Электрическая схема управления 1 страница

Дутьевым вентилятором

Схема управления электродвигателем дутьевого вентилятора котлов типов КЕ и КВ-ТС, работающих на твердом топливе представлена на рис. 2.26. Этой схемой предусматривается дистанционное управление электродвигателем дутьевого вентилятора.

Как видно из схемы при дистанционном с устройством блокирования управлении пуск электродвигателя возможен только после замыкания контакта реле К в цепи 3-5-7-N, которое установлено в схеме управления электродвигателя дымососа (рис. 2.19).

При переводе ключа блокировки SA2 из положения 1 в положение 2 указанный контакт реле К шунтируется контактом 1-3

Рис. 2.26. Принципиальна электрическая схема управления электродвигателем дутьевых вентиляторов котлов типов КЕ и КВ-ТС

переключателя блокировки SA2. Во всем остальном эта сема аналогична схеме управления электродвигателя дымососа (рис. 2.25).

Для котлов типа ДЕ и котла ПТВМ-30М в схеме управления электродвигателем дутьевого вентилятора должны быть исключены контакт К и пакеты ключа SA2, включаемые в схему управления других электродвигателей, участвующих в блокировании.

Для водогрейных котлов типа КВ-ГМ-2,5 – КВ-ГМ-20 управление дутьевым вентилятором производится в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.26. В этом случае в схему необходимо внести следующие изменения: замыкающий контакт цепи 3-4 реле К и пакет 5-7 SA2 включить в схему вентилятора первичного воздуха; пакет 9-11 SA2 направить в схему электродвигателя горелки; пакеты SA2 13-15 и 17-19 из схемы исключить.

Электрическая схема управления электродвигателем

Насоса сетевой воды

Схема управления электродвигателем насоса сетевой воды мощностью более 40 кВт без самозапуска (рис. 2.27) применяется только в случае установки в котельной двух указанных насосов. Схемой предусматривается дистанционное и автоматическое управление.

Дистанционное управление осуществляется ключом SA1, автоматическое управление – контактом К1 цепи 3-13-15-11-N, замыкающимся при аварийном отключении рабочего насоса или при падении давления в сети. Выбор резервного насоса производится избирателем резерва SA2. Во избежание ложных включений резервного насоса во время дистанционного пуска рабочего насоса избиратель резерва устанавливается в положение 0, при этом реле К2 (цепь 3-13-15-N) обесточивается.

Размыкающий контакт реле К2 замыкается, и по цепи 701-707-711-713-N напряжение подается на сигнальную лампу HL, которая загорается. После пуска рабочего насоса переключатель SA2 устанавливается в положение 1 или 3 (Резерв), лампа HL гаснет. Таким образом, сигнальной лампой обеспечивается контроль над действиями оператора.

В схеме предусмотрены замыкающие и размыкающие контакты К1, осуществляющие автоматическое управление задвижкой, устанавливаемой на напорном трубопроводе. При пуске электродвигателя насоса задвижка открывается и после его отключения закрывается. Контакты К1 не используются при применении схемы для электродвигателя насоса сетевой воды мощностью менее 40 кВт.

Рис. 2.27. Принципиальная электрическая схема управления

электродвигателем насоса сетевой воды мощностью более 40 кВт

2.4. Электронные устройства и приборы в системах ТГиВ

Общие сведения

Электроника – это отрасль науки и техники, занимающаяся изучением физических основ функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, работа которых основана на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме и газе. Такими приборами являются полупроводниковые приборы (протекание тока в твердом теле), электронные приборы (протекание тока в вакууме) и ионные (протекание тока в газе). Главное место среди них в настоящее время занимают полупроводниковые приборы.

Электронная техника непрерывно развивается. Органической частью электронных измерительных приборов, применяемых для измерения многочисленных и разнообразных параметров электрических сигналов, а также характеристик неэлектрических физических величин стали микропроцессорные системы.

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые резисторы.Составляютбольшой класс полупроводниковых приборов, выполненных на основе равномерно легированных материалов с двумя выводами, в которых используется зависимость электрического сопротивления от напряжения, температуры, силы света и других факторов. На рис. 2.28 показаны условные обозначения типичных резисторов и их характеристики [11]

У линейных резисторов (рис. 2.28а),выполненных на основе слаболегированного кремния или арсенида галлия, сопротивление практически постоянно в широком диапазоне изменения напряжений и слабо зависит от условий внешней среды.

В варисторах используется, наоборот, нелинейная симметричная вольт-амперная зависимость (рис. 2.28б). Такую характеристику удается получить у резисторов, изготовленных, например, из кристаллического карбида кремния, смешанного с глиной. Варисторы применяют для защиты от перенапряжений, искрогашения, стабилизации напряжения и т.д.

Рис. 2.28. Условные обозначения и характеристики полупроводниковых резисторов: а – линейный резистор; б – варистор; в – терморезистор; г – тензорезистор

Втерморезисторах(рис. 2.28в) можно получить значительное изменение сопротивления при изменении температуры. Терморезисторы, которые имеют отрицательное значение температурного коэффициента сопротивления , называют термисторами (характеристика 1 на рис. 2.28в). Терморезисторы с большими положительными значениями называют позисторами.

Терморезисторы применяют для измерения, контроля и регулирования температуры, тепловой защиты электродвигателей, противопожарной сигнализации, контроля различных свойств окружающей среды, влияющих на теплоотдачу (уровень жидкости и сыпучих материалов, давление, скорость течения жидкостей и газов), и т.д.

В полупроводниковых приборах, называемых тензорезисторами, используется зависимость сопротивления полупроводниковой пластины от деформации (рис. 2.28г). Тензорезисторы широко применяются в измерительных схемах датчиков давления, расхода, уровня и в схемах для измеренияи контроля деформации различных строительных деталей и конструкций.

Полупроводниковые диоды. Являются следующим большим классом полупроводниковых элементов с двумя выводами, содержащих в монокристалле один электронно-дырочный p-n – переход (рис. 2.29а). Электронно-дырочный p-n – переход характеризуется запирающим слоем, обладающим электрическим сопротивлением. А так как запирающий слой образуется положительными и отрицательными ионами, жестко связанными с кристаллической решеткой, то между разноименными заряженными слоями возникает разность потенциалов Е_зап, препятствующая переходу электронов в p- зону, а дырок в n - зону.

Рис. 2.29. Структура (а), схемы включения (б, в), характеристики полупроводниковых диодов и их условные обозначения: г – выпрямительный диод; д – стабилитрон; е – варикап

Одним из свойств p-n – перехода является вентильный эффект, который заключается в том, что если к кристаллу с p-n – переходом приложить внешнее напряжение с полярностью (рис. 2.29б), то под действием Е_вн величиной 0,1-0,3 В толщина, а, следовательно, и сопротивление p-n – перехода будет снижаться, и через него будет проходить большой ток . Это направление тока называется прямым. Если изменить полярность источника питания, то получим внешнее поле одного направления с полем p-n – перехода Е_зап, которое усиливает его (рис. 2.29в). Это приведет к расширению запирающего слоя и тем самым к увеличению сопротивления p-n – перехода, через который будет проходить небольшой обратный ток . На этом свойстве (односто-

ронней проводимости) основаны выпрямительные диоды.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного силового диода (вентиля) и его условное графическое и буквенное обозначение представлена на рис. 2.29г.

Работа диода в большой степени зависит от величины обратного напряжения , которое должно быть меньше , указываемого в паспорте диода.

Для уменьшения нагрева мощных диодов прямым током принимают специальные меры для их охлаждения: монтаж на радиаторах, обдув и т.д.

Обозначения некоторых типов выпрямительных диодов:

– средней мощности: КД203Д – диод кремниевый сплавной; = 10 А; = 1,5 мА; = 1000 В;

– большой мощности: В-320 – диод кремниевый сплавной; =320 А; =20 мкА; = 1400 В.

Полупроводниковые диоды с резким нарастанием обратного тока при нормированном значении обратного напряжения (рис. 2.29д) называют стабилитронами, которые используются для стабилизации напряжения. Чаще всего материалом стабилитрона служит кремний. Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его условное графическое и буквенное обозначение показано на рис. 2.29д. Стабилизирующее напряжение современных стабилитронов лежит в пределах 1-1000 В и зависит от толщины запирающего слоя. Стабилитроны допускают последовательное включение, тогда . Параллельное соединение стабилитронов недопустимо. Конструктивное оформление стабилитронов аналогично выпрямительным диодам.

Обозначения некоторых типов стабилитронов:

– КС433А - стабилитрон низковольтный; = 3,3 В; = 191 мА;

– КС680А – стабилитрон высоковольтный; = 180 В; = 28 мА.

Полупроводниковые диоды, в которых используется регулируемая емкость p-n – перехода, называют варикапами. Их можно рассматривать как конденсаторы с электрически управляемой емкостью [11]. Зависимость варикапа и его условное графическое и буквенное обозначение представлено на рис 2.29е.

Обозначения некоторых типов варикапов:

– КВ102В – варикап кремниевый сплавной; С = 40 пФ; = 45 В;

– КВ105А – варикап кремниевый диффузионно-сплавной; С = 600 пФ; = 90 В.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и в электронных узлах настройки колебательных контуров усилителей.

Управляемые полупроводниковые трехэлектродные приборы. К ним относятся наиболее распространенные приборы данного класса элементной базы современной промышленной электроники – это транзисторы и тиристоры. Особенностью этих элементов является возможность управления с помощью небольшой мощности во входной цепи значительно большей мощностью в выходной цепи.

Биполярные транзисторы. Это полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими p-n – переходами, предназначенными для генерации, усиления и преобразования сигналов электромагнитной природы. Термин «биполярный» означает, что физические процессы в приборе обусловлены движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок).

Таким образом, транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя p-n – переходами (рис. 2.30). Один из крайних слоев называется эмиттером, а другой – коллектором; средний слой – база; р-n – переход между эмиттером и базой, называемый эмиттерный, работает на прямом токе; р-n – переход между коллектором и базой, называемый коллекторный, он работает на обратном токе. Буквы у выводов транзистора обозначают: Э – эмиттер; Б – база; К – коллектор.

Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а база электронную проводимость, называют транзистор типа (структуры) p–n–p (рис. 2.30а, б).Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электронную проводимость, а база дырочную проводимость, называют транзистор типа (структуры) n-p-n (рис. 2.30в)

Рис. 2.30. Биполярный транзистор: а – условное обозначение; б – структура; б, в – схемы включения; г – входная характеристика; д – выходные характеристики

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора типа р-n-p (рис. 2.30б), работающего на постоянном токе. Под действием положительного заряда источника дырки из р – зоны эмиттера инжектируются в область базы, образуя эмиттерный ток . В базе небольшая часть их рекомбинирует с электронами, а бóльшая часть достигает области р коллектора. Поле коллекторного перехода для этих дырок является ускоряющим. В цепи коллектора будет проходить ток коллектора . Поскольку транзистор изготовляют так, чтобы обеспечить, возможно, меньшее значение тока базы, то ток коллектора незначительно отличается от тока эмиттера: = .

Таким образом, изменением тока в маломощной цепи эмиттера можно управлять током в цепи большой мощности коллектора, так как . Следовательно, транзистор обладает усилительными свойствами. Коэффициент усиления по току для схемы с общей базой =0,95-0,99.

Наибольшее применение в усилительных каскадах находит схема с общим эмиттером (рис. 2.30в). В данной схеме вхдным током является ток базы , выходным током – ток . Тогда коэффициент усиления по току

.

Для современных транзисторов = 10-200.

Статические характеристики транзисторов представляют собой графические зависимости между токами, протекающими в цепях транзистора, и напряжениями на его входах и выходах. К ним относятся входные характеристики (рис. 2.30г) и выходные характеристики (рис. 2.30д). Эти характеристики приводятся в справочной литературе и используются при анализе и расчете электронных схем.

Некоторые типы транзисторов:

– малой мощности КТ203Б; = 20-30; Р_{к макс} = 0,15 Вт;

– средней мощности КТ604А; = 10-40; Р_{к макс} = 0,8 Вт;

– большой мощности КТ903Б; = 40-180; Р_{к макс} = 30 Вт.

Полевые транзисторы.Полевым называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Управление этим током осуществляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Электрод, с которого начинает движение носителей заряда, называется истоком (И) (рис. 2.31), а электрод, к которому они движутся – стоком (С). Электрод, создающий управляющее электрическое поле называется затвором (З).

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n–переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисто-ры). По типу электропроводности они подразделяются на транзисторы с каналами р и n – типов (рис. 2.31).

Транзистор с управляющим p-n – переходом. Представляет собой пластину полупроводника р или n типа, на гранях которой созданы области противоположного типа электропроводности, на границах между которыми образованы p-n – переходы. На торцевых сторонах пластины и на боковых областях формируют омические контакты. Контакты областей затвора (З) соединены между собой и образуют общий контакт. От всех трех контактов имеются выводы. Если к электродам подключить напряжение питания, то между стоком С и истоком И будет протекать ток. Сопротивление канала, а, следовательно, и ток, проходящий через канал зависят от напряжения на затворе. Напряжение на затворе, при котором ток истока минимальный, называется напряжением отсечки . Если на затвор подать переменный сигнал, то ток стока С будет изменяться по тому же закону.

Зависимость между током I_C и напряжением U_C выходной цепи при напряжении на затворе U_З= 0 показана на рис. 2.32. Сначала характеристика имеет, близкий к линейному участок, затем линейная зависимость нарушается и в точке Н наступает режим насыщения. Для каждого напряжения U_З имеется своя точка насыщения, например, Н₁ – Н₃, чем характеризуется своеобразное сужение токопроводящей части канала.

а

б

Рис. 2.31. Полевые транзисторы р – типа (а) и n – типа (б)

и их условные графические и буквенные обозначения

Рис. 2.32. Семейство выходных вольт-амперных характеристик

полевого транзистора с n-p – переходом

Так как зоны затвора работают в режиме обратного напряжения, то входное сопротивление их велико, а входная мощность мала, что является ценным качеством полевых транзисторов.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.Транзисторы этого типа называют также МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (метал-окисел-полупровод-ник), если в качестве диэлектрика используют окисел, например, SiO₂. Металлический электрод – затвор, обычно, наносят распылением в вакууме.

МОП-транзисторы могут быть с индуцированным каналом и с встроенным каналом.

МОП-транзисторы находят широкое применение в современнойэнергетической электронике. По сравнению с другими полупроводниковыми приборами, такими как биполярные транзисторы или тиристоры, они обладают следующими преимуществами:

1. Малое время переключения и, вследствие этого, малые потери при переключении;

2. Малая мощность, затрачиваемая на переключение;

3. Возможность использования хорошо отработанных технологий производства МОП-интегральных схем.

Главные области применения мощных МОП-транзисторов –

электрические приводы переменного тока, преобразователи частоты для электротехнологических установок, источники вторичного электропитания. В таких устройствах используются преимущественно МОП-транзисторы с индуцированным каналом.

МОП-транзистор с индуцированным каналом.Структура транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 2.33а. На рис. 2.33б приведено его условное графическое обозначение.

Подложкой служит кристалл кремния р-типа. У МОП-тран-зисторов имеется дополнительный вывод от подложки. Металлический затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния толщиной 0,002–0,05 мкм, выращиваемый на поверхности кремния n-типа. Области стока и истока легированы сильнее, чем канал, и обозначены n+.

а б

Рис. 2.33. Структура транзистора с индуцируемым каналом

n-типа (а) и его условное графическое и буквенное обозна- чение (б)

Канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между стоком и истоком включены два обратно смещенных p–n-перехода. Один p–n-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой – между подложкой и истоком. Таким образом, при нулевом напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки. Если между затвором и истоком включен источник напряжения (рис. 2.34), то электрическое поле затвора выталкивает дырки из

приповерхностного слоя подложки и притягивает в этот слой электроны. В результате в области подложки, примыкающей к диэлектрику, образуется проводящий канал n-типа. Такой канал называют индуцированным.

Рис. 2.34.

С увеличением положительного напряжения затвор-исток U_зи растет концентрация электронов в канале, следовательно, увеличивается его проводимость. Если между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения U_зи, так и от напряжения сток-исток U_си . Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают U₀ . Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина составляет для современных мощных МОП-транзисторов 2 – 4 В.

Силовые МОП-транзисторы. Необходимость разработки таких приборов мотивировалась тем, чтомощные биполярные транзисторы требуют больших управляющих токов, а также имеют ограниченное быстродействие.

Силовые МОП-транзисторы имеют вертикальную структуру (рис. 2.35). Электрод стока расположен внизу, а не в одной плоскости с истоком, как у маломощных МОП-транзисторов. Прибор содержит слаболегированную n ^– - область, обеспечивающую высокое напряжение между стоком и истоком. Если напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение U_О, под слоем диэлектрика в p-областях возникает горизонтальный проводящий канал. Его длина равна L (рис. 2.35).

Рис. 2.35. Силовой МОП-транзистор

Поток электронов через образовавшийся канал и n ^- - слой попадает в область стока. Направление потока электронов показано на рис. 2.35 пунктиром. Длина канала L в МОП-транзисторе такой конструкции составляет 1-2 мкм. В то же время напряжение пробоя между стоком и истоком может достигать сотен вольт, а ток истока – десятков ампер. Это объясняется тем, что область объемного заряда расположена главным образом в слаболегированной области стока и не влияет на канал. Максимальное напряжение сток-исток зависит от степени легирования n ^– - слоя и его толщины.

Структура мощных МОП-транзисторов существенно отличается от структуры малосигнальных транзисторов. В то же время характеристики приборов похожи. Пороговое напряжение мощных МОП-транзисторов составляет от 2 до 4 В.

Мощные МОП-транзисторы работают преимущественно в ключевом режиме. Поэтому для них важнейшими параметрами является сопротивление канала в открытом состоянии, а также время включения и выключения. В низковольтных вертикальных МОП-транзисторах толщина n-слоя невелика, и основную долю сопротивления канала составляет сильно легированный только

n+-слой. В транзисторах с номинальным напряжением сток-исток более 100 В основной вклад в сопротивление канала вносит n ^– - слой.

Преимущество мощных МОП-транзисторов перед биполярными заключается в высокой скорости переключения (1-10 нс против 1 мкс у биполярных приборов) и малой мощности, затрачиваемой на управление. Мощные МОП-транзисторы нашли применение как управляющая составная часть в биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT-транзисторах).

Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис. 2.36 приведена структура, условное обозначение и эквивалентная схема IGBT-транзистора. IGBT-транзистор можно рассматривать как сочетание мощного биполярного транзистора и управляющего МОП-транзистора. Структура IGBT показана на рис. 2.36а. Она похожа на структуру вертикального МОП-транзистора. Отличие заключается в том, что область коллектора является сильно легированной областью p+ - типа. Добавление p - слоя приводит к образованию биполярного p-n-p-транзистора.