Разветвленные и неразветвленные магнитные цепи

К простейшим магнитным цепям можно отнести тороид из однородного ферромагнитного материала

Такие магнитопроводы применяются в многообмоточных тран­сформаторах, магнитных усилителях, в элементах ЭВМ и других электрических устройствах.

рис. 4.2. На рис. 4.2. изображена магнитная цепь электромеханичес­кого устройства, подвижная часть которого втягивается в электромагнит при постоянном.(или переменном) токе в катушке

На рис. 4.3. изображена магнитная цепь, в которой магнит­ное поле возбуждается постоянным магнитом. Если подвижная катушка, расположенная на ферромагнитном цилиндре, включена в цепь постоянного тока, то на неё действует вращающий момент. Пово­рот катушки с током не влияет на магнитное поле магнитной цепи. Такая магнитная цепь есть в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы. Рис. 4.3

Рассмотренные магнитные цепи, как и другие возможные кон­струкции, можно разделить на неразветвленные магнитные цепи (рис..4.1, 4.3), в которых магнитный поток в любом сечении одинаков, и разветвленные магнитные цепи (рис.4.2), в которых магнитные потоки в различных сечениях цепи различны.

В большинстве случаев (кроме некоторых с допущениями, и определенными режимами работы) магнитную цепь считают нелиней­ной.

Вопрос 30 Закон полного тока для магнитной цепи с постоянной магнитодвижущей силой

Этот закон получен на основании многочисленных опытов: ин­теграл от напряженности магнитного поля по любому контуру (цир­куляция вектора напряженности) равен алгебраической сумме то­ков, сцепленных с этим контуром. (4.1)

Причём, положительными следует считать те токи, направле­ние которых соответствует обходу контура по направлению движе­ния часовой стрелки (правило буравчика). Так, для контура на рис.4.4.

Величина (в (4.1.)) называется магнитодвижущей силой (сокращенно МДС).

Основная единица измерения магнитодвижущей силы - ампер (А), для напряженности магнитного поля - ампер на метр (А/м), иногда - ампер на сантиметр (А/см), I А/см = 100 А/м. Магнит­ную цепь большинства электротехнических устройств можно пред­ставить состоящей из совокупности участков, в пределах каждо­го из которых можно считать магнитное поле однородным, т.е. с постоянной напряженностью, равной напряженности магнитного поля Н _к вдоль средней линии участка l_к. Для таких цепей можно заменить интегрирование в (4.1) суммированием. Если при этом магнитное поле возбуждается катушкой с током I, у кото­рой w витков, то для контура магнитной цепи, сцепленного с витками и состоящего из n участков, вместо (5.1) можно записать:

Если контур сцеплен с витками m катушек с токами, то

где F_p = I_p w _p - МДС.

Таким образом, согласно закону полного тока МДС F равна сумме произведений напряженноcтей магнитного поля на длины соответствующих участков для контура магнитной цепи.

Произведение Н_кl_к = U_мк часто называют магнитным напря­жением участка магнитной цепи.

Вопрос 31 Катушка с магнитопроводом в цепи переменного тока

У катушки с магнитопроводом, подключенной к источнику си­нусоидального напряжения U = U_m sinw t (рис. 4.5,а) переменный ток i в обмотке возбуждает в магнитопроводе пере­менный магнитный поток Ф, который индуктирует в обмотке ЭДС самоиндукции e_L = –w×(d Ф/ dt)

Если пренебречь активным сопротивлением обмотки и считать, что все магнитные линии поля катушки замыкаются только по магнитопроводу, то на основании 2 закона Кирхгофа для контура, обозначенного на рис. 4.5,а пунктиром, получим уравнение U = –e_L или U = U_m sinw t = w× d Ф/ dt 4.2

Из этого уравнения найдём закон изменения во времени магнитного потока. Так как

то .

Рис. 4.5. Катушка с магнитопроводом (а), магнитные характеристики (б)

Постоянная интегрирования А равна некоторому постоянному магнитному потоку, которого нет в магнитопроводах аппаратов пе­ременного тока в установившемся режиме работы. Значит постоян­ная А = 0 и магнитный поток , где Ф _m = U /4,44 f w Ф _m (4.3)

то есть, при синусоидальном напряжении между выводами катушки магнитный поток в магнитопроводе тоже синусоидальный.

Так как действующие значения напряжения U между вывода­ми катушки и ЭДС самоиндукции E_L одинаковые (4.2), то из (4.3) получим E_L = 4,44 f w Ф _m

Последнее соотношение часто применяют для расчетов ЭДС, индукти­руемых в обмотках трансформаторов, поэтому его часто называют уравнением трансформаторной ЭДС.

Вопрос 32 Магнитные усилители и их характеристики

Управляемый дроссель насыщения можно рассматривать как уси­литель, наиболее характерным свойством которого является усиле­ние мощности. Изменяя относительно небольшой ток в обмотке подмагничивания, а следовательно, и подводимую мощность, можно регулировать значительную мощность на выходе, т.е. мощность, подводимую к приёмнику. По такому же принципу, как управляемые дроссели, работают и магнитные усилители. В отличие от дроссе­лей, магнитные усилители имеют не одну, а ряд обмоток управле­ния (обычно не более десяти), которые включаются на напряжение управления, напряжения обратных связей и другие. На выходе усилителя формируется требуемое управляющее воздействие.

При расчете магнитных усилителей особой внимание обычно обращается на обеспечение требуемого коэффициента усиления по мощности, так как магнитные усилители широко применяются в системах автоматики как усилители мощности.

При включении на выходе приемника Постоянного тока, пере­менный ток обычно выпрямляется при помощи полупроводниковых ди­одов. Характеристика управляемого дросселя симметрична относи­тельно оси тока I (рис. 4.6). Но в ряде случаев требуется, чтобы при увеличении тока обмотки управления от нуля, ток маг­нитного усилителя увеличивался, а при уменьшении - уменьшался в некотором диапазоне. Для получения такой характеристики про­изводят начальное подмагничивание усилителя при помощи обмотки смещения, обтекаемой неизменным током In, как это показано на рис. 4.7,а.

Рис. 4.6. Характеристика управляемого дросселя

Характеристика усилителя оказывается сдвинутой влево или вправо в зависимости от направления тока в обмотке смещения на величину, соответствующую току подмагничивания , приведен­ному к обмотке управления , где W_п /W_oy - отношение чисел витков обмоток смещения и управления (рис. 4.7,а)

Рис. 4.7. Магнитный усилитель с обмоткой смещения (а), смещенная характеристика усилителя (б)

Обычно усилители выполняются с положительными обратными связями, служащими для увеличения коэффициента усиления. Разли­чают внешние и внутренние обратные связи. На рис. 4.8,а изобра­жен усилитель с внешней обратной связью.

Рис. 4.8. Магнитный усилитель с внешней обратной связью (а), построение характеристики магнитного усилителя (б)

Параллельно нагрузке на стороне постоянного тока включен по потенпиометрической схеме шунтирующий резистор R _н, от которого подаётся напряжение на обмотку ОС положительной обратной связи. Напряжение обратной связи может регулироваться.

Ток обмотки I' _ос, приведенной к обмотке управления ОУ, пропорционален току I нагрузки при неизменной форме кривой тока , где b - коэффициент положительной обратной связи. Результи­рующий ток I _рез намагничивания равен сумме токов I _уи I' _ос: Следовательно ток нагрузки для данного тока управления будет со­ответствовать точке пересечения характеристики без обратной свя­зи с прямой , проходящей Через точку А (точка В харак­теристики 2). На рис. 4.8,б, показано графическое определение одной точки характеристики I=f(I _y ) усилителя. В результате подобных построений для разных токов управления получим ха­рактеристику 2 усилителя, с положительной обратной связью.

Из сравнения характеристик 1 и 2 следует, что ток нагрузки при наличии положительной обратной связи, а следовательно, и коэффициент усиления значительно больше, чем при отсутствии обратной связи. Характеристика 2 может быть смещена в желатель­ном направлении при помощи обмотки смещения, не показанной на рисунке.

Магнитные усилители с внутренней обратной связью подмагничиваются постоянной составляющей выпрямленного тока нагрузки (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Для этой цели в каждую из обмоток переменного тока усили­теля включают полупроводниковые диоды. При включении выпрямите­лей в обмотках будут протекать подмагничивающие токи, прибли­зительно равные средним значениям I _cpпеременного тока за полупериод.

Обычно усилители выполняются с внутренней обратной связью. Коэффициентом усиления, наиболее полно характеризующим магнит­ный усилитель, является коэффициент усиления по току K_I

Усилитель не должен самопроизвольно возбуждаться, поэто­му значение K_I b должно быть меньше I, и прямая обратной связи (рис. 4.8,6) должна проходить круче началь­ной части характеристики.

Вопрос 33

Условное обозначение однофазного трансформатора на электрических схемах.

Трансформатор, как следует из обозначения, имеет не менее двух обмоток, связанных друг с другом магнитопроводом.

Наличие ферромагнитного сердечника даёт возможность значительно увеличить магнитный поток, а значит – увеличить мощность, передаваемую из одной цепи в другую. Однако при этом трансформатор становится нелинейным элементом цепи.

При анализе работы трансформатора будем пренебрегать его нелинейностью и представлять напряжения, токи и магнитный поток в виде эквивалентных синусоид.

Процессы, определяющие работу трансформаторов различных типов, по своей природе одни и те же и могут быть изучены на примере работы двух обмоточного трансформатора (рис.5.2).

Рис.5.2.

Обмотка, подключаемая к цепи питания, называется первичной обмоткой, и все её параметры называются первичными: U ₁, I ₁, W₁, P₁

Все параметры, которые относятся к вторичной обмотке, называются вторичными: U ₂, I ₂, W₂, P₂

В трансформаторе различают основной магнитный поток Ф_, замыкающийся по сердечнику и сцепленный как с первичной W₁, так и с вторичной W₂ обмотками трансформатора, и магнитные потоки рассеяния Ф_S1 и Ф_S2, замыкающиеся по воздуху.

Напряжение U₁, подводимое к первичной обмотке, создаёт ток I₁ в первичной обмотке, намагничивающая сила I_1*W₁ которого в свою очередь создаёт магнитный поток

,замыкающийся по стальному магнитопроводу. Этот поток пронизывает витки первичной и вторичной обмотки и наводит в них соответствующие Э.Д.С. Магнитный поток индуцирует в первичной обмотке Э.Д.С. самоиндукции, пропорциональную числу витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

.

Э.Д.С. первичной обмотки отстаёт по фазе от магнитного потока на угол .

(5.1)

Синусоидальный магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой, индуцирует в ней Э.Д.С. взаимоиндукции:

или (5.2)

Е₁ и Е₂ – действующие значения Э.Д.С первичной и вторичной обмоток. Так как частота Э.Д.С. одинакова и индуцируется одним и тем же потоком Ф_m, то первичная обмотка отличается от вторичной только в том случае, если число витков W₁ и W₂ неодинаково.

Таким образом, при подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного тока, на зажимах вторичной обмотки индуцируется переменная Э.Д.С. Е₂ и вторичная обмотка становится источником питания, к которой можно присоединить какой-либо электроприемник.

Отношение первичной Э.Д.С. Е₁ к вторичной Е₂ называют коэффициентом трансформации трансформатора: . (5.2а)

К.П.Д. трансформатора, работающего в номинальном режиме, составляет (98-99)%. Тогда, пренебрегая потерями, можно записать равенство мощности, подводимой к первичной обмотке, и мощности, выделяемой вторичной обмоткой: (5.3)

Из уравнения (5.3.) видно, что отношения (5.4)

У повышающего трансформатора: K < 1

У понижающего трансформатора: K > 1

Трансформаторы сварочных машин являются понижающими, следовательно, у них всегда K > 1

Мощность, передаваемая трансформатором из 1-ой обмотки во 2-ую, обозначается и равна:

,где - мощность, подводимая к 1-ой обмотке от источника; - мощность, рассеиваемая в меди 1-ой обмотки; - мощность, затрачиваемая на вихревые токи и гистерезис магнитопровода. Мощность, отдаваемая трансформатором, в нагрузку, Р₂ равна: , где - мощность, рассеиваемая в меди 2-ой обмотки.

Вопрос 34 Опыт холостого хода трансформатора. Опытом холостого хода называют испытания трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном напряжении первичной. Для проведения опыта холостого хода собирают электрическую цепь в соответствии с

а) б) Рис. 5.7.: а) схема электрической цепи для проведения опыта холостого хода; б) характеристика холостого хода трансформатора (зависимость I₀ и P₀ от U₁)

1.Подводимое к первичной обмотке напряжение U₁ изменяют в пределах: где U_1ном – номинальное первичное напряжение.

2.Со стороны первичной обмотки измеряют U₁, ток холостого хода I₀ и мощность P₀.

3.По этим данным строят зависимости I₀ и P₀ от U₁. (рис 5.7б)

4.Так как U₁ по значению равно E₁ (см. рис.5.6), то

, а с другой стороны ; т.е. описывает кривую намагничивания. Следовательно, , имеет также вид кривой намагничивания.

5.При холостом ходе ток I₂=0, а ток первичной обмотки I₁=I₀ мал, поэтому малы и потери мощности, затрачиваемые на нагрев обмоток.

Измеренная ваттметром мощность есть не что иное, как потери мощности в магнитопроводе, пропорциональные квадрату магнитного потока или напряжения U₁, т.е. а зависимость P₀(U₁) имеет вид параболы.

6.Построенные характеристики позволяют определить: -номинальные значения тока холостого хода I_0ном; -номинальные потери мощности холостого хода P_поном, соответствующие номинальному значению напряжения U_1ном.

Эти важнейшие параметры всегда указываются в паспортных данных трансформатора. По значению этих параметров можно судить о качестве стали магнитопровода и качестве его обработки. Кроме того, из опыта холостого хода можно определить: а) коэффициент трансформации трансформатора: б) зная сечение сердечника S, можно ориентировочно определить число витков : , тогда Поперечное сечение магнитопровода S выбирают так, чтобы при номинальном режиме значение индукции составляло:

Дата добавления: 2015-05-06