Основы_электротехники

Ферромагнитный материал обладает способностью намагничиваться и усиливать внешнее магнитное поле в μr раз. Процесс намагничивания характеризуется участком Оа нелинейной кривой намагничивания B = f (H) (рис. 4.3), а процесс перемагничивания (намагничивания и размагничивания) характеризуется петлей гистерезиса (линия абгдежа на рис. 4.3); при этом площадь петли характеризует потери на перемагничивание (по-

тери на гистерезис). Чем уже петля гистерезиса и меньше ее площадь, тем меньше будут потери на перемагничивание ферромагнитного материала. Однако потери возрастают с увеличением частоты перемагничивания и объема материала.

Рис. 4.3

Кроме того, внутри материала возникают потери на вихревые токи, которые можно уменьшить путем уменьшения толщины пластин магнитопровода и увеличения его удельного электрического сопротивления, например, путем добавления в железо кремния, который не изменяет магнитные свойства материала, но увеличивает его удельное сопротивление.

В трансформаторах, электродвигателях, генераторах и других электромагнитных устройствах переменного тока сердечники изготавливаются из магнитомягких ферромагнитных материа-

71

лов, которые характеризуются высокими значениями μr (μr > 100), узкой петлей гистерезиса (малыми значениями коэрцетивной силы Hc (Hc < 0,05 A/м) и малыми потерями на перемагничивание. К магнитомягким материалам относятся листовая электротехническая сталь марки 1511, холоднокатаные листовые стали марок Э310, Э320 и Э320, обладающие повышенными магнитными свойствами вдоль проката, литая сталь, пермаллой (78,5 % Ni), ферриты и другие ферромагнитные материалы. Каждый из них характеризуется своими μr, кривой намагничивания, петлей гистерезиса (рис. 4.4) и удельным электрическим сопротивлением.

Рис. 4.4. Кривые намагничивания:

1 – для чистого железа; 2 – для электротехнической стали; 3 – для пермаллоя

Наличие постоянного подмагничивающего поля в магнито-

проводе приводит к худшему использованию магнитопровода:

1)увеличению МДС и необходимого тока намагничивания;

2)увеличению площади петли гистерезиса и потерь на гистерезис;

3)появлению четных гармоник тока в сетевой (входной) обмотке и четных гармоник напряжения в вентильной (выходной) обмотке трансформатора выпрямителя, т.е. к увеличению пульсаций выпрямленного напряжения.

72

Чтобы компенсировать указанные недостатки, приходится увеличивать сечение магнитопровода, а это приводит к увеличению габаритов, массы и стоимости магнитопровода и всего электромагнитного устройства.

4.2. Магнитные цепи

Магнитной цепью называют совокупность источника магнитного поля и магнитопровода, обеспечивающего необходимую конфигурацию и интенсивность магнитного поля.

Источником постоянного магнитного поля может быть постоянный магнит или катушка, по которой проходит постоянный ток. Источником переменного магнитного поля служит катушка, по которой проходит переменный ток. Катушка с током располагается на магнитопроводе так, как показано на рис. 4.2, т.е. витки катушки охватывают магнитопровод (сердечник).

Магнитопровод может иметь различные формы: торроидальную (см. рис. 4.2), стержневую (рис. 4.5а, в) или броневую (Ш-образную) (рис. 4.5б).

Рис. 4.5

Наилучшими свойствами обладают тороидальные магнитопроводы, так как у них минимальный поток рассеяния и наименьшее взаимное влияние электромагнитных устройств друг на

73

друга. В однофазных силовых трансформаторах чаще используются технологически более простые магнитопроводы стержневой или броневой форм. В трехфазных трансформаторах чаще используются магнитопроводы стержневой формы (рис. 4.5в).

Целями расчетов магнитных цепей являются:

1)расчет МДС F и тока I в витках обмотки при известных геометрических размерах и магнитных свойствах материала магнитопровода и значении магнитного потока Ф (прямая задача);

2)расчет значения магнитного потока Ф при заданных значениях МДС, заданных геометрических размерах и магнитных свойствах материала магнитопровода (обратная задача).

Воснове расчетов лежит закон полного тока:

i 1

где I, w – ток в обмотке и количество ее витков;

Hi, li – напряженность магнитного поля и длина участка магнитопровода с индексом i.

4.3. Методика расчета магнитных цепей

Дана магнитная цепь (рис. 4.6) с магнитопроводом 1 из листов электротехнической стали с разными сечениями S1–S5 на соответствующих участках cо средними длинами l1–l5 и воздушным зазором 2 длиной l6. Требуется найти ток I обмотки при условии, что задано число ее витков w и магнитная индукция в воздушном зазоре B6. При расчетах все единицы измерения берем в системе СИ: площадь, м2; длины участков, м; магнитный поток в Вб, магнитную индукцию в Тл; напряженность магнитного поля, А/м, а МДС, А.

Методика включает следующую последовательность расче-

тов:

1) магнитный поток Ф находим, считая сечение потока в зазоре равным площади сечения прилегающего участка S5:

Ф = B6 S5;

74

2) индукции на участках определяются по формулам:

3) из графика B = f(H) на рис. 4.7 с учетом материала магнитопровода по найденным значениям B1–B5 определяем напряженности H1 – H5;

4) находим значение МДС цепи по закону полного тока:

5) из (4.7) находим ток обмотки: I = F / w.

Если сечение магнитопровода неизменно, как это часто имеет место в трансформаторах, дросселях и других устройствах, то задача упрощается. Рассмотрим пример расчета тороидальной катушки с воздушным зазором (рис. 4.8).

75

Действующие значения магнитной индукции B сердечника с сечением S и напряжения U на обмотке связаны следующим соотношением:

4.4. Определение и классификация трансформаторов

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство переменного тока, предназначенное для повышения или понижения напряжения при передаче электрической энергии из одной цепи в другую.

По конструкции и параметрам различают следующие типы трансформаторов: низковольтные (с напряжением до 1000 В)

и высоковольтные (с напряжением свыше 1000 В), маломощные

(с полной мощностью до 100 ВА) и силовые (с полной мощностью свыше 100 ВА), однофазные (для однофазных цепей) и трехфазные (для трехфазных цепей), воздушные (с воздушным охлаждением) и масляные (с масляным охлаждением), промыш-

ленной частоты (с частотой 50 или 60 Гц) и повышенной час-

тоты (с частотой 400–2400 Гц).

Кроме того, по назначению трансформаторы подразделяют на выпрямительные (для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока), измерительные (для расширения пределов измерения амперметров, вольтметров или ваттметров при измерениях в высоковольтных цепях переменного тока), сварочные (для сварки стальных изделий и конструкций), автотрансформаторы (для плавного регулирования напряжения) и т.д.

В сетях электроснабжения чаще всего используются высоковольтные силовые трехфазные трансформаторы низкой (до 4,2 кВА), средней (до 50 кВА) и большой (свыше 50 кВА) мощности; при этом повышающие трехфазные трансформаторы находятся на территориях электростанций, понижающие трехфаз-

77

ные трансформаторы находятся на территориях потребителей электроэнергии (завод, предприятие, вуз, многоэтажное жилое здание, строительная площадка и т.д.), а передача электроэнергии от первых ко вторым осуществляется по высоковольтным линиям электропередач.

Среди однофазных трансформаторов чаще всего использу-

ются выпрямительные трансформаторы, которые входят в со-

став вторичных источников питания низковольтной аппаратуры, блоков управления электроприводами и электродвигателями постоянного тока, контрольно-измерительной аппаратуры, компьютеров, телевизоров и других устройств.

4.5. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора

Простейший однофазный трансформатор состоит из трех частей (рис. 4.9): магнитопровода (сердечника) 1, первичной обмотки 2 с количеством витков w1 и вторичной обмотки 3 с количеством витков w2.

Рис. 4.9

78

Магнитопровод выполнен из тонких листов электротехнической стали для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи (потерь в стали). В хорошо спроектированном магнитопроводе потери в стали распределяются так: 90 % – потери на гистерезис и 10 % – потери на вихревые токи.

Обмотки выполнены из меди или алюминия; при этом, чем больше будет сечение провода обмоток, тем меньше будут их активные сопротивления и потери в обмотках (потери в меди). Первичная обмотка (как правило, обмотка высокого напряжения) подключается к источнику энергии с напряжением U1, а вторичная обмотка (обмотка низкого напряжения) с напряжением U2 подключается к нагрузке ZН с помощью ключа К.

Рассмотрим работу трансформатора в режиме холостого хода, когда ключ К разомкнут и ток во вторичной обмотке i2 = 0.

Под воздействием действующего напряжения U1 источника электроэнергии в первичной обмотке трансформатора возникает переменный ток i1 , который, проходя по первичной обмотке w1 , создает МДС F1 = i1 w1 , а она создает переменный магнитный поток Ф1 , направление которого определяется по правилу буравчика. Поток Ф1 , пересекая витки обмоток w1 и w2 , наводит

79