ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Глава шестая
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСТРОЙСТВА
Б. МАГНИТНЫЕ  ЦЕПИ С ПЕРЕМЕННОЙ МАГНИТОДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ

6.10. ЯВЛЕНИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В МАГНИТНЫХ ЦЕПЯХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, И  НЕКОТОРЫЕ ИХ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

Магнитными цепями с переменной МДС называются цепи, магнитный поток которых возбуждается намагничивающими обмотками, питаемыми переменным током.

На рис. 6.21, а приведена магнитная цепь некоторого электромагнитного устройства переменного тока. При подключении намагничивающей обмотки к источнику синусоидального напряжения МДС iw катушки возбуждает основной магнитный поток Ф и поток рассеяния Фр (см. § 6.4).

Поскольку напряжение источника изменяется, будут изменяться МДС iw, магнитные потоки Ф и Фσ и в обмотке будут индуктироваться ЭДС самоиндукции

е= - wdФ/dt; ep = - wdФр/dt.

На основании второго закона Кирхгофа для мгновенных значений величин

Как видно, ток обмотки при синусоидальном напряжении зависит не только от напряжения и сопротивления r1 обмотки, но также и от ЭДС е и ер. В гл. 2 было показано, что наличие ЭДС самоиндукции приводит при переменном токе к уменьшению действующего значения тока. Очевидно, обмотки электромагнитных устройств переменного тока должны иметь меньшее сопротивление r1 для получения заданного тока, чем обмотки аналогичных электромагнитных устройств постоянного тока, в которых ЭДС не индуктируются.

Рис. 6.21. Обмотка с ферромагнит- ным магни- топроводом (а) и упрощенное ее изображение (б)

Если обмотку, рассчитанную на определенное действующее значение переменного напряжения, подключить к такому же по значению постоянному напряжению, то ток обмотки окажется недопустимо большим.

У большинства электромагнитных устройств с ферромагнитным магнитопроводом существуют следующие соотношения между максимальными значениями потоков и ЭДС: Фm >> >> Фрm, а поэтому и Еm >> Ерm; кроме того, обычно Еm >> Imr1. Учитывая это, можно сделать вывод о том, что наибольшее влияние на значение тока катушки оказывает ЭДС е от основного магнитного потока Ф.

При питании обмотки переменным током от источника потребляется большая активная мощность, чем потери мощности в активном сопротивлении r1 обмотки, равные ΔРобм = I2r1. Дополнительная мощность, потребляемая от источника, вызвана потерями на гистерезис ΔРг, возникающими вследствие явления гистерезиса при изменении магнитного потока, и потерями на вихревые токи ΔРв, вызванными вихревыми токами iв, возникающими под действием ев, индуктируемых в ферромагнитном материале магнитопровода вследствие изменения в нем магнитною потока (см. поперечное сечение магнитопровода на рис. 6.22, а).

Пути, по которым циркулируют вихревые токи, установить весьма затруднительно, так как они зависят от конфигурации сечения магнитопровода, распределения по сечению магнитной индукции и микроструктуры ферромагнитного материала. Для определения направления ен можно воспользоваться правилом Ленца. Если, например, Ф > 0 и возрастает (рис. 6.22, а), то ев будет направлена в сторону, противоположную указанной на рисунке.

Потери мощности в обмотке ΔРобм называют потерями в меди, поскольку обмотки изготовляются чаще всего из медной проволоки. Потери мощности ΔРс = ΔРг + ΔРв называют потерями в стали или в магнитопроводе.

Потери ΔРобм приводят к совершенно бесполезному нагреванию обмотки, а потери ΔРс — магнитопровода.

Как известно, потери энергии в единице объема ферромагнитного материала за один цикл перемагничивания  Wc0 пропорциональны площади петли гистерезиса.

Рис. 6.22. Сечение магнитопровода из сплошного материала (а) и из отдельных листов (б)

Площадь петли гистерезиса и, следовательно, потери энергии зависят от свойств ферромагнитного материала, максимального значения магнитной индукции, до которой намагничивается материал, а также от частоты перемагничивания. Статическая петля гистерезиса 1 (рис. 6.23), получаемая при весьма медленном изменении напряженности магнитного поля, соответствует наименьшим потерям энергии Wc0, равным практически потерям на гистерезис (Wc0 = Wг0). При увеличении частоты перемагничивания площадь петли и потери энергии возрастают, что объясняется увеличение потерь Wв0 на вихревые токи. В этом случае
Wc0 = Wв0 + Wг0. Для тех же материалов и максимального значения магнитной индукции, что и статическая петля гистерезиса 1 на рис. 6.23, приведена динамическая петля гистерезиса 2, соответствующая некоторой частоте перемагничивания при переменном токе.

Зная объемы Vотдельных участков магнитопровода и соответствующие потери энергии Wc0, можно определить потери . энергии во всем магнитопроводе, а зная частоту переменного тока, — потери мощности в нем. Однако потери энергии и мощности таким образом в инженерной практике не определяют, так как для этого необходимо было бы иметь набор динамических петель гистерезиса для различных материалов, максимальных значений магнитной индукции и частот перемагничивания. Практические способы определения потерь мощности в стали ΔРс рассматриваются в § 6.13.

Рис. 6.23. Статический (1) и динамический (2) циклы магнитного гистерезиса

Для уменьшения потерь на перемагничивание ΔРг магнитопроводы электромагнитных устройств, работающих на переменном токе, изготовляют из магнитномягких ферромагнитных материалов с узкой петлей гистерезиса. Для уменьшения потерь на вихревые токи ΔРв магнитопроводы устройств, работающих при переменном токе частотой 50 Гц, изготовляют не из сплошного материала, как показано на рис. 6.22, а, а из отдельных изолированных друг от друга стальных листов (рис. 6.22, б) толщиной d = 0,35 ÷ 0,5 мм. Это приводит к увеличению сопротивления магнитопровода вихревым токам и к уменьшению этих токов. С той же целью в листовую электротехническую сталь добавляют до 4,8% кремния. Изоляция листов осуществляется путем оксидирования или с помощью лаков. В измерительных устройствах и при более высоких частотах применяется более тонкая листовая электротехническая сталь, а также магнитодиэлектрики и ферриты.

Чтобы составить представление о влиянии толщины листов, из которых изготовляется магнитопровод, на потери мощности в нем, воспользуемся выводом, приводимым обычно в литературе по теории переменного тока. На основании указанного вывода можно сделать заключение о том, что при постоянных значениях частоты переменного тока f и максимальной магнитной индукции Вm потери мощности в одном листе ΔРв,л магнитопровода длиной l и высотой поперечного сечения h (см. рис 6.22, б) примерно пропорциональны третьей степени толщины листа d, т. е. ΔРв,л ≈ kd3.

Если магнитопровод состоит из n листов, то, очевидно, потери в нем будут ΔРв = knd3.

При уменьшении толщины листа, например, вдвое для получения той же площади поперечного сечения магнитопровода (без учета изоляции между листами) необходимо число листов увеличить также в 2 раза. Тогда потери мощности в магнитопроводе составят

Как видно, уменьшение толщины листов приводит к существенному уменьшению потерь мощности от вихревых токов.

Изготовление магнитопроводов из отдельных изолированных листов является одной из важнейших конструктивных особенностей устройств, работающих на переменном токе. В отличие от этого магнитопроводы электромагнитных устройств постоянною тока изготовляются, как правило, из сплошного ферромагнитного материала. Исключением являются некоторые части магнитопроводов электромагнитных устройств постоянного тока, которые по условиям работы подвергаются периодическому перемагничиванию.

Рис. 6.24. К пояснению назначения короткозамкнутого витка

Рассматривая конструктивные особенности электромагнитных устройств переменного тока, следует остановиться на электромагнитах, с помощью которых создаются тяговые усилия в различных устройствах. Когда магнитный поток, созданный под действием МДС втягивающей обмотки, падает до нуля, исчезает и тяговое усилие электромагнита. Естественно, что из-за сил тяжести, действия пружин и т. д. якорь стремится отойти (или отходит) от неподвижной части магнитопровода. Когда магнитный поток возрастает, якорь снова притягивается и т. д. В результате возникают колебания якоря, амплитуда которых зависит от частоты и амплитуды напряжения источника, сил сопротивления перемещению и инерционности всех подвижных частей. Колебания якоря сопровождаются значительным шумом, и результате колебаний может нарушиться соединение контактов коммутационных аппаратов и т. д.

Чтобы исключить это, торцевая часть стержней магнитопровода разрезается и часть площади поперечного сечения стержня 1 охватывается короткозамкнутым витком 2 (рис. 6.24). Магнитный поток Ф, созданный под действием МДС намагничивающей обмотки, делится при этом на две части: одна из них Ф' проходит через площадь стержня S', охваченную корот­козамкнутым витком, другая Ф'' — через площадь S''.

Магнитным потоком Ф' в короткозамкнутом витке индуктируется ЭДС взаимной индукции
ек = - dФ'/dt, под действием которой в витке возникает ток iк . В результате действия МДС намагничивающей обмотки и короткозамкнутого витка через площадь S' будет проходить результирующий магнитный поток Фрез, который отличается от потока Ф' как по значению, так и по фазе. Так как магнитный поток Фрез не совпадает по фазе с потоком Ф', он не будет совпадать по фазе и с потоком Ф''. Вследствие этого оказывается, что когда Ф'' = 0, Фрез ≠ 0 и наоборот. Таким образом, общий магнитный поток стержня и, следовательно, тяговое усилие никогда не снижаются до нулевого значения, благодаря чему и устраняются указанные выше недостатки.