КАТУШКА С МАГНИТОПРОВОДОМ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 26 страница

Трансформаторы напряжения применяются для включения вольтметров и цепей напряжения измерительных приборов (ват­тметров, счетчиков, фазометров) и реле, трансформаторы тока — для включения амперметров и цепей тока измерительных прибо­ров и реле.

Трансформатор напряжения. Принципиальная схема трансфор­матора напряжения (ТН) показана на рис. 9.31, а, а его условное обо­значение — на рис. 9.31, б. Такой трансформатор подобен силовому трансформатору небольшой мощности. Его первичная обмотка — обмотка ВН с большим числом витковw₁— включается в цепь, на­пряжение U_xкоторой нужно измерить, а ко вторичной обмотке со значительно меньшим числом витковw₂— обмотке ННU₂— присо­единяются параллельно друг другу вольтметр и цепи напряжения других приборов. Обычно обмоткиw_xиw₂концентрические — об­мотка ВН окружает обмотку НН, как и в силовых трансформаторах (см. рис. 9.31, а, для наглядности обмотки помещены раздельно). Один вывод вторичной обмотки и корпус трансформатора заземля­ются. Это делается на случай повреждения изоляции, а также для того, чтобы замкнуть на землю цепь тока, показанную на рис. 9.31, б штриховой линией, через емкость между первичной и вторичной

I ___ а,, LJjt*

а _Г

X

а

б

обмотками трансформатора. Наличие этого тока в цепи приборов снижает точность измерения.

Сопротивление вольтметра и цепей напряжения измерительных приборов относительно велико (порядка тысяч Ом), т. е. ТН работа­ет в условиях, близких к режиму холостого хода силового трансфор­матора. Поэтому падения напряжения на первичной Z_oeiI_xи вторич­нойZ_o62I₂обмотках ТН весьма малы, что позволяет считатьU_x« Е_1х; U₂~Е_2х и так как, аналогично (9.13),

E_lx/E_lx= W\j w₂= n₁₂,

где n₁₂— коэффициент трансформации, то

U_x= n₁₂U₂,                                (9.28)

т. е. вторичное напряжение связано с первичным постоянным соот­ношением. Следовательно, измерив низкое напряжениеU₂,можно определить первичное высокое напряжениеU_x.

При выбранных положительных направлениях напряжений (рис. 9.31), одинаковых относительно одноименных выводов трансфор­матора, фазы вторичного и первичного напряжений должны совпа­дать. Следовательно, соединение обмоток ТН выполняется соглас­но группе 0 (см. 9.11), выводы обмоток имеют разметку А — X, а — х. Равенство фаз напряжений ТН и цепей измерительных приборов достигается соответствующим соединением выводов вторичной об­мотки и выводов приборов. Правильная передача фазы важна, ко­нечно, не для вольтметра, а для ваттметра и счетчика. Вторичное номинальное напряжение большинства ТН имеет одно и то же стан­дартное значение — 100 В.

Отношение первичного напряжения к вторичному было бы строго постоянным, если бы падения напряжения на обмотках ТН были равны нулю. В действительности эти падения напряжения вызыва­ют неточности в измерении напряжений — погрешность напряже­ния — и в передаче фазы — угловую погрешность.

Погрешность напряжения, выражаемая в процентах, есть погреш­ность в измерении первичного напряжения, отнесенная к действи­тельному значению этого напряжения:

Л = ^"^100%,

где Ui_mMи и_х — измеренное и действительное первичные напряже­ния.

Угловая погрешность определяется как угол 8_Wмежду вектора­ми вторичного и первичного напряжений на векторной диаграмме (рис. 9.32), подобной диаграмме на рис. 9.12. Она измеряется в ми­нутах и считается положительной, если вектор вторичного напря­жения опережает вектор первичного напряжения.

Для напряжений до 6 кВ ТН изготовляются сухими с естествен­ным воздушным охлаждением, для напряжений от 6 кВ и выше при­меняются масляные ТН. Трансформаторы напряжения часто изго­товляются и трехфазными. На рис. 9.33 приведен общий вид трех­фазного ТН.

(9.29)

Трансформатор тока. Трансформатор тока (ТТ) со стороны пер­вичной обмотки включается как амперметр, т.е. последовательно с контролируемым объектом (рис. 9.34, а), а его вторичная обмотка замыкается непосредственно через амперметр и цепи тока других измерительных приборов. При отключении измерительных прибо­ров вторичную обмотку ТТ необходимо замкнуть ключомS(рис. 9.34, б). Суммарное сопротивление амперметра и цепей тока изме­рительных приборов мало (обычно меньше 2 Ом), поэтому ТТ рабо­тает в условиях, близких к режиму короткого замыкания трансфор­матора. Напряжение вторичной обмотки ТТ определяется падени­ем напряжения на относительно малом сопротивлении цепей изме­рительных и соединительных проводов (обычно 1 — 12 В). Малому напряжению вторичной обмотки соответствует малое значение ЭДС Е_ъ а следовательно, и малое значение магнитного потока в магнито­проводе ТТ:

Е₂= 4,44/и/₂Ф_те.

 

и,

 

 

Рис. 9.34

Для возбуждения такого магнитного потока нужна незначитель­ная МДС Wil_ix, поэтому в уравнении

I₁w_l= I₂w₂+Ii_xw₁ (9.30) этой величиной можно пренебречь и считать

i₁w₁=i₂w_2l

или

h = (щ/щ)12 = ^21^2-                           (9.31)

Следовательно, первичный ток может быть определен умножени­ем вторичного тока на постоянный коэффициент трансформации п₂₁.

Таким образом, включение ТТ дает возможность определить ток в цепях ВН на основании измерения небольшого тока с соблюдени­ем мер безопасности. Кроме того, ТТ часто применяется для изме­рения больших токов в установках с напряжением ниже 1000 В. При правильном соединении выводов ТТ и выводов цепей измеритель­ных приборов ток в измерительных приборах и ток в первичной об­мотке ТТ совпадают по фазе. Если амперметр предназначен для по­стоянной работы с определенным ТТ, то на его шкале наносятся не­посредственно значения первичного тока. Вторичный номинальный ток у всех ТТ имеет одно и то же стандартное значение 5 А (в неко­торых специальных случаях 1 А).

Отношение токов ТТ не строго постоянно из-за влияния МДС I_Xxw_bкоторая выше не учитывалась. Это влияние приводит к неточ­ности в измерении тока — погрешности тока f_{ —и неточности в передаче фазы — угловой погрешности Обе эти величины опреде­ляются аналогично погрешностям ТН.

Первичный ток ТТ в большинстве случаев во много раз больше вторичного, поэтому число витков первичной обмотки Wi невели­ко — во много раз меньше числа витков вторичной обмоткиw₂.При измерении больших токов первичная обмотка выполняется в виде провода, продетого в окно магнитопровода. Напряжение на первич­ной обмотке ТТ во много раз меньше вторичного напряжения (w_x<w₂),которое равно нескольким вольтам, следовательно, напря­жение на первичной обмотке часто равно сотым долям вольта.

Ток i_xзадается режимом работы цепи, в которой он измеряется. Увеличивая сопротивление вторичной цепи ТТ, практически нельзя повлиять на значение тока Д, можно лишь, как следует из (9.30), увеличить МДСi_lxw_г вследствие уменьшения тока /₂. Следователь­но, с увеличением сопротивления вторичной цепи все менее выпол­няется основное условие точной работы ТТ:I_lxw<СI₂w₂.Поэтому у ТТ указывается наибольшее сопротивление цепи измерительных приборов, подключаемых к вторичной обмотке, при котором погреш­ность не превысит допустимую. Чем меньше это сопротивление, тем точнее измерение.

Нельзя размыкать вторичную цепь работающего ТТ. В разомк­нутой вторичной цепи ТТ ток 1₂ равен нулю, но в первичной цепи ток практически не изменяется. Следовательно, при разомкнутой вторичной цепи весь первичный ток становится намагничивающим, т.е. по (9.30)I_lw_l= I_xw_bа так как при номинальном режимеIi_xw_x составляет примерно 0,5 % I\W_bто такое многократное увеличение МДС вызывает очень большое увеличение магнитного потока (ог­раниченное насыщением магнитопровода). Электродвижущая сила Е₂ пропорциональна магнитному потоку [см. (9.29)], и в результате увеличения последнего при размыкании вторичной цепи во вторич­ной обмотке индуктируется ЭДС порядка сотен вольт (до 1,5 кВ у ТТ на большие токи). Следовательно, возникает опасность для жиз­ни человека, разомкнувшего вторичную цепь. Кроме того, возраста­ет мощность потерь в магнитопроводе [см. (8.11) и (8.12)] и в ре­зультате сильное его нагревание и расширение. То и другое опасно для целости изоляции и в конечном итоге может привести к пробою изоляции и короткому замыканию на землю со стороны ВН.

Чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, тем мень­шая МДС требуется для возбуждения в нем того же магнитного по­тока. По этой же причине для точных ТТ применяются магнитопро­воды без стыков из пермаллоя, например в универсальных много­предельных переносных ТТ (рис. 9.35, а) с одной вторичнойw₂и тремя первичными обмотками: w_x— для измерения тока до 600 А,

 

w[— тока до 50 А иw[ +w'₂— тока до 15 А. Внешний вид такого ТТ показан на рис. 9.35, б.

Помимо требований точности к ТТ часто предъявляются еще и требования устойчивости в отношении коротких замыканий, так как первичная обмотка ТТ находится в цепи, где возможно короткое за­мыкание и через ТТ включаются аппараты защиты (реле), отключа­ющие установку в случае короткого замыкания. Следовательно, ТТ должен выдержать (кратковременно) ток короткого замыкания и воздействовать на аппарат защиты, который отключит аварийный участок.

Для сведения к минимуму влияния МДС Ii_xw_bт.е. повышения точности ТТ, желательно, чтобы номинальная МДС первичной об­мотки (Ii_UQMWi) была возможно большей. У точных ТТ номиналь­ная МДС 1_11КтЩ должна быть не менее 500 А. Поэтому при номи­нальных токах /_1номменее 500 А первичная обмотка должна иметь несколько витков. Например, при номинальном токе 100 А жела­тельно иметь w_x^ 5. Если высокая точность измерений не требуется (при включении амперметров и максимального токового реле) МДС hnoM^wi может быть значительно меньше.

Для тока 500 А и более применяются одновитковые трансформа­торы, к которым относятся и измерительные клещи, применяемые для ориентировочных измерений токов от 20 до 1000 А при низком напряжении. Магнитопровод измерительных клещей состоит из двух U-образных частей, стягиваемых сильной пружиной, и изготовлен из листовой электротехнической стали, а два его стыка тщательно пришлифованы. Чтобы замкнуть магнитопровод вокруг провода с измеряемым током, достаточно нажать рукоятки, раскрыть клещи и ввести в них провод — пружина сомкнет две половины магнитопро-

 

вода. Провод, сцепленный с магнитопроводом, служит первичной обмоткой. Вторичная обмотка ТТ находится на магнитопроводе и замкнута амперметром.

По точности ТТ и ТН делятся на классы, наименованием кото­рых служит наибольшая допустимая погрешность коэффициента трансформации. Например, если класс точности ТН 0,5, то допусти­мая погрешность напряжения ±0,5 %, а допустимая угловая погреш­ность ±20' при первичном напряжении 0,8 —1,2 номинального; у ТТ класса точности 1 допустимая погрешность тока ±1,0 % и допусти­мая угловая погрешность ±90' при сопротивлении нагрузки 0,25 — 1,0 номинальной и при первичном токе 1,2 — 0,1 номинального.

Для правильного выполнения соединений ТН и ТТ с измеритель­ными приборами необходимо руководствоваться разметкой выво­дов трансформаторов. Выводы ТН обозначаются так же, как выво­ды силовых трансформаторов (А — Х_у а — х и т.д.); у ТТ начало и конец первичной обмотки обозначаются соответственно Л_г и Л₂ (ли­ния), а начало и конец вторичной обмотки — И_г и И₂ (измеритель­ный прибор).

На рис. 9.36 показана схема включения в однофазную цепь ком­плекта измерительных приборов через ТН и ТТ. Для измерения в трехфазных трехпроводных системах в общем случае необходимы несколько ТТ и ТН, например для измерения активной мощности (рис. 3.13, а) два ТТ и два ТН (или один трехфазный ТН).

Показания ваттметра (или счетчика), включенного через ТН и ТТ, необходимо умножить на произведение коэффициентов транс­формации этих трансформаторов. Погрешности ТН и ТТ сказыва­ются на показаниях ваттметра, причем угловые погрешности ока­зывают существенное влияние на результаты главным образом при больших сдвигах фаз между первичными напряжением и током. Вследствие их влияния показания ваттметра пропорциональны не коэффициенту мощности coscp, a cos (ф + 6_U— 6_?;) (рис. 9.37); при этом угловые погрешности могут складываться, так как часто 6„ < 0, а6_г>0.

ГЛАВА 10

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

10.1. Общие сведения о полупроводниках

Полупроводниковые материалы объединяют обширный класс ма­териалов с удельным сопротивлением 10⁸—10~⁶Омм. Наибольшее применение нашли кремний Si и германий Ge. Рассмотрим основ­ные процессы в полупроводниковых материалах на основе их идеа­лизированных моделей.

В электронной структуре идеального кристалла кремния из IV группы периодической системы элементов Менделеева каждый из четырех валентных электронов любого атома образует связанную пару (валентная связь) с такими же валентными электронами четы­рех соседних атомов. Если на атомы кремния не действуют внешние источники энергии (свет, теплота), способные нарушить его элект­ронную структуру, то все атомы электрически нейтральны. Такой идеальный кристалл кремния не проводит электрический ток.

Однако электрические свойства идеального кристалла кремния существенно изменяются при добавлении в него примесей других химических элементов. В качестве примесей применяются обычно элементы либо из V (сурьма Sb, фосфор Р), либо из III группы (гал­лий Ga, индий In) периодической системы.

В электронной структуре кристалла кремния с примесью фосфо­ра четыре валентных электрона фосфора и валентные электроны четырех соседних атомов кремния образуют четыре связанные пары. Пятый валентный электрон фосфора оказывается избыточным. При незначительных затратах энергии от внешних источников (тепло­вая энергия при комнатной температуре) избыточный электрон те­ряет связь с атомом примеси и становится свободным электроном. Атом фосфора, потеряв электрон, становится неподвижным поло­жительным ионом. Такой полупроводник называется полупровод­ником с электронной электропроводностью или полупроводником п-типа, а соответствующая примесь — донорной. На рис. 10.1 приве­дено условное изображение идеального полупроводника n-типа, на котором неподвижный положительный ион обозначен знаком плюс в кружочке, а подвижный свободный электрон — знаком минус.

© © © © р © © ©

Неподвижный +ион Рис. 10.1

"V        + + +

© © © ©

+         + + +

Э           © © ©

л

Неподвижный -ион Рис. 10.2 + + + + + ++

Пара «электрон—дырка» Рис. 10.3

Если в качестве примеси используется индий, имеющий три ва­лентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется «дырка». Для образования устойчивой электронной структуры кристалла необхо­дим дополнительный электрон. Тепловой энергии при комнатной температуре вполне достаточно для того, чтобы атом индия захва­тил один электрон из валентной связи между соседними атомами кремния. При этом атом индия превращается в устойчивый непод­вижный отрицательный ион, а дырка перемещается на место распо­ложения захваченного электрона. Далее на место вновь образовав­шейся дырки может переместиться электрон из соседней валентной связи и т. д. С электрофизической точки зрения этот процесс можно представить как хаотическое движение в кристалле свободных ды­рок с положительным зарядом, равным заряду электрона. Такой по­лупроводник называется полупроводником с дырочной электропро­водностью или полупроводником р-типа, а соответствующая при­месь — акцепторной. На рис. 10.2 приведено условное изображение идеального полупроводника р-типа.

Хотя в обоих рассмотренных выше процессах участвуют только электроны, введение фиктивных дырок с положительным зарядом удобно с методической точки зрения.

Свободные электроны и дырки возникают не только в полупро­водниках, содержащих примеси, но и в идеальных полупроводни­ках без примесей, если энергии внешнего источника достаточно для разрыва валентной связи. Разрыв одной валентной связи в электри­чески нейтральном атоме кремния эквивалентен рождению пары «электрон —дырка», изображенной условно на рис. 10.3. Этот про­цесс называется генерацией или термогенерацией, если источником энергии служит тепловая энергия. Одновременно протекает и об­ратный процесс —рекомбинация, т. е. восстановление валентной свя­зи при встрече электрона и дырки.

Благодаря термогенерации в идеальном полупроводнике как с до- норной, так и с акцепторной примесью имеются свободные заряды обоих знаков. Для полупроводников n-типа свободные электроны называются основными, а дырки — неосновными носителями заряда. Для полупроводника р-типа основными носителями заряда служат дырки, а неосновными — электроны. В дальнейшем эти заряды бу­дем называть сокращенно основными и неосновными носителями. Концентрация основных носителей, т.е. их число в 1 см³, обычно значительно превышает концентрацию неосновных носителей.

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 309; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!