Для электрической схемы изображенной на рис

Задача 2. Для электрической схемы изображенной на рис. 2-1 -2-10, по заданным в
табл. 2 параметрам и э.д.с. источника определить токи во всех ветвях цепи и напряжения
на отдельных участках. Составить баланс активной и реактивной мощностей. Построить в
масштабе на комплексной плоскости векторную диаграмму токов и потенциальную
диаграмму напряжений по внешнему контуру. Определить показание вольтметра и
активную мощность, показываемую ваттметром.
r3 V
W
E
c1
r1
c2
r2
Рис. 2 - 1
W
L3
E
r1
L1
r2
L2
Рис. 2 - 2
r3
L3
c3
V
r3 V
W
r1
c1
W
L3
r2
r1
r2
V
L2
E
L1
c2
E
Рис. 2 - 3
L3
r3
Рис. 2 - 4
V
r2
W
r1
W
c2
c1
L3
r1
L1
c3
c4
V
E
r2
L2
E
Рис. 2 - 5
W
Рис. 2 - 6
r3
L1
W
c2
r1
V
r3
r1
L3
E
Рис. 2 - 7
V
W
r1
Рис. 2 - 9
V
Рис. 2 - 8
L1
c2
r2
E
c2
r2
E
L3
W
r3
V
L1
r1
L3
c2
E
Рис. 2 - 10
r2
C2 ,
мкф
300
300
300
300
300
-
C3 ,
мкф
100
C4 ,
мкф
-
L1 , мГн
0
1
2
3
4
5
2-1
2-1
2-1
2-1
2-1
2-2
150
100
120
200
220
50
50
50
50
50
50
50
C1 ,
мкф
637
637
637
637
637
-
6
7
8
9
10
11
2-2
2-2
2-2
2-2
2-3
2-3
100
120
200
220
50
100
50
50
50
50
50
50
637
637
-
100
100
100
100
-
-
15,9
15,9
15,9
15,9
-
1000
1000
1000
1000
15,9
15,9
115
115
115
115
6,37
6,37
10
10
10
10
5
5
4
4
4
4
10
10
100
100
100
100
8
8
12
13
14
15
16
17
2-3
2-3
2-3
2-4
2-4
2-4
120
200
220
150
100
120
50
50
50
50
50
50
637
637
637
-
1600
1600
1600
-
-
31,8
31,8
31,8
15,9
15,9
15,9
-
6,37
6,37
6,37
95
95
95
5
5
5
10
10
10
10
10
10
2
8
8
8
8
8
10
10
10
18
19
20
21
22
23
2-4
2-4
2-5
2-5
2-5
2-5
200
220
50
100
120
200
50
50
50
50
50
50
637
637
637
637
1600
1600
159
159
159
159
-
-
31,8
31,8
-
-
95
95
95
95
95
95
10
10
15
15
15
15
8
8
10
10
10
10
10
10
-
Вариант Рисунок
E,В
f , Гц
L3 , мГн
r1 , Ом
r2 , Ом
r3 , Ом
15,9
L2 ,
мГн
1000
15,9
15,9
15,9
15,9
15,9
115
2
8
8
8
8
10
3
3
3
3
3
4
4
4
4
4
4
100
24
25
26
27
28
29
2-5
2-6
2-6
2-6
2-6
2-6
220
150
100
100
200
220
50
50
50
50
50
50
637
-
159
-
637
637
637
637
637
159
159
159
159
159
25
25
25
25
25
9
9
9
9
9
95
-
15
6
6
6
6
6
10
4
4
4
4
4
-
30
31
32
33
34
35
2-7
2-7
2-7
2-7
2-7
2-8
50
100
120
200
220
50
50
50
50
50
50
50
-
637
637
637
637
637
318
-
-
19,1
19,1
19,1
19,1
15,9
15,9
-
31,8
31,8
31,8
31,8
31,8
-
40
40
40
10
40
8
10
40
10
10
40
10
4
36
37
38
39
40
41
2-8
2-8
2-8
2-8
2-9
2-9
100
150
200
220
50
100
50
50
50
50
50
50
-
318
318
318
318
318
318
-
-
15,9
15,9
15,9
15,9
9,55
9,55
-
-
8
8
8
8
4
4
10
10
10
10
40
40
4
4
4
4
40
4
42
43
44
45
46
47
2-9
2-9
2-9
2-10
2-10
2-10
120
200
220
50
100
120
50
50
50
50
50
50
-
318
318
318
159
159
159
-
-
9,55
9,55
9,55
15,9
15,9
15,9
-
31,8
31,8
31,8
4
40
40
35
35
35
40
10
10
20
20
20
4
40
40
-
48
49
50
2-10
2-10
2-10
200
220
50
50
50
50
-
159
159
318
-
-
15,9
15,9
15,9
-
31,8
31,8
31,8
35
35
5
20
20
10
-
Задача 3.Для электрической схемы изображенной на рис. 3-1 – 3-17, по заданным в
табл. 3 параметрам и линейному напряжению определить фазные и линейные токи в
нейтральном проводе (для четырехпроводной схемы), активную мощность всей цепи и
каждой фазы отдельно. Построить векторную диаграмму токов и напряжений на
комплексной плоскости.
a
a
ra
ra
xa
xa
c
xc
xb
n
rc
c
rb
xc
Рис. 3 - 1
a
Рис. 3 - 2
a
ra
xa
n
rb
c
b
ra
xa
n
xb
xc
rc
xb
xc
rc
rb
c
b
Рис. 3 - 3
Рис. 3 - 4
a
a
xсa
ra
n
xb
b
rb
b
b
c
xb
n
rc
xc
rab
rca
c
xab
xbc
b
Рис. 3 - 5
Рис. 3 - 6
rbс
a
a
xсa
xсa
rab
rca
rca
xab
c
xbc
c
rbс
rab
xab
xbc
rbс
b
b
Рис. 3 - 8
Рис. 3 - 7
a
a
xсa
rab
rca
c
xсa
xab
rbс
xbc
rab
c
xbc
b
b
Рис. 3 - 10
Рис. 3 - 9
a
a
ra
ra
xc
n
xc
xb
xb
c
b
c
b
n
Рис. 3 - 11
Рис. 3 - 12
a
a
xсa
xсa
rab
xab
rca
rca
c
b
xbc
rbс
c
xbc
b
Рис. 3 - 13
Рис. 3 - 14
rbс
0
1
2
3
4
5
3-1
3-1
3-1
3-2
3-2
3-2
127
220
380
127
220
380
8
8
8
3
8
8
8
8
8
4
4
4
8
8
8
6
6
6
6
6
6
4
4
4
6
6
6
3
3
3
6
6
6
8
8
8
rab ,
Ом
-
6
7
8
9
10
11
3-3
3-3
3-3
3-4
3-4
3-4
127
220
380
127
220
380
4
4
4
16,8
16,8
16,8
8
8
3
8
8
8
6
6
6
8
8
8
3
3
8
14,2
14,2
8
4
4
4
6
6
6
8
9
8
4
4
4
-
-
-
-
-
-
12
13
14
15
16
17
3-5
3-5
3-5
3-6
3-6
3-6
127
220
380
127
220
380
10
10
10
-
-
-
-
10
10
10
-
10
10
10
-
8
8
8
8
8
8
8
8
8
6
6
6
6
6
6
6
6
6
18
19
20
21
22
23
3-7
3-7
3-7
3-8
3-8
3-8
127
220
380
127
220
380
-
-
-
-
-
-
8
8
8
4
4
4
4
4
4
8
8
8
6
6
6
6
6
6
4
4
4
3
3
3
3
3
3
4
4
4
8
8
8
8
8
8
Вариант Рисунок
Uл , В
ra ,Ом
rb , Ом
rc , Ом
x a , Ом
x b , Ом
xс , Ом
rbc ,
Ом
-
rca ,
Ом
-
x ab ,
Ом
-
x bc ,
Ом
-
x ca ,
Ом
-
24
25
26
27
28
29
3-9
3-9
3-9
3-10
3-10
3-10
127
220
380
127
220
380
-
-
-
-
-
-
16,8
16,8
16,8
10
10
10
8
8
8
-
3
3
8
-
14,2
14,2
14,2
-
6
6
6
10
10
10
4
4
4
10
10
10
30
31
32
33
34
35
3-11
3-11
3-11
3-12
3-12
3-12
127
220
380
127
220
380
10
10
10
15
15
15
-
-
-
10
10
10
5
5
5
10
10
10
5
5
5
-
-
-
-
-
-
36
37
38
39
40
41
3-13
3-13
3-13
3-14
3-14
3-14
127
220
380
127
220
380
-
-
-
-
-
-
8
8
8
3
3
3
4
4
4
8
8
8
8
8
8
4
4
4
-
6
6
6
6
6
6
8
8
8
10
10
10
42
43
44
45
46
47
3-15
3-15
3-15
3-16
3-16
3-16
127
220
380
127
20
380
-
-
-
-
-
-
5
5
5
5
5
5
-
6
6
6
6
6
6
5
5
5
-
8
8
3
8
8
8
4
4
4
4
4
4
48
49
50
3-17
3-17
3-17
127
220
380
-
3
3
3
-
15
15
15
-
10
10
10
-
-
-
-
-
-
a
a
xсa
xсa
xab
xab
rca
rca
c
xbc
c
rbс
rab
xbc
b
b
Рис. 3 - 15
Рис. 3 - 16
a
xa
xc
n
xb
c
b
Рис. 3 - 17
РАЗДЕЛ II
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ТЕМАМ КУРСА
Трансформаторы.
Данную тему целесообразно начинать с изучения электрической цепи однофазного
тока, содержащей катушку со стальным сердечником, а затем переходить
непосредственно к изучению трансформатора.
Рассматривая физические процессы, возникающие в трансформаторе, необходимо
обратить особое внимание на то положение, что при изменении нагрузки трансформатора
в широком диапазоне (от холостого хода до номинального режима) магнитный поток
может, считаться практически постоянным: и разным магнитному потоку в режиме
холостого хода. Это в свою очередь определяет постоянство потерь в стали, которые легко
определяются из режима холостого хода.
При рассмотрения режима «нормального», короткого замыкания получается, что
магнитный поток в сердечнике трансформатора настолько мал, что им можно пренебречь,
а, следовательно, при этом режиме потери в стали трансформатора практически равны
нулю, а потери в меди (в обмотках трансформатора) равны потерям при номинальной
нагрузке трансформатора. Величины токов, напряжений и мощностей, полученные из
режимов холостого хода и «нормального» короткого замыкания, позволяют определить
основные параметры трансформатора.
В паспорте трехфазных трансформаторов дается номинальная, мощность и мощность
потерь всех трех фаз; под номинальными напряжениями понимаются линейные
напряжения па зажинах трансформатора в режиме холостого хода, а под номинальными
токами — линейные токи независимо от схемы соединения обмоток.
После изучения настоящего раздела студенты должны:
1) знать основные элементы конструкции трансформатора; выражение для
коэффициента трансформации; уравнения электрического и магнитного состояний
трансформатора;
2) понимать назначение опытов холостого хода и короткого замыкания; сущность
«приведения» параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной; различие
опыта
короткого замыкания и режима короткого замыкания трансформатора; причины
изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора; принципы построения
векторных диаграмм для различных нагрузок;
3) уметь анализировать различные режимы работы трансформатора; читать паспорт
трансформатора; включать приемники и электроизмерительные приборы для определения
напряжений, токов и мощностей; предвидеть последствия коммутационных изменений в
цепи нагрузки на электрическое состояние трансформатора.
Теория трансформатора полностью распространяется на автотрансформаторы и
измерительные трансформаторы. Поэтому при их изучении следует обратить внимание на
область их применения и особенности работы.
Задача. Для трехфазного трансформатора мощностью S н =100 кВ·А, соединение
обмоток которого Y Y0 —0, известно: номинальное напряжение на зажимах первичной
обмотки трансформатора U1н = 6000 В, напряжение холостого хода на зажимах вторичной
обмотки трансформатора U 2 o = 400 В, напряжение короткого замыкания u к = 5,5%,
мощность короткого замыкания Pк = 2400 Вт, мощность холостого хода P0 = 600 Вт, ток
холостого хода I 0 = 0,07 I1н .
Определить: 1) сопротивление обмоток трансформатора r1 , x1 , r2 и x 2 ;
эквивалентное сопротивление z 0 (сопротивление намагничивающей цепи) и его
составляющие r0 и x 0 которыми заменяется магнитная цепь трансформатора. 2) угол
магнитных потерь  .
Построить характеристики трансформатора: 1) зависимость U 2 = f1 (  ) напряжения
U 2 от нагрузки (внешняя характеристика), 2) зависимость  = f (  ) коэффициента
полезного действия от нагрузки,  — коэффициент нагрузки трансформатора
(коэффициент мощности нагрузки принять cos  2 = 0,75).
Построить векторную диаграмму трансформатора при нагрузке, составляющей 0,8 от
номинальной мощности трансформатора S н и cos  2 = 0,75
Составить Т-образную схему замещения трансформатора.
Решение. Определяем номинальный ток первичной обметки:
Sн
100 1000
I1н 

 9,6 А.
3U1н
3  6000
Определяем ток холостого хода и cos  0 :
I 0  0,07 I1н  0,07  9,6  0,67 А;
P0
600
cos 0 

 0,086;0  85 .
3U1н I 0
3  6000  0,67
Определяем угол магнитных потерь:
  90  0  90  85  5 .
Определяем сопротивления обмоток.
1) Сопротивления короткого замыкания:
U
0,055  6000
z к  к .ф 
 19,9 Ом;
I к .ф
3  9,6
rк 
Pк
2400

 8,7 Ом;
2
3I к 3  9,6 2
xк  z к2  rк2  19,6 2  8,7 2  17,9 Ом.
2) Сопротивления первичной обмотки:
r1  r2  rк 2  8,7 2  4,35 Ом;
x 1  x 2  xк 2  17,9 2  8,95 Ом.
3) Сопротивления вторичной обмотки:
r2  r2 K 2  4,35 225  0,0193 Ом;
x 2  x 2 K 2  8,95 225  0,0398 Ом,
где K= U 1н U 20  6000 400  15.
Определяем сопротивления намагничивающей цепи:
Uн.ф
6000
z0 

 5180 Ом;
I о.ф
3  0,67
r0 
P0
600

 447 Ом;
2
3I 0 3  0,67 2
x0  z 02  r02  5180 2  447 2  5160 Ом.
Для построения внешней характеристики
напряжения во вторичной обмотке трансформатора:
U 2 %   ( u a % cos  2  u р % sin  2 ),
U 2  f1 (  )
определяем
потерю
где u a % , u р % - соответственно активное и реактивное падение напряжений;
u a %  u k % cos  k ; cos k  rk z k ;
8,7
u a %  5,5
 2,4% ;
19,9
u р %  u k %  u a %  5,5 2  2,4 2  4,95%.
Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора определяем по формуле
U
U 2  20 100  U 2 %.
100
Задаваясь различными значениями  , по формулам (12) и (13) определяем
напряжение U 2 (см. табл. 4).
Для построения зависимости   f 2   расчет коэффициента полезного действия
произведем по формуле:
S н cos  2

.
S н cos  2  P0   2 Pн
2
2
номер
p
U 2 ,%
U2 , В

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0,1
0,025
0,05
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,507
1,104
1,521
2,028
2,535
3,042
3,549
4,056
4,563
5,070
397,97
395,94
393,92
391,89
389,86
387,83
385,80
383,78
381,75
379,72
0,555
0,757
0,904
0,924
0,956
0,965
0,967
0,969
0,967
0,966
0,964
0,963
0,962

U,В

1,0
0,9
0,8 400
0,7
0,6
0,5
0,4 200
0,3
0,2
0,1
0
0,1 0,2
Uz
 МАКС
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0

Рис. 33
Результаты расчета сведены в табл. 4. Полученные характеристики показаны на
рис. 33.
Определим при какой нагрузке трансформатор имеет максимальный к.п.д.:
 м  P0 Pк  600 2400  0,5 ;  м  0,969
Построение векторной диаграммы начнем с вектора фазного напряжения U 2 ф ,
величина которого для   0,80 и cos  2  0,75 будет равна:
U2ф  383,78 3  222 В.
Приведенное значение вторичного напряжения:
  U 2ф K  222  15  3330 В.
U 2ф
  на заданный угол  и равен:
Вектор тока I2 отстает по фазе от вектора U
2ф
2
U 1
jx1 I1
z1 I1
r1 I1
jx2 I2
z 2 I2
r2I2
E 2   E1
U 2
2
90
I0
I2
I1
I


m

Рис. 34
100  1000
 115,6 А.
1,73  400
3U 2н
Падения напряжения во вторичной обмотке:
r2I 2  4,35  7,72  33,6 А;
x 2 I 2  8,95  7,72  68,3 А.
Электродвижущую силу E  находим из
I 2  0,8I 2н  0,8
Sн
 0,8
уравнения электрического
состояния, составленного по второму закону Кирхгофа, для вторичной цепи:
E 2  U 2  r2I 2  jx 2 I2
2
r1
I1
U1
r2
x1
I0
r0
x2 
I2
U 2
zн
x0
Рис. 35
Вектор тока Фm отстает от вектора E 2 на 90 ; а ток холостого хода I1 опережает
 на угол потерь  .
поток Ф
m
Ток в первичной обмотке трансформатора I1 получаем из уравнения
намагничивающих магнитодвижущих сил:
I1  I0  I2 , где I2   I2 K .
Вектор напряжения первичной обмотки трансформатора U1 определяем из
уравнения электрического состояния, составленного по второму закону
Кирхгофа для первичной цепи:
U 1   E 1  r1 I1  jx 1 I1 .
Током холостого тока I0 можно пренебречь (так как он мал) и принять I  I
1
или определить I1 по диаграмме. Тогда падения на первичной обмотке будут:
2
r1 I1  4,35  7,76  33,8 В.
x 1 I1  8,95  7,76  69,4 В.
Векторная диаграмма трансформатора приведена на рис. 34. Т-образная
схема замещения трансформатора изображена на рис. 35.
Магнитные цепи с постоянной и переменной
магнитодвижущими силами.
Большое распространение в современной технике получили магнитные усилители.
Магнитный усилитель представляет собой устройство, предназначенное для усиления
слабых электрических сигналов по мощности. Основным элементом магнитного
усилителя является дроссель с подмагничиванием, сердечник которого одновременно
находится под воздействием постоянного и переменного магнитных полей. При
отсутствии подмагничивающего тока (Iу = 0) дроссель не насыщен, а поэтому
индуктивность его велика и ток в нагрузке мал. При подаче небольшого управляющего
тока значение магнитной проницаемости и, следовательно, индуктивности дросселя
уменьшается, и ток нагрузки значительно возрастает. Меняя значение небольшого тока
I у , можно получить значительно большие изменения тока нагрузки I н . В этом и состоит
принцип действии магнитного усилителя. Ясно, что такое усиление происходит за счет
расхода энергии из сети, к которой подключена цепь рабочих обмоток. В основе действия
магнитного, усилителя лежит нелинейный характер магнитной характеристики
ферромагнитного сердечника, зависимость его магнитной проницаемости от
напряженности магнитного поля.
Магнитные усилители подразделяются на две группы.
1.
Нереверсивные,
в
которых
полярность
выходного
сигнала
не
зависит от полярности входного сигнала.
2. Реверсивные, в которых полярность выходного сигнала изменяется при изменения
полярности входного (управляющего) сигнала. Магнитные усилители обеих групп могут
быть без обратной связи или с обратной связью (внешней и внутренней). При этом
обратную связь используют как положительную, так и отрицательную.
Асинхронные двигатели.
После изучения настоящего раздела студент должен: 1) знать содержание терминов:
скольжение, синхронна, скорость, круговое вращающееся магнитное поле,
короткозамкнутый ротор, контактные кольца, поток полюса, глубокопазный ротор,
двойная “беличья клетка”; способы изменения направления вращения магнитного поля;
устройство и области применения двух типов трехфазных асинхронных двигателей;
условные обозначения трехфазных асинхронных двигателей на схемах; вид механических
характеристик; способы регулирования скорости вращения двигателя;
2) понимать принцип возбуждения многополюсного вращающегося магнитного
поля; принцип действия трехфазной асинхронной машины в режимах двигателя,
генератора и электромагнитного тормоза; факторы, влияющие на частоту вращения
ротора трехфазного асинхронного двигателя; возможность замены трехфазного асинхронного двигателя с вращающимся ротором эквивалентным асинхронным двигателем с
неподвижным ротором; аналогию физических явлений в трехфазном асинхронном
двигателе с неподвижным ротором и в трансформаторе с резистивной нагрузкой;
энергетические преобразования в трехфазном асинхронном двигателе;
3)уметь осуществлять пуска синхронного двигателя; измерять скольжение с
помощью стробоскопического устройства, частоту вращения; оценивать величины
номинального, пускового и максимального моментов, пускового тока и номинального
скольжения по данным каталога.
Приступая к изучению этой темы, необходимо понять условия возбуждения
вращающегося магнитного поля.
Изучение асинхронного двигателя надо начинать с его устройства и принципа
работы. Необходимо обратить особое внимание на электромагнитные процессы,
возникающие в двигателе, как при его пуске, так и в процессе работы. Векторная
диаграмма и эквивалентная схема асинхронного двигателя облегчают изучение его работы
и используются при выводе основных уравнений. Эксплуатационные параметры
асинхронного двигателя наглядно демонстрируются при помощи механических и рабочих
характеристик;
Механические характеристики M  f s  и n  f M  могут быть построены по
расчетной формуле вращающего момента:
r
m1 pU 12ф 2
s
,
M 
2


r2 
2
2f1  r1    x1  x 2  
s


где М - вращающий момент двигателя в Н·м; r1 , x1 , r2 , x 2 - сопротивления
статорной и роторной обмоток; m1 - число фаз статора; p – число пар полюсов;
U 1ф - фазное напряжение статорной обмотки; s – скольжение.
По зависимости M  f (s ) легко построить характеристику n = f(M). Механические
характеристики могут быть построены и по данным каталога. Известно, что
2M k
M 
,
sk
s

s sk
где M k - критический (максимальный) вращающийся момент двигателя; s k скольжение, при котором двигатель развивает критический момент.
Зная отношение критического момента к номинальному M к M н   и определив
P
номинальный момент как M н  9550 н , где Pн - номинальная мощность двигателя; nн nн
номинальная скорость вращения ротора, легко получить выражение для sк .
M
1
Рассматривая уравнение (15) для номинального режима и учитывая, что н  ,
Mк 
1
2
получим: 
.
 s к sн

sн sк
а)
б)
M
n
nн
nк
Mк
Mн
0 Sн
Mк
Mн
Mn
Sк
1
S
Рис. 36
0
Mn
M
Решая уравнение (16) относительно критического скольжения , получаем:
s к  s н (  2  1) .
Зная M к и sк и задаваясь значениями s в пределах от 0 до 1, легко
построить механическую характеристику M  f (s ) , данные для которой
получаются из уравнения (15).
Характеристика n  f (M ) получается из характеристики M  f (s ) ,
учитывая при этом что
n  n0 (1  s) .
где n 0 об/мин – скорость вращения магнитного поля.
Механические характеристики асинхронного двигателя, изображенные на рис. 36, а и
36, б, показывают свойства двигателя в системе электропривода; пусковые свойства,
перегрузочную способность, устойчивость работы.
Для более полного выявления свойств двигателя служат рабочие характеристики,
которые показывают зависимость скорости вращения ротора n, вращающего момента М,
к. п. д.  , тока статора и коэффициента мощности cos  от мощности на валу двигателя
P2 . Эти характеристики могут быть рассчитаны по данным каталога или получены в
процессе испытания двигателя в лабораторных условиях.
I1 , M , ,cos  , n
I1 M

cos 
n
0
PНОМ
P2
Рис. 37
Рабочие характеристики асинхронного двигателя изображены на рис. 37.
Рассмотрим примеры решения задач по асинхронным двигателям.
Задача 1. номинальная мощность трехфазного асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором Pн  10 кВт, номинальное напряжение U н  380 В,
номинальное число оборотов ротора nн  1420 об/мин, номинальный к.п.д.  н  0,84 и
номинальный коэффициент мощности cos н  0,85 . Кратность пускового тока
I п I н  6,5 , а перегрузочная способность двигателя   1,8 . Определить:
1) потребляемую мощность;
2) номинальный и максимальный (критический) вращающие моменты; 3) пусковой
ток; 4) номинальное и критическое скольжения. Построить механические характеристики
M  f (s ) и n  f (M ) .
Решение. Потребляема мощность.
P1н 
Pн
н

10
 11,9
0,84
кВт.
Номинальный и максимальный моменты:
Pн
10
 9550
 67,3 Н·м.
nн
1420
 M н  1,8  67,3  121 Н·м.
M н  9550
MM
Номинальный и пусковой токи:
P1н
11,9  1000

 21,2 А;
3U н cos н 1,73  380  0,84
I п  6,5I н  6,5  21,2  138 А.
Iн 
Номинальное и критическое скольжения:
sн 
n 0  nн 1500 - 1420

 0,053 ;
n0
1500
sк  sн (  2  1)  0,53(1,8  1,82  1)  0,175 .
Механические характеристики M  f (s ) строятся по уравнению (15):
242
.
M
0,175
s

s
0,175
б)
n, об мин
а)
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
M , Нм
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
M  f (S )
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
0
S
Рис. 38
n  f (M )
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
M , Нм
номер
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
s
0,053
0,4
0,175
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
nн , об/мин
1420
1350
1238
1200
1050
900
750
600
450
300
150
0
Н·м
67,3
104,3
121,0
120,5
105,3
88,8
75,5
65,2
57,0
50,5
45,5
41,2
MM
Задаваясь скольжением s от 0 до 1, подчитываем вращающий момент.
Скорость вращения ротора определяем из уравнения (17). Расчетные данные
приведены в табл. 5. Характеристики, построенные по данным табл. 6,
изображены на рис. 38, а, б.
Задача 2. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором, сопротивление фаз
обмоток которого r1 = 0,46 Ом, r2 = 0,02 Ом, x1 = 2,24 Ом, x 2 = 0,08 Ом, соединен
треугольником и работает при напряжение U н = 220 В с частотой f = 50 Гц. Число
витков на фазу обмоток 1 = 192, 2 = 36. Обмоточные коэффициенты K1 = 0,932, K 2 =
0,955. Число пар полюсов p = 3. Определить: 1) Пусковые токи статора и ротора, пусковой
вращающий момент, коэффициент мощности (cos  ) при пуске двигателя с замкнутым
накоротко ротором; 2) токи ротора и статора и вращающий момент при работе двигателя
со скольжением s = 0,03; 3) критическое скольжение и критический (максимальный)
момент; 4) величину сопротивления фазы пускового реостата для получения пускового
момента, равного максимальному, а также пусковые токи статора и ротора при этом
сопротивление.
Решение. Для приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора
определяем коэффициент трансформации:
m K
3  192  0,932
K 1 1 1 
 5,2 .
m2  2 K 2
3  36  0,955
Приведенные значения сопротивлений роторной обмотки:
r2  r2 K 2  0,02  5,2 2  0,54 Ом;
x2  x2 K 2  0,08  5,2 2  2,16 Ом.
Сопротивления короткого замыкания:
rк  r1  r2  0,46  0,54  1,0 Ом;
xк  x1  x2  2,24  2,16  4,4 Ом;
z к  rк2  xк2  12  4,4 2  4,51 Ом.
Пусковые токи, пусковой момент и cos  п при пуске двигателя с замкнутым
накоротко ротором:
U ф 220
I 1п 

 48,8 А;
zк
4,51
I 2п  KI1п  5,2  48,8  254 А;
2
m2 r2 I 2п
3  0,02  254 2
MП 

 37 Н·м.
0
104,5
где m2 - число фаз ротора;  0 - угловая скорость вращения магнитного поля:
2n0
60 f1
0 
; n0 
.
p
60
Определяем коэффициент мощности:
rк
1,0

 0,222 .
z к 4,51
cosп 
Токи и вращающий момент при работе двигателя со скольжением s = 0,03:
r2 2
0,54 2
)  ( x1  x2 )  (00,46 
)  4,4 2  18,9
s
0,03
U ф 220
I1 

 11,6 А;
z 18,9
I 2  KI1  5,2  11,6  60,3 А;
0,02
r
 60,32
m2 2 I 22 3 
0,003
s
M 

 70 Н·м
0
104,5
z  (r1 
Ом;
Критическое скольжение и критический (максимальный) момент:
sк 
MM
r2
r x
2
1
2
к

0,54
0,46  4,4
2
2
 0,122 ;
m1U ф2
P
3
3  220 2




 141 Н  м
2f1 2 r1  r12  xк2
2  3,14  50 2 0,46  0,46 2  4,4 2




Определяем сопротивление пускового реостата. Известно, что пусковой вращающий
момент достигает максимального значения при условии, что
sк 
r2  rp
xк
 1,0 ,r
r p - приведенное значение сопротивления пускового реостата:
rp  xк  r2  4,4 - 0,54  3,86 Ом;
rp
3,68
rp  2 
 0,143 Ом.
K
5,22
где
Пусковые токи при пуске двигателя с реостатом:
zп  (rк  rp ) 2  xк2  (1  3,68) 2  4,4 2  6,55 Ом;
I 2п
Uф
220
 33,6 А;
z п 6,55
 KI1п  5,2  33,6  174,7 А.
I1п 

Задача 3. из каталога на асинхронные двигатели с фазным ротором известны:
номинальная мощность двигателя Pн = 11 кВт, номинальное напряжение U н = 220 В,
номинальное число оборотов ротора n = 920 об/мин, к.п.д.:
коэффициент
мощности
cos н
=
0,78,
перегрузочная
н
= 81%, номинальный
способность
двигателя
= 3,4, активное сопротивление фазы статора r1 = 0,422 Ом. Определить:
1) номинальный ток статора; 2) номинальный и максимальный моменты; 3)
сопротивления r2 и xк ветви приведенного тока I 2 в Г – образной схеме замещения
MM MН
I 2 ; 5) ток в статоре в режиме холостого хода I10 и
6) сопротивления r10 и x10 в Г – образной схеме
(рис. 39); 4) приведенный ток ротора
коэффициент мощности cos10 ;
замещения.
Решение. По каталогу находим номинальный ток статора:
I1н 
Pн
11  1000

 26,4
3U н н cos н 3  220  0,81  0,78
А.
Для определения реактивного сопротивления
максимального электромагнитного момента:
I1
I2 r
x
1
воспользуемся
формулой
к
r10
U н
I10
r2 S н
x10
Рис. 39
MM 
2
н
2
1
1,46U
n 0 (r1  r  x )
2
к
,
из которой следует, что
xк  rм2  r12 ,
где rм - расчетное сопротивление:
1,46U н2
rм 
 r1 .
M M n0
Приведенное активное сопротивление ротора
r2
зависимость номинального электромагнитного момента
sн :
2,92U н2 r2
Mн 
,

r2 2
2
n0 sн (r1  )  xк 
sн


из которой следует, что
r2  sн (rн  rн2  rм2 ) ,
найдем из формулы, выражающей
Mн
от номинального скольжения
где
rн - расчетное сопротивление:
1,46U н2
rн 
 r1 ,
M н n0
По каталогу номинальный момент
M н  9550
Pн
11
 9550 
 114 Н·м.
nн
920
Максимальный момент
M M  3,4Mн  3,4  114  389 Н·м.
Расчетные сопротивления:
1,46U н2
1,46  220 2
rм 
 r1 
 0,422  1,36 Ом;
M M n0
39,6  1000
1,46U н2
1,46  220 2
rн 
 r1 
 0,422  5,64 Ом;
M н n0
11,65  1000
где M M = 39,6 кг·м; M н = 11,65 кг·м;
Реактивное сопротивление
xк  rм2  r12  1,362 - 0,4222  1,29
Ом.
Приведенное активное сопротивление ротора
r2  sн (rн  rн2  rм2 )  0,08(5,64  5,642  1,362 )  0,888 Ом.
Определяем приведенный ток I 2 при номинальном режиме работы двигателя:
Uн
220
I 2 

 19 А.
r2 2
0
,
888
(r1  )  xн2
(0,422 
) 2  1,29 2
s
0,08
Для Г – образной схемы замещения (см. рис. 39) составим два уравнения баланса
активных реактивных мощностей при номинальном режиме работы двигателя:
r2
)(I 2 ) 2  r10 I102 ;
sн
U н I1 cos  н  xн ( I 2 ) 2  x10 I102 .
U н I1 cos н  (r1 
Активная мощность двигателя в режиме холостого хода, отнесенная к одной фазе
обмотки статора,
P10  r10 I102  U н I1 cos  н  (r1 
 220  26,4  0,78  (0,422 
r2
)  ( I 2 ) 
sн
0,888
)  19 2  330 Вт.
0,08
Реактивная мощность двигателя в режиме холостого хода, отнесенная к одной фазе
обмотки статора,
Q10  x10 I102  U н I1 sin  н  xк ( I 2 ) 2 .
Величина cos н = 0,78 соответствует sin н = 0,625, поэтому
Q10  220  26,4  0,625  1,29  19 2  3165 вар.
Полная мощность двигателя в режиме холостого хода, отнесенная к одной фазе
обмотки статора,
s10  P102  Q102  3302  31652  3170 В·А.
Ток холостого хода
I10 
s10 3170

 14,4 А.
Uн
220
Коэффициент мощности при холостом ходе двигателя
cos 10 
P10 330

 0,1 .
s10 3170
Сопротивления при холостом ходе:
Uн
220
cos 10 
 0,1  1,52 Ом;
I10
14,4
U
220
x10  н sin 10 
 0,995  15,2 Ом.
I10
14,4
r10 
Электрические машины постоянного тока.
После изучения данного раздела студент должен: 1) знать основные конструктивные
элементы машин постоянного тока: статор, обмотка статора, якорь, обмотка якоря;
термины: щеточно-коллекторный узел, геометрическая и физическая нейтрали, реакция
якоря, коммутация, противо-э.д.с.; классификацию машин постоянного тока по способу
возбуждения; внешние характеристики генераторов постоянного тока всех способов
возбуждения; механические характеристики двигателей постоянного тока всех способов
возбуждения; способы пуска двигателей постоянного тока; способы регулирования
скорости вращения двигателей постоянного тока;
2) понимать назначение основных конструктивных элементов машин постоянного
тока; принцип действия генератора и двигателя постоянного тока; уравнения
электрического состояния генератора и двигателя постоянного тока; назначение пусковых
и регулировочных сопротивлений; энергетические диаграммы генератора и двигателя,
постоянного тока;
3) уметь включать в сеть, регулировать скорость и реверсировать двигатель
постоянного тока; отличать до внешнему виду машину постоянного тока от других типов
электрических машин; ориентироваться в паспортных данных машины и определять
номинальный момент; выбирать двигатель применительно к заданным технически
условием.
Изучение электрических машин постоянного тока надо начинать с их принципа
работы и устройства. Учитывая, что машина постоянного тока обратима, т.е. может
работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, изучение таких вопросов, как
коллектор, реакция якоря, электромагнитный момент, возбуждение и ряд других
необходимо рассматривать в сопоставлении для обоих режимов! Очень важно правильно
понимать связь между напряжением на зажимах машины U , ее э.д.с. E и падением
напряжения rя I я в обмотке якоря для генераторного и двигательного режимов:
для генератора
E  U  rя I я ;
для двигателя U
 E  rя I я .
Изучая работу машин постоянного тока в режиме двигателя, надо обратить особое
внимание на пуск, регулирование скорости вращения и вращающий момент двигателя, а в
режиме генератора — на самовозбуждение. Характеристики генераторов и двигателей
дают наглядное представление об эксплуатационных свойствах электрических машин.
Рассмотрим несколько примеров решения задач.
Задача 1. Дан генератор параллельного возбуждения с номинальными данными: Pн =
5,2 кВт, U н = 230 В и скорость вращения
nн
= 2860 об/мин. Сопротивление обмотки якоря
= 0,75 Ом, сопротивление цепи возбуждения rв = 154 Ом, механические и магнитные
потери составляют 4% от номинальной мощности генератора. Определить момент на валу
первичного двигателя.
Р ешени е. Номинальный ток нагрузки
rя
Iн 
Pн 5,2  1000

 22,6 А.
Uн
230
Ток возбуждения
Iв 
U н 230

 1,5 А.
rн 154
Ток якоря при нормальной нагрузке
I я.н  I н  I в  22,6  1,5  24,1 А.
Э.д.с. генератора
E  U н  rя I я.н  230  0,75  24,1  248 В.
Потери в обмотке якоря и в цепи возбуждения
Pя  rя I я2.н  0,75  24,12  435 Вт;
Pв  rв I в2  154  1,52  346 Вт.
Сумма механических и магнитных потерь
Pмех  Pмаг 
4
 5,2  103  208 Вт.
100
Суммарные потери при номинальной нагрузке
 P  435  346  208  989 Вт  0,989 кВт.
Мощность на валу первичного двигателя
Pмех.н   P  Pн  0,989  5,2  6,189 кВт.
К.п.д. генератора при номинальной нагрузке
н 
Pн
Pмех.н
 100 
5,2
 100  84 %.
6,189
Момент на валу первичного двигателя при номинальной нагрузке генератора
M Д  9550
Pмех.н
6,189
 9550
 20,7
nн
2860
Н·м.
Задача 2. Двигатель параллельного возбуждения, присоединяется к сети с
напряжением U н = 220 В, потребляет при номинальной нагрузке ток I н = 20,5 А, а при
холостом ходе -
I0
= 2,35 А. Сопротивление обмотки якоря
rя
= 0,75 Ом, а в цепи
возбуждения rв = 258 Ом. Номинальная скорость вращения nв = 1025 об/мин.
Определить номинальную мощность двигателя (на валу), номинальный к.п.д.,
номинальный вращающий момент, пусковой ток при пуске двигателя без пускового
реостата, сопротивление пускового реостата для условия I п  2,5I н и пусковой момент
при пуске двигателя с реостатом. При решении принять, что магнитные и механические
потери не зависят от нагрузки.
Решение. Номинальная мощность на валу двигателя
Pн  P1н   P ,
где
 P - потери в двигателе; P1н - потребляемая мощность;
P1н  U н I н  220  20,5  4510 Вт.
Для определения потерь в цепи якоря и цепи возбуждения надо знать ток в цепи
якоря I я.н и ток возбуждения I в :
U н 220

 0,85 А;
rв
258
 I н  I в  20,5  0,85  19,65 А.
Iв 
I я.н
Потери в обмотке якоря и в цепи возбуждения
2
Pя.н  rя I я.н
 0,75  19,652  290 Вт;
Pв  rв I в2  258  0,85  186 Вт.
Магнитные и механические потери
Pм  P0  Pя.0  Pв ,
где P0  U н I 0  220  2,35  517 Вт;
холостом ходе двигателя:
Pя.0
- потребляемая мощность при
Pя.0  rя ( I 0  I н ) 2  0,75  (2,35  0,85) 2  1,7 Вт;
Pм  517  1,7  186  329,3 Вт;
 Pн  290  186  329,3  805,3 Вт;
Pн  4510  805,3  3704,7 Вт;
Номинальный к.п.д.
y 
Pн
3,71
 100 
 100  82,2 %
P1н
4,51
Номинальный вращающий момент
M н  9550
Pн
3,71
 9550
 34,6
nн
1025
Н·м.
Пусковой ток двигателя при пуске без реостата
Iп 
U н 220

 293 А.
rя 0,75
Сопротивление пускового реостата определяется из равенства
I п  2,5I я.н 
Uп
,
rя  rр
откуда
rр 
Uн
220
 rя 
 0,75  3,73 Ом.
Iн
2,5  19,65
Определяем пусковой момент двигателя при пуске с реостатом. Известно, что
вращающий момент двигателя определяется уравнением
M  CмI я .
Для режима номинальной нагрузки выражение (18) принимает вид
M н  Cм I я.н ,
а для пускового режима
M п  Cм I п .
Полагая магнитный поток в двигателе постоянным, возьмем отношение моментов
M н I я.н
,

Mп
Iп
откуда
Mн  Mп
I я.н
2,5  19,65
 34,6
 86,5
Iп
19,65
Н·м.
Задача 3. Двигатель последовательного возбуждения работает от сети с напряжением
220 В. Номинальный вращающий момент двигателя и номинальная скорость вращения
соответственно равны M н = 75 Н·м, nн = 1020 об/мин, сопротивления обмоток якоря и
возбуждения rя = 0,4 Ом, rв = 0,3 Ом. Номинальный к.п.д. н = 81,5 %. Определить: 1)
мощность на валу двигателя и мощность, потребляемую из сети при номинальной
нагрузке; 2) ток двигателя; 3) противо-э.д.с. и электромагнитную мощность (мощность
передаваемую на якорь); 4) потери в двигателе при номинальной нагрузке и
сопротивление пускового реостата, при котором пусковой ток превышает номинальный в
два раза.
Решение. Нормальная мощность двигателя.
Pн 
M н nн 75  1020

 8 кВт.
9550
9550
Потребляемая мощность
P1н 
Pн
н

8
 9,8 кВт.
0,815
Номинальный ток двигателя
Iн 
P1н 9,8  1000

 44,5
Uн
220
А.
Полученный ток является током обмотки якоря и обмотки возбуждения
I я.н  I в  44,5 А.
Противо-э.д.с., наводимая в обмотке якоря
E  Uн  (rя  rв ) I н  220  (0.4  0,3)  44,5  188,5 В.
Электромагнитная мощность
Pэм  EI я.н  188,8  44,5  8400 Вт.
Магнитные и механические потери
Pм  Pэм  Pн  8,4  8  0,4 кВт.
Потери в обмотке якоря и обмотки возбуждения
Pя.н  rя I я2.н  0,4  44,52  792 Вт.
Pв  rв I в2  0,3  44,52  595 Вт.
Проверим полученный результат
 Pн  P1н  Pн  9,8  8  1,8 кВт.
Суммарные потери в двигателе
 Pн  400  792  595  1787 Вт.
Сопротивление пускового реостата
rр 
Uн
220
 (rя  rв ) 
 0,7  1,77
2I я.н
2  44,5
Ом.
Принципы выбора электродвигателей.
Аппаратура управления и защиты
электротехнических устройств.
После изучения настоящего раздела студент должен:
1) знать области применения электропривода и его преимущества перед другими типами
приводов; основаны, электротехнические и механические устройства, входящие в состав
электропривода; режимы работы электропривода; типы электропривода; механические
характеристики основных производственных механизмов; основные аппараты ручного и
автоматического управления электроприводом; условные графические обозначения
двигателей и элементов устройств управления; основные аппараты защиты
электротехнических устройств;
2) понимать нагрузочные диаграммы и их построение; влияние температуры
окружающей среды на нагрузочную способности двигателя; сущность методов
эквивалентного тока, момента мощности для расчета мощности приводного
электродвигателя; назначение и принцип действия аппаратов управления; работу типовых
схем управления электроприводом; назначение и принцип действия аппаратуры защиты;
3) уметь определять по механическим характеристикам двигателя и рабочего
механизма частоту вращения и момент в установившемся режиме; рассчитывать
мощность двигателя по нагрузочной диаграмме рабочего механизма; выбирать по
каталогу двигатель нужного исполнения, соответствующего условиям окружающей среды
и режиму работы производственного механизма, проверить выбранную мощность
двигателя по пусковым условиям и перегрузочной способности; читать несложные схемы
управления электроприводами; приводить в действие устройстве электропривода
общепромышленных механизмов; выбирать соответствующие аппараты управления и
защиты.
Основными вопросами, которые нужно изучить, в данной теме, являются:
сравнительная оценка свойств и область применения электрических двигателей как
постоянного, так и переменного токов, выбор мощности двигателя для различных
режимов работы; аппаратура управления электродвигателями; схемы электроснабжения
предприятия; внутризаводские силовые и осветительные сети, их устройства и расчет.
Электропривод (выбор мощности двигателя).
Выбор двигателя — один из ответственных этапов проектирования электропривода,
так как именно двигатель в значительной степени определяет технические и
экономические качества привода в целом. Из многочисленных типов двигателей
переменного и постоянного токов для привода той или иной производственной, машины
должен быть выбран такой, который наиболее полно удовлетворял бы техникоэкономическим требованиям. Это значит, что двигатель должен быть наиболее простым
по управлению, надежным в эксплуатации и иметь наименьшую стоимость, массу и
габариты, а также высокие энергетические показатели. В сравнении со всеми
существующими типами двигателей этим требованиям в наибольшей мере отвечают
асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. При выборе двигателя такого типа
необходимо выяснить, Удовлетворяются ли технические требования: допустимое
уменьшение скорости при увеличении нагрузки, допустимая величина повторных
включений, возможность быстрого и надежного пуска,
В напряженных режимах работы привода, с большой частотой включений, где
требуется повышенный или ограниченный пусковой момент, а также регулирование
частоты вращения в узких пределах, применяют асинхронные двигатели с контактными
кольцами. Для нерегулируемых приводов средней и большой мощности, работающих в
продолжительном режиме с редкими пусками, рекомендуется применять синхронные
двигатели. Они отличаются более высоким к.п.д. и допускают регулирование
коэффициента мощности за счет компенсации
реактивной
мощности.
При
необходимости плавного, и глубокого регулирования скорости, а также при большой
частоте включений применяются двигатели постоянного тока. При выборе мощности
двигателя основными исходными данными являются требуемые моменты, которые
должны быть приложены к валу механизма, т.е. необходимо иметь нагрузочные
диаграммы электропривода P  f (t ) или M  f (t ) которые могут быть заданы как в виде
графика, так и в виде таблицы.
P, кВт
0
5
P3  6кВт
P1
P2  8кВт
P1  12кВт
12
11
10
9
8
7
6
5
4 t  20с
3 1
2
1
t 2  30с
tц
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
t3  15с
60
t1
65
70
t, с
Рис. 40
Задача 1. Определить необходимую мощность двигателя для привода механизма,
режим работы которого задан нагрузочной диаграммой на рис. 40. По технологическим
условиям следует использовать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Двигатель должен развивать частоту вращения n = 980 об/мин. Помещение, где будет
установлен двигатель, - сухое, без пыли и грязи.
Решение. В нашем случае режим работы представляет собой длительную
переменную нагрузку. Мощность двигателя подбирается при подобных режимах работы
по эквивалентной мощности, которая равна
n
Pэ 
где
 (Pк2tк )
к 1
tц
,
tц - время цикла работы
tц  t1  t2  t3  20  30  15  65 с;
12 2  20  82  30  6 2  15
Pэ 
 9,05 кВт.
65
По данным каталога в качестве приводного двигателя может быть использован
асинхронный короткозамкнутый двигатель в защищенном исполнении типа А2-61-6; Pн =
= 10 кВт, nн = 965 об/мин,  н = 0,870, M п M н = 1,2, M м M н = 1,8.
В ряде случаев момент нагрузки на отдельных участках может оказаться больше
максимально допустимого момента двигателя, и синхронный двигатель может
остановиться. Поэтому после выбора двигателя его необходимо проверить по
перегрузочной способности исходя из условия M макс  M макс.д , где M макс — максимальный
M
макс.д — максимально допустимый момент двигателя. Для
момент на валу двигателя;
асинхронного двигателя M макс.д  0,9M к Здесь M к — критический (максимальный)
момент двигателя; В вашем примере:
номинальный момент двигателя
9550  P1 9550  10
Mн 

 99 Н·м
nн
965
максимальный (критический) момент
M к  M н  1,8  99  178 Н·м
максимальный статический момент
9550  P1 9550  12
Mс 

 117 Н·м
n
980
По перегрузочной способности двигатель проходит, так как выполняется условие
0,9M н  0,9  178  160  M 0  117 .
В том случае, когда нагрузочные диаграммы заданы моментом M  f (t ) или током
I  f (t ) , мощность двигателей выбирают либо по эквивалентному моменту:
n
Mэ 
 (M
k 1
n
2
k k
t )
, либо по эквивалентному току I э 
tц
 (I
k 1
tц
2
k k
t )
.
Задача 2. Определить необходимую мощность0 двигателя для привода механизма,
работающего
в повторно-кратковременном режиме, который задан нагрузочной
диаграммой, изображенной на рис. 41. Двигатель должен развивать частоту вращения
n  720 об мин.
Решение. Определяем эквивалентный момент за рабочее время:
n
M раб 
 (M
k 1
tp
2
k k
t )

100 2  10  70 2  30  60 2  20  40 2  10
 63,2 Н  м .
10  30  20  10
Определяем мощность, соответствующую эквивалентному моменту за рабочее
время:
M раб n 63,2  720
Pраб 

 4,75кВт .
9550
9550
Определяем относительную продолжительность включения:
tp
tp
70
ПВ 


 0,54.
Tц t p  t 0 130
В каталогах для двигателей повторно-кратковременного режима номинальная
мощность указывается для следующих стандартных относительной продолжительности
включения ПВ: 0,15; 0,25; 0,4 и 0,6. В том случае, когда расчетная ПВ отличается от
стандартного значения, рассчитанная
по нагрузочной диаграмме мощность
пересчитывается по формуле:
ПВ раб
  Pраб
Pраб
.
ПВном
Для ПВном  0,6 получим
0,54
 4,5кВт .
0,6
По данным каталога по аналогии с задачей 1, может быть подобран двигатель для
расчетной мощности 4,5 кВт и ПВном  0,6 .
  4,75
Pраб
M ,Нм
100
M1
90
80
70
60
50
40
30 t
20 1
10
0
M1
M2
M3
t2
10
20
t01
tц
30
40
50
M4
t4
t3
60
70
80
90
t02
t1
100 110 120 130 140 150 t , с
Рис. 41
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Трансформаторы.
1. Назначение и принцип работы трансформатора.
2. Начертите векторную диаграмму трансформатора в режиме холостого хода.
3. Почему обмотки высшего и низшего напряжений размещают на общем стержне?
4. Напишите уравнение магнитодвижущих сил в трансформаторе.
5. Объясните, почему магнитный поток трансформатора практически не зависит от
нагрузки?
6. Какие потери в трансформаторе являются постоянными и какие переменными?
7. Напишите уравнения электрического состояния для первичной и вторичной
обмоток и объясните смысл каждого из членов этих уравнений.
8. Как устроен трехфазный трансформатор?
9. Каковы преимущества и недостатки автотрансформатора?
10. Какие погрешности возникают при использовании трансформаторов напряжений
и тока для измерения напряжении и тока?
Магнитные цепи с постоянной и переменной магнитодвижущими
силами.
1. Перечислите достоинства и недостатки магнитных усилителей.
2. Как изменяются вольт-амперные характеристики, дросселя с подмагничиванием
при увеличении тока в управляющей обмотке  y ?
3. В чем заключается принцип действия магнитного усилителя?
4. Как влияют на характеристику вход — выход изменения нагрузки, напряжения и
частоты источника питания?
5. От чего зависят постоянная времени и коэффициент усиления магнитного
усилителя?
6. Что такое «обратная связь», как она реализуется в магнитных усилителях и какие
изменения в работе она, вызывает?
7. Нарисуйте характеристики управления магнитного усилителя без обратной и с
обратной связями и объясните их разницу.
8. Какими способами можно регулировать коэффициент обратной связи?
9. Объясните принцип действия магнитного усилителя с внутренней обратной
связью.
10. Для чего применяется смещение в магнитном усилителе?
11. Составьте уравнение электрического состояния рабочей цепи магнитного
усилителя.
12. Что такое коэффициент усиления и как его можно определить?
Электрические машины переменного тока.
1. Объясните принцип работы асинхронного двигателя.
2. Как образуется вращающееся магнитное поле?
3. Объясните, в чем заключается аналогия между асинхронным двигателем и
трансформатором?
4. От каких величин зависит вращающий момент асинхронного двигателя?
5. Какая часть кривой n  f (M ) соответствует устойчивой работе двигателя и какая
– неустойчивой?
6. Перечислите возможные способы регулирования скорости вращения
асинхронного двигателя.
7. Почему при увеличении нагрузки на валу асинхронного двигателя растут токи
статора и ротора?
8. Объясните работы однофазных асинхронных двигателей и их недостатки.
9. Изложите устройство синхронной машины.
10. Начертите характеристику холостого хода синхронного генератора.
11. Как осуществляется пуск синхронных двигателей?
12. Начертите механическую и угловую характеристики синхронного двигателя.
13.Объясните явление выпадения из синхронизма синхронного двигателя.
14. Почему ток холостого хода асинхронного двигателя больше, чем у
трансформатора?
15. Почему cos  асинхронного двигателя при холостом ходе значительно ниже, чем
при номинальной нагрузке?
16. Почему при введении реостата в цепь ротора асинхронного двигателя с
контактными кольцами пусковой ток уменьшается, а пусковой момент возрастает?
17. Объясните, как отличаются токи короткозамкнутого асинхронного, двигателя
при соединении обмотки статора звездой и треугольником при пуске от одной и той же
сети. Как отличаются при этом вращающие моменты?
18.
Чем
определяется
величина
активной
мощности
синхронного
генератора при работе в системе? Как она регулируется на электростанции?
19. Как изменить режим работы синхронной машины?
20. От чего зависит максимальный момент синхронного двигателя?
21. При каких условиях синхронный двигатель работает в качестве синхронного
компенсатора?
Электрические машины постоянного тока.
1. Объясните устройство машины постоянного тока.
2. Объясните принцип работы машины постоянного тока в качестве генератора и
двигателя.
3.Объясните назначение и устройство щеточно-коллекторного узла.
4. От каких величин зависит э. д. с. обмотки якоря?
5. От каких величин зависит вращающий момент двигателя постоянного тока?
6. Каковы условия самовозбуждения генераторов постоянного тока?
7. Напишите уравнения электрического состояния для генератора и двигателя.
8. Какие двигатели постоянного тока применяются в станках и крановых
механизмах?
9. Какие существуют способы регулирования частоты вращения двигателей
постоянного тока?
10. Объясните образование постоянного напряжения на зажимах якоря генератора.
11. Чем отличаются схемы и обмотки генераторов различных способов
возбуждения?
12. Почему при одном и том же токе якоря напряженно шунтового генератора ниже,
чем ври независимом возбуждении?
13. Как отражается на работе шунтового двигателя снижение подведенного
напряжения?
14. Как происходит процесс саморегулирования двигателя при изменении момента
на валу?
15. Сопоставьте три способа регулирования частоты вращения двигателя и дайте их
оценку.
Принципы выбора электродвигателей.
1. Какие типы электроприводов вы знаете?
2. Напишите уравнение движения электропривода.
3. Как осуществляется приведение моментов и сил к валу электродвигателя?
4. Изобразите механические характеристики широко распространенных
производственных механизмов.
5. Какие вы знаете режимы работы производственных механизмов?
6. От каких причин зависит выбор приводного электродвигателя по типу и роду
тока?
7. Как производится расчет мощности и выбор двигателя для длительного режима
работы?
8. Как производится расчет мощности и выбор двигателя для кратковременного и
повторно-кратковременного режимов работы?
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 2.
Задача 1. Для трехфазного трансформатора, параметры которого приведены в табл.
6, определить коэффициент мощности холостого хода cos  0 коэффициент мощности
cos  при нагрузках   0,7 и cos  2 ,   0,7 и cos  2  0,75 , сопротивления первичной
и вторичной обмоток r1 , x1 r2 и x 2 , расчетные сопротивления z 0 , r0 и x 0 ,
угол магнитных потерь  . Построить векторную диаграмму трансформатора для нагрузки
  0,8 и cos  2  0,75 . Построить внешнюю характеристику U 2  f1 ( ) и зависимость
к.п.д. от нагрузки   f 2 ( ) для cos  2  0,75 . Начертить Т-образную схему замещения
трансформатора.
Задача 2. варианты 0—25. Двигатель параллельного возбуждения, номинальное
напряжение которого U н при номинальной нагрузке потребляет ток I н , а при холостом
ходе — I 0 Номинальная скорость вращения nн , сопротивление обмотки якоря rя ,
сопротивление цепи возбуждения rв . Магнитные и механические потери принять
постоянными при всех режимах работы двигателя (табл. 7). Определить: номинальную
мощность двигателя Pн , номинальный вращающий момент M н , номинальный к.п.д.  н ,
ток I м , при котором мощность, на валу двигателя достигнет максимального значения,
величину этой мощностей P2м и к.п.д.  м .
Вариант
Группа
соединений
Номинальная
мощность
S н , кВ  А
Данные для расчета
Номинальное напряжение
Напряжение
короткого
замыкания
U 1н , В
U 2н , В
uк , %
6300
400
5,0
6300
230
5,0
10000
400
5,0
10000
400
5,0
10000
230
5,0
Мощность
короткого
замыкания
Pк , Вт
335
600
850
1325
1875
Мощность
холостого
Ток
холостого
хода Pо , Вт
хода I о , %
105
180
300
440
590
10,0
9,0
9,0
8,0
7,5
0
1
2
3
4
Y Y0  0
Y   11
Y Y0  0
Y Y0  0
Y Y0  0
10
20
30
50
75
5
6
7
8
9
Y Y0  0
Y   11
Y Y0  0
Y   11
Y Y0  0
100
180
240
320
420
10000
10000
10000
35000
10000
525
525
525
10 500
525
5,0
5,0
5,0
6,5
5,5
2400
4100
5100
6200
7000
730
1200
1600
2300
2100
7,5
7,0
7,0
7,5
6,5
10
11
12
13
14
Y Y0  0
Y Y0  0
Y   11
Y   11
Y Y0  0
25
25
25
25
40
6000
10000
6000
10000
10000
230
230
400
400
230
4,5
4,7
4,5
4,7
4,5
600
690
600
690
880
125
125
125
125
180
3,0
3,0
3,0
3,0
3,0
15
16
17
18
19
20
Y Y0  0
Y Y0  0
Y   11
Y   11
Y   11
Y   11
40
40
40
63
63
63
6000
6000
10000
6000
6000
10000
230
400
400
230
400
230
4,5
4,7
4,0
4,5
4,5
4,7
880
1000
690
1280
1280
1470
180
180
125
260
260
260
3,0
3,0
3,2
2,8
2,8
2,8
0
0
0
0
Y   11
Y   11
63
63
63
63
100
100
10000
2000
20000
2000
10000
10000
400
400
230
400
230
400
4,7
4,7
4,7
4,5
4,7
4,7
1470
1470
1470
1280
2270
2270
260
260
260
260
365
365
2,8
2,8
2,8
2,8
2,6
2,6
27
28
29
30
31
32
Y   11
Y Y0  0
Y   11
Y Y0  0
Y   11
Y Y0  0
100
100
100
100
100
100
6000
6000
20000
20000
35000
35000
230
400
230
400
230
400
4,5
4,5
4,7
4,7
4,7
4,7
1970
1970
2270
2270
2270
2270
365
365
465
465
465
465
2,6
2,6
2,6
2,6
2,6
2,6
33
34
35
36
37
38
Y   11
Y   11
Y Y0  0
Y Y0  0
Y   11
Y   11
160
160
160
160
160
250
6000
6000
10000
10000
6000
6000
230
400
230
400
690
230
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
2650
2650
3100
3100
2650
3700
540
540
540
540
540
780
2,4
2,4
2,4
2,4
2,4
2,3
39
40
41
42
43
Y   11
Y Y0  0
Y Y0  0
Y Y0  0
Y Y0  0
250
250
250
400
400
6000
10000
10000
3000
6000
400
230
690
400
400
4,5
4,7
4,7
4,5
4,5
3700
4200
4200
5500
5500
780
780
780
1080
1080
2,3
2,3
2,3
3,2
3,2
21
22
23
24
25
26
Y
Y
Y
Y
Y0
Y0
Y0
Y0
Вариант
Uн, В
0
1
2
3
4
5
220
220
115
110
220
110
6
7
8
9
10
220
110
220
220
110
11
12
13
14
15
110
220
110
220
220
16
17
18
19
20
110
110
220
220
110
21
22
23
24
25
110
220
220
220
220
I н, А
15
53
100
267
16,3
7,8
19,8
35
32
34
9,5
20
15
8,2
20,5
40
10,5
18,6
16
32
28
25
60
50
102
151
Данные для расчета
I 0, А
rя , Ом
rв , Ом
1,6
5,3
9,5
5
1,78
0,7
1,2
0,212
0,11
0,04
1,16
0,8
180
33
50
27,5
75
210
nн , об мин
1025
1225
1000
1100
1025
1240
2,0
3,2
2,8
3,0
0,9
1,5
0,6
0,94
0,45
1,9
150
60
120
110
200
960
1400
1600
1100
850
1,8
1,5
0,8
2,35
4,2
0,7
0,82
1,4
0,74
0,52
80
200
220
258
190
940
1350
1450
1025
1420
1,2
2,0
1,8
3,5
3,2
1,2
0,9
0,6
0,62
0,55
160
120
270
200
80
960
825
1600
1350
875
2,6
6,8
5,7
9,5
15
0,58
0,40
0,40
0,12
0,07
90
130
150
110
75
1110
935
1340
750
1000
Указание. Для определения тока, при котором мощность на валу двигателя достигает
dp
максимального значения; необходимо найти первую производную
выражения
dI м
P  U н  rя ( I м  I в )( I м  I в )  Pм и приняв ее к нулю, определить I м .
Задача 2, варианты 26—50. Двигатель параллельного возбуждения, номинальное
напряжение которого U н , развивает номинальную мощность Pн . Номинальная скорость
вращения якоря n н и номинальный к.п.д.  н . Потери мощности в цепи якоря Pя и в цепи
возбуждения Pв , заданы в процентах от потребляемой мощности двигателя P1н (табл. 8).
Определить: ток в цепи возбуждения, ток якоря при номинальной нагрузке, номинальный
вращающий момент при пуске двигателя с пусковым реостатом.
При определении пускового момента воспользоваться указаниями к предыдущей
задаче.
Задача 3, варианты 0-25. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором,
обмотки статора и ротора которого соединены звездой, включен в сеть под номинальное
напряжение U н с частотой f  50Гц.
Вариант
Данные для расчета
Pя , %
Pв , %
nн , об мин
 н ,%
4,8
4,8
4,2
4,1
4,8
980
2250
1025
2400
2100
86,5
86,0
82,2
85,5
84,5
5,8
5,3
5,0
5,4
5,3
4,8
4,4
4,2
4,5
4,1
1000
2250
1050
1150
970
85,0
83,0
85,5
85,8
86,5
66
35
45
15
10
6,2
6,3
5,7
5,0
5,2
5,0
5,2
4,6
4,0
4,2
1050
2200
1500
1000
970
85,5
84,5
85,5
84,5
85,5
220
220
220
220
220
5,8
19
29
46,5
14
6,0
4,8
5,0
5,4
4,0
5,0
4,5
4,3
4,8
4,6
2200
980
2520
1025
2400
84,0
86,5
86,0
82,2
84,0
220
220
220
220
110
20,5
33,5
8,5
13,5
60
5,1
5,5
4,0
4,8
5,0
4,2
4,0
4,1
4,2
4,0
2100
1000
2250
1050
1150
85,5
84,5
85,5
85,0
84,5
Uн, В
Pн, кВт
26
27
28
29
30
110
220
220
220
220
60
10
4,0
6,6
4,4
5,2
5,0
6,2
6,2
6,5
31
32
33
34
35
220
220
110
110
110
2,5
10
77
80
92
36
37
38
39
40
110
110
110
220
220
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
Определить: номинальный ток статора I 1н , номинальный M н и максимальный M м
моменты, сопротивления r2 , x н , r10 и x10 в Г-образной схеме замещения (см. рис. 39),
приведенный ток ротора I 2 , ток в статоре в режиме холостого хода I 10 и коэффициент
мощности cos 10 . Данные для расчета приведены в табл. 9.
Задача 3, варианты 26-50. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым
ротором номинальная мощность которого Pн включен в сеть под, номинальное
напряжение U н с частотой I  50 Гц . Определить: номинальный I н и пусковой I п токи,
номинальный M н пусковое M п и максимальный M м моменты, полные потери в
двигателе при номинальной нагрузке Pн . Как изменится пусковой момент двигателя при
снижении напряжения на его зажимах на 15% и возможен ли пуск двигателя при этих
условиях с номинальной нагрузкой? Данные для расчета приведены в табл. 10.
Задача 4, для заданного в табл. 11 режима нагрузки производственного механизма
построить нагрузочную диаграмму P  f (t ) и выбрать мощность асинхронного
короткозамкнутого двигателя.
вар.
Данные для расчета
 н ,% cos  н M м M н
2,0
r1 , Ом
0,072
m1  m2
3
2
0,84
2,0
0,039
3
2
90,5
0.85
2,0
0,032
3
2
1450
90,5
0,85
2,0
0,021
3
2
30
960
89,0
0,84
1,8
0,092
3
3
220
40
960
89,0
0,85
1,8
0,060
3
3
6
220
55
960
89,0
0,86
1,8
0,059
3
3
7
220
75
960
90,5
0,86
1,8
0,035
3
3
8
220
22
720
87,5
0,79
1,7
0,157
3
4
9
220
30
720
87,5
0,79
1,7
0,093
3
4
10
220
40
720
87,5
0,81
1,7
0,086
3
4
11
220
55
720
90,0
0,081
1,7
0,051
3
4
12
220
10
1420
85,0
0,82
2,0
0,270
3
2
13
220
7,5
960
84,0
0,82
1,8
0,495
3
3
14
220
10
960
85,0
0,83
1,8
0,340
3
3
15
220
5,5
710
82,0
0,72
1,7
0,645
3
4
16
220
2,2
875
64,0
0,72
2,3
0,750
3
3
17
220
3,5
910
70,5
0,73
2,5
0,740
3
3
18
220
5,0
940
74,5
0,68
2.9
0,685
3
3
19
220
7,5
945
78,5
0,69
2,8
0,490
3
3
20
220
11,0
953
82,5
0,71
3,1
0,325
3
3
21
220
7,5
720
77,5
0,69
2,6
0,450
3
4
22
220
11,0
720
81.0
0,70
2,9
0,475
3
4
23
24
25
220
220
220
16,0
22,0
30,6
710
710
720
82,5
84,5
86,0
0,74
0,67
0,71
3,0
3,0
3,0
0,355
0,180
0,095
3
3
3
4
4
4
Uн, В
Pн , кВт
nн , об мин
0
220
40
1440
90,0
0.84
1
220
55
1440
90,5
2
220
75
1450
3
220
100
4
220
5
p
вар.
Данные для расчета
p
cos  н
н
Uн, В
Pн , кВт
S н ,%
26
220
0,8
3,0
0,78
0.86
27
220
0,1
3,0
0,795
28
220
1,5
4,0
29
220
2.2
30
220
31
Mм Mн
Mп Mн
Iп Iн
1
2,2
1,9
7,0
0,87
1
2.2
1,9
7,0
0,805
0,88
1
2,2
1,8
7,0
4,5
0,83
0,89
1
2,2
1,8
7,0
3,0
3,5
0,845
0,89
1
2,2
1,7
7,0
220
4,0
2,0
0,855
0,89
1
2,2
1,7
7,0
32
220
5.5
3.0
0,86
0,89
1
2,2
1,7
7,0
33
220
7.5
3,5
0,87
0,89
1
2,2
1,6
7,0
34
220
10
4,0
0,88
0,89
1
2,2
1,5
7,0
35
220
13
3,5
0,88
0,89
1
2,2
1,5
7,0
36
220
17
3,5
0,88
0,90
1
2,2
1,2
7,0
37
220
22
3,5
0,88
0,90
1
2,2
1,1
7,0
38
220
30
3,0
0,89
0,90
1
2.2
1,1
7,0
39
220
40
3,0
0,89
0,91
1
2,2
1,0
7,0
40
220
55
3,0
0,90
0,92
1
2,2
1,0
7,0
41
220
75
3,0
0,90
0,92
1
2,2
1,0
7,0
42
220
100
2,5
0,915
0,92
1
2,2
1,0
7,0
43
380
10
3,0
0,885
0,87
2
2,0
1,4
7,0
44
380
13
3,0
0,885
0,889
2
2,0
1,3
7,0
45
380
17
3,0
0,89
0,89
2
2,0
1,3
7,0
46
380
22
3,0
0,90
0,90
2
2.0
1,2
7,0
47
380
30
3,0
0,91
0,91
2
2,0
1,2
7,0
48
49
50
380
380
380
40
55
75
3,0
3,0
3,0
0,925
0,925
0,925
0,92
0,92
0,92
2
2
2
2,0
2,0
2,0
1,1
1,1
1,1
7,0
7,0
7,0
Данные для расчета
Вариант
t, с
P , кВт
0
1
2
3
4
5
20
18
60
30
50
15
10
30
100
15
20
25
50
10
10
60
40
20
20
20
45
60
50
35
15
23,5
30
10
45
30
25
8
8
25
0
15
10
5
4
10
4
4
0
0
15
0
8
30
13,5
25
10
18
0
15
8
10
25
30
5
10
6
7
8
9
10
10
7
1
1,5
20
75
3
1,5
4
10
60
15
2,5
2,5
50
50
4
1,5
3,5
10
10
12
1,5
3
15
30
6
8
20
20
5
20
6
10
10
0
3
0
6
6
15
15
4
8
8
25
30
3,5
8
8
11
12
13
14
15
18
60
30
30
15
30
100
15
20
25
10
10
60
40
10
20
45
60
50
35
23,5
3,0
10
45
30
8
8
6
30
8
6
4
20
5
6
0
15
3
0
0
4
10
15
4
4
3,5
25
30
25
3,5
16
17
18
19
20
10
7
1
1
20
75
3
1,5
4
10
60
15
2,5
2,5
50
50
4
1,5
3,5
10
10
20
1,5
3
15
15
0
10
8
8
4
4
10
4
6
30
8
0
15
0
15
0
18
10
4
10
5
30
25
3,5
21
22
23
24
25
18
60
30
50
15
30
100
15
20
25
10
10
60
40
10
20
45
60
50
35
23,5
30
10
45
30
20
26
30
15
0
10
20
5
4
4
6
13
0
30
8
8
15
15
15
0
8
30
25
10
5
26
27
28
29
30
20
7
1
1
30
75
3
1,5
4
45
60
15
2,5
2,5
30
50
4
1,5
3,5
15
10
2
1,5
3
20
30
25
8
0
8
5
10
5
4
5
0
0
0
8
0
15
13,5
25
0
25
25
8
10
50
10
31
32
33
34
35
10
20
50
20
15
15
10
10
10
20
20
10
15
15
20
40
20
20
15
30
40
30
35
20
30
20
8
8
30
20
10
5
4
5
10
6
0
15
0
6
8
25
10
15
8
8
10
25
25
8
36
37
38
39
40
20
10
25
10
40
15
20
5
45
3
15
20
50
50
30
15
15
5
60
15
25
15
10
60
10
8
8
30
0
25
6
6
5
4
10
0
10
0
8
0
4
6
15
0
18
3,5
5
25
5
30
Данные для расчета
Вариант
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
20
8
16
15
20
10
15
40
20
35
15
8
5
15
35
25
30
30
15
35
t, с
15
10
3
20
35
10
35
30
15
20
P , кВт
10
10
2
25
25
15
40
20
10
15
5
12
12
15
25
20
40
15
5
10
8
8
15
20
30
6
8
20
0
15
6
4
10
10
0
0
6
10
4
4
0
15
0
6
25
0
0
6
8
30
6
10
10
8
25
6
4
8
0
15
5
25
8
8
10
5
3,5
8
5
10
ЭЛЕКТРОНИКА.
Изучение данного раздела целесообразно проводить, базируясь на курс физики и
руководствуясь программой курса.
Транзисторные усилители.
Усилители являются одними из самых распространенных электронных устройств,
применяемых в системах автоматики и радиосистемах. Усилители подразделяются на
усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности.
Предварительный транзисторные усилители, как и ламповые, состоят из одного или
нескольких каскадов усиления. При этом все каскады усилителя обладают общими
свойствами, различие между ними может быть только количественное: разные токи,
напряжения, разные значения резисторов, конденсаторов и т. д.
Для каскадов предварительного усиления наибольшее применение получили
резистивные схемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи
входного сигнала и получения выходного усилительные схемы получили следующие
названия:
1. С общим эмиттером — ОЭ (рис. 42).
2. С общей базой—ОБ (рис. 43).
3. С общим коллектором (эмиттерный повторитель) — ОК (рис, 44).
"Наиболее распространенной является каскад ОЭ. Схема с ОБ в предварительных
усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех
трех схем входным наименьшим выходным сопротивлениями, поэтому его применяют в
тех случаях, когда эта особенность позволяет согласовать те или иные звенья усилителя в
целях улучшения качества усиления. В табл. 12 дается сопоставление различных схем
включения транзисторов.
Рассмотрим усилительный каскад с ОЭ. При расчете каскада усилителя обычно
являются известными: 1) Rн - сопротивление нагрузки, на которую должен работать
рассчитываемый каскад. Нагрузкой может являться и аналогичный каскад; 2) I н. м или
U н. м - необходимое значение амплитуды тока или напряжения нагрузки; 3) допустимые
частотные искажения; 4); диапазон рабочих температур; 5) в большинстве случаев
является заданным напряжение источника питания коллекторной цепи.
В результате расчета должны быть определены: 1) тип транзистора; 2) режим
работы" выбранного транзистора; 3} параметры каскада; 4) значения всех элементов
схемы (резисторы, конденсаторы), их параметры и типы.
Схема включения
№
1
2
3
4
5
Параметр
Коэффициент
усиления по
напряжению
Коэффициент
усиления по
току
Коэффициент
усиления по
мощности
Входное
сопротивление
Выходное
сопротивление
с общим
эмиттером (ОЭ)
30  40
30 1000
1
10  200
10  200
30  40
3000  30000
10  200
50  100Ом
200  2000Ом
10  500кОм
0,1  0,5 мОм
30  70кОм
50  100Ом
Eп
- +
R1
1
Eп
+ Rк
Rк
Т
с общим
коллектором
(ОК)
с общей базой
(ОБ)
Cp
Cp
R1
Т
U вых
U вх
R2
R3
U вх
Rн
C3
Rн
Cp
R2
Rвх
Рис. 42
Рис. 43
Eп
- +
R1
Т
Cp
U вх
R2
R3
Рис. 44
Rн
R3
Расчет усилителей.
Расчет каскада транзисторного усилителя напряжения
низкой частоты с реостатно-емкостной связью.
Последовательность расчета приводится для транзистора, включенного по схеме ОЭ
(общий эмиттер). На рис. 42 дана схема каскада усилителя.
Исходные данные: 1) напряжение на выходе каскада U вых. м (напряжение на
нагрузке); 2) сопротивление нагрузки Rн 3) нижняя граничная частота f н 4) допустимое
значение коэффициента частотных искажений каскада в области нижних частот M н ; 5)
напряжение источника питания Et п .
Примечание. Считать, что каскад работает в стационарных условиях
( Tмин  15C; Tм  25C ). При расчете влиянием температуры на режим транзистора
пренебрегаем.
Определить: 1) тип транзистора; 2) режим работы транзистора 3) сопротивление
коллекторной нагрузки Rк 4) сопротивление в цепи эмиттера Rэ 5} сопротивления
делителя напряжения R1 стабилизирующие режим работы транзистора; 6) емкость
разделительного конденсатора C р ; 7) емкость конденсатора в цепи эмиттера C э 8)
коэффициент усиления каскада по напряжению KU .
Порядок расчета: 1. Выбираем тип транзистора, руководствуясь следующими
соображениями: а) U кэ.доп  (1,1  1,3) Eп , U кэ.доп - наибольшее допустимое напряжение
U вых. м
, I н. м Rн
- наибольший допустимый ток
между коллектором и эмиттером, приводится в справочниках; б) I к.доп  2
наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки; I к .доп
коллектора, приводится в справочниках.
Примечания: 1) Заданному диапазону температур удовлетворяет любой транзистор.
2) Для выбранного типа транзистора выписать из справочника значения
коэффициентов, усиления по току для ОЭ  м ин и  м . В некоторых справочниках дается
коэффициент усиления  по току для схемы ОБ и начальный ток коллектора I к.н . Тогда


(при выборе режима работы транзистора необходимо выполнять условия
1
I к. мин  I к. м ).
3) Для каскадов усилителей напряжения обычно применяют маломощные
транзисторы типа ГТ-108, ГТ-109, МП20, МП21, МП25,МП40, МП41, МП42, МП111,
МП113 и др. (Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным
схемам /Под ред. Н. Н. Горюнова. - М.: Энергия, 1972; Справочник - транзисторы/ Под
ред. Н. Ф. Николаевского.- М: Связь, 1969; Лавриненко В. Ю. Справочник по
полупроводниковым приборам. – Киев: Техника, 1980; Справочник радиолюбителяконструктора. - М.: Энергия, 1977).
2. Режим работы транзистора определяем по нагрузочной прямой, построенной на
семействе входных статических (коллекторных) характеристик для ОЭ. Построение
нагрузочной прямой показано на рис. 45. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: т.
0 - точка покоя (рабочая) и т. 1, которая определяется величиной напряжения источника
питания Eп . Координатами т. 0 являются ток покоя I к.0 и напряжение покоя U кэ 0 (т. е. ток
и напряжение, соответствующие U вых = 0).
Можно принять I к 0  (1,05  1,2) I вых  (1,05  1,2) I н. м .
Напряжение покоя U кэ 0
U кэ 0  U вых. м  U ост  U кт  U ост .
где U ост - наименьшее допустимое напряжение U кв .
При U кв  U ост возникают значительные нелинейные искажения, так как в рабочую
зону попадают участки характеристик, обладающие большой кривизной. Для
маломощных транзисторов можно принять U ост  0,15  1,0 В .
3. Определяем величины сопротивлений Rн и Rэ .
Iк 
Iк
Pк.доп
U кэ
I б5
I б4
4
3
I кт
I б3
I к.м
I
I б
I б2
5
I б1
I к0
2
1
I к.мин
I к.мин.доп
U ост
U кт
U кт
U кт
U к30
U кэ.м  Eп
Рис. 45
По выходным характеристикам (см. рис. 45) определяем Rоб  Rн  Rэ . Общее
сопротивление в цепи эмиттер – коллектор:
Rоб  Eп I ,
где I - ток, определяемый т. 1, т.е. точкой пересечения нагрузочной прямой, с осью
токов.
Принимая Rэ  (0,15  0,25) Rн , получим
Rоб
Rн 
; Rэ  Rоб  Rн .
(0,15  0,25)
4. Определяем наибольшие амплитудные значения входного сигнала тока I в х. м и
напряжения U в х. м , необходимые для обеспечения заданного значения U вых. м . Задавшись
наименьшим значением коэффициента усиления транзистора по току  м ин , получим
I вхт  I бт  I кт  мин ,
Причем I вхт не должен превышать величины
I  .м  I  .мин
, где для маломощных
2
транзисторов I бм  1  2 мА; , I б / мин  0,05 мА.
По входной статической характеристике для схемы ОЭ (рис. 46) и найденным
значениям I б . м ин и I бм находят, величину 2U вх. м .
5. Определяем входное сопротивление Rв х каскада переменному току (без учета
делителя напряжения R1 и R2 ):
2U вх.м 2U вх.m
.
Rвх ~ 

2I вх.m
2I .м
6. Определяем сопротивления делителя R1 и R2 . Для уменьшения шунтирующего
действия делителя на входную цепь каскада по переменному току принимают
RR
R12  (8  12) Rвх ~ , где R12  1 2 .
R1  R2
Тогда
R1 
Eп R1а Eп R12
;

Rэ I э
Rэ I ко
R2 
R1 R12
R1  R12
.
7. Определяем коэффициент нестабильности работы каскада:
Rэ ( R1  R2 )  R1 R2
,
S
R1 R2
Rэ ( R1  R2 ) 
1 м
где  м - наибольший возможный коэффициент усиления по току выбранного типа
транзистора.
Для нормальной работы каскада коэффициент нестабильности S не должен
превышать нескольких единиц.
8. Определяем емкость разделительного конденсатора C р :
Cр 
1
2f н Rвых M н2  1
; Rвых 
Rвых.Т Rк
 Rн ,
Rвых.Т  Rк
где. Rвых.Т - выходное сопротивление транзистора, определяемое по выходным
статическим характеристикам для схемы ОЭ. В большинстве случаев Rвых.Т  Rк поэтому
можно принять Rвых  Rк  Rн .
10
9. Определяем емкость конденсатора C э 
.
2f н Rэ
10. Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению КU  U вых.м / U вх. м .
Примечание. Приведенный порядок расчета не учитывает требований на
стабильность работы каскада.
Задача. Рассчитать Каскад транзисторного усилителя напряжения для схемы с общим
эмиттером, (см. рис. 42):
U вых.м  4В , Rн  500Ом , f н  100 Гц;
М н  1,2 , Eп  12В .
Решение. 1. U  1,2E  1,2  f2  14,4 В ;
U
4
I к .доп  2 I н. м  2 вых. м  2 
 0,016 А  16 мА .
Rн
500
Выбираем транзистор МП42А, для которого I к.доп  30мА , U кэ.доп  15В ,  мин  30 ,
 м  50 , I к.мин.доп  25 мк. А .
2. Для построения нагрузочной прямой находим (рабочую) точку покоя (т. 0), для
этого определяем
I  1,2 I н.м  1,2  8  9,6мА ;
U кэ0  U вых. м  U ост  4  1  5В .
Вторая точка нагрузочной прямой U эк  Eп  12В . По полученным величинам
строится нагрузочная прямая.
3. По статическим выходным характеристикам и нагрузочной прямой находим
I  18мА , откуда
U кэ  5В
I б.м
2I бm
Iб
I б.мин
U бэ
U бэ.мин
U бэ.м
2U вх.м
Рис. 46
12
 670 Ом .
18  10 3
Следовательно,
R
670
Rк  об 
 560Ом ;
1,2
1,2
Rэ  Rоб  Rк  670  560  110Ом .
4. Наименьший коэффициент усиления по току (для схемы ОЭ) для транзистора
МП42А  мин  30 ,тогда I вх.мин  I б. мин  I к. мин . Из-за малого значения I к . м ин можно принять
Rоб 
I к. мин  0 и следовательно, I б . мин  0 .
I
14
I б. м  к. м 
 0,47мА .
 мин 30
Амплитуда входного тока
I  I б . мин 0,47
I бт  б . м

 0,253мА.
2
2
По входной статической характеристике (для схемы ОЭ)
U бэ.мин  0,11В; U бэ.м  0,33В;
2U вх.м  U бэ.м  U бэ.мин  0,33  0,11  0,22В.
5. Находим входное сопротивление транзистора переменному току
2U вх.м
0,22
Rвх ~ 

 470Ом.
2 I б.м
0,47  10 3
6. Для определения R1 и R2 находим R12  8Rвх ~  8  470  3800Ом . Отсюда
E R
12  3800
R1  п 12 
 43000Ом;
Rэ I ко
110  9,6  10 3
R1 R12
43000  3800

 4200Ом.
R1  R12 43000  3800
7. Определяем, будет ли схема достаточно стабильна
R R  R2   R1 R2
110  43000  4200  4300  4200
S э 1

 2,66.
RR
43000  4200
110  43000  4200 
Rэ R1  R2   1 2
1  50
1  м
Следовательно, работа рассчитанного каскада достаточно стабильна.
8. Определяем емкость C р
R2 
Cр 
1
2f н Rк  Rн  M  1
2
н

1
2  3,14  100560  500 1,2  1
2
 2,28  10 6 Ф.
Принимаем C р  3,0мкФ.
Определяем емкость C э
10
10
Cэ 

 159  10 6 Ф  159к59
2f н Rэ 2  3,14  100  100
Для полного устранения отрицательной обратной связи необходимо включить
C р  159мкФ .
Эта
емкость
слишком
велика.
Обычно
используют
C э  10  30мкФ. Принимаем Cэ  20мкФ.
10. Коэффициент усиления каскада по напряжению будет равен
U
4
KU  вых.м 
 36,4.
U вх.м
0,11
Расчет каскада однотактного транзисторного усилителя мощности.
Последовательность расчета приводится для транзистора, включенного по схеме с
общим эмиттером (ОЭ). На рис. 47 дана принципиальная схема каскада однотактного
усилителя мощности.
Исходные данные: 1.) мощность на выходе каскада Pвых 2) сопротивление нагрузки
Rн . 3) нижняя граничная частота f н . 4) коэффициент частотных искажений каскада на
нижних частотах M и . 5) напряжение источника: питания Eu .
Примечание, Принимая Tмин  15С и Tм  25С , влиянием температуры на режим
работы транзистора пренебрегаем.
Определить: 1) тип транзистора; 2) режим работы транзистора; 3) сопротивление в
цепи эмиттера Rэ . 4) емкость конденсатора C э . 5) сопротивления делителя R1 и R2 . 6)
коэффициент усиления каскада по мощности K р . 7) коэффициент трансформации
трансформатора K . 8) сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора
rт1 и rт 2 . 9) индуктивность первичной обмотки трансформатора L1 10) площадь
поверхности охлаждающего радиатора, если он необходим, S ох .
- Eп +
Тр
R1
Rн
Т
R2
Rэ
Рис. 47
Cэ
Порядок расчета. 1. Для выбора типа транзистора необходимо определить мощность
P
P0 , которая будет выделяться на транзисторе: P0  ~ где  к - коэффициент
к
использования транзистора к  0,035  0,45 чем больше напряжение питания Eп , тем
P
больше  к ); P~ - мощность, отдаваемая транзистором: P~  вых . К. п. д. трансформатора
т
 т принимают равным 0,7  0,9.
Ориентировочно определяют падения напряжений на активном сопротивлении
первичной обмотки трансформатора rт1 и .на сопротивлении Rэ :
U  U rT 1  U Rэ  0,2  0,3Eп .
Тогда наибольшее возможное напряжение на транзисторе
E  U
U кэ.м  п
.
к
По найденным значениям P0 и U кэ.м подбирают транзистор.
Примечание. Для выбранного транзистора выписать из справочника: а) допустимый
ток коллектора I к.доп . б) допустимое напряжение на коллекторе U кэ.доп . в) наибольшую
рассеиваемую мощность на транзисторе Pдоп . г) наименьший коэффициент усиления по
току  мин . д) начальный ток коллектора I к.н е) тепловое сопротивление rтт . ж)
наибольшую допустимую температуру коллекторного перехода Tт.м .
2. На выходных статических характеристиках (для ОЭ) находят положение точки покоя
(рабочей) т. 0 (рис. 48), для этого определяют напряжение на коллекторе при U вх  0 и ток
покоя коллектора
P
U кэо  Eп  U ; I ко  U ко  о .
U кэо
Через т. О и 4 ( U кэ  U кэ.м ; I к  0 ) проводят нагрузочную прямую. Для определения
рабочего участка нагрузочной прямой задаются величиной остаточного напряжения U ост
(часто принимают U ост  1В ) и наименьшим током коллектора I к.мин  I к.н ( I к.н - начальный
ток коллектора, дается в справочнике). По величине U ост определяют I к.м (т. 2); необходимо,
чтобы I к.м  I к.доп .
I вых  I нт
I б5
Iк
1
I б
2
I б4
0
I к.м
I б2
I к0
I
En
Tоб
I б3
I к.мин.  I кн
I б1
I к.мин
U ост
U вых.м
U к30
U вых.м
U кэ.м
Рис. 48
3 I б
4 U кэ
Без существенной ошибки можно принять I к.мин  0 . Таким образом, рабочий участок
находится между т. 2 и 3. Наибольшая возможная амплитуда, напряжения выходного
сигнала U вых.м  U кэ.о  U ост .
Наибольшая амплитуда тока I к.м определяется т. 0 и 3 (или т. 0 и 2). После этого
проверяют, обеспечит ли выбранный режим заданную мощность Pвых .
U I
В соответствии с построенной нагрузочной прямой находят p ~  км км . При
2
P
правильно выбранном режиме p~  вых .
т
Если это условие, не выполняется, то увеличивают наклон нагрузочной прямой
(значение I берут большим).
Необходимо иметь в виду, что нагрузочная прямая не должна выходить из области,
ограничиваемой гиперболой допустимых мощностей:
P
I к  к.доп ( Pк.доп - берется из справочника).
U кэ
Затем рассчитывают наибольшее и наименьшее значения входного тока:
I
I
I б.м  к.м ; I б.мин  к.мин .
 мин
 мин
и фиксируют их величину на входной статической характеристике схемы ОЭ (рис.
49).
По т. 1 и 2 входной характеристики находят наибольшее и наименьшее напряжения
U бэ.мин и U бэ.м и наибольшую амплитуду напряжения входного сигнала. Далее определяют
мощность входного сигнала
U I
Pвх  б.м б.м
2
и входное сопротивление транзистора переменному току
2U б.м
Rвх 
.
2 I б.м
2I бm
U кэ  5В
U бэ
I б.мин
I б.м
Iб
U бэ.мин
2U бm
U бэ.м
Рис. 49
3. Сопротивление цепи эмиттера Rэ определяется по падению напряжения на этом
UR
сопротивлении. Приняв U Rэ  0,3  0,5U , получаем Rэ  э .
I ко
4. Емкость конденсатора, шунтирующего Rэ определяется из выражения
1
Cэ 
(при Cэ  100мкФ блокировочный конденсатор не ставят).
2f н Rэ
RR
5. Сопротивление делителя переменному току R12  1 2 должно удовлетворять
R1  R2
E R
RR
условию R12  8  12Rвх ~ , тогда R1  п 12 ; R2  1 12 .
R1  R12
I ко Rэ
6. Коэффициент усиления каскада по мощности
K р  Pвых Pвх .
7. Для расчета коэффициента трансформации трансформатора по наклону
нагрузочной прямой (см. рис. 48) определяют величину сопротивления коллекторной
нагрузки переменному току
U
Rк ~  кэ.м .
I
Тогда коэффициент трансформации трансформатора будет равен
Rн
.
K
Rк ~ т
8. Сопротивления обмоток выходного трансформатора
1  т
.
rт1  0,5Rк~ 1  т  ; rт2  0,5 Rн
т
9. Индуктивность первичной обмотки
Rн  rт2
L1 
.
2f н K 2 M н2  1
10. При необходимости определяют площадь поверхности охлаждающего радиатора
1100  1300Pо
S ох 
,
Tт.м  Tср.м  Pо rтт
где Tт.м - наибольшая допустимая температура коллекторного перехода (дается в
справочнике); Tср.м - наибольшая возможная температура окружающей среды.
Задача. Рассчитать каскад транзисторного усилителя мощности для схемы ОЭ (см,
рис. 47), если известны Pвых  1В , Ru  5Ом , f н  1кГц , M н  1,3 , Eп  10В .
Решение.
P
P 1,43
1
1. P~  вых 
 1,43Вт ; Pо  ~ 
 3,56Вт .
т
0,7
 к 0,4
Падение напряжения на rт1  Rэ принимаем равным
U  0,25Eп  0,25 10  2,5В ,
тогда
E  U 10  2,5
U кэ.м  п

 18,8В .
0,4
0,4
Полученными значениями Pо и U кэ.м соответствует транзистор ГТ430А, у которого
I к.доп  1,25А , U кэ.доп  30В , Pодоп  4Вт , мин  20 , I к.м  0,05мА , rтт  15 C Вт ,
Tт.м  85С .
2. определяем положение точки покоя (т. 0)
U кэо  Eп  U  10  2,5  7,5В ;
Pо
3,56

 0,48А .
U кэо
7,5
Принимаем U ост  1В . Воспользовавшись характеристиками, которые даны в
справочнике, нагрузочную прямую проводим через точки U кэо  7,5В , I ко  0,48А и
U кэ.м  18,8В , I к  0 .
Наибольшее значение напряжения
U к.м  U кэо  U ост  7,5  1  6,5В
•Такой амплитуде напряжения выходного сигнала будут соответствовать
напряжения:
U кэ.м  U кэо  U к.м  7,5  6,5  14В ;
U кэ.мин  U кэо  U к.м  7,5  6,5  1В .
Для этих напряжений находим
I к.м  0,75А ; I к.мин  0,2А .
Тогда удвоенная амплитуда тока выходного сигнала
2I кm  I к.м  I к.мин  0,75  0,2  0,55А .
Проверим правильность выбора режима:
2U кm I кm 2  6,5  0,55
P
P~ 

 0,89  вых  1,43Вт .
8
8
т
Следовательно, необходимо выбрать новую точку покоя и, возможно, изменить
наклон нагрузочной прямой. Так как I к.мин велик, то, перемещая точку покоя по
построенной нагрузочной прямой вправо будем увеличивать U кm , при этом возрастет и
P~ . Для нового положения точки покоя (рабочей) принимаем U кэо  10В ; I ко  0,36А .
Тогда
U к.м  U кэо  U ост  10  1  9В ;
U кэ.м  10  9  19В ; U кэ.мин  10  9  1В ;
I к.м  0,75А ; I к.мин  0 ;
2 I кm  I к.м  I к.мин  0,75А /
Проверяем новый режим:
2U кm I кm 2  9  0,75
P~ 

 1,7Вт ,что вполне достаточно.
8
8
Определяем наибольшее и наименьшее значения входного тока
I
I
0,75
0
I б.м  к.м 
 0,04А ; I б.мин  к.мин 
 0А .
 мин
20
 мин 20
По входной статической характеристике для схемы ОЭ находим
U бэ.м  0,72В ; U бэ.мин  0,6В .
Находим удвоенные амплитудные значения входного сигнала
2 I бm  I б.м  I б.мин  0,04А ;
2U бm  U бэ.м  U бэ.мин  0,72  0,6  0,12В ;
I ко 
2U бm 2I бm 0,12  0,04

 0,0006Вт  0,6м,6 ;
8
8
2U бm 0,14
Rвх 

 3,0Ом /
2 I бm 0,04
3. Приняв U Rэ  0,4U  0,4  2,5  1В найдем
Pвх 
U Rэ
1
 2,1Ом .
I ко
0,48
4. Определим емкость конденсатора
10
10
Cэ 

 0,007Ф .
2f н Rэ 6,28  1000  2,1
Так как требуемая емкость чрезмерно велика, то ее не ставят.
5. найдем значения сопротивлений делителя. Приняв R12  10Rвх ~  10  3,0  30Ом ,
получим
E R
10  30
R1  п 12 
 300Ом ;
I ко
0,75  2.1
RR
300  30
R2  1 12 
 33,5Ом .
R1  R12 300  30
Принимаем ближайшие стандартные значения: R1  300Ом , R2  35Ом .
6. Коэффициент усиления каскада по мощности
P
1
K P  вых 
 1670 .
Pвх
0,0006
7. для расчета параметров трансформатора определим величину сопротивления
коллекторной нагрузки:
U
19
Rк ~  кэ.м 
 25,4Ом ,
I
0,75
тогда
Rн
5
K

 0,53 .
Rк~ т
25,4  0,7
Rэ 

8. rт1  0,5Rк~ 1   т   0,5  25,41  0,7  3,82Ом ;
1 т
1  0,7
rт2  0,5Rн
 0,5  5
 1,07Ом .
т
0,7
Rн  rт2
5  1,07

 4,15  10 3 Гн .
9. L1 
2
2
2
2
2f н K M н  1 6,28  1000  0,53 1,3  1
Принимаем L1  0,004мГн .
10.Так как P0  2 Вт , то необходим радиатор охлаждения площадью
1200 Pо
1200  3,56

 660см 2 .
Tт.м  Tср.м  Pо rтт 85  25  3,56  15
При анализе транзисторных усилителей широкое распространение получили hпараметры. Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим
эмиттером характеризуется четырьмя величинами: I б , U бэ , I к и U кэ . Из практических
соображений удобно выбирать в качестве независимых величин U кэ и I б тогда
U бэ  f1 I б ,U кэ  и I к  f 2 I б ,U кэ  .
S ох 
В усилительных схемах входным и выходным сигналами являются приращения
входных и выходных напряжений и токов. В пределах линейной части характеристик для
приращений U бэ и I к справедливы равенства
U бэ  h11э I б  h12э U кэ ;
I к  h21э I б  h22э U кэ ,
где hiкэ - соответствующие частные производные, которые легко могут быть найдены
по семейству входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ:
U бэ
h11э 
при U кэ  const U кэ  0 ;
I б
U бэ
h12э 
при I б  const I б  0 ;
U кэ
I
h21э  к при U кэ  const U кэ  0 ;
I б
I к
h22э 
при I б  const I б  0 .
U кэ
h11э представляет собой входное сопротивление транзистора. Безразмерный параметр
h12э является коэффициентом обратной связи по напряжению. Как показывает анализ схем
на транзисторах, величина h12э  0,002  0,0002 поэтому при практических расчетах его
можно полагать равным нулю: h21э - безразмерный коэффициент передачи по току,
характеризующий усилительные свойства (по току) транзистора при постоянном
напряжении на коллекторе; h22э имеет размерность проводимости и характеризует
выходную проводимость транзистора при постоянной токе базы.
ПОНЯТИЕ ОБ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ.
Применение электронных устройств для решения современных технических задач
приводит к существенному усложнению их электрических схем. Анализ развития
электронной техники показывает, что примерно в течение 10 лет сложность электронных
устройств возрастает приблизительно в 10 раз. Такой рост приводит к возникновению в
первую очередь проблемы надежности как элементов схем, так и электрических
соединений между ними. Усложнение электронной аппаратуры приводит к увеличению
вероятности отказов из-за увеличения отказов комплектующих элементов: и отказов в
цепях электрических соединений.
Существенное увеличение надежности возможно только при значительном
уменьшении числа комплектующих элементов за счет увеличения их функциональной
сложности при повышении надежности их работы. Создание новых комплектующих
изделий стало возможным на основе внедрения в электронную технику принципов
элементной интеграции, т.е. объединения в одном сложном миниатюрном элементе
многих простых элементов (резисторов, диодов, транзисторов и т.п.). Полученный в
результате такого объединения сложный микроэлемент называют интегральной
микросхемой. Таким образом, интегральные микросхемы - это микроэлектронные
изделия, состоящие из активных элементов (транзисторов, диодов), пассивных элементов,
(резисторов, конденсаторов, дросселей) и соединительных проводов, которые
изготавливаются в едином технологическом процессе, электрически соединены между
собой, заключены в общий корпус и представляют единое целое. По технологии
изготовления интегральные микросхемы делятся на полупроводниковые, в которых все
элементы формируются в полупроводниковом материале, и гибридные, которые
выполняются в виде пленок, наносимых на поверхность диэлектрического материала, и
навесных бескорпусных элементов (транзисторов, конденсаторов и т.п.), прикрепляемых к
основанию. В отличие от гибридных интегральных микросхем, которые состоят из двух
различных типов элементов: тонкопленочных резисторов, конденсаторов, соединительных
проводов и навесных транзисторов, дросселей я конденсаторов большой емкости,
полупроводниковые интегральные микросхемы состоят, как правило, из отдельных
областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию резистора, конденсатора,
диода или транзистора. Дроссели в таких микросхемах создавать очень трудно; поэтому
большинство схем проектируется так, чтобы исключить применение индуктивных
элементов. Все эти элементы схемы получают в едином технологическом цикле в
кристалле полупроводника. Это позволяет существенно усложнять микросхему и
увеличивать число активных и пассивных элементов практически без повышения
трудоемкости изготовления. При этом можно создавать весьма сложные микросхемы с
большой (содержащей более 150 элементов) степенью интеграции при вполне
удовлетворительной себестоимости.
Полупроводниковые интегральные микросхемы могут рассеивать мощности порядка
50 —100 мВт; работать до частот 20 — 100 мГц, обеспечивать время задержки не более 2-5 нс. Надежность этих схем весьма высока: в пределах нагруженных режимов среднее
время безотказной работы может достигать (1  2)  10 6 ч. Электронные устройства,
выполненные на полупроводниковых интегральных микросхемах, могут иметь плотность
монтажа до 500 элементов (резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов) на
кубический сантиметр. Это позволяет увеличить плотность элементов в 20 — 50 раз
посравнению с микромодульными схемами. Среднее время безотказной работы
устройства, содержащего 10 7  10 8 элементов, может достигать 10 — 20 .тыс. ч.
Преимуществом интегральных микросхем являются также высокое быстродействие, так
как малые размеры схем обеспечивают снижение таких паразитных параметров, как
междуэлектродные емкости и индуктивности соединительных проводов; высокая
экономичность (даже большие интегральные схемы обычно потребляют не более 100-200
мВт). Такая малая величина потребляемой мощности позволяет снизить расход
электроэнергии и уменьшить массу источников питания устройств, выполненных с
применением интегральных схем. Некоторым недостатком интегральных микросхем
является небольшая величина их выходной мощности (обычно 50 — 100 мВт), что
обусловлено в основном малыми габаритами и сложностью отвода тепла от микросхем.
Общетехнические параметры интегральных микросхем — механическая прочность,
диапазон рабочих температур, устойчивость к. пониженным и повышенным давлениям и
влагоустойчивость, как правило, не хуже, чем у диодов и транзисторов. Основными
функциональными параметрами интегральных микросхем являются: коэффициент
усиления K U , входное сопротивление Rвх , выходное сопротивление Rвых , максимальная
величина выходного напряжения U вых.м , рабочий диапазон частот f н и f в , где f н —
нижняя рабочая частота; f в — верхняя рабочая частота.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ.
1. Принцип устройства электроннолучевых трубок. Назначение трубок, их
маркировка.
2. Расскажите о прохождении электрического тока через пространство, заполненное
разреженным газом.
3. Формы (виды) газового разряда.
4. Устройство и работа тиратрона тлеющего разряда.
5. Почему после зажигания тиратрона его сетка теряет свое управляющее действие?
6. Внутриатомное строение чистого полупроводника.
7. Как влияют примеси на проводимость полупроводника?
8. Электронная (типа n) проводимость полупроводников.
9. Дырочная (типа p) проводимость.
10. Процесс прохождения тока через электронно-дырочный переход.
11. Устройство и свойства точечных и плоскостного диодов.
12.Полевые транзисторы и тиристоры.
13. Устройство и работа полупроводникового триода.
14. Что называется коэффициентом усиления по току? напряжению? Каковы их
значения для транзисторов?
15. Принцип выпрямления переменного тока.
16. По каким признакам классифицируются усилители низкой частоты и каковы их
особенности?
17. Как определяется коэффициент усиления усилительного каскада?
18. В каких случаях используют многокаскадные усилители?
19. Каким образом осуществляется связь между каскадами в многокаскадном
усилителе?
20. Что такое амплитудная характеристика усилителя?
21. Что такое частотная характеристика усилителя?
22. Чем определяется максимальное значение коэффициента усиления усилителя?
23. Что такое обратная связь в усилителях? Какие виды обратной связи вы знаете?
24. Как изменяется коэффициент усиления с увеличением глубины отрицательной
обратной связи?
25. При каких условиях происходит переход усилителя в режим самовозбуждения?
26. Как влияет отрицательная обратная связь на стабильность работы усилителя?
27 Принципиальное отличие усилителя мощности от усилителя напряжения.
28. Назначение усилителя напряжения.
29. Принцип работы усилителя напряжения на сопротивлениях с автоматическим
смещением. Назначение элементов схемы.
30. Принцип действия схемы усилителя напряжения на полупроводниковом триоде с
общим эмиттером.
31. Какие характеристики являются входными и выходными каждой из схем
включения транзистора?
32. Что такое h-параметры транзистора?
33. Что такое рабочая точка транзистора?
34. Почему для усилителя с общим коллектором коэффициент усиления по
напряжению меньше единицы?
35. В чем преимущество усилителя по схеме с общим коллектором перед другими
схемами усилителей?
36. За счет чего достигается усиление мощности в схемах с полупроводниковым
триодом?
37. Начертите схему и объясните принцип работы генератора с
автотрансформаторной (индуктивной) обратной связью.
38. Сравнение LC-генераторов с RC-генераторами.
39. Какие параметры диодов ограничивают величину мощности, которую
необходимо получить на нагрузке?
40. Принцип работы импульсных устройств.
41. Чем вызвана необходимость перехода на интегральные схемы?
42. Особенности микроэлектронных устройств.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 3.
Задача 1, варианты 0 – 25. Рассчитать каскад транзисторного усилителя напряжения,
принципиальная схема которого изображена на рис. 42. Данные для расчета приведены в
табл. 13.
Таблица 13
Данные для расчета
Вариант
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
U вых. м , В
Rн , Ом
f , Гц
Eп , В
3,0
2,0
1,0
5,0
8,0
2,4
3,4
1,6
4,0
2,2
3,4
1,5
1,7
1,8
2,0
2,1
2,3
2,5
2,7
2,8
3,0
3,1
3,2
3,5
3,6
3,8
600
400
250
450
350
600
550
280
590
440
600
200
250
300
350
400
450
480
500
520
540
550
580
560
480
320
100
90
120
200
150
180
140
160
170
110
150
60
70
80
90
120
140
150
160
170
180
200
220
230
250
270
12
6
9
27
12
3
12
6
27
9
12
3
6
9
12
15
18
24
27
24
20
18
15
12
9
6
Задача 2, варианты 26 – 50. Рассчитать каскад транзисторного усилителя
напряжения, принципиальная схема которого изображена на рис. 47. Данные для расчета
приведены в табл. 14.
Таблица 14
Данные для расчета
Вариант
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
Pвых. м , Вт
Rн , Ом
f , Гц
Mн
Eп , В
1,8
1,0
3,0
2,0
0,9
2,5
0,5
0,1
1,5
4,0
2,5
2,5
2,5
2,0
2,0
2,0
2,0
1,5
1,5
1,5
1,5
4,0
4,0
4,0
3,0
9
3
5
6
10
4
12
20
8
4
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
3
6
9
6
70
90
100
110
50
120
140
160
180
200
100
100
100
160
160
160
200
200
200
120
120
140
140
140
140
1,20
1,25
1,22
1,16
1,12
1,18
1,14
1,26
1,28
1,30
1,12
1,12
1,15
1,15
1,5
1,20
1,20
1,20
1,25
1,25
1,25
1,20
1,22
1,28
1,30
12
9
27
6
12
12
9
27
27
27
12
12
12
12
12
24
24
24
24
24
24
9
9
9
9
Список использованной литературы
Г. Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для ВУЗов. М.: Энергоатомиздат,
1986. 360 с.
2. Общая электротехника с основами электроники: Контрольные задания для
учащихся-заочников всех технических специальностей, кроме электротехнических и
некоторых энергетических специальностей средних специальных учебных заведений/
Ю.А. Михеев, М.И. Григоревский - М.: Высш. школа. 1989. - 176 с.: ил.
3. Электротехника: Программа, методические указания и контрольные задания для
студентов-заочников инженерно-технических (не электротехнических) спец. ВУЗов./
Волынский Б.А. - 4-е изд. - М.: Высш. школа. 982.-95с.
4. Электротехника и основы электротехники: Методические указания и контрольные
задания
для
студентов-заочников
инженерно-технических
специальностей
ВУЗов./Соколов Б.Л.. Соколов В.Б. - 3-е изд. - М.: Высш. школа, 1981. -127 с.