïîëíèòåëüíî ê íèì ïðèñîåäèíÿþòñÿ âñïîìîãàòåëüíûå êîíòàêòû, ðàñöåïèòåëü ìèíèìàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ è äðóãèå àêñåññóàðû. Âûêëþ÷àòåëè âûïóñêàþòñÿ íà íîìèíàëüíûé òîê ðàñöåïèòåëÿ îò 0,16 äî 20 À, ïðåäåëüíóþ êîììóòàöèîííóþ ñïîñîáíîñòü 15 êÀ, êðàòíîñòü òîêà îòñå÷êè 10-12 In. Êîììóòàöèîííàÿ èçíîñîñòîéêîñòü â ðåæèìå ÀÑ3 ñîñòàâëÿåò 100 òûñ. öèêëîâ ÂÎ. Ðàñöåïèòåëü ìèíèìàëüíîãî íàïðÿæåíèÿ ñðàáàòûâàåò ïðè (0,35-0,7) Uå. Äëÿ óìåíüøåíèÿ ðèñêà ïîðàæåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì, ïðèìåíÿþòñÿ óñòðîéñòâà äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû Legrand. Ýòè óñòðîéñòâà îáåñïå÷èâàþò çàùèòó îò âîçãîðàíèÿ. Ïî èíôîðìàöèè Âñåðîññèéñêîãî ÍÈÈ Ïðîòèâîïîæàðíîé Îáîðîíû ÌÂÄ ÐÔ çíà÷èòåëüíîå êîëè÷åñòâî âîçãîðàíèé âûçâàíî äëèòåëüíûì âîçäåéñòâèåì òîêîâ óòå÷êè äî 300 ìÀ. Îïàñíîñòü âîçäåéñòâèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà çàâèñèò îò äâóõ îñíîâíûõ ôàêòîðîâ âðåìåíè ïðîòåêàíèÿ òîêà ÷åðåç òåëî ÷åëîâåêà, ñèëû òîêà Ýòè äâà ôàêòîðà íåçàâèñèìû îäèí îò äðóãîãî, è ñåðüåçíîñòü ýëåêòðîòðàâìû áóäåò áîëüøåé èëè ìåíüøåé â çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû êàæäîãî èç íèõ. Ñèëà òîêà, îïàñíàÿ äëÿ ÷åëîâåêà, çàâèñèò îò âåëè÷èíû ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ è ñîïðîòèâëåíèÿ òåëà ÷åëîâåêà. Êàêèì äîëæíî áûòü âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèé?
374
Íàïðÿæåíèå ïðèêîñíîâåíèÿ Uñ, Â
Ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå Zn, Îì
Ñèëà òîêà, ïðîòåêàþùåãî ÷åðåç òåëî ÷åëîâåêà ID, ìÀ
Ìàêñèìàëüíîå âðåìÿ ïðîõîæäåíèÿ tn, ñ
50
1725
29
³5
75
1625
46
0,60
100
1600
62
0,40
150
1550
97
0,28
230
1500
153
0,017
300
1480
203
0,12
400
1450
276
0,07
500
1430
350
0,04
Èç ïðèìåðà, âûäåëåííîãî â òàáëèöå æèðíûì øðèôòîì, âèäíî, ÷òî ïðèêîñíîâåíèå ÷åëîâåêà ê ïðîâîäíèêó, íàõîäÿùåìóñÿ ïîä íàïðÿæåíèåì 230 Â, ìîæåò âûçâàòü â åãî òåëå òîê âåëè÷èíîé 153 ìÀ. Òàêèì îáðàçîì, âî èçáåæàíèå îïàñíûõ ïîñëåäñòâèé, òîê äîëæåí áûòü îòêëþ÷åí ìåíåå ÷åì çà 0,017 ñ. Äëÿ îöåíêè ñòåïåíè îïàñíîñòè ñòàíäàðòàìè îïðåäåëåíû ñëåäóþùèå êðèâûå èçìåíåíèÿ äâóõ ïàðàìåòðîâ:
ID òîê, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç òåëî ÷åëîâåêà; t âðåìÿ ïðîõîæäåíèÿ òîêà. Êðèâàÿ b ñîõðàíÿåò ïîñòîÿííîå çíà÷åíèå òîêà 200 ìÀ ïðè äëèòåëüíîñòè ïðîòåêàíèÿ òîêà ìåíåå 10 ìñ. Ýòè êðèâûå ïîêàçûâàþò çîíû îïàñíîñòè âîçäåéñòâèÿ ïåðåìåííîãî òîêà íà ëþäåé. Îíè ñîîòâåòñòâóþò ñòàíäàðòó ÌÝÊ 60479 è îïðåäåëÿþò 4 îñíîâíûå çîíû ýëåêòðè÷åñêîé îïàñíîñòè: Îáîçíà÷åíèå çîíû
Ôèçèîëîãè÷åñêîå âîçäåéñòâèå
Çîíà ÀÑ-1
Îáû÷íî íèêàêîé ðåàêöèè.
Çîíà ÀÑ-2
Îáû÷íî íèêàêèõ îïàñíûõ ôèçèîëîãè÷åñêèõ ýôôåêòîâ.
Çîíà ÀÑ-3
Îáû÷íî íèêàêèõ îðãàíè÷åñêèõ ïîâðåæäåíèé; âåðîÿòíîñòü ñîêðàùåíèÿ ìûøö è çàòðóäíåíèå äûõàíèÿ ïðè ïðîòåêàíèè òîêà äîëüøå 2 ñ. Îáðàòèìûå íàðóøåíèÿ ðèòìà ñîêðàùåíèÿ ñåðäöà, â òîì ÷èñëå ôèáðèëëÿöèÿ ïðåäñåðäèé è âðåìåííàÿ îñòàíîâêà ñåðäöà, âîçðàñòàþùèå ñ óâåëè÷åíèåì òîêà è âðåìåíè âîçäåéñòâèÿ.
Çîíà ÀÑ-4
Äîïîëíèòåëüíî ê ýôôåêòàì çîíû ÀÑ-3 âîçðàñòàþùèå ñ óâåëè÷åíèåì âåëè÷èíû òîêà è âðåìåíè åãî âîçäåéñòâèÿ ôèçèîëîãè÷åñêèå íàðóøåíèÿ, òàêèå êàê îñòàíîâêà ñåðäöà, îñòàíîâêà äûõàíèÿ, òÿæåëûå îæîãè. Âåðîÿòíîñòü æåëóäî÷êîâîé ôèáðèëëÿöèè äî 5% ñ1-ñ2 Âåðîÿòíîñòü æåëóäî÷êîâîé ôèáðèëëÿöèè äî 50% ñ2-ñÇ Âåðîÿòíîñòü æåëóäî÷êîâîé ôèáðèëëÿöèè ñâûøå 50%
Çîíà ÀÑ-4.1 Çîíà ÀÑ-4.2 Çîíà ÀÑ-4.3
375
Èçâåñòíî, ÷òî â êàæäîé ýëåêòðîóñòàíîâêå ñóùåñòâóþò óòå÷êè òîêà, êîòîðûå ìîãóò ñóùåñòâåííûì îáðàçîì âàðüèðîâàòüñÿ â çàâèñèìîñòè îò ñîñòîÿíèÿ îáîðóäîâàíèÿ, âðåìåíè åãî ýêñïëóàòàöèè, óñëîâèé îêðóæàþùåé ñðåäû è ò.ä. Òîêè óòå÷êè ïðîòåêàþò â ìåòàëëè÷åñêèõ ÷àñòÿõ (òðóáàõ, áàëêàõ è äðóãèõ ýëåìåíòàõ êîíñòðóêöèé) è âûçûâàþò èõ íàãðåâ, êîòîðûé ìîæåò ïðèâåñòè ê âîçíèêíîâåíèþ ïîæàðà. Îñîáóþ îïàñíîñòü ïðåäñòàâëÿþò ïðÿìûå èëè íåïðÿìûå êîíòàêòû ÷åëîâåêà ñ ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì. Ïðÿìûå êîíòàêòû ïðîèñõîäÿò âñëåäñòâèå íåîñòîðîæíîãî èëè íåâíèìàòåëüíîãî ïîâåäåíèÿ ñàìîãî ÷åëîâåêà. Äëÿ çàùèòû îò òàêèõ êîíòàêòîâ íåîáõîäèìî ëèáî èñïîëüçîâàòü ðàçëè÷íîãî ðîäà îãðàæäåíèÿ, ëèáî ïðèìåíÿòü ñïåöèàëüíûå óñòðîéñòâà äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû ñ ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ 10 èëè 30 ìÀ. Ìîæíî èñïîëüçîâàòü ïîíèæåííûé óðîâåíü íàïðÿæåíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå òðàíñôîðìàòîð, ïîäîáíî òðàíñôîðìàòîðó ïðîèçâîäñòâà Legrand, äîëæåí îòâå÷àòü òðåáîâàíèÿì ïî íîìèíàëüíûì çíà÷åíèÿì è ãàðàíòèðîâàòü íàäåæíîñòü è âûñîêîå êà÷åñòâî ðàáîòû. Íåïðÿìûå êîíòàêòû ïðîèñõîäÿò ïî ïðè÷èíàì, íå çàâèñÿùèì îò äåéñòâèé ÷åëîâåêà. Îíè ñâÿçàíû ñ âíóòðåííèìè íåèñïðàâíîñòÿìè îáîðóäîâàíèÿ. Ýòî êîíòàêò ÷åëîâåêà ñ ìåòàëëè÷åñêèìè ÷àñòÿìè îáîðóäîâàíèÿ, ñëó÷àéíî îêàçàâøèìèñÿ ïîä íàïðÿæåíèåì èç-çà ïîâðåæäåíèÿ èçîëÿöèè. Ýòîò òèï êîíòàêòà î÷åíü îïàñåí, òàê êàê â îòëè÷èå îò ïðÿìîãî êîíòàêòà åãî íåëüçÿ ïðåäâèäåòü. Ñóùåñòâóåò äâà ñïîñîáà çàùèòû: 1. Ïåðåêðûòü äîñòóï ê ìåòàëëè÷åñêèì ÷àñòÿì îáîðóäîâàíèÿ, ïðåäñòàâëÿþùèì ïîòåíöèàëüíóþ îïàñíîñòü, ñ ïîìîùüþ èçîëÿöèè êëàññà II (äâîéíàÿ èçîëÿöèÿ: ïðè íàðóøåíèè ïåðâîé âòîðàÿ îñòàåòñÿ ýôôåêòèâíîé). Ýòî ïðîñòîå è ýôôåêòèâíîå ñðåäñòâî ïîçâîëÿåò èçáåæàòü îïàñíîñòè, âûçûâàåìîé óòå÷êîé òîêà, è ãàðàíòèðîâàòü çàùèòó ÷åëîâåêà îò íåïðÿìûõ êîíòàêòîâ â ñîîòâåòñòâèè ñî ñòàíäàðòàìè ÌÝÊ 60364. (ÃÎÑÒ Ð 50807-92). 2. Àâòîìàòè÷åñêè îòêëþ÷èòü óñòàíîâêó â ñëó÷àå óòå÷êè òîêà. Äëÿ ýòîãî íåîáõîäèìû : õîðîøåå ñîåäèíåíèå ìåæäó ñîáîé êîðïóñîâ ïðèáîðîâ è ïîäêëþ÷åíèå èõ ê çàçåìëèòåëþ; õîðîøî âûïîëíåííûé çàçåìëèòåëü; óñòðîéñòâî çàùèòíîãî îòêëþ÷åíèÿ. Êàêîâ áû íè áûë ðåæèì íåéòðàëè, ïîñòðîåíèå çàùèòû îñíîâàíî íà òîì, ÷òî òîê óòå÷êè äîëæåí çàìûêàòüñÿ íà çåìëþ: ýòî ïîçâîëÿåò åãî ëåãêî îáíàðóæèòü. Ñóùåñòâóþò òðè ðåæèìà ðàáîòû íåéòðàëè: ÒÒ (çåìëÿçåìëÿ), IÒ(ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå çåìëÿ) è ÒN (çåìëÿ íîëü) â âàðèàíòàõ TN-C, TN-S. Âûáîð àïïàðàòîâ çàùèòû è îòêëþ÷åíèÿ çàâèñèò îò âûáðàííîãî ðåæèìà ðàáîòû íåéòðàëè. ÏÐÈÍÖÈÏ ÐÀÁÎÒÛ ÓÑÒÐÎÉÑÒ ÄÈÔÔÅÐÅÍÖÈÀËÜÍÎÉ ÇÀÙÈÒÛ
Äèôôåðåíöèàëüíîå óñòðîéñòâî ïîñòîÿííî èçìåðÿåò ðàçíèöó ìåæäó âåëè÷èíîé òîêà íà âõîäå è âûõîäå öåïè. Åñëè ýòà ðàçíèöà îòëè÷íà îò íóëÿ, çíà÷èò, åñòü óòå÷êà òîêà. Êîãäà çíà÷åíèå ýòîé óòå÷êè äîñòèãàåò óðîâíÿ ïîðîãîâîé âåëè÷èíû óñòðîéñòâà (÷óâñòâèòåëüíîñòè), îíî ñðàáàòûâàåò è îòêëþ÷àåò öåïü. Ïðèíöèï ðàáîòû óñòðîéñòâà äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû â óñëîâèÿõ îòñóòñòâèÿ íàðóøåíèÿ èçîëÿöèè è ïðè íàëè÷èè ïîäîáíûõ íàðóøåíèé íàãëÿäíî ïðîèëëþñòðèðîâàí â íèæåïðèâåäåííûõ ñõåìàõ.  îòñóòñòâèå íàðóøåíèÿ èçîëÿöèè
Åñëè óòå÷êè òîêà íåò, òî â êàòóøêå Ê1 îòñóòñòâóåò ìàãíèòíûé ïîòîê, à íà êàòóøêå Ê2 íåò ý.ä.ñ. Êîíòàêòû çàìêíóòû, óñòðîéñòâî ôóíêöèîíèðóåò íîðìàëüíî.
lf = 0, çíà÷èò... I1 = I2 Ô1 = Ô2 Ô1 Ô2 = 0
376
Ïðè íàðóøåíèè èçîëÿöèè
lf ¹ 0 l1 > l2, çíà÷èò Ô1 > Ô2, ò. å. Ô1 Ô2 ¹ 0
Åñëè â êàòóøêå Ê1 ïîÿâëÿåòñÿ ìàãíèòíûé ïîòîê, òî íà êàòóøêó Ê2 ïîñòóïàåò ý.ä.ñ., êîíòàêòû ðàçìûêàþòñÿ, àâòîìàòè÷åñêè ïðåêðàùàåòñÿ ïîäà÷à íàïðÿæåíèÿ íà îáîðóäîâàíèå
Êàê âûáðàòü íåîáõîäèìîå óñòðîéñòâî äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû? Ïðåæäå âñåãî, íåîáõîäèìî îïðåäåëèòüñÿ ñ òðåáîâàíèÿìè ïî çàùèòå. Ñóùåñòâóåò ëè: 1. Íåîáõîäèìîñòü çàùèòû îò ïðÿìûõ è íåïðÿìûõ êîíòàêòîâ. 2. Íåîáõîäèìîñòü çàùèòû îò ïåðåãðóçêè èëè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Äëÿ çàùèòû îò ïðÿìûõ èëè íåïðÿìûõ êîíòàêòîâ âîçìîæíî èñïîëüçîâàíèå äèôôåðåíöèàëüíûõ óñòðîéñòâ ñ ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ:10 ìÀ, 30 ìÀ; äëÿ çàùèòû îáîðóäîâàíèÿ èñïîëüçóþòñÿ äèôôåðåíöèàëüíûå óñòðîéñòâà ñ ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ 100 ìÀ; 300 ìÀ; 500 ìÀ; 1 À (÷óâñòâèòåëüíîñòü îïðåäåëÿåòñÿ ñîïðîòèâëåíèåì çàçåìëåíèÿ). Ïî íîìèíàëüíîìó òîêó óñòðîéñòâà âûáèðàþò â çàâèñèìîñòè îò íàãðóçêè. Óñòàâêà óñòðîéñòâà äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû (IDn) ýòî âåëè÷èíà òîêà, ïðè êîòîðîé îòêëþ÷åíèå ãàðàíòèðîâàíî. Äëÿ âûïîëíåíèÿ ýòîãî óñëîâèÿ â ñîîòâåòñòâèè ñî ñòàíäàðòàìè ïî äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòå òðåáóåòñÿ, ÷òîáû ñðàáàòûâàíèå óñòðîéñòâà ïðîèñõîäèëî â äèàïàçîíå ìåæäó IDn/2 è IDn.
ÒÈÏÛ ÄÈÔÔÅÐÅÍÖÈÀËÜÍÛÕ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂ
Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî òèïîâ äèôôåðåíöèàëüíûõ óñòðîéñòâ îòâå÷àþùèõ òðåáîâàíèÿì ñòàíäàðòîâ ÃÎÑÒ Ð 51326.1-99 (ÌÝÊ 61008), ÃÎÑÒ Ð 51327.1-99 (ÌÝÊ 61009).  íàñòîÿùåå âðåìÿ «Ïðàâèëà óñòðîéñòâà ýëåêòðîóñòàíîâîê» òðåáóþò ïðèìåíåíèÿ óñòðîéñòâ òèïà ÀÑ. · Òèï ÀÑ |~| ÷óâñòâèòåëåí ê ïåðåìåííîìó òîêó óòå÷êè. Íå èìååò îãðàíè÷åíèé ê ïðèìåíåíèþ. · Òèï À [ ] ÷óâñòâèòåëåí êàê ê ïåðåìåííîìó òîêó óòå÷êè, òàê è ê òîêó óòå÷êè ñ ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé. Èñïîëüçîâàíèå: îñîáûå ñëó÷àè åñëè òîêè óòå÷êè íå ÷èñòî ñèíóñîèäàëüíûå (âûïðÿìèòåëüíûé ìîñò è ò.ï.) Óñòðîéñòâà îáîèõ òèïîâ ìîãóò áûòü âûïîëíåíû â âàðèàíòå «S» (ñåëåêòèâíûé), ëèáî â îáû÷íîì èñïîëíåíèè. Óñòðîéñòâî òèïà «S» ñðàáàòûâàåò ñ çàäåðæêîé äî 30 ìñ, ïîçâîëÿþùåé îáåñïå÷èòü ñåëåêòèâíîñòü ðàáîòû ñ äðóãèìè äèôôåðåíöèàëüíûìè óñòðîéñòâàìè. Èñïîëüçîâàíèå: äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñåëåêòèâíîñòè ñ ââîäíûì àïïàðàòîì. Íà ïðàêòèêå ÷àñòî âûáèðàþò ìåæäó äèôôåðåíöèàëüíûì âûêëþ÷àòåëåì è äèôôåðåíöèàëüíûì âûêëþ÷àòåëåì ñ çàùèòîé îò ñâåðõòîêîâ (äàëåå äèôôåðåíöèàëüíûé àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü). Äèôôåðåíöèàëüíûé âûêëþ÷àòåëü (áåç çàùèòû îò ñâåõòîêîâ) âûáèðàåòñÿ äëÿ çàùèòû îò ïðÿìûõ, íåïðÿìûõ êîíòàêòîâ
377
è âîçãîðàíèé. (Âíèìàíèå! Äèôôåðåíöèàëüíûé âûêëþ÷àòåëü áåç çàùèòû îò ñâåðõòîêîâ äîëæåí áûòü îáÿçàòåëüíî çàùèùåí àâòîìàòè÷åñêèì âûêëþ÷àòåëåì èëè ïðåäîõðàíèòåëåì). Äèôôåðåíöèàëüíûé âûêëþ÷àòåëü ñ çàùèòîé îò ñâåðõòîêîâ âûïîëíÿåò ôóíêöèè: çàùèòû îò òîêà óòå÷êè (ïðÿìûå è íåïðÿìûå êîíòàêòû, âîçãîðàíèÿ) è çàùèòó îò çàìûêàíèé è ïåðåãðóçîê â ýëåêòðîïðîâîäêå. Õàðàêòåðèñòèêè òàêîãî àïïàðàòà çàùèòû îïðåäåëåíû ñòàíäàðòàìè ÌÝÊ 61009-1. Îí ÿâëÿåòñÿ ëó÷øèì âûáîðîì ïî ñðàâíåíèþ ñ îòäåëüíî óñòàíîâëåííûìè óñòðîéñòâàìè çàùèòû îò ñâåðõòîêîâ è äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû. Ñóùåñòâóåò äâà âèäà äèôôåðåíöèàëüíûõ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé: ìîíîáëî÷íûé äèôôåðåíöèàëüíûé àâòîìàòè÷åñêèé âûêëþ÷àòåëü; äèôôåðåíöèàëüíûé áëîê, êîòîðûé äîáàâëÿåòñÿ â ñëó÷àå íåîáõîäèìîñòè ïðè ìîíòàæå ê àâòîìàòè÷åñêîìó âûêëþ÷àòåëþ. Òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè âûêëþ÷àòåëåé ïðèâåäåíû â òàáëèöå.
Òèï èñïîëíåíèÿ 2-ïîëþñíûå 230  äèôôåðåíöèàëüíûå âûêëþ÷àòåëè
×óâñòâèòåëüíîñòü. ìÀ
Íîìèíàëüíûé òîê, À
Òèï äèôôåðåíöèàëüíîãî óñòðîéñòâà
×èñëî ìîäóëåé
10 30
16 25 40 63 80 25 40 63 80 20 40 63 80 63 25 40 63 80 25 40 63 80 25 40 63 80 25 40 63 80 40 63 16 3 6 10 16 20 25 32 40 6 10 16 20 25 32 40
ÀÑ; À ÀÑ; À ÀÑ; À ÀÑ; À ÀÑ; À AC AC AC AC ÀÑ; À ÀÑ; À ÀÑ; À ÀÑ; À AC-S;A-S AC; A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC;A AC-S;A-S AC-S;A-S AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
100
300
4-ïîëþñíûå 400 Â-äèôôåðåíöèàëüíûå âûêëþ÷àòåëè (íåéòðàëü ñïðàâà)
300 òèï S 30
100
300
500
300 òèï S Ïîëþñ +íåéòðàëü 230  ìîíîáëî÷íûå äèôôåðåíöèàëüíûå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè*
10 30
300
378
Ñõåìà âêëþ÷åíèÿ
Òèï èñïîëíåíèÿ 2-ïîëþñíûå 230/400  ìîíîáëî÷íûå äèôôåðåíöèàëüíûå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè**
×óâñòâèòåëüíîñòü. ìÀ
Íîìèíàëüíûé òîê, À
Òèï äèôôåðåíöèàëüíîãî óñòðîéñòâà
×èñëî ìîäóëåé
10
10 16 20 10 16 20 25 32 40 50 63 10 16 20 25 32 40 50 63 10 10 16 16 20 20 25 25 32 32 40 50 63 10 10 16 16 20 20 20 20 32 32 40 50 63 32 63
AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC AC;A AC;A
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 7 4 7 4 7 4 7 4 7 4 7 7 7 7 4 7 4 7 4 7 4 7 4 7 7 7 2 2
32 63 63 63 32 63
AC;A AC;A AC;A AC AC AC;A
2 2 2 2 3 3
32 63 63 32 63
AC AC;A AC;A AC;A AC;A
3 3 3 3 3
32 63 63 63
AC;A AC;A AC;A AC
3 3 3 3
30
300
4-ïîëþñíûå 400  ìîíîáëî÷íûå äèôôåðåíöèàëüíûå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè***
30
300
2-ïîëþñíûå 230/400 Â äèôôåðåíöèàëüíûå áëîêè äëÿ DX è DX-H
30 300
3-ïîëþñíûå 400 Â äèôôåðåíöèàëüíûå áëîêè äëÿ DX è DX-H
300 òèï S 1À òèï S 30 300
4-ïîëþñíûå 400 Â äèôôåðåíöèàëüíûå áëîêè äëÿ DX è DX-H
300 òèï S 30 300 300 òèï S 1À òèï S
* òèï êðèâîé Ñ, îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü 6 êÀ (ÌÝÊ 1009); ** òèï êðèâîé Ñ, îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü 10 êÀ (ÌÝÊ 947-2); *** îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü 10 êÀ (ÌÝÊ 947-2), â ñòàíäàðòíûõ ðàçìåðàõ.
379
Ñõåìà âêëþ÷åíèÿ
Íåîáõîäèìî òàêæå îòìåòèòü, ÷òî êîíñòðóêòèâíî óñòðîéñòâà äèôôåðåíöèàëüíîé çàùèòû ìîãóò èìåòü ñëåäóþùèå âàðèàíòû: ïîäêëþ÷åíèå íåéòðàëè ñëåâà èëè ñïðàâà, âõîäíûå çàæèìû ñâåðõó, ñíèçó, èëè òî è äðóãîå ñâåðõó. Âñå ïåðå÷èñëåííûå âàðèàíòû îãîâàðèâàþòñÿ â êàòàëîãàõ Legrand. Íàëè÷èå ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ ïîäêëþ÷åíèÿ ñâÿçàíî ñ íåîáõîäèìîñòüþ ñíèæåíèÿ êîëè÷åñòâà îïåðàöèé ïðè ìîíòàæå è óìåíüøåíèÿ êîëè÷åñòâà ñîåäèíèòåëüíûõ ïðîâîäíèêîâ â ýëåêòðîùèòàõ. Âûêëþ÷àòåëè ðàçúåäèíèòåëè VistopÔ èñïîëüçóþòñÿ äëÿ êîììóòàöèè öåïè íàãðóçêè â íîìèíàëüíîì ðåæèìå è îáåñïå÷èâàþò âèäèìûé ðàçðûâ êîíòàêòîâ. Îñíàùåíû ìåõàíèçìîì áûñòðîãî îòêëþ÷åíèÿ, èñêðîáåçîïàñíûå. Âûïóñêàþòñÿ â äâóõ âàðèàíòàõ: ðóêîÿòêà ñáîêó è ðóêîÿòêà ñïåðåäè (ñ âîçìîæíîñòüþ âûíåñåíèÿ íà âíåøíþþ ñòåíêó ùèòêà)
VistopÔ âûïóñêàþòñÿ íà íîìèíàëüíûå òîêè 32, 63; 100; 125; 160; 250; 400; 630, 800, 1250 è 1600 À Óñòàíàâëèâàþòñÿ â ùèòêè è øêàôû âñåõ ñåðèé. Äâóõ (òîëüêî 32À), òðåõ è ÷åòûðåõ ïîëþñíîå èñïîëíåíèå. Ðàçðÿäíèêè ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ çàùèòû ýëåêòðîóñòàíîâîê îò ïåðåíàïðÿæåíèé, âûçâàííûõ ãðîçîâûìè ðàçðÿäàìè.  ñîîòâåòñòâèè ñî ñòàíäàðòàìè NF C 61-740 ðàçðÿäíèê ñíàáæåí ïîëóïðîâîäíèêîâûì çàùèòíûì ýëåìåíòîì è ñèãíàëüíûì èíäèêàòîðîì. Åñëè èíäèêàòîð çåëåíîãî öâåòà ðàçðÿäíèê â ðàáî÷åì ñîñòîÿíèè, êðàñíûé ðàçðÿäíèê â íåðàáî÷åì ñîñòîÿíèè. Óñòðîéñòâî ñïîñîáíî âûäåðæàòü äî 20 óäàðîâ òîêà, ïî 20 êÀ êàæäûé.
Ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå ðàçðÿäíèêà: ïðè îäíîôàçíîì ïîäêëþ÷åíèè 230 Â; ïðè òðåõôàçíîì ïîäêëþ÷åíèè 400 Â.
Ýëåêòðîóñòàíîâî÷íûå èçäåëèÿ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ íà ïðàêòèêå ïðè ìîíòàæå ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ â æèëûõ è àäìèíèñòðàòèâíûõ ïîìåùåíèÿõ. Ê íèì îòíîñÿòñÿ ðåãóëÿòîðû îñâåùåíèÿ, ñóìåðå÷íûå âûêëþ÷àòåëè, êëàâèøíûå âûêëþ÷àòåëè è ðîçåòêè, êàáåëüíûå êàíàëû è àêñåññóàðû, ðàçúåìû è ñîåäèíèòåëè è äð. Legrand âûïóñêàåò ýëåêòðîóñòàíîâî÷íûå èçäåëèÿ ñ ó÷åòîì êîìôîðòà, áåçîïàñíîñòè è ýñòåòèêè. Íà îáîðóäîâàíèè Legrand ìîæíî îðãàíèçîâàòü ñèñòåìó òåëåôîííîé è òåëåâèçèîííîé ñâÿçè íà áàçå äèñòàíöèîííîãî óïðàâëåíèÿ. Ñ ýòîé öåëüþ ñîçäàíà ãàììà èçäåëèé Ñàãàí, óäîâëåòâîðÿþùàÿ ëþáûå ïîòðåáíîñòè â óñòàíîâî÷íîì ýëåêòðîîáîðóäîâàíèè äëÿ æèëèùà. Äèçàéí âûðàáîòàí â ñîòðóäíè÷åñèâå ñ áþðî BERTONE, èçâåñòíîì òàêæå ñâîèìè ýêñêëþçèâíûìè ðàçðàáîòêàìè äëÿ Ferrari è Buick. Íîâåéøàÿ ðàçðà-
380
áîòêà Legrand, ïëàâàþùèé ìåõàíèçì Flotix, ïîçâîëÿåò óñòàíàâëèâàòü ìåõàíèçìû èäåàëüíî ðîâíî äàæå íà íå ðîâíûõ ñòåíàõ ïðè íåòî÷íîé óñòàíîâêå ìîíòàæíîé êîðîáêè. Âñå ìåõàíèçìû âûïîëíåíû èç ýëåêòðîèçîëÿöèîííîãî ìàòåðèàëà è íàäåæíî çàùèùàþò ïîòðåáèòåëÿ è ìîíòàæíèêà îò ïîðàæåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì. Ìåõàíèçìû ÑÀÃÀÍ îáåñïå÷èâàþò íàäåæíîå ñîåäèíåíèå ñ ìîíòàæíîé êîðîáêîé çà ñ÷åò áîëüøîé ïëîùàäè êîíòàêòà è íàäåæíûõ âèíòîâ. Äëÿ óäîáñòâà ïîòðåáèòåëÿ â ðÿä èçäåëèé äîïîëíèòåëüíî âñòðàèâàþòñÿ èíäèêàòîðû çåëåíîãî èëè êðàñíîãî öâåòà. Ðàñïðåäåëèòåëüíûå ùèòû è øêàôû çàíèìàþò îñîáîå ìåñòî â íîìåíêëàòóðå èçäåëèé ôèðìû. Îíè êëàññèôèöèðóþòñÿ êàê ïî ñïîñîáó èñïîëíåíèÿ, ìîíòàæà è êðåïëåíèÿ èçäåëèé, òàê è ïî öâåòîâîé ãàììå, ìàòåðèàëó êîðïóñà, ñïîñîáó ñîåäèíåíèÿ áëîêîâ øêàôîâ. Ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ æèëûõ è îáùåñòâåííûõ çäàíèé, ùèòû è øêàôû Legrand îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé íàäåæíîñòüþ, ýñòåòè÷íîñòüþ, óäîáñòâîì ïðè ìîíòàæå è ïðîåêòèðîâàíèè. Ñïåöèàëèçèðîâàííûé ïðîãðàììíûé ïðîäóêò XL-Pro ïîçâîëÿåò àâòîìàòèçèðîâàòü ðàçðàáîòêó, îáåñïå÷èâàåò íàãëÿäíîñòü äëÿ çàêàç÷èêà è ñëåñàðÿ-ýëåêòðîìîíòàæíèêà, à òàêæå ïðåäîñòàâëÿåò âîçìîæíîñòü âûáîðà àïïàðàòóðû è ìîíòàæíûõ àêñåññóàðîâ äëÿ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ øèí â çàäàííîì ðåæèìå êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ. Ùèòû è øêàôû ìîæíî ðàçäåëèòü íà äâå ãðóïïû: ãîòîâûå ê ïðèìåíåíèþ è ñáîðíûå. Ãîòîâûå ê ïðèìåíåíèþ øêàôû îñíàùåíû DIN ðåéêàìè äëÿ óñòàíîâêè ýëåêòðîàïïàðàòîâ è øèíîé íåéòðàëè. Ñáîðíûå øêàôû è ùèòû êîìïëåêòóþòñÿ â çàâèñèìîñòè îò òðåáîâàíèé ê èçäåëèþ, ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðîãðàììû XL-Pro èëè êàòàëîãà Legrand.
1. Ýêèíîêñ (EKINOXEÔ) Îò 1 äî 52 ìîäóëåé (4 ðåéêè ïî 13,18 èëè 24 ìîäóëåé 17.5 ìì), äëÿ âñåõ ïðèìåíåíèé. Ýòî ïëàñòèêîâûå ùèòû èç ìàòåðèàëà, íå ïîääåðæèâàþùåãî ãîðåíèå, äëÿ íåáîëüøèõ æèëûõ è îáùåñòâåííûõ çäàíèé, êîòîðûå ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ êàê ÂÓ èëè ÂÐÓ äî 125 À. Ïî æåëàíèþ ìîãóò êîìïëåêòîâàòüñÿ ïëàñòèêîâîé äâåðöåé, çàìêîì è øèíîé çåìëè. Âûïóñêàþòñÿ â íàâåñíîì èñïîëíåíèè. Èìååòñÿ âîçìîæíîñòü îáúåäèíåíèÿ êîðïóñîâ.
2. Àðìþðàëü (ArmuralÔ) Ïëàñòèêîâûå øêàôû øèðèíîé 320 è 500 ìì îò îäíîé äî ÷åòûðåõ ðååê ïî 16 èëè 24 ìîäóëåé 17.5 ìì. Ýòè ùèòû èìåþò êîìïëåêòàöèþ, àíàëîãè÷íóþ ïðåäûäóùèì è îòëè÷àþòñÿ áîëüøèìè ãàáàðèòàìè, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü â íèõ àïïàðàòû ñ áîëüøåé îòêëþ÷àþùåé ñïîñîáíîñòüþ è íîìèíàëîì äî 160 À. Ìîãóò îñíàùàòüñÿ äâåðêàìè íåñêîëüêèõ öâåòîâ è çàìêàìè. Äîïóñêàåòñÿ óñòàíîâêà îáîðóäîâàíèÿ, íå èìåþùåãî ôèêñàòîðîâ äëÿ DIN ðåéêè.
3. Øêàôû ìîäóëüíûå âñòðàèâàåìûå. 12 ìîäóëåé íà ëèíåéêå. Îò îäíîé äî ÷åòûðåõ ðååê. Îñíàùàþòñÿ ïëàñòèêîâîé èëè ìåòàëëè÷åñêîé äâåðöåé. Êîìïëåêòóþòñÿ äîïîëíèòåëüíîé øèíîé çåìëè. Ýòà ñåðèÿ ùèòîâ ïîçâîëÿåò óñòàíàâëèâàòü àïïàðàòóðó äî 125 À.
381
4. Øêàôû ìîäóëüíûå Ïëåêñî 55(PlexoÔ), èìåþò èíäåêñ IP 55. Ýòè øêàôû ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ óñòàíîâêè â ïîìåùåíèÿõ ñ ïîâûøåííîé âëàæíîñòüþ è äëÿ íàðóæíîé óñòàíîâêè. Ìàòåðèàë ïëàñòèê. Ïîñòàâëÿþòñÿ ïîëíîñòüþ óêîìïëåêòîâàííûìè. Äîïîëíèòåëüíî ìîãóò îñíàùàòüñÿ çàìêàìè è øèíîé çåìëè (øèíà íåéòðàëè ïîñòàâëÿåòñÿ â êîìïëåêòå øêàôà). Øêàôû Ïëåêñî ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ àïïàðàòóðû äî 125 À.
5. Øêàôû ñåðèè XLÔ. Äàííàÿ ñåðèÿ ÿâëÿåòñÿ ïîëíîñòüþ óíèôèöèðîâàííîé è ïîñòàâëÿåòñÿ êàê «êîíñòðóêòîð». Âñå àêñåññóàðû äëÿ ýòîé ñåðèè ÿâëÿþòñÿ óíèâåðñàëüíûìè, ÷òî îáåñïå÷èâàåò ìàêñèìóì óäîáñòâ äëÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ, ìîíòàæà è äèñòðèáüþöèè. Äàííàÿ ãàììà ïîäðàçäåëÿåòñÿ íà XL-135, XL-195, XL-400/600, XL-A 400/600 è XL-A 250. Öèôðû â îáîçíà÷åíèè ãëóáèíà â ìèëëèìåòðàõ. Øêàôû XL-135, XL-195 ñ ïëàñòèêîâûìè îñíîâàíèÿìè è, ïî âûáîðó, ìåòàëëè÷åñêèìè èëè ïëàñòèêîâûìè áîêîâèíàìè. Îíè îòëè÷àþòñÿ íàëè÷èåì àêòèâíîé çàäíåé ñòåíêè, îáåñïå÷èâàþùåé ôèêñàöèþ êàáåëÿ, ðååê, øèí è äðóãèõ àêñåññóàðîâ ïðîñòûì çàùåëêèâàíèåì èëè ñ ïðèìåíåíèåì âèíòîâ ñàìîðåçîâ. Ïðè ïðîâåäåíèè ìîíòàæíûõ ðàáîò áîêîâèíû, äíî è êðûøêó øêàôà ìîæíî äåìîíòèðîâàòü äëÿ îáëåã÷åíèÿ äîñòóïà. Øêàôû XL-400/600, XL-A 400/600 è XL-A 250 ìåòàëëè÷åñêèå è èìåþò èíäåêñû IP 44, 55-9 è 55-9 ñîîòâåòñòâåííî. Ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ ÂÓ, ÂÐÓ è ÐÓ ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèé, æèëûõ è îáùåñòâåííûõ çäàíèé. Âîçìîæåí ìîíòàæ ëþáûõ ýëåêòðîàïïàðàòîâ. Äëÿ âñåõ øêàôîâ äàííîé ãàììû âîçìîæíî îáúåäèíåíèå äëÿ ñîçäàíèÿ óñòðîéñòâ ðàçëè÷íûõ ãàáàðèòîâ. Ïðåäóñìîòðåíû ðûìáîëòû äëÿ ïåðåíîñêè êðàí-áàëêîé. Ýòè øêàôû òàêæå îáåñïå÷èâàþò ïîëíûé äîñòóï ê óñòàíîâëåííîìó â íèõ îáîðóäîâàíèþ ïðè ìîíòàæå, à èñïîëüçîâàíèå ïðî÷íûõ äâåðåé è íàäåæíûõ çàìêîì èñêëþ÷àåò âîçìîæíîñòü íå ñàíêöèîíèðîâàííîãî äîñòóïà. Ìåõàíè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü â ñî÷åòàíèè ñ óäîáñòâîì ìîíòàæà è îáñëóæèâàíèÿ, ïðî÷íîñòü ïîêðûòèé èç òåêñòóðèðîâàííîãî ïîëèýñòåðà îáåñïå÷èâàåò óñïåõ Legrand íà ðûíêå ââîäíî-ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ. 6. Øêàôû è ùèòû ïðîìûøëåííîãî ïðèìåíåíèÿ. Êðîìå ðàññìîòðåííûõ øêàôîâ óñïåøíî èñïîëüçóþòñÿ è äðóãèå ñåðèè, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ ïðèìåíåíèÿ â ïðîìûøëåííîì ïðîèçâîäñòâå, æèëûõ è îáùåñòâåííûõ çäàíèÿõ: ìåòàëëè÷åñêèå øêàôû ñåðèé AtlanticÔ, MarinaÔ, AltisÔ. Èõ îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ ÿâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå ïðîêàòà òîëùèíîé 2 ìì èëè ïîëèýñòåðà (MarinaÔ). Øêàôû AtlanticÔ è AltisÔ èìåþò ïîêðûòèå èç òåêñòóðèðîâàííîãî ïîëèýñòåðà, óïëîòíèòåëè âûäåðæèâàþùèå âûñîêèå è íèçêèå òåìïåðàòóðû, ñïåöèàëüíóþ êîíñòðóêöèþ êîðïóñà, îáåñïå÷èâàþùóþ âûñîêóþ ïûëå- è âëàãîçàùèùåííîñòü, ïîâûøåííóþ óäàðîïðî÷íîñòü (IP 55-9). Äëÿ äàííûõ ñåðèé øêàôîâ èçãîòàâëèâàþòñÿ ñïåöèàëüíûå óñòðîéñòâà äëÿ îõëàæäåíèÿ, èñêëþ÷àþùèå ïîïàäàíèå â øêàô íàðóæíîãî âîçäóõà, ñèñòåìû êîíäèöèîíèðîâàíèÿ è âåíòèëÿöèè. Íåîáõîäèìî òàêæå îòìåòèòü îòäåëüíî âûïóñêàåìûå øêàôû è ùèòû, ïðåäíàçíà÷åííûå äëÿ ïðèìåíåíèÿ â ïîæàðî- è âçðûâîîïàñíûõ ñðåäàõ ñåðèè ATXÔ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ íîìåíêëàòóðà èçäåëèé ôèðìû íàñ÷èòûâàåò áîëåå 30 òûñ. íàèìåíîâàíèé.
Ïîäðîáíóþ èíôîðìàöèþ ìîæíî ïîëó÷èòü â ïðåäñòàâèòåëüñòâå Legrand òåë. (095) 755-58-00, èíòåðíåò ñàéò www.legrand.com.ru.
382
ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÑÂÅÄÅÍÈß ÎÁ ÝËÅÊÒÐÎÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈÈ, ÂÛÏÓÑÊÀÅÌÎÌ ÊÎÌÏÀÍÈÅÉ «ØÍÅÉÄÅÐ ÝËÅÊÒÐÈÊ» (ÔÐÀÍÖÈß)
Ìåæäóíàðîäíàÿ êîìïàíèÿ «Øíåéäåð Ýëåêòðèê» çàíèìàåò ëèäèðóþùåå ïîëîæåíèå â ïðîèçâîäñòâå, ïåðåäà÷å è ðàñïðåäåëåíèè ýëåêòðîýíåðãèè; â ýëåêòðîñíàáæåíèè è ïðîèçâîäñòâå ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ óñòàíîâîê; â àâòîìàòèçàöèè ïðîèçâîäñòâåííûõ ïðîöåññîâ è ïðîìûøëåííîì êîíòðîëå. Íà ïðîòÿæåíèè ìíîãèõ ëåò â Ðîññèè â êëþ÷åâûõ îòðàñëÿõ ïðîìûøëåííîñòè (íåôòåäîáû÷à è íåôòåïåðåðàáîòêà, ÷åðíàÿ è öâåòíàÿ ìåòàëëóðãèÿ, ãàçîâàÿ ïðîìûøëåííîñòü è äð.) óñïåøíî èñïîëüçóåòñÿ ïðîäóêöèÿ ýòîé êîìïàíèè: êîìïëåêòíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà (ÊÐÓ) ñ ýëåãàçîâûìè âûêëþ÷àòåëÿìè; òðàíñôîðìàòîðíûå ïîäñòàíöèè (ÒÏ); ñèñòåìû ó÷åòà è êîíòðîëÿ ýëåêòðîïîòðåáëåíèÿ è ìíîãèå äðóãèå.  íàñòîÿùåå âðåìÿ âàæíûìè íàïðàâëåíèÿìè ðàáîòû êîìïàíèè «Øíåéäåð Ýëåêòðèê» â Ðîññèè ÿâëÿþòñÿ: ìîäåðíèçàöèÿ îáîðóäîâàíèÿ ýëåêòðîýíåðãåòè÷åñêèõ îáúåêòîâ, òåõíîëîãè÷åñêàÿ ïîääåðæêà âåäóùèõ îòðàñëåé ïðîìûøëåííîñòè, àâòîìàòèçàöèÿ è äèñïåò÷åðèçàöèÿ ñèñòåì ýëåêòðîñáåðåæåíèÿ. Ïðîäóêöèÿ «Øíåéäåð Ýëåêòðèê» èìååò âûñîêóþ ñòåïåíü áåçîïàñíîñòè äëÿ ýëåêòðîóñòàíîâîê è ïåðñîíàëà, âûñîêèé ýëåêòðè÷åñêèé è ìåõàíè÷åñêèé ðåñóðñ ïðè îòêëþ÷åíèè êàê íîìèíàëüíûõ òîêîâ, òàê è òîêîâ ÊÇ, ïðîñòîòó â ýêñïëóàòàöèè è îáñëóæèâàíèè, ëåãêóþ àäàïòàöèþ ê ëþáûì ñõåìàì ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåêòðîýíåðãèè. Íèæå ðàññìîòðåíî íåñêîëüêî âûñîêîâîëüòíûõ àïïàðàòîâ íà íàïðÿæåíèÿ 6-10 êÂ, âûïóñêàåìûõ êîìïàíèåé «ØÍÅÉÄÅÐ ÝËÅÊÒÐÈÊ» è ïðåäëàãàåìûõ íà ðûíêå Ðîññèè: ýëåãàçîâûé âûêëþ÷àòåëü; ýëåãàçîâûé êîíòàêòîð; ýëåãàçîâûé âûêëþ÷àòåëü íàãðóçêè; âàêóóìíûé âûêëþ÷àòåëü. Êîìïàíèÿ «ØÍÅÉÄÅÐ ÝËÅÊÒÐÈÊ» ÿâëÿåòñÿ ïèîíåðîì è ìèðîâûì ëèäåðîì â ïðîèçâîäñòâå ýëåãàçîâûõ êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòîâ è òåõíîëîãèé ãàøåíèÿ äóãè â ýëåãàçå. Ýëåãàç øåñòèôòîðèñòàÿ ñåðà (SF6) íåòîêñè÷íûé, õèìè÷åñêè èíåðòíûé ãàç, ïðèáëèçèòåëüíî â 5 ðàç òÿæåëåå âîçäóõà.  ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ èñïîëüçóåòñÿ áëàãîäàðÿ âûñîêîé ýëåêòðè÷åñêîé ïðî÷íîñòè, õîðîøåé äóãîãàñèòåëüíîé è òåïëîîòâîäÿùåé ñïîñîáíîñòè. Ãàç íå îêàçûâàåò ãåíåòè÷åñêîãî èëè êàíöåðîãåííîãî âëèÿíèÿ íà çäîðîâüå ÷åëîâåêà. Áëàãîäàðÿ âûñîêîé ñòàáèëüíîñòè ìîëåêóëû ãàçà, îí íå âêëþ÷åí â ïåðå÷åíü âåùåñòâ, ïîäëåæàùèõ çàïðåòó èëè îãðàíè÷åíèþ ïðèìåíåíèÿ ñîãëàñíî Ìîíðåàëüñêîé Êîíâåíöèè. ÝËÅÃÀÇÎÂÛÉ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÜ ÑÅÐÈÈ LF
Îñîáåííîñòüþ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé ÿâëÿåòñÿ îòñóòñòâèå êîììóòàöèîííûõ ïåðåíàïðÿæåíèé, ÷òî äåëàåò èõ íåçàìåíèìûìè â ñåòÿõ ñ äâèãàòåëüíîé íàãðóçêîé. Ïîëíîñòüþ îòïàäàåò íåîáõîäèìîñòü â èñïîëüçîâàíèè îãðàíè÷èòåëåé ïåðåíàïðÿæåíèé, êîòîðûå èìåþò ìåñòî ïðè ïðèìåíåíèè âàêóóìíûõ âûêëþ÷àòåëåé. Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé ñåðèè LF ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 1à. Íà ðèñ. 1á äàíû ãàáàðèòû âûêàòíûõ ýëåìåíòîâ äëÿ ÿ÷ååê ñ óêàçàííûìè âûêëþ÷àòåëÿìè. Äàííûé âûêëþ÷àòåëü îòíîñèòñÿ ê òèïó ýëåãàçîâûõ àïïàðàòîâ, îáîëî÷êà êîòîðûõ çàïàÿíà íà âåñü ñðîê ñëóæáû (íå ìåíåå 30 ëåò).  ýòîì ñëó÷àå â òå÷åíèå âñåãî ñðîêà ñëóæáû âûêëþ÷àòåëè íå òðåáóþò óõîäà, ðåìîíòà, êîíòðîëÿ äàâëåíèÿ ãàçà è åãî äîáàâëåíèÿ. Âûêëþ÷àòåëü èìååò âûñîêèé ìåõàíè÷åñêèé ðåñóðñ 10 òûñ. öèêëîâ.
383
a
á Ðèñ. 1. Ýëåãàçîâûé âûêëþ÷àòåëü ñåðèè LF
Ïðîöåññ ãàøåíèÿ äóãè áàçèðóåòñÿ íà ïðèíöèïå àâòîêîìïðåññèè â ýëåãàçå. Òðè ãëàâíûõ ïîëþñà íàõîäÿòñÿ â èçîëèðóþùåé îáîëî÷êå, çàïîëíåííîé ýëåãàçîì ïîä ñðàâíèòåëüíî íèçêèì äàâëåíèåì â 0,15 ÌÏà (1,5 áàð). Èñïîëüçîâàíèå ýëåãàçà ïîä íèçêèì äàâëåíèåì îáåñïå÷èâàåò âûñîêóþ íàäåæíîñòü ãåðìåòèçàöèè. Ïðèíöèï ðàáîòû ïîñòðîåí íà òåõíèêå âðàùåíèÿ äóãè è ýôôåêòå òåìïåðàòóðíîãî ðàñøèðåíèÿ. Íà ðèñ. 2à ïîêàçàíî ïîëîæåíèå âêëþ÷åííîãî âûêëþ÷àòåëÿ çäåñü ðàçäåëåíû ãëàâíûå òîêîâåäóùèå è äóãîãàñèòåëüíûå êîíòàêòû (ïîñëåäíèå ïîìåùåíû â îòäåëüíóþ êàìåðó). Ðèñ. 2á ïîêàçûâàåò ïåðâóþ ñòàäèþ ïðîöåññà îòêëþ÷åíèÿ ðàçìûêàíèå ãëàâíûõ òîêîâåäóùèõ êîíòàêòîâ. Íà ðèñ. 2â ïîêàçàí ïðîöåññ ãàøåíèÿ äóãè, âîçíèêàþùåé ìåæäó äóãîãàñèòåëüíûìè êîíòàêòàìè äóãà îõëàæäàåòñÿ, ïîâîðà÷èâàÿñü ïîä âîçäåéñòâèåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ïîðîæäåííîãî êàòóøêîé íà íåïîäâèæíîì êîíòàêòå. Èçáûòî÷íîå äàâëåíèå â êàìåðå ðàñøèðåíèÿ, îáóñëîâëåííîå ïîâûøåííîé òåìïåðàòóðîé, ñäâèãàåò äóãó, ïðèíóæäàÿ åå ê ðàçðûâó è ãàøåíèþ (ðèñ. 2ã). Äàííûé ïðèíöèï ïîçâîëÿåò îòêëþ÷àòü òîêè êîðîòêîãî çàìûêàíèÿ ñ âûñîêîé ñòåïåíüþ íåñèììåòðèè ïî ôàçàì. Âûêëþ÷àòåëè òèïà LF ïðèâîäÿòñÿ â äåéñòâèå ïðóæèííûì ïðèâîäîì RI c ðó÷íûì ïîäçàâîäîì, êîòîðûé îáåñïå÷èâàåò íåçàâèñèìîñòü îò îïåðàòîðà ñêîðîñòè âêëþ÷åíèÿ è âûêëþ÷åíèÿ ýëåêòðîàïïàðàòà. Ñî÷åòàíèå ïðóæèííîãî ïðèâîäà RI è ñòàíäàðòíîãî ìîòîð-ðåäóêòîðà îáåñïå÷èâàåò äèñòàíöèîííîå óïðàâëåíèå è îñóùåñòâëåíèå öèêëà ïîâòîðíîãî âêëþ÷åíèÿ.
384
Ðèñ. 2. Ïðîöåññ îòêëþ÷åíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ LF
Ðàññìîòðåííûé òèï âûêëþ÷àòåëÿ èñïîëüçóåòñÿ â ÿ÷åéêàõ äëÿ ñèñòåì ýëåêòðîñíàáæåíèÿ, ñîäåðæàùèõ îòâåòñòâåííóþ ýëåêòðîäâèãàòåëüíóþ íàãðóçêó íà øèíàõ 6-10 ê ñîáñòâåííûå íóæäû àòîìíûõ è òåïëîâûõ ýëåêòðîñòàíöèé, ìîùíûå êîìïðåññîðíûå ñòàíöèè, íåôòåïåðåðàáàòûâàþùèå, ìåòàëëóðãè÷åñêèå è äðóãèå ïðîèçâîäñòâà.
385
Ðèñ. 3. Ðàçðåç êîíòàêòîðà ROLLARC-400: 1 êîíòàêòû; 2 ýëåêòðîìàãíèò; 3 äóãîãàñÿùàÿ êàòóøêà; 4 íåïîäâèæíûé ãëàâíûõ êîíòàêò; 5 íåïîäâèæíûé äóãîãàñèòåëüíûé êîíòàêò; 6 ïîäâèæíûé ãëàâíûé êîíòàêò; 7 ïîäâèæíûé äóãîãàñèòåëüíûé êîíòàêò; 8 ñèñòåìà óïëîòíåíèÿ; 9 ãèáêèé ñîåäèíèòåëü; 10 êîðïóñ; 11 ìîëåêóëÿðíàÿ ñåòêà
Òðè ôàçû íàõîäÿòñÿ â êîðïóñå, çàïîëíåííîì ýëåãàçîì è çàïàÿííîì íà âåñü ñðîê ñëóæáû, ñ äàâëåíèåì 3,5 àòì. Ýòà ñèñòåìà îáåñïå÷èâàåò ìàêñèìàëüíóþ íàäåæíîñòü ðàáîòû è êîììóòàöèîííûé ðåñóðñ äî 300 òûñÿ÷ öèêëîâ. Ãåðìåòè÷íîñòü êîðïóñà, ñíàáæåííîãî ïðåäîõðàíèòåëüíîé ìåìáðàíîé, ïðîâåðÿåòñÿ íà çàâîäå-èçãîòîâèòåëå. Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåí ðàçðåç âûñîêîâîëüòíîãî êîíòàêòîðà ROLLARC-400.  êîíòàêòîðàõ â êà÷åñòâå ïðèíöèïà ãàøåíèÿ äóãè èñïîëüçîâàí ïðèíöèï âðàùåíèÿ äóãè â ýëåãàçå. Ïðîöåññ îòêëþ÷åíèÿ íà÷èíàåòñÿ ñ ðàçìûêàíèÿ ãëàâíûõ òîêîâåäóùèõ êîíòàêòîâ ïðè çàìêíóòûõ äóãîãàñèòåëüíûõ êîíòàêòàõ (ðèñ. 4à). Ñëåäóþùèì ýòàïîì ïðîèñõîäèò ðàçìûêàíèå äóãîãàñèòåëüíûõ êîíòàêòîâ è âîçíèêíîâåíèå äóãè ìåæäó íèìè (ðèñ. 4á). Íà äóãó âîçäåéñòâóåò ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå, ñîçäàâàåìîå äóãîãàñèòåëüíîé êàòóøêîé, è ïðîïîðöèîíàëüíîå âåëè÷èíå îòêëþ÷àåìîãî òîêà. Äóãà áûñòðî âðàùàåòñÿ ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèë è îõëàæäàåòñÿ çà ñ÷åò ïðèíóäèòåëüíîé êîíâåêöèè (ðèñ. 4â). Áëàãîäàðÿ ôàçîâîìó ñäâèãó ìåæäó òîêîì è íàïðÿæåííîñòüþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, ýòà ñèëà ïðîäîëæàåò ñóùåñòâîâàòü è â ìîìåíò ïðîõîæäåíèÿ òîêà ÷åðåç íîëü (ðèñ. 4ã). Ïðè òîêå, ðàâíîì íóëþ, â ïðîìåæóòêå ìåæäó äóãîãàñèòåëüíûìè êîëüöàìè âîññòàíàâëèâàåòñÿ èñõîäíàÿ äèýëåêòðè÷åñêàÿ íàïðÿæåííîñòü áëàãîäàðÿ óíèêàëüíûì äèýëåêòðè÷åñêèì ñâîéñòâàì, ïðèñóùèì ýëåãàçó. Âûïóñêàþòñÿ äâà òèïà ýëåãàçîâûõ êîíòàêòîðîâ: ROLLARC-400 ñ ìàãíèòíûì äåðæàòåëåì è ROLLARC400D ñ ìåõàíè÷åñêèì ôèêñèðóþùèì óñòðîéñòâîì.  êà÷åñòâå ïðèâîäîâ èñïîëüçóþòñÿ ïðóæèííûå ñ ðó÷íûì ïîäçàâîäîì èëè ìîòîðèçîâàííûå. Íèæå â òàáë. 1 ïðèâåäåíû îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè êîíòàêòîðîâ ñåðèè ROLLARC-400 â ñîñòàâå ÿ÷ååê SM6.
386
à Êîíòàêòû çàìêíóòû
á Ãëàâíûå êîíòàêòû ðàçîìêíóòû
â Ñòàäèÿ ãîðåíèÿ äóãè
ã Êîíòàêòû ðàçîìêíóòû
Ðèñ. 4. Ïðîöåññ îòêëþ÷åíèÿ êîíòàêòîðà ROLLARC-400 Òàáëèöà 1
Íîìèíàëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ
6
10
Ìàêñèìàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ áåç ïðåäîõðàíèòåëåé
10
8
ñ ïðåäîõðàíèòåëÿìè
25
12,5
ïðè òîêå 320 À
100 000
100 000
ïðè òîêå 250 À
300 000
300 000
Êîììóòàöèîííûé ðåñóðñ (îïåðàöèé), ÌÝÊ-56
ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÜ ÍÀÃÐÓÇÊÈ (ÐÀÇÚÅÄÈÍÈÒÅËÜ) È ÇÀÇÅÌËßÞÙÈÉ ÐÀÇÚÅÄÈÍÈÒÅËÜ
Ýëåãàçîâûé âûêëþ÷àòåëü íàãðóçêè ýòî òðåõïîçèöèîííûé ýëåêòðîàïïàðàò, â êîòîðîì òðè âðàùàþùèõñÿ êîíòàêòà ïîìåùåíû â êîðïóñ, çàïîëíåííûé ýëåãàçîì ïîä äàâëåíèåì â 1,4 àòì. è çàïàÿííîì íà âåñü ñðîê ñëóæáû (ðèñ. 5). Äàííàÿ êîíñòðóêöèÿ îáåñïå÷èâàåò ìàêñèìàëüíóþ íàäåæíîñòü ïðè ýêñïëóàòàöèè.
Ðèñ. 5. Ýëåãàçîâûé âûêëþ÷àòåëü íàãðóçêè: 1 êîðïóñ; 2 êðûøêà; 3 âàë ïðèâîäà; 4 íåïîäâèæíûé êîíòàêò; 5 ïîäâèæíûé êîíòàêò; 6 óïëîòíåíèå
Êîììóòàöèîííûé àïïàðàò ìîæåò íàõîäèòüñÿ â îäíîì èç òðåõ ïîëîæåíèé «âêëþ÷åí», «îòêëþ÷åí» èëè «çàçåìëåí», ÷òî îáåñïå÷èâàåò åñòåñòâåííóþ ñèñòåìó áëîêèðîâîê, êîòîðàÿ ïîëíîñòüþ èñêëþ÷àåò âîçìîæíîñòü íåêîððåêòíîé ýêñïëóàòàöèè (ðèñ. 6). Âðàùåíèå ïîäâèæíîãî êîíòàêòà îñóùåñòâëÿåòñÿ áûñòðîäåéñòâóþùèì ïðèâîäîì. Òàêèì îáðàçîì, â îäíîì àïïàðàòå îáúåäèíåíû ôóíêöèè îòêëþ÷åíèÿ è ðàçúåäèíåíèÿ (áåç âè-
387
Âûêëþ÷àòåëü íàãðóçêè (ðàçúåäèíèòåëü) âêëþ÷åí
Âûêëþ÷àòåëü íàãðóçêè (ðàçúåäèíèòåëü) îòêëþ÷åí
Âûêëþ÷àòåëü íàãðóçêè (ðàçúåäèíèòåëü) çàçåìëåí
Ðèñ. 6. Ïðîöåññ ðàáîòû âûêëþ÷àòåëÿ íàãðóçêè
äèìîãî ðàçðûâà). Çäåñü çàçåìëÿþùèé ðàçúåäèíèòåëü, íàõîäÿùèéñÿ â áàêå ñ ýëåãàçîì, îáëàäàåò, â ñîîòâåòñòâèè ñ íîðìàòèâíûìè òðåáîâàíèÿìè, ñòîéêîñòüþ ê âêëþ÷åíèþ íà êîðîòêîå çàìûêàíèå.  äàííîé êîíñòðóêöèè äëÿ óñèëåíèÿ îõëàæäåíèÿ äóãè ñîçäàåòñÿ åå äâèæåíèå â ýëåãàçîâîé ñðåäå. Âçàèìîäåéñòâèå ðàáî÷åãî òîêà ñ ïîëåì, ñîçäàâàåìûì ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì, ïðèâîäèò ê çàêðó÷èâàíèþ äóãè îòíîñèòåëüíî íåïîäâèæíîãî êîíòàêòà, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïðîèñõîäèò ðàñòÿæåíèå è îõëàæäåíèå äóãè äî ìîìåíòà åå ïîãàñàíèÿ ïðè ïåðâîì ïåðåõîäå òîêà ÷åðåç íîëü. Ê ýòîìó ìîìåíòó ðàññòîÿíèå ìåæäó ðàáî÷èìè êîíòàêòàìè ñòàíîâèòñÿ äîñòàòî÷íûì, ÷òîáû âûäåðæàòü âîññòàíàâëèâàþùååñÿ íàïðÿæåíèå. Äàííàÿ êîíñòðóêöèÿ ïðîñòà, íàäåæíà è äîëãîâå÷íà áëàãîäàðÿ ÷ðåçâû÷àéíî íèçêîìó èçíîñó ðàáî÷åé ïîâåðõíîñòè êîíòàêòîâ. Íèæå (òàáë. 2) ïðèâîäÿòñÿ îñíîâíûå õàðàêòåðèñòèêè âûêëþ÷àòåëÿ íàãðóçêè (ðàçúåäèíèòåëÿ). Òàáëèöà 2
Ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
6
10
50 Ãö / 1 ìèí. (ê ýôô.)
32
42
1,2 / 50 ìêñ (ê óäàð)
60
75
Íîìèíàëüíûé òîê, À
100
100
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
50
50
Óðîâåíü èçîëÿöèè:
ÂÀÊÓÓÌÍÛÉ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÜ «ÝÂÎËÈÑ»
Äàííûé âûêëþ÷àòåëü ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ïðèìåíåíèÿ â ðàñïðåäåëèòåëüíûõ è ïðîìûøëåííûõ ñåòÿõ ñ íàïðÿæåíèåì 6-10 êÂ. Íà ðèñ. 7 ïðåäñòàâëåí âíåøíèé âèä êàññåòû ñ âûêëþ÷àòåëåì è îñíîâíûå ãàáàðèòû âûêëþ÷àòåëÿ «ÝÂÎËÈÑ». Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ äàííîãî àïïàðàòà ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå êîìïàêòíîãî ïðóæèííîãî ïðèâîäà ñ ðó÷íûì è ýëåêòðè÷åñêèì óïðàâëåíèåì, õîðîøî ñåáÿ çàðåêîìåíäîâàâøåãî â òå÷åíèå äëèòåëüíîãî ñðîêà ýêñïëóàòàöèè íà ìîùíûõ íèçêîâîëüòíûõ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëÿõ «Masterpact».
388
 ñîñòàâ ïðóæèííîãî ïðèâîäà âûêëþ÷àòåëÿ âõîäÿò: · êíîïêè âêëþ÷åíèÿ è îòêëþ÷åíèÿ; · ñ÷åò÷èê êîììóòàöèé; · óêàçàòåëü ýíåðãèè ïðóæèíû; · ìîòîð-ðåäóêòîð; · êàòóøêà îòêëþ÷åíèÿ íà ïîäà÷ó íàïðÿæåíèÿ; · êàòóøêà îòêëþ÷åíèÿ ñ ìèíèìàëüíûì ïîòðåáëåíèåì ýíåðãèè (MITOP); · êàòóøêà âêëþ÷åíèÿ; · áëîê-êîíòàêòû; · áëîêèðîâêà íàâåñíûìè çàìêàìè.
Ðèñ. 7. Êàññåòà ñ âûêëþ÷àòåëåì «ÝÂÎËÈÑ»
Îñîáàÿ ôîðìà ðàáî÷èõ êîíòàêòîâ â âàêóóìíûõ êàìåðàõ âûêëþ÷àòåëÿ è ïåðåìåùåíèå äóãè â ïðîöåññå åå ãàøåíèÿ îáåñïå÷èâàåò ìàêñèìàëüíî âîçìîæíóþ â äàííîì òèïå âûêëþ÷àòåëåé «ìÿãêîñòü» ãàøåíèÿ äóãè. Îäíàêî, àáñîëþòíîå èñêëþ÷åíèå ïðîöåññîâ ñðûâà òîêà è âîçíèêíîâåíèå ïåðåíàïðÿæåíèé âî âíåøíåé ñåòè íåâîçìîæíî.
Ðÿä îñîáåííîñòåé âàêóóìíîãî âûêëþ÷àòåëÿ «ÝÂÎËÈÑ» âûãîäíî îòëè÷àþò åãî îò äðóãèõ àïïàðàòîâ äàííîãî òèïà: · ïðóæèííûé ïðèâîä ñ ðó÷íûì ïîäçàâîäîì ïîçâîëÿåò îñóùåñòâëÿòü îïåðàòèâíûå ïåðåêëþ÷åíèÿ â ñåòè áåç íàëè÷èÿ îïåðàòèâíîãî òîêà íà ïîäñòàíöèè èëè ðàñïðåäåëèòåëüíîì ïóíêòå; · ïðè ñîáñòâåííîé øèðèíå àïïàðàòà îò 470 äî 660 ìì (â çàâèñèìîñòè îò íîìèíàëüíîãî òîêà îòêëþ÷åíèÿ) äàííûé âûêëþ÷àòåëü ìîæåò áûòü âñòðîåí â ëþáîé ñóùåñòâóþùèé òèï ÿ÷ååê 6-10 êÂ; · ñîâðåìåííûå òåõíîëîãèè, èñïîëüçîâàííûå ïðè ñîçäàíèè äàííîãî âûêëþ÷àòåëÿ, ïîçâîëÿþò îòêëþ÷àòü òîêè äî 40 êÀ è ðàáîòàòü â ñåòÿõ ñ ðàáî÷èìè òîêàìè äî 3000 À; · âîçìîæíîñòü ïðîèçâîäèòü äî 100 êîììóòàöèé 100% íîìèíàëüíîãî òîêà îòêëþ÷åíèÿ; · âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ îïåðàòèâíîãî òîêà ëþáîãî òèïà (ïîñòîÿííîãî, ïåðåìåííîãî) è ëþáîãî íàïðÿæåíèÿ (110 ¸380 Â). Íà áàçå âûêëþ÷àòåëÿ «ÝÂÎËÈÑ» ðàçðàáîòàíà êàññåòà ñ âûêàòíûì ýëåìåíòîì äëÿ âñòðàèâàíèÿ â ëþáîé ñóùåñòâóþùèé â ðîññèéñêîé ïðàêòèêå òèï ÿ÷ååê. Êàññåòà îòâå÷àåò âñåì òðåáîâàíèÿì ê àïïàðàòàì äàííîãî òèïà è îáåñïå÷èâàåò áåçîïàñíîñòü è óäîáñòâî îáñëóæèâàíèÿ. Íèæå ðàññìîòðåíà îñíîâíàÿ íèçêîâîëüòíàÿ àïïàðàòóðà, âûïóñêàåìàÿ êîìïàíèåé «Øíåéäåð Ýëåêòðèê»: · ãëàâíûå ðàñïðåäåëèòåëüíûå ùèòû (ÃÐÙ) íà òîêè äî 6300À ñåðèè Masterbloc è Prisma, îáîðóäîâàííûå êîììóòàöèîííîé àïïàðàòóðîé ñî ñòàöèîíàðíûìè, âòû÷íûìè è âûêàòíûìè âûêëþ÷àòåëÿìè; ÃÐÙ îòëè÷àþòñÿ âûñîêîé íàäåæíîñòüþ è îáåñïå÷èâàþò íåïðåðûâíîñòü òåõíîëîãè÷åñêîãî ïðîöåññà;
389
· àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè Compact NS íà òîêè îò 12,5 äî 630 À, â êîòîðûõ ïðèìåíåí íîâûé ïðèíöèï ðàçðûâà äóãè, çàïàòåíòîâàííûé âî ìíîãèõ ñòðàíàõ;
· ñåðèÿ àâòîìàòè÷åñêèõ ìîäóëüíûõ âûêëþ÷àòåëåé Multi-9 íà òîêè îò 1 äî 125À, îñíàùåííûõ ðàçëè÷íîé âñïîìîãàòåëüíîé ýëåêòðîàïïàðàòóðîé (íàïðèìåð, óñòðîéñòâîì çàùèòíîãî îòêëþ÷åíèÿ);
· àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè Compact íà òîêè îò 16 äî 3200 À ñ âûñîêîé îòêëþ÷àþùåé ñïîñîáíîñòüþ; êîìïàíèÿ âûïóñêàåò ñëåäóþùèå ìîäåëè âûêëþ÷àòåëåé: ðàçúåäèíèòåëè ñ âèäèìûì ðàçðûâîì öåïè; âûêëþ÷àòåëè-ðàçúåäèíèòåëè; àâòîìàòè÷åñêèå èëè ðó÷íûå ïåðåêëþ÷àòåëè èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ íà òîêè îò 16 äî 1250 À, òîêîîãðàíè÷èâàþùèå;
· èñòî÷íèêè ãàðàíòèðîâàííîãî ïèòàíèÿ áîëüøîé ìîùíîñòè (40 4800 êÂ.À), çàùèòà êîíòðîëüíîèçìåðèòåëüíûõ ïðèáîðîâ, ïîäàâëåíèå ýëåêòðè÷åñêèõ ïîìåõ è óëó÷øåíèå ýëåêòðîïèòàíèÿ, áëîêè áåñïåðåáîéíîãî ïèòàíèÿ äëÿ êîìïüþòåðîâ, à òàêæå çàùèòà êîìïüþòåðíûõ ñåòåé ïðåäïðèÿòèé; · íèçêîâîëüòíûå êîíäåíñàòîðû äëÿ êîìïåíñàöèè ðåàêòèâíîé ìîùíîñòè (ÊÐÌ) ñ ïîäàâëåíèåì èëè áåç ïîäàâëåíèÿ ãàðìîíèê;
390
· ðàçúåäèíèòåëè íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ íà íîìèíàëüíûå ðàáî÷èå òîêè îò 20 äî 100À; ìîäóëüíàÿ ñèñòåìà Vigilohm äëÿ ïîñòîÿííîãî êîíòðîëÿ èçîëÿöèè ñåòåé, ïîçâîëÿþùàÿ îáíàðóæèòü è òî÷íî ëîêàëèçîâàòü ïîâðåæäåíèÿ;
· àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ñåðèè Masterpact, îñíàùåííûå áëîêàìè óïðàâëåíèÿ íà îñíîâå ìèêðîïðîöåññîðà äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ ôóíêöèé çàùèòû, êîíòðîëÿ è ïåðåäà÷è äàííûõ è âîïëîòèâøèå â ñåáå íîâóþ êîíöåïöèþ ñèëîâîãî àâòîìàòà ìîäóëüíîé êîíñòðóêöèè; èìåþò áîëüøîé äèàïàçîí òîêîâ: îò 800 äî 6300 À ïåðåìåííîãî òîêà è îò 1000 äî 8000 À ïîñòîÿííîãî òîêà. Òàê, äëÿ àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé íà íîìèíàëüíûé òîê äî 6300 À ïðè 150 êÀ îòêëþ÷àþùèå ñïîñîáíîñòè, êîììóòàöèîííûé ðåñóðñ ñîñòàâëÿåò 10 òûñ. Öèêëîâ ïðè òîêå 1600 À è 30 öèêëîâ ïðè òîêå ÊÇ äî 150 êÀ. Àïïàðàò îáëàäàåò âûñîêîé òåïëîñòîéêîñòüþ è ïðî÷íîñòüþ, íàäåæíîñòüþ è ïðîñòîòîé â ýêñïëóàòàöèè. Âîçìîæíîñòü çàìåíû íåïîäâèæíûõ è ïîäâèæíûõ êîíòàêòîâ è äóãîãàñèòåëüíûõ êàìåð óäâàèâàåò ñðîê ñëóæáû àâòîìàòà, ÷òî îáåñïå÷èâàåò çíà÷èòåëüíûé ýêîíîìè÷åñêèé ýôôåêò. Àâòîìàò îñíàùàåòñÿ ðàçëè÷íûìè áëîêàìè óïðàâëåíèÿ: îò ïðîñòîé çàùèòû êàáåëåé è øèí äî óíèâåðñàëüíîãî ìíîãîôóíêöèîíàëüíîãî âàðèàíòà, ïîçâîëÿþùåãî ïðîâîäèòü äèàãíîñòèêó îòêëþ÷åíèÿ, ïåðåäàâàòü èíôîðìàöèþ íà öåíòðàëüíûé äèñïåò÷åðñêèé ïóíêò ïî èíôîðìàöèîííîé øèíå, ïðîèçâîäèòü èçìåðåíèÿ ìîùíîñòè, òîêà, ñòåïåíè èçíîñà êîíòàêòîâ è ò.ä.
 áëîêàõ óïðàâëåíèÿ ñ ìèêðîïðîöåññîðîì èìååòñÿ òåðìè÷åñêàÿ ïàìÿòü, ïîçâîëÿþùàÿ îïòèìèçèðîâàòü çàùèòó ïðîâîäíèêîâ è ïðèåìíèêîâ ýëåêòðîýíåðãèè îò ïåðåãðåâà, âûçâàííîãî ïðåäøåñòâóþùèìè ïåðåãðóçêàìè è ÊÇ. Ýòè ôóíêöèè îñîáåííî íåîáõîäèìû ïðè ÷àñòûõ ïóñêàõ è îñòàíîâêàõ ýëåêòðîäâèãàòåëåé, ðåçêîïåðåìåííîé íàãðóçêå, ïîâòîðíûõ âêëþ÷åíèÿõ ïîñëå ÊÇ. Áëàãîäàðÿ òåðìè÷åñêîé ïàìÿòè çíà÷èòåëüíî ñíèæàåòñÿ òåïëîâîé èçíîñ èçîëÿöèè è ïîâûøàåòñÿ äîëãîâå÷íîñòü ýëåìåíòîâ ñèñòåì ýëåêòðîñáåðåæåíèÿ; · óñòàíîâêà àâòîìàòè÷åñêîãî ââîäà ðåçåðâíîãî èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ íà àïïàðàòàõ ñåðèè Masterpact, êîòîðàÿ îáåñïå÷èâàåò ïåðåêëþ÷åíèå ñ ðàáî÷åãî èñòî÷íèêà íà ðåçåðâíûé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ ñ ïîìîùüþ áëîêà àâòîìàòèêè; · ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè, êîíòàêòîðû è òåïëîâûå ðåëå íà òîê îò 6 äî 2750 À, à òàêæå ýëåêòðîííûå ðåëå ïåðåãðóçêè íà òîê îò 6 äî 1600 À;
391
· · ·
ñèñòåìû îñâåùåíèÿ è ñèñòåìû êîíòðîëÿ è óïðàâëåíèÿ îñâåùåíèåì; àäðåñíàÿ ñèñòåìà ïîæàðíîé ñèãíàëèçàöèè è ñòàíöèè ïðîòèâîïîæàðíîé áåçîïàñíîñòè; àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè ñ óñòðîéñòâîì çàùèòíîãî îòêëþ÷åíèÿ;
·
óñòðîéñòâà çàùèòíîãî îòêëþ÷åíèÿ;
·
ñèñòåìû êîíòðîëÿ è äèñïåò÷åðñêîãî óïðàâëåíèÿ ñ ÷àñòè÷íûì ðåçåðâèðîâàíèåì ïðîãðàììèðóåìûõ êîíòðîëëåðîâ; ðàñïðåäåëèòåëüíûå ùèòû íà 480  ñ ñèñòåìîé ýëåêòðîáåçîïàñíîñòè; óñòðîéñòâî óïðàâëåíèÿ ïîòðåáëåíèåì ýëåêòðîýíåðãèè; êîìïëåêòíûå øèíîïðîâîäû ðàçëè÷íûõ êîíñòðóêöèé è íàçíà÷åíèé íà òîêè îò 16 äî 5000 À.
· · ·
392
Êðîìå òîãî, êîìïàíèÿ «Øíåéäåð Ýëåêòðèê» âûïóñêàåò öåëóþ ãàììó âûñîêîâîëüòíîãî ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ, ñðåäè êîòîðîãî ìîæíî îòìåòèòü ñëåäóþùåå: · ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè íà íàïðÿæåíèå 6-10 êÂ, ïîçâîëÿþùèå îòêëþ÷àòü òîêè ÊÇ äî 50 êÀ, à òàêæå åìêîñòíûå òîêè êàáåëüíûõ ëèíèé è êîíäåíñàòîðîâ, ñëàáûå òîêè èíäóêöèîííîãî õàðàêòåðà.  ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëÿõ îòñóòñòâóþò êîììóòàöèîííûå ïåðåíàïðÿæåíèÿ, ÷òî äåëàåò èõ íåçàìåíèìûìè â ñåòÿõ ñ äâèãàòåëüíîé íàãðóçêîé. Ïîëíîñòüþ îòïàäàåò íåîáõîäèìîñòü â èñïîëüçîâàíèè îãðàíè÷èòåëåé ïåðåíàïðÿæåíèé, êîòîðûå èìåþò ìåñòî ïðè ïðèìåíåíèè âàêóóìíûõ âûêëþ÷àòåëåé. Ñðîê ñëóæáû ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé äîñòèãàåò 30 ëåò, â òå÷åíèå ýòîãî ñðîêà îíè íå òðåáóþò óõîäà, ðåìîíòà, êîíòðîëÿ äàâëåíèÿ ýëåãàçà è åãî äîáàâëåíèÿ; âûêëþ÷àòåëü èìååò âûñîêèé ìåõàíè÷åñêèé ðåñóðñ 10 òûñ. öèêëîâ äëÿ âûêëþ÷àòåëåé íàïðÿæåíèåì 6-10 ê è 300 òûñ. öèêëîâ äëÿ âûñîêîâîëüòíûõ êîíòàêòîðîâ; · ÊÐÓ ñåðèè Fluair-100/200 è ñåðèè MÑset, êîòîðûå èñïîëüçóþòñÿ â ïðîìûøëåííûõ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ ñåòÿõ íàïðÿæåíèåì 6 è 10êÂ. ß÷åéêè îñíàùåíû âûêàòíûìè òåëåæêàìè ñ âûêëþ÷àòåëÿìè, ðàáîòàþùèìè íà ýëåãàçå. Êàæäàÿ ÿ÷åéêà èìååò ÷åòûðå îòñåêà äëÿ: ýëåãàçîâîãî âûêëþ÷àòåëÿ, ñáîðíûõ øèí, êàáåëåé ñáîðêè è èçìåðèòåëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ è ðåëåéíîé çàùèòû. ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÄÀÍÍÛÅ: Íîìèíàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
. Íîìèíàëüíûå òîêè, À
Òîê òåðìè÷åñêèé ñòîéêîñòè (1ñ è 3 ñ), êÀ
Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ Îòêëþ÷àþùàÿ ñïîñîáíîñòü (3 ñ), êÀ
6 10 630; 1250; 2500; 3150 20-40 50-100-128 25-40
ß÷åéêè îñíàùåíû ìíîãîôóíêöèîíàëüíûìè öèôðîâûìè ñèñòåìàìè êîíòðîëÿ, óïðàâëåíèÿ è çàùèòû ñåðèè Sepam, îñíîâàííûìè íà ìèêðîïðîöåññîðíîé òåõíîëîãèè. Óñòðîéñòâà Sepam âêëþ÷àþò â ñåáÿ ñëåäóþùèå ôóíêöèè: âñå âèäû çàùèò, èçìåðåíèå îñíîâíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ âåëè÷èí, ÒÓ, ÒÑ, ñèñòåìíóþ àâòîìàòèêó (ÀÂÐ, ÀÏÂ, ðàçãðóçêó è äð.), êîíòðîëü ýëåêòðîïîòðåáëåíèÿ è äèñïåò÷åðèçàöèþ ýëåêòðîõîçÿéñòâà. ß÷åéêè ñåðèè Fluair-100/200 ñ óñòðîéñòâàìè Sepam è ñèñòåìîé äèñïåò÷åðñêîãî êîíòðîëÿ è óïðàâëåíèÿ «Isis 1000» îáåñïå÷èâàþò ïîòðåáèòåëÿì âûñîêóþ íàäåæíîñòü ýíåðãîñíàáæåíèÿ îáúåêòîâ è áåçàâàðèéíîñòü òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ; · êîìïëåêòíûå òðàíñôîðìàòîðíûå ïîäñòàíöèè (ÊÒÏ) òèïà Bocage. ÊÒÏ èìåþò âûñîêóþ íàäåæíîñòü è àáñîëþòíóþ áåçîïàñíîñòü â ýêñïëóàòàöèè áëàãîäàðÿ ïðèìåíåíèþ ýëåãàçîâûõ êîììóòàöèîííûõ àïïàðàòîâ, âûñîêóþ ñòåïåíü ãîòîâíîñòè (ÊÒÏ ïîñòóïàåò ê çàêàç÷èêó â ñîáðàííîì âèäå), ìàëûå ãàáàðèòû è âåñ, âîçìîæíîñòü ðåàëèçàöèè ëþáûõ ñõåìíûõ ðåøåíèé ïîäñòàíöèé ìîùíîñòüþ îò 100 äî 1000 êÂ.À. Êðîìå òîãî, ÊÒÏ òèïà Bocage çàíèìàåò ìàëóþ ïëîùàäü. Òàê, ïëîùàäü, çàíèìàåìàÿ äâóìÿ áëîêàìè Bocage, ñîñòàâëÿåò 20 ì2, â òî âðåìÿ êàê òðàäèöèîííûå ÊÒÏ 2õ630 êÂ.À çàíèìàþò ïëîùàäü, ðàâíóþ 44 ì2. Ñ ïîìîùüþ ýëåêòðîîáîðóäîâàíèÿ êîìïàíèè «Øíåéäåð Ýëåêòðèê» ìîæíî òàêæå ìîäåðíèçèðîâàòü áûâøèå â ýêñïëóàòàöèè ÊÒÏ äðóãèõ êîìïàíèé; · ñóõèå òðàíñôîðìàòîðû ñ ëèòîé ýïîêñèäíîé èçîëÿöèåé òèïà «Trihal» (îò 100 äî 2500 êÂ.À) è ìàñëÿíûå òðàíñôîðìàòîðû (îò 50 äî 2500 êÂ.À); · óïðàâëÿåìûå êîíäåíñàòîðíûå áàòàðåè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ è ôèëüòðî-êîìïåíñèðóþùèå óñòðîéñòâà;
· âûñîêîâîëüòíûå ââîäíûå óñòðîéñòâà äëÿ ÊÒÏ íàïðÿæåíèåì 6-10/0,4 ê â âèäå ýëåãàçîâîãî ìîíîáëîêà òèðà RM-6 (äëÿ ïîäñòàíöèé ìîùíîñòüþ äî 2000 êÂ.À);
393
· ìîäóëüíûå ÿ÷åéêè òèïà SM-6 ñ ýëåãàçîâûìè àïïàðàòàìè äëÿ ãîðîäñêèõ ðàñïðåäåëèòåëüíûõ ñåòåé ñðåäíåãî íàïðÿæåíèÿ. Êðîìå òîãî, êîìïàíèÿ «Øíåéäåð Ýëåêòðèê» âûïóñêàåò àïïàðàòóðó äëÿ çàùèòû è óïðàâëåíèÿ ýëåêòðîäâèãàòåëÿìè, à èìåííî: · çàùèòíûå àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè;
· âàðèàòîðû (ðåãóëÿòîðû) ñêîðîñòè äëÿ ýëåêòðîäâèãàòåëåé ïåðåìåííîãî è ïîñòîÿííîãî òîêà;
· óñòðîéñòâà äëÿ êîíòðîëèðóåìîãî ïóñêà, êîíòàêòîðû è ïóñêàòåëè âñåõ ïðèìåíåíèé.
394
ÏÅÐÅ×ÅÍÜ ÏÐÎÄÓÊÖÈÈ ÊÎÍÖÅÐÍÀ ALSTOM ALSTOM ÿâëÿåòñÿ êðóïíåéøèì ìåæäóíàðîäíûì ýëåêòðîòåõíè÷åñêèì êîíöåðíîì âîçíèêøèì â ðåçóëüòàòå ñëèÿíèÿ êðóïíåéøèõ åâðîïåéñêèõ êîìïàíèé GEC ALSTHOM, CEGELEC, AEG, ABB ALSTOM Power è äð. â ðåçóëüòàòå ÷åãî êîíöåðí óñèëèë ñâîè ïîçèöèè íà àðåíå ìèðîâîãî ðûíêà ýëåêòðîýíåðãåòèêè è òðàíñïîðòà. Ñåãîäíÿ ýòî ñâûøå 140 òûñ. ñîòðóäíèêîâ ðàáîòàþùèõ íà ñîòíÿõ ïðåäïðèÿòèé ïî âñåìó ìèðó. ALSTOM ÿâëÿåòñÿ ìèðîâûì ëèäåðîì â ýíåðãåòèêå, æåëåçíîäîðîæíîì òðàíñïîðòå, ñóäîñòðîåíèè. Ðàáîòà êîìïàíèè îðãàíèçîâàíà ïî øåñòè ñåãìåíòàì, êàæäûé èç êîòîðûõ îáåñïå÷èâàåò âñþ ãàììó ïðîèçâîäñòâåííîé äåÿòåëüíîñòè, âêëþ÷àÿ ïðîåêòèðîâàíèå, ïîñòàâêè, ïóñê è òåõíè÷åñêóþ ïîääåðæêó: · Ïðîèçâîäñòâî ýíåðãèè · Ïåðåäà÷à è ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðîýíåðãèè · Òðàíñïîðò · Êîíòðàêàòèíã · Ñóäîñòðîåíèå · Ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè ÑÅÃÌÅÍÒ ÏÅÐÅÄÀ×È È ÐÀÑÏÐÅÄÅËÅÍÈß ÝËÅÊÒÐÎÝÍÅÐÃÈÈ
Îòäåëåíèå ïî ïåðåäà÷å è ðàñïðåäåëåíèþ ýëåêòðîýíåðãèè (ALSTOM T&D) îáåñïå÷èâàåò ñâîèõ çàêàç÷èêîâ ïîëíîé ãàììîé ïðîäóêöèè è óñëóã ïî âñåì îáúåêòàì, íà÷èíàÿ îò ýëåêòðîñòàíöèè è çàêàí÷èâàÿ ðàñïðåäóñòðîéñòâàìè ó êîíå÷íûõ ïîòðåáèòåëåé ýëåêòðîýíåðãèè. Ãîäîâîé îáîðîò ñåãìåíòà ALSTOM T&D ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 4 ìëðä. ÅÂÐÎ.  ýòîì ñåãìåíòå â ã. Åêàòåðèíáóðãå óñïåøíî ðàáîòàåò ýëåêòðîòåõíè÷åñêèé çàâîä êîìïàíèè ALSTOM-ÑÝÌÇ. Îñíîâíàÿ ïðîäóêöèÿ è ñèñòåìíûå ðåøåíèÿ Îòäåëåíèÿ ïî ïåðåäà÷å è ðàñïðåäåëåíèþ ýëåêòðîýíåðãèè: · Îáîðóäîâàíèå äëÿ ïåðåäà÷è ýëåêòðîýíåðãèè · Îáîðóäîâàíèå äëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåêòðîýíåðãèè · Èçìåðèòåëüíûå òðàíñôîðìàòîðû · Çàùèòà è óïðàâëåíèå · Òðàíñôîðìàòîðû · Êîìïëåêñíûå ñèñòåìíûå ðåøåíèÿ «ïîä êëþ÷» · Îáîðóäîâàíèå è ñèñòåìû äëÿ òåëåêîììóíèêàöèé è äèñïåò÷åðèçàöèè Íèæå ïðèâåäåíû íåêîòîðûå ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû, êîòîðûå êîìïàíèÿ ïðåäëàãàåò â Ðîññèè è ÑÍÃ. Ïðåäñòàâèòåëüñòâî êîìïàíèè â Ðîññèè: 117909, Ìîñêâà, 2-é Ñïàñîíàëèâêîâñêèé ïåð., 4. Òåë.: (095) 230-03-34, 230-15-51. Ôàêñ: (095) 230-19-33, 238-81-86. Îáçîð ïîäãîòîâëåí ê.ò.í. ßùåðèöûíûì Â.Í.
395
ÂÛÑÎÊÎÂÎËÜÒÍÛÅ ÊÎÌÌÓÒÀÖÈÎÍÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ È ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÀ ÊÎÌÏÀÍÈÈ ALSTOM ß×ÅÉÊÀ ÀÍÀ Ñ ÑÈËÎÂÛÌ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÌ Ñ ÌÅÒÀËËÈ×ÅÑÊÈÌÈ ÏÅÐÅÃÎÐÎÄÊÀÌÈ
Îñíîâíûå ïàðàìåòðû ÿ÷åéêè ÀÍÀ c ñèëîâûì âûêëþ÷àòåëåì ïðèâåäåíû â òàáëèöå è íà ðèñóíêå. Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà äëÿ ÿ÷ååê
Íàèìåíîâàíèå ïàðàìåòðà Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
ÀÍÀ 12
ÀÍÀ 17,5
ÀÍÀ 24
12
15/17,5
24
Íîìèíàëüíûé òîê ñáîðíîé øèíû, À
1000 4000 (5000)
1000-2500
Íîìèíàëüíûé òîê îòâåòâëåíèé, À
630 4000 (5000)
630-2500
50-125
40-80
20-50 20-44 (50)
16-31,5 16-31,5
Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ Òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ: 1-ñåêóíäíûé 3-ñåêóíäíûé Íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà, Ãö
50, 60
Íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ, êÀ
50-125
50-125 (12 êÂ) 50-110 (13,8-15 êÂ) 50-80 (17,5 êÂ)
40-80
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
20-50
20-50 (12 êÂ) 20-40 (13,8-15 êÂ) 20-31,5 (17,5 êÂ)
16-31,5
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû, êÂ: îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó ðàçîìêíóòûìè êîíòàêòàìè
28 32
38 45
36 40
42 48
50 60
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå ãðîçîâîãî èìïóëüñà, êÂ: îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó ðàçîìêíóòûìè êîíòàêòàìè
75 85
95 110
95 105
95 110
125 145
Ñòåïåíü çàùèòû
IP4X; IP42; IP2XD
Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû (ø´ã´â), ìì
700; 900; 1200´1450´2330
800; 1000´1600´2330
ß÷åéêà ÀÍÀ ñ ñèëîâûì âûêëþ÷àòåëåì: 1 ñáîðíûå øèíû; 2 ìåòàëëè÷åñêàÿ ïåðåãîðîäêà äëÿ ñáîðíûõ øèí; 3 âîðîíêîîáðàçíûé ïðîõîäíîé èçîëÿòîð; 4 âàêóóìíûé ñèëîâîé âûêëþ÷àòåëü ÅÑÀ; 5 ìåòàëëè÷åñêàÿ ïåðåãîðîäêà äëÿ îòâîäîâ; 6 çàçåìëÿþùèé âûêëþ÷àòåëü îòõîäÿùèõ êàáåëåé; 7 òðàíñôîðìàòîð òîêà; 8 êàáåëüíûå íàêîíå÷íèêè; 9 òðàíñôîðìàòîð íàïðÿæåíèÿ; 10 ëèñòîâîå äíèùå; 11 äâåðü êàáåëüíîãî îòñåêà; 12 ïðèâîä çàçåìëèòåëÿ è èíäèêàòîðà; 13 èíòåãðèðîâàííàÿ VDS ñèñòåìû IVIS; 14 ìåõàíèçì ïåðåìåùåíèÿ; 15 äâåðü îòñåêà ñèëîâîãî âûêëþ÷àòåëÿ; 16 ïàíåëü óïðàâëåíèÿ âàêóóìíîãî ñèëîâîãî âûêëþ÷àòåëÿ; 17 íèçêîâîëüòíûé ñîåäèíèòåëü; 18 íèçêîâîëüòíûé øêàô
396
ß×ÅÉÊÀ ÐÀÑÏÐÅÄÅËÈÒÅËÜÍÎÃÎ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ ÍÀ 10 êÂ Ñ ÂÀÊÓÓÌÍÛÌ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÌ ÒÈÏÀ D12/25
Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå äàííûå ÿ÷åéêè ïðèâåäåíû íèæå. Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèÿ, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À: ñáîðíûõ øèí îòõîäÿùåãî ôèäåðà ðàçúåäèíèòåëüíîãî âûêàòíîãî ýëåìåíòà ñèëîâîãî âûêëþ÷àòåëÿ âûêëþ÷àòåëÿ íàãðóçêè âûêëþ÷àòåëÿ íàãðóçêè ñ ïðåäîõðàíèòåëåì âàêóóìíîãî êîíòàêòîðà Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ Îäíîñåêóíäíûé òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ Äóãîñòîéêîñòü 1 ñ (ñîãëàñíî íîðìàì ÌÝÊ), êÀ Ñòåïåíü çàùèòû Äèàïàçîí òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåãî âîçäóõà, °Ñ Îòíîñèòåëüíàÿ âëàæíîñòü îêðóæàþùåãî âîçäóõà, %, íå áîëåå Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû (ø´ã´â), ìì Ìàññà, êã
12 1250 1250 1250 1250 630 200 200 63 25 25 IP3X è âûøå 5/+
40 95 750´1150´2330 650
Îáùèé âèä ÿ÷åéêè ðàñïðåäåëèòåëüíîãî óñòðîéñòâà ïðèâåäåí íà ðèñóíêå.
ß÷åéêà ðàñïðåäóñòðîéñòâà D12/25: 1 íèçêîâîëüòíûé îòñåê; 2 ñòåíêà äëÿ ñáîðíûõ øèí; 3 ñèëîâîé âûêëþ÷àòåëü íà âûêàòíûõ ýëåìåíòàõ; 4 òðàíñôîðìàòîðû íàïðÿæåíèÿ; 5 çàçåìëÿþùèé ðàçúåäèíèòåëü; 6 òðàíñôîðìàòîðû òîêà; 7 âîðîí÷àòûé ïðîõîäíîé èçîëÿòîð; 8 ìåòàëëè÷åñêèå øòîðêè; 9 îòñåê äëÿ ñáîðíûõ øèí
397
ß×ÅÉÊÈ ÐÀÑÏÐÅÄÅËÈÒÅËÜÍÎÃÎ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ ÒÈÏÀ VISAX ÍÀ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß 624 êÂ Ñ ÏÎÂÎÐÎÒÍÛÌ ÂÀÊÓÓÌÍÛÌ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÅÌ
Îñîáåííîñòüþ êîíñòðóêöèè íîâåéøèõ ÿ÷ååê VISAX ÿâëÿåòñÿ íàëè÷èå ïîâîðîòíîãî âàêóóìíîãî âûêëþ÷àòåëÿ, êîòîðûé âûïîëíÿåò ôóíêöèè âûêëþ÷àòåëÿ è ðàçúåäèíèòåëÿ, îáåñïå÷èâàþùåãî äâîéíîé âîçäóøíûé ðàçðûâ ìåæäó øèíàìè è êàáåëÿìè. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå äàííûå ÿ÷ååê ïðèâåäåíû â òàáëèöå, êîíñòðóêöèÿ äàíà íà ðèñóíêå. Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà äëÿ ÿ÷ååê òèïà VISAX ñ ìàêñèìàëüíûì ðàáî÷èì íàïðÿæåíèåì, êÂ
Íàèìåíîâàíèå ïàðàìåòðà
7,2; 12
17,5
Íîìèíàëüíûé òîê ÿ÷åéêè è øèí, êÀ
24
2,5
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
16; 25; 31,5
Äóãîñòîéêîñòü 1 ñ, êÀ
16; 25 25
Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ Òðåõñåêóíäíûé òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ: îäíîìèíóòíîå ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ãðîçîâîé èìïóëüñ
40; 63; 80
40; 63
16; 25; 31,5
16; 25
28 75
42 95
Ñòåïåíü çàùèòû
50 125
IP3X
Âûñîòà, ìì: ÿ÷åéêè ñ íèçêîâîëüòíûì îòñåêîì íèçêîâîëüòíîãî îòñåêà Øèðèíà ÿ÷åéêè, ìì, ïðè íîìèíàëüíîì òîêå øèíû, À: íå áîëåå 1250 1600 2000 2500
2150; 2350 625; 825
2450; 2650 750; 950
650; 800 800 900 900
800; 1000 1000 1000 1000
Ãëóáèíà ÿ÷åéêè, ìì
1250
1410
1540
Ïðèìåðíàÿ ìàññà ÿ÷åéêè áåç òðàíñôîðìàòîðà íàïðÿæåíèÿ, êã
500
550
600
Ðàáî÷åå ïîëîæåíèå âûêëþ÷àòåëÿ (âêë/îòêë)
Ðàñïðåäóñòðîéñòâî òèïà VISAX: 1 øèíû; 2 ïîâîðîòíûé âûêëþ÷àòåëü BLV ñ ïðóæèííûì ïðèâîäîì; 3 ìíîãîôóíêöèîíàëüíûé ïðîõîäíîé èçîëÿòîð; 4 òðàíñôîðìàòîð òîêà; 5 êàáåëüíûå òåðìèíàëû; 6 çàçåìëÿþùèé íîæ; 7 êàáåëüíûé îòñåê; 8 îòñåê îòâîäà ãîðÿ÷èõ ãàçîâ; 9 îòñåê âûêëþ÷àòåëÿ; 10 îòñåê øèí; 11 îòñåê íèçêîâîëüòíîé àïïàðàòóðû
398
ÝËÅÃÀÇÎÂÛÅ ÃÅÍÅÐÀÒÎÐÍÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ ÑÅÐÈÈ FKG
Âûêëþ÷àòåëè FKG ïðåäíàçíà÷åíû äëÿ íàäåæíîé è ýêîíîìè÷íîé çàùèòû ýíåðãîáëîêîâ ìîùíîñòüþ äî 400 ÌÂò è îáåñïå÷åíèÿ ïèòàíèÿ ñîáñòâåííûõ íóæä. Îíè âûïîëíÿþò âñå êîììóòàöèîííûå îïåðàöèè âî âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ è îñòàíîâà ãåíåðàòîðà. Âûêëþ÷àòåëè ñîñòîÿò èç òðåõ ïîëþñîâ, ïðèâîäèìûõ â äâèæåíèå ìåõàíèçìàìè ãèäðàâëè÷åñêîãî èëè ïðóæèííîãî ïðèâîäà. Êàæäûé ïîëþñ ïîìåùåí â àëþìèíèåâûé êîðïóñ, êîòîðûé ëèáî ïðèâàðåí ê êàìåðå øèíîïðîâîäà, ëèáî ïîäêëþ÷åí ê íåé ïðè ïîìîùè ñèëüôîííîãî ñîåäèíåíèÿ. Äàííàÿ êîíñòðóêöèÿ îáåñïå÷èâàåò ïîñòîÿííóþ íåðàçðûâíóþ ñâÿçü ìåæäó ãåíåðàòîðîì è òðàíñôîðìàòîðîì. Âî âðåìÿ ïóñêà è îñòàíîâà ãåíåðàòîðà âûêëþ÷àòåëü íàõîäèòñÿ â ðàçîìêíóòîì ïîëîæåíèè. Ïðè èñïîëüçîâàíèè âûêëþ÷àòåëåé òèïà FKG îòïàäàåò íåîáõîäèìîñòü â âûñîêîâîëüòíîì âûêëþ÷àòåëå è îòäåëüíîì ïîíèæàþùåì òðàíñôîðìàòîðå äëÿ ïèòàíèÿ îáîðóäîâàíèÿ ñîáñòâåííûõ íóæä. Áëàãîäàðÿ ýòîìó ïîÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü óìåíüøåíèÿ ìåñòà è çàòðàò ïðè ñîîðóæåíèè ñòàíöèè. Òàêèì îáðàçîì, êîíñòðóêöèÿ ýëåêòðîñòàíöèè ñòàíîâèòñÿ áîëåå ïðîñòîé, ýêîíîìè÷íîé è íàäåæíîé. Âûêëþ÷àòåëè ìîãóò ðàáîòàòü êàê â ïîìåùåíèè, òàê è íà îòêðûòîì âîçäóõå ïîä íàâåñîì è ïðàêòè÷åñêè íå òðåáóþò òåõíè÷åñêîãî îáñëóæèâàíèÿ. Åñëè íåîáõîäèìîñòü âñå æå âîçíèêàåò, òåõíè÷åñêîå îáñëóæèâàíèå ìîæåò áûòü âûïîëíåíî çà ìèíèìàëüíîå âðåìÿ. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå äàííûå âûêëþ÷àòåëåé ïðèâåäåíû â òàáëèöå, îäíîëèíåéíàÿ ñõåìà ÐÓ ñ ãåíåðàòîðíûì âûêëþ÷àòåëåì è åãî âíåøíèé âèä ïðèâåäåíû íà ðèñóíêàõ. Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà äëÿ ãåíåðàòîðíûõ âûêëþ÷àòåëåé
Íàèìåíîâàíèå ïàðàìåòðà
FKG1N (FKG1X) Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
FKG2S
27,5
24
Íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà, Ãö
50;60
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
120
63
Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ
330
173
Òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ
120
63
Ñîäåðæàíèå àïåðèîäè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé, %
65
65
60 125 (150)
60 125
80 150 (170)
90 170
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, ê îòíîñèòåëüíî çåìëè ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ïîëíûé èìïóëüñ ìåæäó ðàçîìêíóòûìè êîíòàêòàìè ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ïîëíûé èìïóëüñ Íîìèíàëüíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàöèé
ÂÎ 3 ìèí ÂÎ
Ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàöèé ïðè ÊÇ
ÂÎ 30 ìèí ÂÎ
Äèàïàçîí òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåãî âîçäóõà, 0Ñ
25
/+40
Òèï ïðèâîäà
ãèäðàâëè÷åñêèé
ïðóæèííûé
Îäíîëèíåéíàÿ ñõåìà ÐÓ ñ ãåíåðàòîðíûì âûêëþ÷àòåëåì: Ñ1, Ñ2 åìêîñòü äëÿ îòêëþ÷åíèÿ; G ãåíåðàòîð; Q âûêëþ÷àòåëü; QS1, QS3 ìîòîðèçîâàííûé çàçåìëèòåëü; QS2 ìîòîðèçîâàííûé ðàçúåäèíèòåëü; QS4 ìîòîðèçîâàííûé ïóñêîâîé ðàçúåäèíèòåëü; TA1, TA2 òðàíñôîðìàòîð òîêà (îò 1 äî 3 â ôàçå); T1 ñèëîâîé òðàíñôîðìàòîð ýíåðãîáëîêà; T2 òðàíñôîðìàòîð ñîáñòâåííûõ íóæä; TV1, TV2 òðàíñôîðìàòîð íàïðÿæåíèÿ (îò 1 äî 2 íà ôàçå); FV ÎÏÍ
399
Âûêëþ÷àòåëü FKG1N: 1 íåïîäâèæíûé êîíòàêò ðàçúåäèíèòåëÿ; 2 ïîäâèæíûé êîíòàêò ðàçúåäèíèòåëÿ; 3 ñìîòðîâîå îêíî (äëÿ ðàçúåäèíèòåëÿ); 4 íåïîäâèæíûé êîíòàêò âûêëþ÷àòåëÿ; 5 ïîäâèæíûé êîíòàêò âûêëþ÷àòåëÿ; 6 ýëåãàçîâûé âûêëþ÷àòåëü; 7 êîðïóñ; 8 êëåììû; 9 òðàíñôîðìàòîð òîêà; 10 çàçåìëÿþùèé ðàçúåäèíèòåëü; 11 ñìîòðîâîå îêíî (äëÿ çàçåìëÿþùåãî ðàçúåäèíèòåëÿ); 12 òÿãà ïðèâîäà âûêëþ÷àòåëÿ è îïîðû; 13 òÿãà ïðèâîäà ðàçúåäèíèòåëÿ; 14 çàçåìëÿþùèé ðàçúåäèíèòåëü ÝËÅÃÀÇÎÂÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ ÊÎËÎÍÊÎÂÎÃÎ ÒÈÏÀ GL311, GL312 ÍÀ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß 123 È 145 ÊÂ
 âûêëþ÷àòåëÿõ ïðèìåíåí íàèáîëåå ñîâðåìåííûé ñïîñîá ðàçðûâà ýëåêòðè÷åñêîé äóãè (äâà ïîäâèæíûõ êîíòàêòà) â ñî÷åòàíèè ñ íîâûì ïîêîëåíèåì ïðóæèííûõ ïðèâîäîâ. Ïðè ñîçäàíèè ýòèõ íîâåéøèõ âûêëþ÷àòåëåé áûë èñïîëüçîâàí îïûò ýêñïëóàòàöèè áîëåå 15 000 ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé ôèðìû ALSTOM, èìåþùèõ áîëåå ÷åì 20 000 ïðóæèííûõ ïðèâîäîâ. Îòëè÷èòåëüíûìè îñîáåííîñòÿìè âûêëþ÷àòåëåé GL311 è GL312 ÿâëÿþòñÿ: èñïîëüçîâàíèå íîâîãî ïîêîëåíèÿ ïðóæèííûõ ïðèâîäîâ ñ íèçêîé ýíåðãåòè÷åñêîé ñïîñîáíîñòüþ â äèíàìèêå; ñíèæåíèå íà 50% ýíåðãèè äëÿ ãàøåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé äóãè; âûñîêèå ñòàíäàðòíûå ïîêàçàòåëè äëÿ íîðìàëüíîãî òîêà è òîêà ÊÇ; èñïîëüçîâàíèå óñòðîéñòâà ñáðîñà ïîâûøåííîãî äàâëåíèÿ ýëåãàçà (SF6); èñïîëüçîâàíèå óñòðîéñòâà ìîíèòîðèíãà ïëîòíîñòè ýëåãàçà (SF6) ñ âèçóàëüíîé èíäèêàöèåé è îïòîâîëîêîííîé ïåðåäà÷åé äàííûõ; âîçìîæíîñòü ýêñïëóàòàöèè ïðè òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåãî âîçäóõà îò ìèíóñ 40 (ìèíóñ 45) äî +50 °Ñ. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå äàííûå âûêëþ÷àòåëåé ïðèâåäåíû â òàáëèöå, îáùèé âèä äàí íà ðèñóíêå. Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà äëÿ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé
Íàèìåíîâàíèå ïàðàìåòðà
GL311 Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
GL312
123
Íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà, Ãö
145 50; 60
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, ê ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû èìïóëüñíîå
230 550
Íîìèíàëüíûé òîê, À
275 650 3150
400
Îêîí÷àíèå òàáëèöû Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà äëÿ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé
Íàèìåíîâàíèå ïàðàìåòðà
GL311
GL312
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ
31,5; 40
Íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ, êÀ
80; 100
Òÿæåíèå ïðîâîäîâ, Í, íå áîëåå
1000
Âðåìÿ ïðîòåêàíèÿ òîêà òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, ñ
3
Íîìèíàëüíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàöèé
Î-0,3 ñ ÂÎ 3 ìèí ÂÎ; ÂÎ 15 ñ ÂÎ
Ñîáñòâåííîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ
40
Ïîëíîå âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, ìñ
60
Ñîáñòâåííîå âðåìÿ âêëþ÷åíèÿ, ìñ
90
Ìàññà ýëåãàçà (SF6), êã
9 èëè 12
Ïðóæèííûé ìåõàíèçì: òèï íàïðÿæåíèå ïèòàíèÿ ïîñòîÿííîãî òîêà, Â
FK3-1 24250
Ìàññà, êã
1180
Ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè GL311, GL312
ÝËÅÃÀÇÎÂÛÅ ÁÀÊÎÂÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ DT1 È HGF ÍÀ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ ÎÒ 121 ÄÎ 242 êÂ
Êîìïàíèÿ ALSTOM íà ïðîòÿæåíèè ìíîãèõ ëåò ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç âåäóùèõ â ìèðå â îáëàñòè ïåðåäîâîé òåõíîëîãèè äëÿ âûñîêîâîëüòíûõ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé.  ñåðèÿõ ýëåãàçîâûõ áàêîâûõ âûêëþ÷àòåëåé âîïëîùåíû íàèáîëåå ïðîãðåññèâíûå è àïðîáèðîâàííûå òåõíîëîãè÷åñêèå ñèñòåìû è ðåøåíèÿ: ïðèâîä ñ ïðóæèííûì ìåõàíèçìîì, âçâîäèìûì ýëåêòðîìîòîðîì; êàìåðíàÿ êîíñòðóêöèÿ ïðåðûâàòåëÿ è ìåòîäû óïëîòíåíèé; ñèñòåìà êîíòðîëÿ ãàçà; çàùèòà îò êîðîäèðîâàíèÿ. Õàðàêòåðíûìè ïðèçíàêàìè ýëåãàçîâûõ áàêîâûõ âûêëþ÷àòåëåé DTl è HGF ÿâëÿþòñÿ: êîìïàêòíûé äèçàéí; îòñóòñòâèå ïîâòîðíîé äóãè ïðè âûêëþ÷åíèè åìêîñòíîãî òîêà; êîíñòðóêöèÿ âûêëþ÷àòåëÿ íà íàïðÿæåíèå 242 ê ïîçâîëÿåò ëåãêóþ çàìåíó òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà; íå òðåáóþò íàëàäêè ó çàêàç÷èêà, îòãðóæàþòñÿ â ñîáðàííîì âèäå ïîñëå ñòåíäîâûõ èñïûòàíèé;
401
ýíåðãèÿ ïðèâîäà çàïàñàåòñÿ âî âçâåäåííîé ïðóæèíå. Äàæå â ñëó÷àå âðåìåííîãî îòñóòñòâèÿ ýëåêòðîïèòàíèÿ ìîòîðà ïðèâîäà, çàïàñåííàÿ ýíåðãèÿ íå áóäåò ïîòåðÿíà; ïî ñóùåñòâó íå òðåáóåòñÿ òåõíè÷åñêîå îáñëóæèâàíèå è îáðàùåíèÿ ñ ìàñëîì; íèçêèé óðîâåíü øóìà; âûñîêàÿ ñåéñìè÷åñêàÿ óñòîé÷èâîñòü; ïðèìåíèìû ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåãî âîçäóõà äî ìèíóñ 50 °Ñ. Òðè ïîëþñà âûêëþ÷àòåëÿ, ïðóæèííûé ïðèâîä è øàññè ñîñòàâëÿþò ïîëíóþ åäèíèöó èçäåëèÿ, èñïûòàííóþ íà çàâîäå-èçãîòîâèòåëå. Êàæäûé ïîëþñ âûêëþ÷àòåëÿ ñîñòîèò èç ëèòîãî àëþìèíèåâîãî áàêà ñ êàìåðîé äëÿ ïðåðûâàòåëÿ è äâóõ ïðîõîäíûõ èçîëÿòîðîâ. Òàêàÿ êîíñòðóêöèÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èíäèâèäóàëüíóþ ýëåãàçîâóþ ÿ÷åéêó. Êàæäûé áàê âûïîëíåí â âèäå îäíîãî öåëüíîãî èçäåëèÿ. Àïðîáèðîâàííûå óïëîòíèòåëüíûå ïðîêëàäêè ïîçâîëÿþò ñîêðàòèòü óòå÷êó ãàçà. Ãàçîâàÿ êàìåðà êàæäîãî ïîëþñà ñîåäèíåíà ñ ïîìîùüþ ãàçîâûõ ëèíèé ê îáùåìó ïðèáîðó ïëîòíîìåòðó (ñèñòåìà êîíòðîëÿ ãàçà). Øêàô ïðèâîäà ñîñòîèò èç ïðóæèííîãî ìåõàíèçìà, êàòóøåê îòêëþ÷åíèÿ è âêëþ÷åíèÿ, ýëåêòðîìîòîðà, ìàíîìåòðà ãàçà, ýëåìåíòîâ ñõåìû çàùèòû è óïðàâëåíèÿ. Âûâîäû òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà ïîäñîåäèíåíû ê êëåììíèêàì, ðàñïîëîæåííûì â îòäåëüíîì îòñåêå øêàôà ïðèâîäà. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå äàííûå âûêëþ÷àòåëåé ïðèâåäåíû â òàáëèöå, âíåøíèé âèä íà ðèñóíêå. Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà äëÿ âûêëþ÷àòåëåé DT1 è HGF ñ ìàêñèìàëüíûì ðàáî÷èì íàïðÿæåíèåì, êÂ
Íàèìåíîâàíèå ïàðàìåòðà Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ: ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ãðîçîâîé èìïóëüñ ñðåçàííîé âîëíû: 1 ìêñ 3 ìêñ
121
145*
169
242*
260 550
310 650
365 750
425 900/1050**
710 632
838 748
968 862
1160 1040
Íîìèíàëüíûé òîê, À
1200; 3000
Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ
1200; 4000
20...63
Íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ, êÀ
40; 50; 63 108; 170
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ Äëèíà ïóòè óòå÷êè ïî âíåøíåé èçîëÿöèè, ìì
20...63
40; 50; 63
2907
3959
* â ñîîòâåòñòâèè ñî ñòàíäàðòàìè ANSI, ÃÎÑÒ 1516.1-76 è ÃÎÑÒ 687-78 ** â ñîîòâåòñòâèè ñî ñòàíäàðòàìè ñî ñòàíäàðòàìè IEC 56
Ýëåãàçîâûå áàêîâûå âûêëþ÷àòåëè DT1, HGF
402
ÝËÅÃÀÇÂÛÅ ÂÛÊËÞ×ÀÒÅËÈ ÒÈÏÀ FTX15 È FTX17 Ñ ÏÐÓÆÈÍÍÛÌ ÏÐÈÂÎÄÎÌ ÍÀ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß 362 È 525 êÂ
 âûêëþ÷àòåëÿõ òèïà FTX15 è FTX17 èñïîëüçóåòñÿ ïðóæèííûé ïðèâîä, êîòîðûé ñîñòîèò òîëüêî èç ýëåêòðè÷åñêèõ è ìåõàíè÷åñêèõ êîìïîíåíòîâ.  îòäåëüíî ñòîÿùèõ ïîëþñàõ èñïîëüçóþòñÿ òðè ìåõàíèçìà óïðàâëåíèÿ FKF 2-6. Ýíåðãèÿ, çàïàñåííàÿ â ïðóæèíàõ, ïðèâîäà ñîõðàíÿåòñÿ áåç ïîòåðü è íå òðåáóåò êîíòðîëÿ, áëàãîäàðÿ ýòîìó âûêëþ÷àòåëü äîïóñêàåò ðàáî÷èé öèêë ñ áûñòðûì àâòîìàòè÷åñêèì ïîâòîðíûì âêëþ÷åíèåì â íàèëó÷øèõ óñëîâèÿõ ïðåðûâàíèÿ òîêà. Áåçîòêàçíûé ïðóæèííûé ìåõàíèçì, â ñî÷åòàíèè ñ ýôôåêòîì àâòîäóòüÿ è èñïîëüçîâàíèåì òåïëîâîé ýíåðãèè äóãè, äåëàþò âûêëþ÷àòåëü ñïîñîáíûì âûïîëíèòü âñå òðåáîâàíèÿ ïî îòêëþ÷åíèþ. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå äàííûå âûêëþ÷àòåëÿ ïðèâåäåíû â òàáëèöå, à îáùèé âèä äàí íà ðèñóíêå. Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà äëÿ ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé òèïà
Íàèìåíîâàíèå ïàðàìåòðà
FXT15 Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
FXT17
362
Íîìèíàëüíûé òîê, À
525 4000
Íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà, Ãö
50
Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ
125
Òðåõñåêóíäíûé òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ
40
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ: ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû: îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó ðàçîìêíóòûìè êîíòàêòàìè ïðè èìïóëüñíîì ðàçðÿäå (1,2/50 ìêñ çà ïîëóïåðèîä): îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó ðàçîìêíóòûìè êîíòàêòàìè
560 560
860 860
1175 1175+205
1800 1550+300
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ ëèíèè, À
440
Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ êàáåëÿ òîê, À
315
Âðåìÿ îòêëþ÷åíèÿ, öèêëû
700 500 2
Íîìèíàëüíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàöèé
Î 0,3 ñ ÂÎ 3 ìèí ÂÎ
Íàïðÿæåíèå âñïîìîãàòåëüíîãî ïèòàíèÿ, Â: öåïè îòêðûòèÿ è çàêðûòèÿ öåïè íàãðåâà ýëåêòðîäâèãàòåëÿ
48; 110; 125; 220; 250 (=) 110; 220 (~) 110; 220 (=); 220 (~)
Òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåãî âîçäóõà, °Ñ
45
/+40
Ýëåãàçîâûé âûêëþ÷àòåëü òèïà FTX15 è FTX17: 1 êàìåðà ïðåðûâàíèÿ; 2 öåíòðàëüíûé êàðòåð; 3 èçîëèðîâàííàÿ ïîääåðæèâàþùàÿ êîëîííà; 4 îòêðûâàþùàÿ ïðóæèíà; 5 çàêðûâàþùàÿ ïðóæèíà è óïðàâëÿþùèé ìåõàíèçì; 6 öåíòðàëèçîâàííûé øêàô óïðàâëåíèÿ
403
Ò àáëèöà ê ðèñóíêó Òèï âûêëþ÷àòåëÿ
Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
À
Â
Ðàçìåðû, ìì Ñ
E
F
FXT15
362
4200
6145
5900
5730
4295
FXT17
550
6200
7780
7535
7255
5135
ÝËÅÃÀÇÎÂÛÅ ÊÎÌÏËÅÊÒÍÛÅ ÐÀÑÏÐÅÄÅËÈÒÅËÜÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ (ÊÐÓÝ) ÒÈÏÀ B65 È B105 ÍÀ ÍÀÏÐßÆÅÍÈÅ 145 È 245 êÂ
 íîâîì ïîêîëåíèè ÊÐÓÝ â êà÷åñòâå âàðèàíòà òåõíè÷åñêîãî ðåøåíèÿ âìåñòî èçìåðèòåëüíûõ òðàíñôîðìàòîðîâ èíäóêòèâíîãî òèïà ïðèìåíÿþòñÿ ñïåöèàëüíî ðàçðàáîòàííûå ýëåêòðîííûå òðàíñôîðìàòîðû.  îñíîâå òàêèõ òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà ëåæèò âèòîê Ðîãîâñêîãî, òðàíñôîðìàòîðîâ íàïðÿæåíèÿ ïðèíöèï åìêîñòíîãî äåëèòåëÿ. Äëÿ ìîíèòîðèíãîâîãî êîíòðîëÿ ïðåäóñìîòðåíà óñòàíîâêà ïëîòíîìåðîâ, îïòè÷åñêèõ ìîíèòîðîâ êîíòðîëÿ äóãè, ýëåêòðîííûõ òðàíñäóêòîðîâ è äàò÷èêîâ èçìåðåíèÿ ÷àñòè÷íûõ ðàçðÿäîâ.  ñî÷åòàíèè ñ ñîîòâåòñòâóþùèì ýëåêòðîííûì óïðàâëåíèåì, ìîíèòîðèíãîâ è ñèñòåìàìè îöåíêè ñîñòîÿíèÿ ýòè êîìïîíåíòû ïîçâîëÿþò âåñòè ïåðèîäè÷åñêîå èëè ïîñòîÿííîå íàáëþäåíèå çà êëþ÷åâûìè ïàðàìåòðàìè ÊÐÓÝ. Êîðïóñ ðàñïðåäóñòðîéñòâà èçãîòîâëÿåòñÿ â îäíîôàçíîì èñïîëíåíèè. Øêàôû ìåñòíîãî óïðàâëåíèÿ ðàñïðåäóñòðîéñòâîì çàêðåïëÿþòñÿ íåïîñðåäñòâåííî íà íåì, ëèáî ïîñòàâëÿåòñÿ îòäåëüíî. Âûêëþ÷àòåëü îáîðóäîâàí ïðóæèííûì ïðèâîäîì. Äîïóñêàåòñÿ íàðóæíàÿ è âíóòðåííÿÿ óñòàíîâêà ÊÐÓÝ. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå äàííûå ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ ïðèâåäåíû â òàáëèöå. Îáùèé âèä ÿ÷åéêè äàí íà ðèñóíêàõ. Çíà÷åíèå ïàðàìåòðà äëÿ ÊÐÓÝ òèïà
Íàèìåíîâàíèå ïàðàìåòðà Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, êÂ
Â65
Â105
145
245
Íîìèíàëüíàÿ ÷àñòîòà, Ãö
50; 60
Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ: ãðîçîâîãî èìïóëüñà: îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó ðàçîìêíóòûìè êîíòàêòàìè ðàçúåäèíèòåëÿ ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû: îòíîñèòåëüíî çåìëè ìåæäó ðàçîìêíóòûìè êîíòàêòàìè ðàçúåäèíèòåëÿ Íîìèíàëüíûé òîê, À
650 750
1050 1200
275 315
460 530
2500 (3150)
Íîìèíàëüíûé îòêëþ÷àåìûé òîê, êÀ
4000
40
Òîê äèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ
40 (50) 100; 108
Òðåõñåêóíäíûé òîê òåðìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ
40
Íîìèíàëüíûé òîê âêëþ÷åíèÿ, êÀ
100; 108
Íîìèíàëüíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü îïåðàöèé
Î 0,3 ñ ÂÎ 3 ìèí ÂÎ ÂÎ 15 ñ ÂÎ
Ìèíèìàëüíîå èçáûòî÷íîå ýêñïëóòàöèîííîå äàâëåíèå ýëåãàçà ïðè 20 °Ñ, ÌÏà Äîïóñòèìàÿ òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû,
0,55
°Ñ
25
/+40
Êîðïóñ (èñïîëíåíèå)
îäíîôàçíûé
Ïðèâîä âûêëþ÷àòåëÿ
ïðóæèííûé
Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÿ÷åéêè (ø´ã´â), ìì Ïðèìåðíàÿ ìàññà ÿ÷åéêè, êã
404
1200´3400´2900
1850´4600´3700
3200
6800
ß÷åéêà ÊÐÓÝ òèïà Â65 ñ äâîéíîé ñèñòåìîé øèí è êàáåëüíûì ôèäåðîì: 1 çàçåìëèòåëü; 2 òðàíñôîðìàòîð íàïðÿæåíèÿ; 3 îòñåê ïðèñîåäèíåíèÿ êàáåëÿ; 4 ôèäåðíûé ðàçúåäèíèòåëü; 5 òðàíñôîðìàòîð òîêà; 6 ïðóæèííûé ïðèâîä; 7 âûêëþ÷àòåëü; 8 øèííûé ðàçúåäèíèòåëü
ß÷åéêà ÊÐÓÝ òèïà Â65 ñ îäíîé ñèñòåìîé øèí è êàáåëüíûì ïðèñîåäèíåíèåì
ÊÎÌÏËÅÊÒÍÛÅ ÐÀÑÏÐÅÄÅËÈÒÅËÜÍÛÅ ÓÑÒÐÎÉÑÒÂÀ Ñ ÝËÅÃÀÇÎÂÎÉ ÈÇÎËßÖÈÅÉ Â ÑÎÂÌÅØÅÍÍÎÌ ÒÐÅÕÔÀÇÍÎÌ ÈÑÏÎËÍÅÍÈÈ ÒÈÏÀ  312 ÍÀ ÍÀÏÐßÆÅÍÈß ÎÒ 72,5 ÄÎ 145 êÂ
Äëÿ ðàçëè÷íûõ ìîäåëåé ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ áûëè èñïîëüçîâàíû õîðîøî àïðîáèðîâàííûå è íàäåæíûå êîíñòðóêöèè: ãîðèçîíòàëüíî ðàñïîëîæåííûé âûêëþ÷àòåëü, àëþìèíèåâûå êîðïóñà, ìîòîðèçîâàííûé ïðèâîä âûêëþ÷àòåëÿ, ìîòîðèçîâàííûå ðàçúåäèíèòåëè è íîæè, íàäåæíûé ïëîòíîìåð äëÿ êîíòðîëÿ ñîñòîÿíèÿ ýëåãàçà. Êîìïàíèåé ALSTOM çàïàòåíòîâàí ñïåöèàëüíûé óïëîòíÿþùèé ôëàíåö, ãàðàíòèðóþùèé ïðåäåëüíî íèçêóþ íîðìó óòå÷êè.
405
Âîçìîæíû ðàçëè÷íûå êîìïîíîâî÷íûå ðåøåíèÿ ÐÓ ïî ñîãëàñîâàíèþ ñ çàêàç÷èêîì, òàêèå êàê îäèíî÷íàÿ èëè ñäâîåííàÿ ñèñòåìà øèí, îáõîäíûå øèíû äëÿ âûêëþ÷àòåëåé, êàáåëüíûé ââîä ëèáî ýëåãàçîâûé/ âîçäóøíûé ïðîõîäíîé èçîëÿòîð è ò .ä. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå äàííûå ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ òèïà Â312 ïðèâåäåíû íèæå. Ìàêñèìàëüíîå ðàáî÷åå íàïðÿæåíèå, ê Íîìèíàëüíûé òîê, À Èñïûòàòåëüíîå íàïðÿæåíèå, êÂ: ïðîìûøëåííîé ÷àñòîòû ãðîçîâîé èìïóëüñ Íîìèíàëüíûé òîê îòêëþ÷åíèÿ, êÀ Òîê ýëåêòðîäèíàìè÷åñêîé ñòîéêîñòè, êÀ Äàâëåíèå (íîðìàëèçîâàííîå), ÌÏà Ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ÿ÷åéêè (ø´ã´â), ìì Ïðèìåðíàÿ ìàññà, êã
145 3150 275 650 40 100 0,36 1200´4400´3000 4000
Îáùèé âèä è ãàáàðèòíûå ðàçìåðû ðàñïðåäåëèòåëüíîãî óñòðîéñòâà ïðèâåäåíû íà ðèñóíêå.
Ðàñïðåäåëèòåëüíûå óñòðîéñòâà òèïà  312: 1 øèííûé ðàçúåäèíèòåëü ñ çàçåìëÿþùèì íîæîì; 2 òðàíñôîðìàòîð íàïðÿæåíèÿ; 3 ëèíåéíûé ðàçúåäèíèòåëü/çàçåìëèòåëü; 4 ëèíåéíûé çàùèòíûé çàçåìëèòåëü (âûñîêîñêîðîñòíîãî òèïà); 5 êàáåëüíûé ââîä; 6 òðàíñôîðìàòîð òîêà; 7 ïðèâîäíîé ìîòîðèçîâàííûé ïðóæèííûé ìåõàíèçì; 8 âûêëþ÷àòåëü; 9 ìîòîðèçîâàííûé ïðèâîä äëÿ øèííîãî ðàçúåäèíèòåëÿ
406
ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ Ïðåäèñëîâèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Ââåäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 ×àñòü ïåðâàÿ. ÝËÅÊÒÐÎÌÅÕÀÍÈ×ÅÑÊÈÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Ãëàâà ïåðâàÿ. Îñíîâíûå ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ . . . . . . . . . 9 1.1. Òåïëîâûå ïðîöåññû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1. Èñòî÷íèêè òåïëîòû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.2. Àíàëèç ñïîñîáîâ ðàñïðîñòðàíåíèÿ òåïëîòû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
. . . . . . . . 10
1.1.3. Çàäà÷è è ñòàäèè òåïëîâûõ ðàñ÷åòîâ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.4. Òåïëîîòäà÷à êîíâåêöèåé è èçëó÷åíèåì ñ ïîâåðõíîñòåé ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ
. . . 12
1.1.5. Òåïëîïðîâîäíîñòü â ÷àñòÿõ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.6. Ðåæèìû íàãðåâà ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.7. Òåðìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2. Êîíòàêòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1. Êëàññèôèêàöèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.2. Êîíòàêòíàÿ ïîâåðõíîñòü è êîíòàêòíîå ñîïðîòèâëåíèå
. . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.3. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.4. Âëèÿíèå ïåðåõîäíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ êîíòàêòîâ íà íàãðåâ ïðîâîäíèêîâ . . . . . . . . 23 1.2.5. Òåìïåðàòóðà ïëîùàäêè êàñàíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòîâ . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2.6. Ñâàðèâàíèå ýëåêòðè÷åñêèõ êîíòàêòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ÿâëåíèÿ â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.3.1. Èñòî÷íèêè è óðàâíåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.3.2. Íàìàãíè÷èâàíèå è ìàãíèòíûå ìàòåðèàëû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3.3. Ñèëîâûå âçàèìîäåéñòâèÿ â ýëåêòðîìàãíèòíîì ïîëå . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.3.4. Ìàãíèòíàÿ ñèñòåìà è ìàãíèòíàÿ öåïü ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Ãëàâà âòîðàÿ. Îñíîâíûå ýëåêòðè÷åñêèå è ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ïðîöåññû . . . . . . . . . . . . . . 57 2.1. Êîììóòàöèÿ ýëåêòðè÷åñêîé öåïè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.1.1. Èäåàëüíûé ýëåêòðîííûé êëþ÷ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.1.2. Âêëþ÷åíèå ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.1.3. Îòêëþ÷åíèå ýëåêòðè÷åñêîé öåïè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.1.4. Âîññòàíîâëåíèå íàïðÿæåíèÿ íà êîììóòèðóþùåì îðãàíå
. . . . . . . . . . . . . . . 63
2.1.5. Îòêëþ÷åíèå ýëåêòðè÷åñêîé öåïè êîíòàêòíûìè àïïàðàòàìè . . . . . . . . . . . . . . 64 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 411
2.2. Ýëåêòðè÷åñêèå àíàëîãè ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì àïïàðàòîâ . . . . . . . . . . . . . . . 68 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.3. Ýëåêòðîäèíàìè÷åñêàÿ ñòîéêîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ
. . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.3.1. Ðàñ÷åò ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.3.2. Ðàñ÷åò ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèõ óñèëèé ïî ýíåðãåòè÷åñêèì çàâèñèìîñòÿì . . . . . . . . 80 2.3.3. Ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå óñèëèÿ ïðè ïåðåìåííîì òîêå
. . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Ãëàâà òðåòüÿ. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå àïïàðàòû àâòîìàòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.1. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå ðåëå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.1.1. Îñíîâíûå òåðìèíû è îïðåäåëåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.1.2. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.1.3. Ïîëÿðèçîâàííûå ýëåêòðîìàãíèòíûå ðåëå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.1.4. Ìàãíèòîóïðàâëÿåìûå ãåðìåòèçèðîâàííûå êîíòàêòû (ãåðêîíû) è ãåðêîíîâûå ðåëå . . . 92 3.1.5. Èíäóêöèîííûå ðåëå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.2. Ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèå äàò÷èêè è òðåáîâàíèÿ, ïðåäúÿâëÿåìûå ê íèì . . . . . . . . . . . . . 98 3.2.1. Êëàññèôèêàöèÿ äàò÷èêîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2.2. Ïàññèâíûå äàò÷èêè
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.2.3. Àêòèâíûå äàò÷èêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Ãëàâà ÷åòâåðòàÿ. Ýëåêòðè÷åñêèå àïïàðàòû ðàñïðåäåëèòåëüíûõ óñòðîéñòâ íèçêîãî íàïðÿæåíèÿ . . . . 106 4.1. Ïðåäîõðàíèòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.2. Àïïàðàòû òåïëîâîé, òåìïåðàòóðíîé è òîêîâîé çàùèòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.2.1. Àïïàðàòû òåïëîâîé çàùèòû
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.2.2. Àïïàðàòû òåìïåðàòóðíîé çàùèòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.2.3. Àïïàðàòû òîêîâîé çàùèòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.3. Êîíòàêòîðû è ìàãíèòíûå ïóñêàòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.3.1. Óñòðîéñòâî êîíòàêòîðîâ è ïóñêàòåëåé
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.2. Îñîáåííîñòè êîíñòðóêöèè îòäåëüíûõ óçëîâ è ïîðÿäîê ðàñ÷åòà êîíòàêòîðà
. . . . . . 116
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.4. Àâòîìàòè÷åñêèå âûêëþ÷àòåëè
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.1. Òîêîîãðàíè÷åíèå â àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëÿõ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.2. Óñòðîéñòâî óíèâåðñàëüíîãî àâòîìàòè÷åñêîãî âûêëþ÷àòåëÿ
. . . . . . . . . . . . . . 120
4.4.3. Ðàñöåïèòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.4.4. Ðàçíîâèäíîñòè àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 412
Ãëàâà ïÿòàÿ. Àïïàðàòû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1. Âûêëþ÷àòåëè âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1.1. Íàçíà÷åíèå è êëàññèôèêàöèÿ àïïàðàòîâ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ . . . . . . . . . . . . 127 5.1.2. Óñëîâèÿ ðàáîòû àïïàðàòîâ âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ è îáùèå òðåáîâàíèÿ, ïðåäúÿâëÿåìûå ê íèì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5.1.3. Îñíîâíûå ïàðàìåòðû âûêëþ÷àòåëåé âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . 129 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.2.Âîçäóøíûå âûêëþ÷àòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.2.1. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé è äóãîãàñèòåëüíûå óñòðîéñòâà . . . . . . 133 5.2.2. Êîíñòðóêöèè âîçäóøíûõ âûêëþ÷àòåëåé
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 5.3. Ýëåãàçîâûå âûêëþ÷àòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.3.1. Ôèçèêî-õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà ýëåãàçà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.3.2. Äóãîãàñèòåëüíûå óñòðîéñòâà
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3.3. Êîíñòðóêöèè ýëåãàçîâûõ âûêëþ÷àòåëåé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 5.4. Ìàñëÿíûå âûêëþ÷àòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 5.4.1. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ è äóãîãàñèòåëüíûå óñòðîéñòâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 5.4.2. Êîíñòðóêöèè ìàñëÿíûõ âûêëþ÷àòåëåé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.5. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âûêëþ÷àòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.6. Âàêóóìíûå âûêëþ÷àòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.6.1. Ôèçè÷åñêèå îñíîâû ñóùåñòâîâàíèÿ äóãè â âàêóóìå . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.6.2. Êîíñòðóêöèè âàêóóìíûõ âûêëþ÷àòåëåé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.7. Ðàçúåäèíèòåëè, îòäåëèòåëè è êîðîòêîçàìûêàòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.7.1. Ðàçúåäèíèòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.7.2. Îòäåëèòåëè è êîðîòêîçàìûêàòåëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.8. Èçìåðèòåëüíûå òðàíñôîðìàòîðû âûñîêîãî íàïðÿæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.8.1. Íàçíà÷åíèå è ïðèíöèï äåéñòâèÿ òðàíñôîðìàòîðà òîêà . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.8.2. Íàçíà÷åíèå è ïðèíöèï äåéñòâèÿ òðàíñôîðìàòîðà íàïðÿæåíèÿ
. . . . . . . . . . . . 152
5.8.3. Êîíñòðóêöèè òðàíñôîðìàòîðîâ òîêà è íàïðÿæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.9. Çàùèòíûå è òîêîîãðàíè÷èâàþùèå àïïàðàòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.9.1. Ðàçðÿäíèêè è îãðàíè÷èòåëè ïåðåíàïðÿæåíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.9.2. Ðåàêòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 413
Ãëàâà øåñòàÿ. Ïðèìåíåíèå è âûáîð ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû . . . . . . . . . 157 6.1. Àâàðèéíûå ðåæèìû â öåïÿõ è ñïîñîáû çàùèòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.1.1. Ñïîñîáû è ýôôåêòèâíîñòü çàùèòû ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé è ïîòðåáèòåëåé . . . . . . . 157 6.1.2. Îñîáåííîñòè ñåòåé 0,4 êÂ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.1.3. Îñíîâíûå òåõíè÷åñêèå ïàðàìåòðû ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòîâ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû
. . 160
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 6.2. Íèçêîâîëüòíûå êîìïëåêòíûå óñòðîéñòâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 6.2.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ î íèçêîâîëüòíûõ êîìïëåêòíûõ óñòðîéñòâàõ 6.2.2. Ðåæèìû ðàáîòû íèçêîâîëüòíûõ êîìïëåêòíûõ óñòðîéñòâ
. . . . . . . . . . . . . 167
. . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2.3. Âûáîð ãàáàðèòíûõ ðàçìåðîâ íèçêîâîëüòíûõ êîìïëåêòíûõ óñòðîéñòâ è îñîáåííîñòè èõ ìîíòàæà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.3. Ìåòîäèêà âûáîðà êîíòàêòîðîâ è ìàãíèòíûõ ïóñêàòåëåé äëÿ óïðàâëåíèÿ è çàùèòû ýëåêòðè÷åñêèõ äâèãàòåëåé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 6.4. Ìåòîäèêà âûáîðà àâòîìàòè÷åñêèõ âûêëþ÷àòåëåé äëÿ çàùèòû ýëåêòðè÷åñêèõ öåïåé è ýëåêòðîóñòàíîâîê . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 ×àñòü âòîðàÿ. ÑÈËÎÂÛÅ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÀÏÏÀÐÀÒÛ Ãëàâà ñåäüìàÿ. Ñèëîâûå ýëåêòðîííûå êëþ÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ îá ýëåêòðîííûõ êëþ÷àõ è áåçäóãîâîé êîììóòàöèè . . . . . . . . . . . . . 180 7.1.1. Ýëåêòðîííûå êëþ÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 7.1.2. Ñòàòè÷åñêèå ðåæèìû ðàáîòû êëþ÷åé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.1.3. Äèíàìè÷åñêèå ðåæèìû ðàáîòû êëþ÷åé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 7.1.4. Îáëàñòü áåçîïàñíîé ðàáîòû è çàùèòà êëþ÷åé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è 7.2. Ñèëîâûå äèîäû
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.2.1. Ýëåêòðîííî-äûðî÷íûé ïåðåõîä . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 7.2.2. Ñòàòè÷åñêèå âîëüò-àìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè äèîäà . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.2.3. Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè äèîäîâ 7.2.4. Çàùèòà ñèëîâûõ äèîäîâ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.2.5. Îñíîâíûå òèïû ñèëîâûõ äèîäîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.3. Ñèëîâûå òðàíçèñòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 7.3.1. Îñíîâíûå êëàññû ñèëîâûõ òðàíçèñòîðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 7.3.2. Ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ òðàíçèñòîðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.3. Áûñòðîäåéñòâèå ñèëîâûõ òðàíçèñòîðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 7.3.4. Îáåñïå÷åíèå áåçîïàñíîé ðàáîòû òðàíçèñòîðîâ Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 414
7.4. Òèðèñòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 7.4.1. Ïðèíöèï äåéñòâèÿ îáû÷íîãî òèðèñòîðà
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.4.2. Ñòàòè÷åñêèå ÂÀÕ òèðèñòîðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 7.4.3. Äèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 7.4.4. Çàïèðàåìûå òèðèñòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 7.4.5. Îñíîâíûå òèïû òèðèñòîðîâ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.4.6. Çàùèòà òèðèñòîðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.5. Ìîäóëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 7.5.1. Ïîñëåäîâàòåëüíîå è ïàðàëëåëüíîå ñîåäèíåíèå êëþ÷åâûõ ýëåìåíòîâ . . . . . . . . . . 223 7.5.2. Òèïîâûå ñõåìû ìîäóëåé êëþ÷åé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 7.5.3. Ðàçóìíûå” èíòåãðàëüíûå ñõåìû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 ” Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Ãëàâà âîñüìàÿ. Ïàññèâíûå êîìïîíåíòû è îõëàäèòåëè ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ
. . . . . . . . 230
8.1. Âëèÿíèå ïîâûøåííîé ÷àñòîòû è íåñèíóñîèäàëüíîñòè íàïðÿæåíèÿ íà ðàáîòó òðàíñôîðìàòîðíî-ðåàêòîðíîãî îáîðóäîâàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.2. Âëèÿíèå ôîðìû è ÷àñòîòû íàïðÿæåíèÿ íà ðàáîòó êîíäåíñàòîðà Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . 234
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.3. Òåïëîîòâîä â ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ ïðèáîðàõ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.3.1. Òåïëîâûå ðåæèìû ðàáîòû ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé . . . . . . . . . . . . . . . 237 8.3.2. Îõëàæäåíèå ñèëîâûõ ýëåêòðîííûõ êëþ÷åé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Ãëàâà äåâÿòàÿ. Ñèñòåìû óïðàâëåíèÿ ñèëîâûìè ýëåêòðîííûìè àïïàðàòàìè . . . . . . . . . . . . . . 243 9.1. Íàçíà÷åíèå è îñíîâíûå ïðèíöèïû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.1.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ î ñèñòåìàõ óïðàâëåíèÿ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
9.1.2. Îñíîâíûå ïðèíöèïû óïðàâëåíèÿ èìïóëüñíûìè ñèñòåìàìè . . . . . . . . . . . . . . 244 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.2. Ïðèáëèæåííîå ìîäåëèðîâàíèå ðåãóëÿòîðîâ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.2.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ î ìîäåëèðîâàíèè ðåãóëÿòîðîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 9.2.2. Ïðèìåð ìîäåëè èìïóëüñíîãî ðåãóëÿòîðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.3. Èíòåãðàëüíûå ìèêðîñõåìû â ñèñòåìàõ óïðàâëåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9.3.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ î èíòåãðàëüíûõ ìèêðîñõåìàõ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.3.2. Áàçîâûå öèôðîâûå ÈÌÑ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 9.3.3. Áàçîâûå àíàëîãîâûå ÈÌÑ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
9.4. Ëèíåéíûå óñèëèòåëè è ïðåîáðàçîâàòåëè àíàëîãîâûõ ñèãíàëîâ 415
. . . . . . . . . . . . . . . 255
9.4.1. Óñèëèòåëè ñèãíàëîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 9.4.2. Ïðåîáðàçîâàòåëè àíàëîãîâûõ ñèãíàëîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
9.5. Ôîðìèðîâàòåëè èìïóëüñîâ óïðàâëåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 9.5.1. Óïðàâëåíèå áèïîëÿðíûì òðàíçèñòîðîì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 9.5.2. Óïðàâëåíèå ïîëåâûìè òðàíçèñòîðàìè 9.5.3. Óïðàâëåíèå òèðèñòîðîì
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
9.6. Ãåíåðàòîðû è ðàñïðåäåëèòåëè èìïóëüñîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 9.6.1. Ãåíåðàòîðû ñèãíàëîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 9.6.2. Ðàñïðåäåëèòåëè èìïóëüñîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Ãëàâà äåñÿòàÿ. Ìèêðîïðîöåññîðû â ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 10.1. Ìèêðîïðîöåññîðû, óñòðîéñòâà ñ ìèêðîïðîöåññîðàìè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 10.1.1. Ìèêðîïðîöåññîð, åãî ñòðóêòóðà è ôóíêöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 10.1.2. Ìèêðîïðîöåññîðíûå óñòðîéñòâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 10.1.3. Êîíñòðóêöèè ìèêðîïðîöåññîðíûõ êîíòðîëëåðîâ Êîíòðîëüíûå âîïðîñû
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.2. Ïðèìåíåíèå ìèêðîêîíòðîëëåðîâ â ýëåêòðîàïïàðàòîñòðîåíèè . . . . . . . . . . . . . . . 272 10.2.1. Ìèêðîïðîöåññîðíûå àïïàðàòû çàùèòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 10.2.2. Àïïàðàòóðà äëÿ ïóñêà äâèãàòåëåé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 10.2.3. Àâòîìàòèçèðîâàííàÿ ñèñòåìà èñïûòàíèé ðåëå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 10.2.4. Ìèêðîïðîöåññîðíûå ñèñòåìû êîíòðîëÿ çàùèòíîé è êîììóòàöèîííîé àïïàðàòóðû . . 279 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Ãëàâà îäèííàäöàòàÿ. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïîñòîÿííîãî òîêà
. . . . 282
11.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïîñòîÿííîãî òîêà . . . . . . . . . . 282 11.1.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ î ñòàòè÷åñêèõ è ãèáðèäíûõ àïïàðàòàõ 11.1.2. Òðàíçèñòîðíûå ðåëå è êîíòàêòîðû
. . . . . . . . . . . . . . . 282
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.1.3. Òèðèñòîðíûå êîíòàêòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 11.1.4. Ãèáðèäíûå àïïàðàòû ïîñòîÿííîãî òîêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 11.2. Áàçîâûå ñõåìû ðåãóëÿòîðîâ ïîñòîÿííîãî òîêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 11.2.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ î áàçîâûõ ñõåìàõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 11.2.2. Ðåãóëÿòîðû-ñòàáèëèçàòîðû íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ
. . . . . . . . . . . . . . . . . 297
11.2.3. Òèïîâûå ñòðóêòóðû óïðàâëåíèÿ èìïóëüñíûìè ðåãóëÿòîðàìè . . . . . . . . . . . . . 299 11.2.4. Èìïóëüñíûé ðåãóëÿòîð ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì êëþ÷îì . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 11.2.5. Èìïóëüñíûé ðåãóëÿòîð ñ ïàðàëëåëüíûì êëþ÷îì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 11.2.6. Èìïóëüñíûé ðåãóëÿòîð ñ ïàðàëëåëüíûì èíäóêòèâíûì íàêîïèòåëåì . . . . . . . . . 307 416
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Ãëàâà äâåíàäöàòàÿ. Ñòàòè÷åñêèå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà . . . . . 310 12.1. Ñòàòè÷åñêèå è ãèáðèäíûå êîììóòàöèîííûå àïïàðàòû ïåðåìåííîãî òîêà . . . . . . . . . . 310 12.1.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ î ñòàòè÷åñêèõ è ãèáðèäíûõ àïïàðàòàõ
. . . . . . . . . . . . . . . 310
12.1.2. Òèðèñòîðíûå êîíòàêòîðû è ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà ñ åñòåñòâåííîé êîììóòàöèåé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 12.1.3. Òèðèñòîðíûå êîíòàêòîðû ïåðåìåííîãî òîêà ñ èñêóññòâåííîé êîììóòàöèåé . . . . . . 315 12.1.4. Ðåëå è êîíòàêòîðû ïåðåìåííîãî òîêà íà ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìûõ êëþ÷àõ 12.1.5. Ãèáðèäíûå àïïàðàòû
. . . . . . 316
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 12.2. Ðåãóëÿòîðû ïåðåìåííîãî òîêà ñ èìïóëüñíîé ìîäóëÿöèåé
. . . . . . . . . . . . . . . . . 319
12.2.1. Ïðèíöèï óïðàâëåíèÿ ïàðàìåòðàìè ïåðåìåííîãî òîêà â ÷åòûðåõ êâàäðàíòàõ êîìïëåêñíîé ïëîñêîñòè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 12.2.2. Ðåãóëèðîâàíèå íåàêòèâíîé ìîùíîñòè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 12.2.3 Ðåãóëèðóåìîå ïîëíîå ñîïðîòèâëåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 12.2.4. Ãèáðèäíûé ôèëüòð ïåðåìåííîãî òîêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 12.3. Ýëåêòðîìàãíèòíûå óïðàâëÿåìûå êîìïîíåíòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 12.3.1. Îáùèå ñâåäåíèÿ î ýëåêòðîìàãíèòíûõ óïðàâëÿåìûõ êîìïîíåíòàõ . . . . . . . . . . . 327 12.3.2. Äðîññåëü íàñûùåíèÿ áåç ïîäìàãíè÷èâàíèÿ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
12.3.3. Äðîññåëü íàñûùåíèÿ ñ ïîäìàãíè÷èâàíèåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 12.3.4. Äðîññåëè íàñûùåíèÿ ñ ñàìîïîäìàãíè÷èâàíèåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 12.3.5. Ñìåùåíèå õàðàêòåðèñòèê óïðàâëåíèÿ, èçìåíåíèå èõ êðóòèçíû, ïîëó÷åíèå ðåëåéíîãî ðåæèìà ìàãíèòíîãî óñèëèòåëÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 12.3.6. Ôåððîðåçîíàíñíûå ñòàáèëèçàòîðû íàïðÿæåíèÿ è òîêà . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Êîíòðîëüíûå âîïðîñû è çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Ïðèëîæåíèÿ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
Ïåðå÷åíü ïðîäóêöèè êîíöåðíà ÀÂÂ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
Ýëåêòðîòåõíè÷åñêîå îáîðóäîâàíèå, ïðîèçâîäèìîå íà ïðåäïðèÿòèÿõ Àêöèîíåðíîãî îáùåñòâà Ñèìåíñ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 Ïðîäóêöèÿ ôèðìû Legrand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Îñíîâíûå ñâåäåíèÿ îá ýëåêòðîîáîðóäîâàíèè, âûïóñêàåìîì êîìïàíèåé Øíåéäåð Ýëåêòðèê” (Ôðàíöèÿ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 ” Ïåðå÷åíü ïðîäóêöèè êîíöåðíà ALSTOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 Çàêëþ÷åíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 Ñïèñîê ëèòåðàòóðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
417
ÄËß ÇÀÌÅÒÎÊ
