8.4. Векторная диаграмма катушки с сердечником

8.4.1. Векторную диаграмму катушки с сердечником удобно начи­нать строить с вектора магнитного потока. Ток в катушке опережает вектор потока на угол магнитного запаздывания (рис. 8.4). Этот вектор раскладывается на две составляющие:

—намагничивающий ток;

—ток потерь в стали от гистерезиса и вихревых токов.

8.4.2. Вектор отстает на от век­тора магнитного потока, а — от век­тора тока .

8.4.3. Если использовать уравнение электрического состояния катушки

можно построить вектор напряжения и определить сдвиг фаз между током и напряжением.

8.5. Потери в стали при переменном

намагничивании

8.5.1. Потери в сердечнике (потери в стали) состоят:

из потерь от гистерезиса;

из потерь от вихревых токов.

8.5.2. Потери от гистерезиса за один цикл перемагничивания про­порциональны площади петли гистерезиса. Петля, которую получают в экспериментах с переменным током, отличается от петли, полученной медленным перемагничиванием постоянным током. Обычно потери определяются экспериментальными соотношениями. Они пропорцио­нальны массе сердечника и частоте перемагничивания. Можно исполь­зовать зависимость

где — мощность потерь от гистере­зиса;

— гистерезисный коэффициент;

— частота тока;

— амплитуда магнитной индук­ции;

— масса сердечника.

Показатель степени выбирается в зависимости от амплитуды маг­нитной индукции

8.5.3. Переменный ток создает в сердечнике синусоидальный магнитный поток, который, в свою очередь, индуцирует вихревые токи в сердечнике (рис. 8.5). Эти токи также ин­дуцируют магнитный поток, что ослабляет основной поток согласно правилу Ленца.

Основный поток ослабляется в центре, т. е. наблюдается явление вытеснения потока на поверхность сердечника.

Таким образом, существуют потери энергии:

на образование и функционирование вихревых токов;

от ослабления основного магнитного потока.

Чтобы уменьшить потери от вихревых токов, сердечник изготовля­ют шихтованным (собирают из пластин электротехнической стали тол­щиной 0,2—0,5 мм). Это сокращает путь вихревых токов, а следова­тельно, уменьшаются и потери. Кроме того, используют материал сердечника с добавлением кремния. Такая добавка повышает электри­ческое сопротивление ферромагнетика и не изменяет магнитного со­противления.

Потери от вихревых токов определяются соотношением

где _мощность потерь от вихревых токов;

— коэффициент вихревых токов (зависит от материала и толщи­ны листа);

— удельная электрическая проводимость материала сердечника.

9. Трансформаторы

9.1. Назначение и принцип работы

9.1.1. Необходимость передачи электрической энергии на большое расстояние обусловила создание единых энергетических систем. В ли­ниях электропередач теряется от 10 до 15% вырабатываемой электри­ческой энергии. 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 осуще­ствляются трансформаторами. Первый трансформатор построил в 1876 г. русский изобретатель П. Н. Яблочков.

9.1.2. Трансформатор — это электромагнитный аппарат, который преобразует электрическую энергию переменного тока, имеющую одни величины, в электрическую энергию с другими величинами. В транс­форматоре преобразуются напряжение, ток и начальная фаза. Неизмен­ной остается частота тока.

9.1.3. Простейший трансформа­тор имеет магнитопровод (сердеч­ник) и обмотки. По количеству об­моток различают трансформаторы двухобмоточные и многообмоточ­ные. На рис. 9.1 показано устрой­ство двухобмоточного трансформа­тора. Обмотка с количеством витков W₁, к зажимам которой подводится напряжение, называется первичной. На зажимы вторичной обмотки включается потребитель

Первичная обмотка включается на синусоидальное напряжение, в це­пи протекает ток, апроксимируемый синусоидой, действующее значе­ние которой равно действующему значению реального тока и которая опережает магнитный поток на угол магнитного запаздывания.

Переменный ток в первичной цепи индуцирует основной магнит­ный поток который замыкается в магнитопроводе, и поток рассея­ния который замыкается в воздухе. Переменный магнитный поток индуцирует ЭДС в первичной и вторичной обмотках. Если на вто­ричную обмотку включить нагрузку, то начнет протекать ток и воз­никнет поток рассеяния вторичной обмотки

9.1.4. Основной магнитный поток индуцирует ЭДС в первичной и вто­ричной обмотках:

Эти ЭДС совпадают по фазе и отстают от потока на

Действующие значения ЭДС можно определить из уравнения транс­форматорной ЭДС, т. е.

С достаточной точностью можно считать, что

При трансформатор называется понижающим, а при — повышающим.

Важной характеристикой трансформатора является коэффициент трансформации, который в обычном случае определяется как отноше­ние высшего напряжения к низшему в режиме холостого (нерабочего) хода.

9.1.5. Коэффициент трансформации для понижающего трансформа­тора

Из этого следует, что трансформатор снижает напряжение и во столько же раз повышает ток (и наоборот).

9.1.6. Первичная и вторичная цепи трансформатора связаны только магнитной связью, т. е. цепи электрически разъединены. Это свойство трансформаторов используется в разделительных трансформаторах, ко­торые имеют