1.7. Электромагнитные и магнитоэлектрические системы

1.7.1. Электромагнитный дроссель в фильтре выпрямителя

Согласно п. 1.1: электромагнит – катушка с током на сердечнике из магнитомягкого материала. Его впервые изготовил в 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен. Сердечник позволил значительно увеличить создаваемую катушкой с током магнитную индукцию. С тех пор электромагнитные устройства постоянно расширяют свое применение в промышленной и бытовой технике с очень большим разнообразием конструкций и технологий изготовления. В магнитоэлектрических системах к электромагнитам добавлены постоянные магниты, которые позволили получить специфические свойства и функциональные характеристики устройств.

В электрических аппаратах электромагнитные системы применяются для создания источников электромагнитного поля, силовых приводов, преобразования энергии, управления и измерения параметров электрических, механических и тепловых процессов.

В электрических цепях электромагниты используются в качестве элементов с большой индуктивностью для накопления энергии и изменения амплитудных и фазовых временных и частотных характеристик устройств. Такую роль играет электромагнитный дроссель в фильтре выпрямителя. Функциональная схема устройства приведена на рис. 1. 63. В качестве источника питания использована сеть 220 В, 50 Гц, которое преобразуется в постоянное напряжение на нагрузке (AC/DC преобразователь).

Рис. 1.63. Функциональная схема AC/DC преобразователя.

Дроссель (см. пример на рис. 1.64) представляет собой катушку из медного провода на шихтованном сердечнике из электротехнической стали. Сердечник обычно имеет немагнитный зазор для снижения влияния нелинейных магнитных свойств стали на индуктивность дросселя и, соответственно на искажение тока в цепи.

а)

б)

Рис. 1.64. Пример конструкции электромагнитного дросселя: а - трехмерная компьютерная модель; б - проекции с размерами.

Предположим, что выпрямитель построен по мостовой схеме, фильтр составлен из конденсатора и дросселя, нагрузка выпрямителя активная [17]. В этом случае эквивалентная схема AC/DCпреобразователя, составленная вMatlab Simulink имеет вид, показанный на рис. 1.65. Она содержит: источник переменного напряженияU– сеть; активное сопротивление подводящих проводовR_пр; однофазный выпрямитель с мостовой схемой включения; активное сопротивление провода катушкиR_пр1; управляемый источник напряженияe(t), моделирующий индуцируемую в катушке дросселя ЭДС, где зависимость потокосцепления от тока в катушкезадана в табличной форме; конденсатор фильтраС1; сопротивление нагрузки, а также измерительные приборы и осциллограф. Расчет зависимости потокосцепления от тока катушки дросселяпроизводится на основе численного анализа магнитного поля.

Рис. 1.65. Эквивалентная схема AC/DC преобразователя в Matlab Simulink.

Для геометрической конфигурации магнитной системы дросселя рис. 1. 63 с числом витков катушки N=1800 и площадью сечения окна катушкирассчитанная зависимость потокосцепления от тока в катушке приведена на рис. 1.66. Согласно полученным данным линейные свойства дросселя сохраняются до тока, далее сердечник насыщается. Для последующего программирования вMatlab Simulink зависимостьпредставляют в табличной форме или с помощью аппроксимирующей функции.

Рис. 1.66. Зависимость потокосцепления в катушке дросселя от тока.

Рассчитанные по составленной модели временные зависимости тока источника, напряжения на нагрузке и тока в дросселе при включении преобразователя приведены на рис. 1.67, а. Приняты следующие параметры нагрузки:, емкость конденсатораС=30 мкФ. На рис. 1.67,бприведены те же процессы, но без фильтра.

а)

б)

Рис. 1.67. Рассчитанные зависимости при включении источника: а - тока источника, напряжения на нагрузке и тока в дросселе (в схеме с фильтром); б - тока источника, напряжения и тока нагрузки (в схеме без фильтра).

Наличие фильтра сглаживает пульсации напряжения на нагрузке, однако возникают крутые фронты тока источника, т.е. появляются высокочастотные гармоники тока в сети.