10.5. Магнітні кола

Розділ «Магнітні кола» включає значний матеріал із курсу фізики, наприклад, магнітні властивості феромагнетиків. Тому бажано спочатку відновити у пам'яті відповідні розділи курсу фізики. Необхідно усвідомити особливості петлі гістерезису для магнітом'яких і магніто-твердих матеріалів. Площа петлі гістерезису пропорційна втратам енергії на перемагнічування за один цикл. Ця енергія виділяється у матеріалі у вигляді теплоти. Тому в осердях трансформаторів використовують феромагнітні матеріали з більш вузькою петлею гістерезиса, звичайно кремнієву елек­тротехнічну сталь.

Основною інженерною задачею, яка виникає при розрахунку магнітних кіл, є визначення зв’язків між магнітним потоком та струмом в обмотці намагнічуючої котушки. При цьому доводиться розв’язувати дві задачі: пряму та зворотну. Прямою називають таку задачу, коли відомою величиною є магнітний потік, а визначенню підлягає намагнічуюча сила або струм котушки. Зворотна задача – струм котушки є відомим, а визначенню підлягає магнітний потік. При розв’язуванні як прямої, так і зворотної задачі геометричні розміри магнітного кола та матеріал, з якого воно виготовлене, зазвичай, відомі.

Під час вивчення пристроїв змінного струму: стабілізаторів, дросе-лів насичення та магнітних підсилювачів, слід звернути увагу на мож-ливість регулювання їх індуктивного опору зміною повітряного проміжку магнітопровода або його додатковим підмагнічуванням за допомогою обмотки керування.

Запитання для самоперевірки

1. Назвіть пристрої, в яких проявляється дія магнітного поля.

2. Як математично записують закон електромагнітної індукції?

3. Що називають магнітним колом і яке його призначення в електричних пристроях?

4. Що таке магнітна проникність? В яких одиницях вона вимірюється?

5. Як формулюють і записують математично закон повного струму?

6. Запишіть рівняння Кірхгофа для магнітного кола.

7. Назвіть сфери використання магнітом’яких і магнітотвердих матеріалів.

10.6. Трансформатори

Принцип роботи трансформатора ґрунтується на явищі електро-магнітної індукції, що забезпечує появу ЕРС в обмотках трансформатора. Необхідно звернути увагу на те, що передача електричної енергії від пер-винної обмотки до вторинної відбувається за рахунок магнітного поля. При цьому магнітний потік залишається незмінним при зміні навантаже-ння трансформатора від неробочого ходу до номінального.

Слід чітко розрізняти три режими роботи трансформатора: холос-того ходу, навантажувальний і короткого замикання. Режим короткого замикання із зниженою напругою у первинній обмотці, так як і режим холостого ходу, використовують для вимірювання характеристик транс-форматора.

При холостому ході струм у вторинній обмотці відсутній. У пер-винній обмотці протікає порівняно слабкий струм холостого ходу, оскіль-ки індук­тивність трансформатора велика. Активна потужність, що вимі-рюється у первинному колі, майже повністю зумовлена тільки втратами енергії у сталі осердя. Дійсно, магнітний потік при цьому такий же вели-кий, як і при номінальному навантаженні. Втрати ж енергії на нагрівання провідників тільки у первинній обмотці малі, тому що вони пропорційні квадрату струму. У режимі холостого ходу також вимірюється коефіцієнт трансфор­мації.

У навантажувальному режимі у вторинній обмотці трансформа-тора протікає струм навантаження, у первинній обмотці струм стає також великим. У цьому режимі втрати потужності відбуваються як у сталі, так і у міді, тобто, у провідниках обмоток. Втрати у сталі такі ж як і у режимі холостого ходу оскільки магнітний потік той же самий. Ці втрати зумов-лені двома причинами: гістерезисом і вихровими струмами. Якщо втрати на гістерезис зменшують підбором відповідного феромагнітного мате-ріалу, то втрати на вихрові струми зменшують шляхом розділення осердя на окремі ізольовані одна від одної пластини.

При випробуваннях трансформатора у режимі короткого замика-ння при пониженій напрузі можна добитися того, щоб струми в обмотках були такими, як і при номінальному навантаженні. Тоді втрати на нагрівання провідників в обмотках будуть такі ж, як і у навантажуваль-ному режимі, а втрати потужності у сталі будуть дуже малі, тому що вони пропорційні квадрату амплітуди магнітного потоку, а згідно формули (1) магнітний потік пропорційний ЕРС, тобто напрузі на первинній обмотці. Таким чином, у режимі короткого замикання ватметр, ввімкнений у коло первинної обмотки трансформатора вимірює втрати у міді.

Трифазний струм можна трансформувати за допомогою трьох од­нофазних трансформаторів, причому їх первинні і вторинні обмотки можна з'єднувати як трикутником, так і зіркою. Але при симетричнму навантаженні сума всіх трьох магнітних потоків дорівнює нулю. Тому всі три однофазні трансформатори можна об'єднати в один, зробивши в осерді три стержні (трифазний трансформатор). Вивчення теми слід проводити по [1, с. 201–202, 246–251, 253–260].

Запитання для самоперевірки

1. Для чого призначений трансформатор?

2. Поясніть принцип дії трансформатора.

3. Призначення досліду холостого ходу трансформатора.

4. Виведіть співвідношення, що зв'язують коефіцієнт транс-формації з первинними і вторинними ЕРС, напругами, струмами однофазного транс­форматора.

5. Що таке зовнішня характеристика трансформатора?

6. Призначення досліду короткого замикання трансформатора.

7. Яке найбільше значення може мати ККД трансформатора при номі­нальному навантаженні?

8. Які є схеми з'єднання обмоток трифазного трансформатора?

9. Перерахуйте номінальні дані трансформатора.

10. У яких випадках застосовують автотрансформатор?