6.4. Потери в стали для катушки с ферромагнитным сердечником

Ранее были рассмотрены характеристики катушек со сталью без учета потерь в стали, т.е. той части энергии, которая расходуется на нагрев в стали, обусловленный гистерезисом и вихревыми токами. При инженерных расчетах технических устройств, содержащих стальные магнитопроводы и работающих при переменном токе, такое допущение делать нельзя, так как именно этими явлениями и обусловлены потери энергии, значение которых во многом определяет тепловой режим работы устройств. Вихревые токи возникают в стальном магнитопроводе под влиянием электрического поля, наводимого в магнитопроводе переменным магнитным потоком.

Кроме потерь энергии вихревые токи производят размагничивающее действие.

Для уменьшения влияния вихревых токов магнитопровод собирают из отдельных электрически изолированных один от другого листов. Кроме того, для уменьшения вихревых токов листы изготавливаются из специальных сортов электротехнической стали, содержащих различные примеси, снижающие удельную проводимость.

Если пренебречь неравномерностью распределения магнитного потока в поперечном сечении листов, то мощность потерь от вихревых токов

, (6.2)

где – коэффициент , зависящий от сорта стали и толщины листов;

B_m – амплитуда магнитной индукции;

G – масса рассматриваемой части магнитопровода.

Периодическое перемагничивание стали сопряжено с потерями энергии, обусловленными гистерезисом. Мощность потерь от гистерезиса определяется по различным эмпирическим формулам, например:

, (6.3)

где – коэффициент, зависящий от сорта стали;

n = 1,6 при 0,1 < B_m < 1, Тл;

n = 2 при 1 < B_m < 1,6, Тл.

Мощность потерь в стали

. (6.4)

Лекция № 36

6.5. Эквивалентная схема замещения катушки со сталью. Векторная диаграмма

Рассмотрим катушку со стальным магнитопроводом при достаточно низкой частоте, так что емкостью между витками катушки можно пренебречь (рис. 6.8).

Ч асть магнитных линий замыкается помимо магнитопровода, через воздух, и определяет индуктивность рассеяния и индуктивное сопротивление рассеяния . Катушка имеет активное сопротивление R, величина которого зависит от сечения провода, его удельного сопротивления, числа витков катушки и размеров магнитопровода.

Схема замещения катушки со сталью представлена на рис. 6.9.

– ток потерь

– ток намагничивания

Рис. 6.9. Схема замещения катушки со сталью

Токи потерь и намагничивания зависят от числа витков катушки и размеров магнитопровода, а также от характеристик (максимальная индукция, площадь петли гистерезиса, проводимость и толщина листов стали) магнитопровода.

Векторная диаграмма катушки показана на рис. 6.10.

6.6. Феррорезонанс токов и напряжений. Феррорезонансный стабилизатор напряжения

В цепях с нелинейной катушкой индуктивности и конденсатором плавное изменение напряжения может вызвать скачки фазы и амплитуды основной гармоники тока и наоборот – плавное изменение тока может сопровождаться скачкообразным изменением фазы и амплитуды основной гармоники напряжения на некоторых участках цепи.

Явление изменения знака угла сдвига фаз между основными гармониками напряжения и тока источника питания, обусловленное нелинейностью катушек со сталью, носит название феррорезонанса.

При последовательном соединении катушки со стальным магнитопроводом и конденсатора возникает феррорезонанс напряжений, а при параллельном соединении – феррорезонанс токов.

Э то явление используют в феррорезонансных стабилизаторах напряжения, одна из схем которых показана на рис. 6.11. Изменение напряжения питания на зна­чительную величину сопровождается незначительным изменением на­пряжения на катушке. Сущность явления стабилизации заключается в таком изменении параметров

последовательно включенных элементов нелинейной цепи с изменением напряжения питания, при котором относительное изменение напряжения на одном из участков цепи оказывается значительно ниже, чем на входе.

Так в цепи на рис. 6.11 с увеличением напряжения питания ток резко возрастает, и его увеличение приводит к уменьшению индуктивности катушки со стальным сердечником, в то время как емкость конденсатора остается без изменений.

Присоединение приемника к вторичным выводам стабилизатора создает ветвь, параллельную нелинейной катушке, в результате чего ток в катушке уменьшается. С изменением напряжения питания полное сопротивление между выводами 2-2’ изменяется меньше, чем при отсутствии нагрузки, а, следовательно, ухудшаются стабилизирующие свойства цепи.

Коэффициент стабилизации нагруженного стабилизатора обычно ниже, чем в режиме холостого хода

.