Магнитная цепь — последовательность взаимосвязанных магнетиков, по которым проходит магнитный поток. При расчётах магнитных цепей используется почти полная формальная аналогия с электрическими цепями. В схожем математическом аппарате также присутствует закон Ома, правила Кирхгофа и другие термины и закономерности. Магнитная цепь и сопутствующий математический аппарат используется для расчётов трансформаторов, электрических машин, магнитных усилителей и т. п.
Схемы замещения магнитной цепи
Для удобства расчета магнитную цепь заменяют эквивалентной электрической цепью. В электрической схеме замещения м.д.с. заменяется э.д.с, магнитный поток — электрическим током, магнитные сопротивления — электрическими сопротивлениями.
Составим таблицу эквивалентных величин.
Принцип составления схемы замещения магнитной цепи.
Магнитная цепь условно разбивается на участки с равномерным сечением и постоянной магнитной проницаемостью. Затем каждый участок магнитной цепи заменяется элементом электрической цепи, а распределенная на участке МДС заменяется источником ЭДС.
Классификация
В зависимости от источника магнитного потока магнитные цепи подразделяют на поляризованные и нейтральные. В отличие от нейтральных, поляризованные магнитные цепи содержат постоянные магниты.
Закон Ома для магнитной цепи.
В кольцевом магнитопроводе с равномерной обмоткой все поле концентрируется внутри кольца.
Определим в этом случае магнитный поток в магнитопроводе с распределенной обмоткой.
Исходя из соотношений Ф = Bср S и Bср = μа Hср, получим Ф = Bср S = μа Hср S.
(*)
Магнитный поток Ф зависит от произведения IW = F, которое получило название магнитодвижущей силы (МДС).
Величина μ – магнитная проницаемость.
Величину L / (μа S) = Rм – принято назвать магнитным сопротивлением магнитопровода (по аналогии с электрическим сопротвлением r = L / γ S).
Магнитное сопротивление воздуха (зазоров) линейное, т.к. μа = μo = const. Магнитное сопротивление сердечника нелинейно – μа зависит от В.
Если намагничивающую силу F, уподобить действию ЭДС, будет получено соотношение, похожее на выражение закона Ома для цепи постоянного тока. В связи с этим формулу (*) принято назвать законом Ома для магнитной цепи.
Первый закон Кирхгофа для магнитной цепи
Общая форма записи первого закона Кирхгофа для магнитной цепи:
Формулировка: В узле магнитной цепи алгебраическая сумма магнитных потоков равна нулю. Потоки, входящие в узел, берутся со знаком «-», а выходящие из него – со знаком «+».
Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи
В общем случае следует записать:
Величину HkLk называют падением магнитного напряжения, поэтому второй закон Кирхгофа формулируется следующим образом.
В контуре алгебраическая сумма падений магнитных напряжений равна алгебраической сумме магнитодвижущих сил.
Если направление магнитного потока или МДС совпадает с направлением обхода контура, величины HkLk и Ikwk входят в уравнение со знаком «+»; в противном случае ставится знак «-».
17. Трансформаторы, назначение и области применения. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
С помощью трансформаторов повышается или понижается напряжение, изменяется число фаз, а в некоторых случаях преобразуется частота переменного тока. Трансформаторы широко используют для следующих целей.
1.Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6—24 кВ.
2.Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжений на входе и выходе преобразователя. В вентильных преобразователях, выпрямляющих переменный ток или преобразующих его из постоянного в переменный (инверторы), отношение напряжений на входе и выходе зависит от схемы включения вентилей. Поэтому если на вход преобразователя подается стандартное напряжение, то на выходе получается нестандартное. Для устранения этого недостатка вентильные преобразователи, как правило, снабжают трансформаторами, обеспечивающими стандартное выходное напряжение при принятой схеме включения вентилей. Кроме того, ряд схем включения вентилей требует обязательного применения трансформатора. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют преобразовательными
3.Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др. Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжении до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.
4.Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики в телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т. п. Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольтампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.
5.Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи высокого напряжения или в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют измерительными. Они имеют сравнительно небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.
Трансформаторы, перечисленные в п. 1, 2, 3 и частично в п. 4, предназначенные для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электрической энергии, называют силовыми. Для режима их работы характерны неизменная частота переменного тока и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений.
Силовые трансформаторы, выпускаемые отечественными заводами, разделены на несколько групп (габаритов) от I до VIII.
|
Если щетки сдвинуть с геометрической нейтрали, то параллельная ветвь обмотки образуется из секций, имеющих ЭДС разных знаков, а это эквивалентно уменьшению магнитного потока на величину заштрихованных площадок (рис. 6.8). При сдвиге щеток на половину полюсного деления полезный поток и ЭДС обмотки якоря будут равны нулю.
Если включить на зажимы якоря нагрузку, то под действием ЭДС Е потечет ток 
и возникнет электромагнитный момент
.
Подставляя сюда выражение для ЭДС (6.1), получим
, (6.2)
где 
.
Как следует из (6.2), электромагнитный момент пропорционален произведению потока, сцепленного с секциями параллельной ветви, на ток якоря. Величина электромагнитного момента, так же как и ЭДС Е, снижается при сдвиге щеток с геометрической нейтрали, так как уменьшается магнитный поток Ф, сцепленный с секциями параллельной ветви. На величину потока Ф оказывает влияние также поток реакции якоря, создаваемый током нагрузки 
. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Устройство и принцип действия однофазного трансформатора
Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
Чаще всего применяются однофазные и трехфазные трансформаторы. Трансформаторы с другим числом фаз используются в специальных устройствах.
В зависимости от назначения трансформаторы имеют некоторые особенности в конструкции и режимах работы.
Простейший трансформатор (рис. 12.1) состоит из магнитомягкого замкнутого магнитопровода (сердечника) и двух обмоток.
Магнитопровод служит для концентрации и прохождения магнитного потока. Он должен обладать минимальным сопротивлением магнитному потоку и выполняться из магнитомягкого ферромагнитного материала.
Рис. 12.1 Простейший однофазный трансформатор (магнитопровод стержневого типа)
Ферромагнетики, попадая во внешнее магнитное поле, создают свое магнитное поле, поток которого намного больше потока катушки.По конструкции магнитопроводы бывают стержневого (рис. 12.1) и броневого (рис. 12.2) типов.
Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 и 0,35 мм горячекатаной прокатки (1411,1511) или холоднокатаной прокатки (3411, 3412, 3413 и др.).
У листов холоднокатаной стали сопротивление Rm по направлению проката меньше.
Сердечники, набранные из листов стали, называются шихтованными.
Шихтованные сердечники изготовляют встык (рис. 12.3, а) и впереплет (рис. 12.3, б). На сердечники, изготовленные встык, упрощается посадка обмотки, их применяют в трансформаторах малой мощности.
Для уменьшения воздушных зазоров используют ленточные сердечники (рис. 12.3, в).
Рис. 12.3. Магнитопроводы уложенные встык (а); впереплет (б); ленточный (в)
Принцип действия трансформатора основан на законе электромаг-нитной индукции.
К первичной обмотке трансформатора подключается переменное напряжение u1, по ней потечет переменный ток i1, который создаст магнитодвижущую силу (мдс) i1W1. Мдс в свою очередь создаст переменный магнитный поток, который, замыкаясь по магнитопроводу, будет наводить в обеих обмотках электродвижущую силу. В первичной обмотке возникает эдс самоиндукции, а во вторичной – эдс взаимной индукции
u1 ® i1 ® F1=W1i1 ® (Ф0+Фб),
где Ф0 – основной магнитный поток, пересекающий обе обмотки; Фб – поток рассеяния, пересекающий только одну обмотку (см. рис. 12.1);
| Ф0 | 
| |
|