Магнитные цепи переменного тока

Рассмотрим особенности обмотки с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока.

Для упрощения анализа рассмотрим идеализированную магнитную цепь (рис. 2.6, а). Если пренебречь также сопротивлением обмотки, то переменное напряжение на обмотке уравновешивается только ЭДС, индуктированной рабочим потоком в магнитопроводе: ^.

Это уравнение электрического состояния идеализированной магнитной цепи переменного тока .

Тогда закон изменения переменного потока: .

Отсюда вытекают особенности магнитной цепи на переменном токе:

1. Переменный поток полностью определяется напряжением на обмотке, а действующее значение потока: .

2. Обмотка с сердечником является нелинейным элементом электрической цепи. ВАХ катушки с сердечником приведена на рис. 2.7.

а б Рис. 2.6 Рис. 2.7

- индуктивность обмотки с ферромагнитным сердечником не является постоянной величиной и зависит от тока в электрической цепи. Это видно, если для простейшей магнитной цепи записать уравнения:

.

.

Поскольку зависимость В=f(Н) – нелинейная кривая намагничивания, то индуктивность также нелинейна.

Следовательно:

Ток при синусоидальном напряжении на обмотке оказывается несинусоидальным.

Анализ цепей, содержащих обмотки с магнитопроводом, можно существенно упростить, заменив реальный несинусоидальный ток эквивалентным синусоидальным током с равным действующим значением.

Тогда можно записать в комплексном виде: . Отсюда .

Нелинейная зависимость приведена на рис. 2.7.

4. В магнитопроводе, изменение магнитного поля вызывает нагрев магнитопровода, т.е. возникают потери электроэнергии, которые называются магнитными потерями.

В электромагнитных устройствах, работающих на переменном токе, происходит непрерывное циклическое перемагничивание сердечника. При быстром перемагничивании сердечника получают динамическую петлю гистерезиса (рис. 2.8), площадь которой пропорциональна потерям энергии W_М в единице объема материала.

Мощность потерь в магнитопроводе пропорциональна W_М, частоте перемагничивания f и объему ферромагнитного материала: . Магнитные потери складываются из двух составляющих: потери от гистерезиса (перемагничивания) и потери от вихревых токов: .

Рис. 2.8

Потери от гистерезиса пропорциональны площади статической петли гистерезиса S_СТ (рис. 2.8), которую получают при очень медленном перемагничивании сердечника. При заданной частоте тока мощность потерь от гистерезиса пропорциональна и частоте тока.

Чем больше коэрцитивная сила (ширина петли гистерезиса), тем больше расход энергии требуется на перемагничивание (переориентацию) домена.

Для уменьшения потерь на гистерезис стремятся получить возможно более правильную кристаллографическую решетку материала путем уменьшения примесей.

Потери от вихревых токов пропорциональны квадрату амплитуды вектора магнитной индукции , квадрату частоты тока , квадрату толщины магнитопровода и характеризуются заштрихованной частью площади динамической петли гистерезиса (рис. 2.8).

В магнитопроводе под воздействием вихревого электрического поля возникают вихревые токи (рис. 2.9, а), которые создают встречный поток, стремящийся воспрепятствовать изменению основного магнитного потока, их вызвавшего. В результате вихревые токи как бы усиливают явление гистерезиса, и петля перемагничивания расширяется.

Способы уменьшения потерь от вихревых токов:

1. Магнитопровод электротехнического устройства, работающего на переменном токе, выполняют шихтованным, т.е. состоящим из набора тонких электрически изолированных пластин (рис. 2.9).

Чем выше частота перемагничивания, тем тоньше должны быть пластины. При частоте =50 Гц применяют пластины толщиной =0, 35 - 0, 5 мм.

2. Вихревые токи уменьшают, добавляя в ферромагнитный материал примеси кремния, увеличивающих его удельное сопротивление.

Запишем полное уравнение электрического состояния реальной катушки с сердечником, учитывая активное сопротивление обмотки , индуктивное сопротивление обусловленное потоком рассеяния , активное сопротивление , учитывающее магнитные потери, :

.

Схема замещения реальной катушки с магнитопроводом приведена на рис.2.10 ( - магнитное индуктивное сопротивление обмотки).

Рассмотрим влияние воздушного зазора на параметры обмотки.

На рис. 2.11, а построено семейство характеристик при различных значениях зазора ℓ _з. При неизменном значении напряжения ток обмотки тем больше, чем больше зазор. Кривая зависимости I=f(ℓ _з) для одного значения напряжения приведена на рис. 2.11, б. Зависимость X=f(ℓ _з), построенная на

рис. 2. 11, в показывает, что индуктивное сопротивление обмотки обратно пропорционально длине зазора.

а б в

Рис. 2.11

Индуктивную катушку, в магнитопроводе которой есть регулируемый воздушный зазор называют дросселем. Дроссели используют в сварочных аппаратах для регулирования тока дуги, в качестве преобразователя для измерения малых линейных механических перемещений и т.д.

В большинстве электротехнических устройств стремятся уменьшить воздушный зазор до минимально возможной величины, чтобы снизить ток, необходимый для образования потока в магнитной цепи.

Трансформаторы

Необходимость передачи электрической энергии на большое расстояние обусловила создание единых энергетических систем. В линиях электропередач теряется от 10 до 15 % вырабатываемой электрической электроэнергии. Чтобы сократить эти потери, нужно уменьшить силу тока (потери пропорциональны квадрату силы тока), т.е. повысить напряжение до сотен тысяч вольт. Повышение напряжения в процессе передачи электроэнергии и уменьшение его для использования осуществляется трансформаторами. Первый трансформатор построил в 1876 г. русский изобретатель П. Н. Яблочков.

Трансформатор – электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования напряжения и тока одной величины в напряжение и ток другой величины без изменения частоты тока и мощности при ее передаче от источника к приемнику: .

Основные виды трансформаторов:

1. Силовые трансформаторы – одно и трехфазные трансформаторы, используемые для экономичной передачи и распределения электроэнергии. Передача электроэнергии осуществляется при повышенном напряжении (110кВ, 220кВ, 330кВ, 500кВ, 750кВ и т.д.), что существенно снижает потери в линиях электропередачи (ЛЭП). Распределение электроэнергии осуществляется с помощью понижающих трансформаторов, преобразовывающих величину напряжения до необходимых потребителю значений.

2. Автотрасформаторы – это трансформаторы предназначенные для преобразования напряжения в небольших пределах, в которых существует электрическая связь между обмотками. Мощные автотрансформаторы используются на подстанциях, связывающих электроэнергетические системы с близкими номинальными напряжениями (110-220 кВ, 154-220 кВ и т.д.). Автотрансформаторы применяют для понижения напряжения на зажимах мощных синхронных и асинхронных двигателей при пуске. В лабораториях применяют лабораторные автотрансформаторы (ЛАТРы) низкого напряжения номинальной мощностью 0, 5-7, 5 кВ∙ А, имеющие плавную регулировку входного напряжения.

3. Измерительные трансформаторы тока и напряжения – однофазные трансформаторы, используемые для расширения пределов измерения электроизмерительных приборов переменного тока, а так же для изоляции приборов от цепей с высокими напряжениями.

4. Трансформаторы специального назначения:

Сварочные трансформаторы – это однофазные трансформаторы с вторичным напряжением на холостом ходу, равным 60-75 В, применяемые в сварочных аппаратах, работающие нормально в режиме короткого замыкания.

Высокочастотные трансформаторы – трансформаторы имеющие, малую массу и габариты, работающие при повышенных частотах 400 или 500 Гц. Магнитопроводы таких трансформаторов изготавливают из тонких листов высококачественной электротехнической стали, железоникелевых сплавов (пермаллои), магнитодиэлектриков и ферритов. Применяются в самолетах, судах.

Импульсные трансформаторы – трансформаторы, которые служат для передачи импульсных сигналов малой длительности. Магнитопроводы изготавливают из материалов с высокими магнитными свойствами (на высоких частотах).

Выпрямительные трансформаторы – трансформаторы, используемые в выпрямительных установках, в цепь вторичных обмоток которых включают электрические вентили, пропускающие ток в одном направлении.

Принцип действия трансформатора:

Рассмотрим двухобмоточный однофазный трансформатор, электромагнитная схема которого представлена на рис. 2.13. Если первичную обмотку подключить к источнику переменного напряжения , то по ней будет протекать ток , который создает в сердечнике переменный магнитный поток

. Этот поток, пересекая витки обмоток трансформатора, наводит в них ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимоиндукции : и .

Рис. 2.13

Действующие значения ЭДС зависят от частоты сети , амплитуды магнитного потока и количества витков в первичной и во вторичной обмотках: , . ЭДС первичной обмотки уравновешивает напряжение , а ЭДС вторичной обмотки создает напряжение на выводах вторичной обмотки . Если ко вторичной обмотке подключить нагрузку, то по ней потечет ток , который создает в сердечнике свой размагничивающий поток, направленный противоположно потоку первичной обмотки. При этом результирующий магнитный поток равный не должен измениться, поскольку амплитуда магнитного потока определяется неизменным значением приложенного к первичной обмотке напряжения: . Поэтому ток первичной обмотки и следовательно поток увеличиваются, компенсируя размагничивающее действие тока вторичной обмотки.

Коэффициент трансформации: .

Напряжения и токи в формуле номинальные.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒