6.1. Катушка с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока

При подключении катушки с ферромагнитным сердечником в цепь переменного тока (рис. 231, а) протекающий по ней ток определяется потоком, который необходимо создать, чтобы индуцируемая в катушке э. д. с. e_L была равна и противоположна по фазе приложенному к ней напряжению. Этот ток называют намагничивающим. Он зависит от числа витков катушки, магнитного сопротивления ее магнитопровода (т. е. от площади поперечного сечения, длины и материала магнитопровода), напряжения и частоты его изменения. При увеличении поданного на катушку напряжения u возрастает поток Ф, сердечник ее насыщается, что вызывает резкое увеличение намагничивающего тока. Следовательно, такая катушка представляет собой нелинейное индуктивное сопротивление X_L, значение которого зависит от приложенного к ней напряжения.

Регулировать индуктивное сопротивление X_L катушки с ферромагнитным сердечником можно не только путем изменения воздушного зазора 8, но и путем подмагничивания ее сердечника постоянным током. Чем больше подмагничивающий ток, тем большее насыщение создается в магнитопроводе катушки и тем меньше ее индуктивное сопротивление Х_L

Рис. 231. Катушка с ферромагнитным сердечником в цепи переменного тока (а), ее вольт-амперные характеристики (б) и кривые тока и напряжения в цепи катушки (е): 1 — при ? = 0; 2 — при некотором ?1; 3 — при ?2> ?1

Рассмотрим цепь переменного тока,  состоящую из катушки с  ферромагнитным сердечником, к зажимам которой приложено синусоидальное  напряжение

    ;  

     Пусть известны число витков катушки W, средняя длина магнитной линии l_ср, сечение сердечника S и  сопротивление обмотки R.

напряженность:

                        

      При гармоническом напряжении амплитуда магнитного потока, замыкающегося по сердечнику, определяется известным выражением:

                           

     где Е - действующее значение ЭДС, наводимой в витках обмотки этим магнитным потоком.

     Поток Ф, замыкающийся по сердечнику, называют основным, кроме него имеется еще магнитный поток рассеяния Ф_s, замыкающийся через воздух (поток рассеяния  может  быть  сцеплен  лишь с частью витков обмотки). Поскольку магнитное сопротивление воздуха значительно больше сопротивления сердечника, вектор Ф_s можно считать совпадающим по фазе с вектором тока I и пропорциональным ему.  В таком случае общий  поток  можно представить как сумму двух составляющих:

               Ф_общ = Ф + Ф_s.

     Каждый из  этих  двух потоков пронизывает витки обмотки и наводит свою ЭДС.  Поток Ф наводит ЭДС, действующее значение которой определяется выражением:

                 Е = 4,44 f W Ф_m

6.2. Трансформатор.

-это система индуктивно связанных катушек.

Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения и переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Потребность трансформирования - повышения и понижения переменного напряжения - вызвана необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Чем выше напряжение, чем при равной мощности источника энергии меньше ток.

По назначению трансформаторы можно разделить на следующие типы:

силовые одно - и трехфазные трансформаторы номинальной мощностью от нескольких единиц до По способу охлаждения силовые трансформаторы подразделяются на масляные и воздушные;

автотрансформаторы - используются для изменения (регулирования) напряжения, имеют, как правило, плавную регулировку выходного напряжения;

измерительные трансформаторы - применяются в качестве элементов измерительных устройств;

трансформаторы специального назначения - применяются в конкретных электротехнических устройствах для различных целей.

Для того чтобы увеличить магнитную связь между первичной и вторичной обмотками и одновременно уменьшить магнитное сопротивление для прохождения магнитного потока, обмотки технических трансформаторов располагают на совершенно замкнутых железных сердечниках.

Предполагая, что первичная и вторичная обмотки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, мы можем на основании общего закола индукции для мгновенных значений электродвижущих сил обмоток написать выражения:

В этих .выражениях w1 и w2 — числа витков первичной и вторичной обмоток, a dФt — величина изменения пронизывающего катушки магнитного потока за элемент времени dt, следовательно есть скорость изменения магнитного потока. Из последних выражений можно получить следующее отношение: e1 / e2 = w1 / w2 т. е. индиктируемые в первичной, и вторичной катушках / и // мгновенные электродвижущие силы относятся друг к другу так же, как числа витков катушек. Последнее заключение справедливо не только по отношению к мгновенным значениям электродвижущих сил, но и к их наибольшим и действующим значениям.

Электродвижущая сила, индуктируемая в первичной, катушке, будучи электродвижущей силой самоиндукции, почти целиком уравновешивает приложенное к той же катушке напряжение. Если через E1 и U1 обозначить действующие значения электродвижущей силы первичной катушки и приложенного к ней напряжения, то можно написать:

Е1 = U1

Электродвижущая сила, индуктируемая во вторичной катушке, равна в рассматриваемом случае напряжению на концах этой катушки.

Если, аналогично предыдущему, через E2 и U2 обозначить действующие значения электродвижущей силы вторичной катушки и напряжения на ее концах, то можно написать:

Е2 = U2

Следовательно, приложив к одной катушке трансформатора некоторое напряжение, можно на концах другой катушки получить любое напряжение, стоит только взять подходящее отношение между числами витков этих катушек. В этом и заключается основное свойство трансформатора.

Отношение числа витковпервичной обмотки к числу витков вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации мы будем обозначать kт.

Следовательно можно написать:

Е1/Е2 = U1/U2 = w1/w2 = kт

Трансформатор, у которого коэффициент трансформации меньше единицы, называется повышающим трансформатором, ибо у него напряжение вторичной обмотки, или так называемое вторичное напряжение, больше напряжения первичной обмотки, или так называемого первичного напряжения. Трансформатор, у которого коэффициент трансформации больше единицы, называется понижающим трансформатором, ибо у него вторичное напряжение меньше первичного.