Магнитные цепи электротехнических устройств переменного тока

Рассмотрим электромагнитное состояние устройства, состоящего из магнитопровода и намагничивающей обмотки, подключенной к источнику синусоидального напряжения.

Под действием приложенного напряжения u возникает ток i, возбуждающий переменный магнитный поток Ф_t. При упрощенном анализе будем пренебрегать полями рассеяния Ф_d.

Поток Ф_t наводит в витках обмотки ЭДС самоиндукции условно-положительное направление которой выбирают одинаковым с направлением тока i в обмотке. Учитывая, что обмотка обладает электрическим сопротивлением R_К для схемы замещения дросселя, показанной на рисунке, можно записать уравнение электрического состояния:

Пренебрегая сопротивлением обмотки (R_К=0), можно записать:

Предположим, что входное напряжение изменяется по закону можно записать:

или

Решая последнее уравнение можно определить закон изменения магнитного потока:

,

где

есть амплитудное значение магнитного потока.

Из него следует, что амплитуда магнитного потока определяется частотой , амплитудой приложенного напряжения U_m, а также числом витков обмотки w. Увеличив частоту переменного тока, соответственно уменьшится амплитуда магнитного потока, а чем меньше магнитный поток, тем, в частности, меньших размеров требуется магнитопровод трансформатора переменного тока. В связи с этим в источниках питания современной компактной электронной техники и многих других устройствах, например в т.н. инверторных сварочных трансформаторах, применяется преобразование частоты переменного тока 50 Гц в частоты на несколько порядков большие.

Амплитуда магнитного потока не зависит от вида и характеристик В(Н) магнитопровода и величины намагничивающего тока i.

Изобразим значения Ф_t, u¹ и е_Р в виде векторов на векторной диаграмме:

Отметим, что вектор потока Ф_m на 90° отстает от вектора напряжения U¹.

Таким образом, если к обмотке идеализированной индуктивной катушки с магнитопроводом подвести синусоидальное напряжение, то в магнитной цепи возникнет магнитный поток, изменяющийся также по синусоидальному закону, но отстающий от напряжения на угол 90°.

Трансформаторы

Трансформатор - это электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменных токов и напряжений при передаче электрической энергии от источника к потребителю. При преобразовании выполняется закон сохранения энергии: мощность отдаваемая потребителю приблизительно равна мощности получаемой трансформатором из сети:

где S₂ и S₁ - соответственно, полная мощность отдаваемая потребителю и полная мощность потребляемая из сети;

I₁, I₂ - токи первичной и вторичной обмоток;

U₁, U₂ - напряжения первичной и вторичной обмоток.

Трансформатор изобретен в 1876 году русским электротехником П.Н. Яблочковым.

По назначению различают следующие типы трансформаторов:

1 Силовые - для преобразования электрической энергии при ее передаче и распределении;

2 Силовые специальные - например, сварочные;

3 Автотрансформаторы - для регулирования напряжения на зажимах потребителей;

4 Измерительные - для расширения пределов измерения измерительных приборов.

Все виды трансформаторов низкой частоты имеют замкнутый магнитопровод с двумя или более обмотками на нем. Обмотку, включенную на напряжение источника питания (сети), называют первичной, обмотку, к которой подключен приемник - вторичной. Обмотки различают также по напряжению: обмотка высшего напряжения (ВН), обмотка низшего напряжения (НН). Магнитопровод собирают из тонких пластин или ленты электротехнической стали с хорошей магнитной проницаемостью и небольшими удельными потерями от гистерезиса и вихревых токов.