Принцип действия синхронного двигателя
Основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей - вращающегося поля статора и постоянного поля ротора. Вращающееся магнитное поле статора создается при питании обмоток статора от трехфазной сети. Постоянное поле ротора создается постоянным током возбуждения, протекающим по обмотке возбуждения ротора. На рис. 9.3,а полюсы N и S вращающегося магнитного поля статора показаны штриховкой. Они вращаются против часовой стрелки с частотой 
. При вращении поля статора с частотой , полюсы ротора N0 и S0 будут вращаться также с частотой n2=n1 (произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами обмотки статора N и S).
В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления отсутствует Мс=0) оси магнитных полей статора и ротора совпадают. При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы F1 и F2, которые не создают вращающего момента.
Идеальный холостой ход Режим нагрузки
Рис. 9.3
Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления Мс, ось ротора и его полюсов S0, N0 сместится в сторону отставания на угол q, который называется углом нагрузки (рис. 9.3,б). В данном случае вращающееся поле статора «ведет» за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие Ft сил F создают вращающий момент М двигателя, который преодолевает момент сопротивления (М = Мс).
Полезно знать, что момент двигателя пропорционален напряжению сети (М º Uc); то есть синхронный двигатель, в отличие от асинхронного двигателя, в меньшей степени зависит от колебаний питающего напряжения.
При неизменной величине напряжения сети максимальный момент двигателя зависит от тока возбуждения.
При увеличении момента сопротивления Мс угол нагрузки q увеличивается до некоторого предела. Когда Мс>Mmax угол нагрузки q станет больше 90°, режим двигателя будет неустойчивым. Вращающий момент двигателя начнет уменьшаться, ротор будет тормозиться, двигатель выйдет из синхронизма и может остановиться. Выпадение машины из синхронизма – недопустимое явление. Синхронные машины проектируют так, чтобы при номинальном режиме угол нагрузки не превышал 30°, а запас по моменту и активной мощности был не менее 1,65.
Механическая характеристика синхронного двигателя n=f(M) представлена на рис. 9.4.
Рис. 9.4
Синхронный двигатель позволяет регулировать реактивную мощность Q, потребляемую из сети, и повышать коэффициент мощности cos j сети. При этом двигатель должен работать в режиме перевозбуждения (Iв>Iвном).
Существуют специальные машины (синхронные компенсаторы), предназначенные для выработки реактивной мощности, которая отдается в сеть и потребляется другими потребителями, например, асинхронными двигателями. Тем самым исключается необходимость передачи реактивной мощности по сети на большие расстояния от электрической станции и сокращаются потери мощности в сети, что повышает эффективность системы электроснабжения. Синхронные компенсаторы имеют облегченную конструкцию, меньшие размеры и массу, так как работают вхолостую и загружены только реактивным током.
Особенности пуска в ход синхронного двигателя
Получил распространение асинхронный пуск, когда ротор синхронного двигателя, кроме обмотки возбуждения, снабжается специальной пусковой короткозамкнутой обмоткой типа беличьей клетки асинхронного двигателя. При этом способе пуска, вначале двигатель начинает работать как асинхронный (обмотка возбуждения синхронного двигателя замыкается на пусковой реостат). Когда, при разгоне, частота вращения ротора достигает 95% частоты вращения поля статора , пусковой реостат отключают, а обмотку возбуждения ротора включают на постоянное напряжение сети и двигатель втягивается в синхронизм.
10. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Общие сведения о полупроводниковых приборах
Полупроводниковыми называют приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников.
Химически чистый кристалл полупроводникового вещества находится в электрическом равновесии. Если же в него ввести небольшое количество посторонней примеси, положение резко меняется. Так, если в четырехвалентный германий ввести добавку пятивалентной сурьмы, то сурьма отдаст свой электрон с внешней оболочки, становясь положительным ионом, а в кристалле создается избыток электронов. Такая система имеет электронную проводимость (n-проводимость). Вещество, придающее системе n-проводимость, называется донором.
Если к тому же нейтральному германию добавить трехвалентный индий, то он стремится забрать себе четвертый электрон от окружающих атомов германия, создавая у них недостаток электронов или “дырки”. Сам же индий становится отрицательным ионом. Такие системы называются системами с p-проводимостью. Вещества, создающие p-проводимость, называются акцепторами.
Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен и сложные полупроводниковые материалы – арсенид галлия, фосфид галлия и др.
В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала, и они не проводят электрический ток.
Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности – электронной или дырочной, чистые полупроводники легируют, то есть вводят определенные примеси.
Полупроводниковые приборы подразделяются на полупроводниковые резисторы, полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, диодные (динисторы) и триодные (тринисторы) тиристоры, полупроводниковые фотоэлектрические приборы.
Полупроводниковые диоды
Если присоединить вещество с p-проводимостью к веществу с n-проводимостью, то под действием электростатических сил электроны вещества с n-проводимостью будут отталкиваться от отрицательных ионов вещества с p-проводимостью, а дырки вещества с p - проводимостью – от положительных ионов вещества с n-проводимостью.
Таким образом, на границе двух веществ образуется потенциальный барьер по отношению к электронам со стороны вещества с n-проводимостью и по отношению к дыркам со стороны вещества с p-проводимостью. Сам пограничный слой – электрически нейтрален, т.е. суммарный заряд равен нулю.
Если же к веществу с n-проводимостью подключить отрицательный полюс источника питания, а к веществу с p-проводимостью подключить положительный полюс, то электроны под действием отталкивающих сил отрицательного полюса будут перемещаться в сторону положительного полюса, преодолевая сравнительно небольшой потенциальный барьер. Недостаток электронов в n-части восполнится источником питания. В системе, называемой полупроводниковым диодом , протекает ток, и такая полярность называется прямой ( 
), а ток – прямым током ( 
). Если изменить полярность источника питания, то система оказывается под обратным напряжением ( 
). При этом электроны участка с n-проводимостью перемещаются к положительному полюсу, а “дырки” – к отрицательному. Таким образом, через пограничный слой основные носители зарядов не проходят и диод закрыт. Некоторый обратный ток Iобр возникает за счет того, что “дырки”, имеющиеся в n-области, и электроны, имеющиеся в p-области и не являющиеся там основными носителями зарядов, проходят навстречу друг другу через запирающий слой. Но если обратное напряжение превысит максимальное обратное напряжение, то происходит лавинный пробой пограничного слоя (U пробоя) и обратный ток резко возрастает. Это вызывает разогрев диода, происходит тепловой пробой и разрушение p-n перехода. Полупроводниковый прибор выходит из строя.
Участок OA вольт-амперной характеристики – включение диода в прямом направлении: 
источника подключен к “p”-полупроводнику, 
источника - к “n”-полупроводнику.
Участок OB – включение диода в обратном направлении.
Рис. 10.1. Вольт - амперная характеристика диода
Классификация полупроводниковых диодов
Стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения.
Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.
Магнитодиод – полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием магнитного поля.
Тензодиод – полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием механических деформаций.