Вихревые токи в трансформаторе: Вихревые токи трансформаторов | Техника и Программы

Содержание

Вихревые токи трансформаторов | Техника и Программы

Паразитные вихревые токи в обмотках и сердечнике в значительной мере ответственны за потери, особенно в трансформаторах на большие токи и при нелинейной нагрузке. На Рис. 7.9 показаны пути этих токов в проводниках. Магнитное поле, обозначенное знаком «+», перпендикулярное к направлению проводника, индуцирует напряжения, вызывающие протекание вихревых токов в своих петельках. Напряжения в смежных проводниках уничтожают другдруга в середине. Но тем не менее остаются токи, которые текут вдоль радиальной поверхности проводников, что увеличивает омические потери в обмотках по сравнению с потерями от тока, протекающего вдоль проводника обмотки.

Перекладка проводов с помощью полупетли в середине обмотки уменьшает вихревые токи, так как индуцируемые напряжения противопо-

Рис. 7.9. Перекладка проводов для уменьшения вихревъа: токов

ложны в месте скрутки. Провода для больших токов часто делают из двух или трех проводников, собранных в бифилярную или трифилярную скрутку. Перекладка проводов используется с ранних дней телефонии для уменьшения перекрестнъюс искажений и взаимодействия между линиями питания. В линиях передачи энергии на большие расстояния перекладка проводов применяется для обеспечения фазовой балансировки.

Вихревые токи в сердечнике также вносят свой вклад в потери. Хотя магнитное поле и направлено в плоскости пластин, вихревые токи текут в их поперечном сечении, как показано на Рис. 7.10. Эти токи могут быть уменьшены при уменьшении толщины пластин сердечника, что и используется в высокочастотных трансформаторах. Однако из практических соображений, касающихся цены и удобства обращения, наиболее распространенным является применение пластин из кремнистого железа толщиной 0.014 дюйма (0.356 мм). Однако в некоторых специальных случаях используются пластины толщиной 0.001…0.002 дюйма (0.0254…0.051 мм). На уникальном оборудовании завода «Сендцимер» (Sendzimer) их прокатывают, а затем нарезают, как часовые пружинки, для производства тороидальных сердечников. Сплав, используемый в этом случае, может содержать никель и (или) молибден.

Если напряжение в первичной обмотке или ток во вторичной обмотке содержат гармонические составляющие, то потери из-за вихревых токов могут значительно увеличиться. В первом случае это происходит из-за увеличения потерь в сердечнике, а во втором — из-за увеличения омических потерь в проводах. Широкое распространение драйверов электродвигателей с регулировкой скорости вращения, которые обычно создают воз-

Рис. 7.10. Вихревые токи в пластиие сердечника

мущения в цепи их питания, привело к необходимости разработки стандартов на способность трансформаторов работать с большим содержанием гармоник в токе вторичной цепи. Эта способность характеризуется коэффициентом k, определяемым как

где n — номер гармоники, а /„ — среднеквадратичное значение тока на этой гармонике. Основная гармоника при этом — I\. Стандартные конструкции имеют k = A и k = 13. Например, ток вторичной цепи, содержащий 20% пятой и 14% седьмой гармоник, будет иметь & = [1+(0.2х5)

2 + (0.14х7)2] = 3. Если содержание гармоник убывает обратно пропорционально к основной, коэффициент k растет линейно с добавлением каждой гармоники. Важно отметить, что нет надежных способов оценить возможность применения стандартного трансформатора в цепях с нелинейными токами.

Как показано на Рис. 7.11, магнитное поле в трансформаторе увеличивается от нуля в зоне внутренних витков первичной обмотки до максимума в зоне ее внешних витков, а затем спадает до нуля в зоне внешних витков вторичной обмотки. Вихревые токи пропорциональны магнитному полю, а потери — квадрату токов и, следовательно, поля. По этой причине потери из-за вихревых токов в основном сконцентрированы вблизи зазора между первичной и вторичной обмотками.

Для устранения проникновения во вторичную цепь трансформаторов синфазных помех из первичной сети часто применяют заземленный экран из медной фольги, размещаемый между первичной и вторичной обмотками. Этот экран называют электростатической защитой, или экраном Фарадея. Этот экран может вызвать проблемы, если первичная и вторичная обмотки имеют разную длину в аксиальном направлении или вторичная обмотка состоит из нескольких секций, используемых не одновременно. В обоих случаях часть магнитного поля проходит радиально через экран, что может привести к его перегреву и, как следствие, к повреждению изоляции. Этот случай был упомянут в самом начале этой главы.

Рис. 7.11. Потери из-за вихревых токов в обмотках

Рис. 7.12. Нагрев вихревыми токами экранов Фарадея из различпыхматериалов

Поскольку приходилось неоднократно встречаться с такой проблемой, это подтолкнуло автора к проведению ряда экспериментов по определению реакции ряда материалов, из которых мог бы быть изготовлен экран Фарадея, на воздействие магнитного поля, перпендикулярного поверхности образцов. На катушку, возбуждавшую магнитное поле, подавался переменный ток частотой 60 Гц. Температура образцов измерялась с помощью термопары. Результаты приведены на Рис. 7.12. Интересно, что сетка из того или иного металла обеспечивала практически такую же электростатическую защиту, как и сплошной лист, а сопротивление экрана имело небольшое значение. В соответствии с результатами, приведенными на Рис. 7.12, в компании, где работал автор, в качестве стандартного материала для экранов Фарадея было принято использовать монель или нержавеющую сталь.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

применение в промышленности — Asutpp

Детали из металла у автомобиля или разнообразных электрических устройствах, имеют способность двигаться в магнитном поле и пересекаться с силовыми линиями. Благодаря этому образовывается самоиндукция. Предлагаем рассмотреть аномальные вихревые токи фуко, потоки воздуха, их определение, применение, влияние и как уменьшить потери на вихревые токи в трансформаторе.

Из закона Фарадея следует, что изменение магнитного потока производит индуцированное электрическое поле даже в пустом пространстве.

Если металлическая пластина вставляется в это пространство, индуцированное электрическое поле приводит к появлению электрического тока в металле. Эти индуцированные токи называются вихревые токи.

Фото: Вихревые токи

Токи Фуко – это потоки, индукция которых проводится в проводящих частях разнообразных электрических приборах и машинах, блуждающие токи Фуко особенно опасны для пропуска воды или газов, т.к. их направление невозможно контролировать в принципе.

Если индуцированные встречные токи создаются изменяющимся магнитным полем, то токи вихревые будут перпендикулярны к магнитному полю, и их движение будет производиться по кругу, если данное поле однородно. Эти индуцированные электрические поля очень сильно отличаются от электростатических электрических полей точечных зарядов.

Практическое применение вихревых токов

Вихревые токи полезны в промышленности для рассеивания нежелательной энергии, например у поворотного кронштейна механического баланса, особенно если сила тока очень высокая. Магнит в конце опоры настраивает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу кронштейна, скажем, ansys.

Схема: вихревые токи

Вихревые потоки, как учит физика, могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные приспособления и механизмы на поезде около рельсов специально настроены для создания вихревых токов. Благодаря движению тока, получается плавный спуск системы и поезд останавливается.

Закрученные токи вредны в измерительных трансформаторах и для человека. Металлический сердечник используется в трансформаторе, чтобы увеличить поток. К сожалению, вихревые токи, полученные в якоре или сердечнике, могут увеличить потери энергии. Построив металлическую сердцевину чередующихся слоев из проводящих и не проводящих энергию, материалов, размер индуцированных петель уменьшается, таким образом, уменьшая потери энергии. Шум, который производит трансформатор при работе, является следствием именно такого конструктивного решения.

Видео: вихревые токи Фуко

Еще один интересный использования вихревой волны – применение их в электросчетчиках или медицине. В нижней части каждого счетчика расположен тонкий алюминиевый диск, который всегда вращается. Это диск движется в магнитном поле, так что там всегда есть вихревых токи, цель которых замедлить движения диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перепадов.

Вихри и скин-эффект

В том случае, когда возникают очень сильные вихревые токи (при высокочастотном токе), в телах плотность тока становится значительно меньше, чем на их поверхностях. Это так называемый скин эффект, его методы используются для создания специальных покрытий для проводов и в трубах, которые разрабатываются специально для вихре-токов и тестируются в экстремальных условиях.

Это доказал еще ученый Эккерт, который исследовали ЭДС и трансформаторные установки.

Схема индукционного нагрева

Принципы вихревых токов

Катушка из медной проволоки является распространенным методом для воспроизведения индукции вихревых токов. Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. Магнитные поля образуют линии вокруг провода и соединяются, образуя более крупные петли. Если ток увеличивается в одной петле, магнитное поле будет расширяться через некоторые или все из петель проволоки, которые находятся в непосредственной близости. Это наводит напряжение в соседних петлях гистерезис, и вызывает поток электронов или вихревые токи, в электропроводящем материале. Любой дефект в материале, включая изменения в толщине стенки, трещин, и прочих разрывов, может изменить поток вихревых токов.

Закон Ома

Закон Ома является одним из самых основных формул для определения электрического потока. Напряжение, деленное на сопротивление, Ом, определяет электрический ток, в амперах. Нужно помнить, что формулы для расчета токов не существует, необходимо пользоваться примерами расчета магнитного поля.

Индуктивность

Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. С увеличением тока, катушка индуцирует циркуляцию (вихревых) потоков в проводящем материале, расположенном рядом с катушкой. Амплитуда и фаза вихревых токов будет меняться в зависимости от загрузки катушки и ее сопротивления. Если поверхность или под поверхностью возникнет разрыв в электропроводном материале, поток вихревых токов будет прерван. Для его налаживания и контроля существуют специальные приборы с разной частотой каналов.

Магнитные поля

На фото показано, как вихревые электрические токи образуют магнитное поле в катушке. Катушки, в свою очередь, образуют вихревые токи в электропроводном материале, а также создавают свои собственные магнитные поля.

Магнитное поле вихревых токов

Дефектоскопия

Изменение напряжения на катушке будет влиять на материал, сканирование и исследование вихревых токов позволяет производить прибор для измерения поверхностных и подповерхностных разрывов. Несколько факторов будут влиять на то, какие недостатки могут быть обнаружены:

  1. Проводимость материала оказывает значительное воздействие на пути следования вихревых токов;
  2. Проницаемость проводящего материала также имеет огромное влияние из-за его способности быть намагниченным. Плоскую поверхность гораздо легче сканировать, чем неровную.
  3. Глубина проникновения имеет очень большое значение в контроле вихретоков. Поверхность трещины гораздо легче обнаружить, чем суб-поверхностного дефекта.
  4. Это же касается и площади поверхности. Чем меньше площадь – тем быстрее происходит образование вихревых токов.

Обнаружение контура дефектоскопом

Существуют сотни стандартных и специальных зондов, которые производятся для конкретных типов поверхностей и контуров. Края, канавки, контуры, и толщина металла вносят свой вклад в успех или провал испытаний. Катушка, которая расположена слишком близко к поверхности проводящего материала будет иметь наилучшие шансы на обнаружение разрывов. Для сложных контуров катушка вставляется в специальной блок и прикрепляется к арматуре, что позволяет пройти ток через неё и проконтролировать его состояние. Многие устройства требуют специальных формованных изделий зонда и катушки, чтобы приспособиться к неправильной форме детали. Катушка также может иметь специальную (универсальную) форму, чтобы соответствовать конструкции детали.

Уменьшаем вихревые токи

Для того чтобы уменьшить вихревые токи катушек индуктивности нужно увеличить сопротивление в этих механизмах. В частности рекомендуется использовать лицендрат и изолированные провода.

их применение, определение в трансформаторе

Каждый человек, который изучает электродинамику и другие разделы науки об электричестве, сталкивается с таким понятием, как вихревые токи. Что это такое, какие есть свойства вихревых токов, как определить их в трансформаторе? Об этом и другом далее.

Суть явления

Вихревые или токи фуко — это те, которые протекают из-за воздействия переменного магнитного поля. При этом изменяется не само поле, а проводниковое положение данного поля. То есть если будет происходить проводниковое перемещение статичного поля, то в нем все равно будет образовываться энергия.

Токи Фуко

Фуко возникают там, где изменяется переменное магнитное поля и фактически они ничем не отличаются от энергии, идущей по проводам, или вторичных электрических трансформаторных обмотков.

Определение из учебного пособия

Свойства вихревых токов

Стоит отметить, что вихревая энергия не отличается от индукционной проводной. По направлению и силе Фуко зависит от металлического проводникового элемента, от того, в каком направлении идет переменный магнитный поток, какие имеет свойства металл и как изменяется магнитный поток. При этом токовое распределение очень сложное.

В проводниковых объектах, имеющих габаритные объемы, токи бывают большими, из-за чего значительно повышается температура тела.

Токовая энергия способна создавать нагревание проводника для индукционной печи и металлического плавления. Подобно другим индукционным разновидностям, Фуко взаимодействуют с первичным магнитным полем и тормозят индуктивное движение.

Нагревание как одно из свойств

Полезное и вредное действие

Имеют токи фуко полезное и вредное действие. Они нагревают и плавят металлы в области вакуума и демпфера, но в то же время происходят энергопотери в области трансформаторных сердечников и генераторов из-за того, что выделяется большое количество тепла.

Полезное действие индукционных токов

Как определить в трансформаторе

Узнать, где находятся вихревые токи в трансформаторе, несложно. Как правило, они располагаются в трансформаторных сердечниках. Когда замыкаются в сердечниках, то нагревают их и создают энергию. Поскольку появляются в плоскостях, которые перпендикулярны магнитному потоку по характеристике, происходит трансформаторное уменьшение сердечников.

Обратите внимание! Для их измерения используются изолированные стальные пластины.

Определение в трансформаторе

Применение

Нашли вихревые токи применение в электромагнитной индукции. Они используются для того, чтобы тормозить вращающиеся массивные детали. Благодаря магнитоиндукционному торможению они также применяются, чтобы успокоить подвижные части электроизмерительных приборов, в частности, чтобы создать противодействующий момент и притормозить подвижную часть электросчетчиков.

Также используются они в магнитном тормозном диске на электрическом счетчике. В ряде случаев применяются в технологических операциях, которые невозможны без применения высоких частот. К примеру, при откачке воздуха из вакуумных приборов и баллонов с газом. Кроме того, они нужны, чтобы полностью обезгаживать арматуру в высокочастотном генераторе.

Применение в проводниках

Способы уменьшения блуждающих токов

Чтобы уменьшить блуждающие фуковые токи, нужно максимальным образом сделать увеличение сопротивления на токовом пути с помощью заполнения дистиллированной водой циркуляционной системы и встраивания изоляционных шлангов трубопроводов у теплового обменника и вентиля.

Стоит отметить, что нахождение их в электромашинах нежелательно из-за нагрева сердечников и создания энергопотери, поскольку по закону Леннца они размагничивают эти устройства. Чтобы уменьшить их вредное воздействие, используется несколько методов.

Так сердечники машин делают из стали и изолируют друг от друга при помощи лаковой пленки, окалины и прочих материалов. Благодаря этому они не распространяются. Кроме того, поперечный вид сечения на каждом отдельном проводнике уменьшает токовую силу.

В некоторых приборах в качестве сердечников используются катушки с отожженой железной проволокой. При этом полоски на них идут параллельно тем линиям, которые расположены на магнитном потоке.

Обратите внимание! Ограничение вихревой энергии происходит изолирующими прокладками, то есть жгуты состоят из отдельных жил, изолированных между собой.

Уменьшение токовой силы

Возможные проблемы

Вихревые виды проводят энергию и рассеивают ее, выделяя джоулевую теплоту. Такая энергия ротора асинхронной двигательной установки готовится из фурромагнетиков и способствует нагреву сердечников.

Чтобы бороться с подобным явлением, сердечники создаются из тонкой стали, покрываются изоляцией и устанавливаются поперек пластин. Если пластины имеют небольшую толщину, они обладают малой объемной плотностью. Благодаря ферритам и веществам, имеющим большое магнитосопротивление, сердечники делаются сплошными. Направление их ослабляет энергию внутри провода.

В результате он неравномерный. Это явление скин-эффекта или поверхностного эффекта, из-за которого внутренний проводник бесполезен, и в цепях, где есть большая частота, используются проводниковые трубки.

Обратите внимание! Скин-эффект применяется для того, чтобы разогревать поверхностный металл для металлической закалки. При этом закалка может быть проведена на любой глубине.

Проблемы, вызванные индукционными токами

Фуко являются индукционными токами, которые возникают в крупных проводниках сплошного типа. Обозначаются буквой ф. Они имеют свойство нагрева проводников. В результате чего они чаще используются в индукционного типа печах. Важно отметить, что способны генерировать магнитное поле. В этом механизм их работы. В некоторых случаях они полезны, в других нежелательны. В любом случае они используются во многих устройствах.

Для уменьшения вихревых токов используют сердечники трансформаторов

В электрических аппаратах, приборах и машинах металлические детали иногда движутся в магнитном поле или неподвижные металлические детали пересекаются силовыми линиями меняющегося по величине магнитного поля. В этих металлических деталях индуктируется ЭДС самоиндукции.

Под действием этих э. д. с. в массе металлической детали протекают вихревые токи (токи Фуко) , которые замыкаются в массе, образуя вихревые контуры токов.

Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.

Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его. Кроме того, они вызывают нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии.

Пусть имеется сердечник из металлического материала. Поместим на этот сердечник катушку, по которой пропустим переменный ток. Вокруг катушки окажется переменный магнитный ток, пересекающий сердечник. При этом в сердечнике станет наводиться индуцированная ЭДС, которая, в свою очередь, вызывает в сердечнике токи, называемые вихревыми. Эти вихревые токи нагревают сердечник. Так как электрическое сопротивление сердечника невелико, то наводимые в сердечниках индуцированные токи могут оказываться достаточно большими, а нагрев сердечника — значительным.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д.Ф. Араго (1786 — 1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции.

Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819 — 1868) и названы его именем. Он назвал явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

В качестве примера на рис унке показаны вихревые токи, индуктируемые в массивном сердечнике, помещенном в катушку, обтекаемую переменным током. Переменное магнитное поле индуктирует токи, которые замыкаются по путям, лежащим в плоскостях, перпендикулярных направлению поля.

Вихревые токи: а — в массивном сердечнике, б — в пластинчатом сердечнике

Способы уменьшения токов Фуко

Мощность, затрачиваемая на нагрев сердечника вихревыми токами, бесполезно снижает КПД технических устройств электромагнитного типа.

Чтобы уменьшить мощность вихревых токов, увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, для этого сердечники набирают из отдельных тонких (0,1- 0,5 мм) пластин, изолированных друг от друга с помощью специального лака или окалины.

Магнитопроводы всех машин и аппаратов переменного тока и сердечники якорей машин постоянного тока собирают из изолированных друг от друга лаком или поверхностной непроводящей пленкой (фосфатированных) пластин, выштампованных из листовой электротехнической стали. Плоскость пластин должна быть параллельна направлению магнитного потока.

При таком делении сечения сердечника магнитопровода вихревые токи существенно ослабляются, так как уменьшаются магнитные потоки, которыми сцепляются контуры вихревых токов, а следовательно, понижаются и индуктируемые этими потоками э. д. с, создающие вихревые токи.

В материал сердечника также вводят специальные добавки, также увеличивающие его электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления ферромагнетика электротехническую сталь приготовляют с присадкой кремния.

Сердечники некоторых катушек (бобин) набирают из кусков отожженной железной проволоки. Полоски железа располагают параллельно линиям магнитного потока. Вихревые же токи, протекающие в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, ограничиваются изолирующими прокладками. Для магнитопроводов приборов и устройств, работающих на высокой частоте, применяют магнетодиэлектрики. Чтобы снизить вихревые токи в проводах, последние изготавливают в виде жгута из отдельных жил, изолированных друг от друга.

Лицендрат — это система переплетенных медных проводов, в которой каждая жила изолирована от соседних. Лицендрат предназначен для использования на высокочастотных токах для предотвращения возникновения паразитных токов и токов Фуко.

Применение токов Фуко

В ряде случаев вихревые токи используются в технике, например для торможения вращающихся массивных деталей. Электродвижущая сила, наводимая в элементах детали при пересечении магнитного поля, вызывает в ее толще замкнутые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, создают значительные противодействующие моменты.

Широко применяется также такое магнитоиндукционное торможение для успокоения движения подвижных частей электроизмерительных приборов, в частности для создания противодействующего момента и торможения подвижной части электрических счетчиков.

В этих приборах диск, укрепленный на оси счетчика, вращается в зазоре постоянного магнита. Наводимые в массе диска при этом движении вихревые токи, взаимодействуя с потоком того же магнита, создают противодействующий и тормозящий моменты.

Например, вихревые токи нашли в устройстве магнитного тормоза диска электрического счетчика. Вращаясь, диск пересекает магнитные силовые линии постоянного магнита. В плоскости диска возникают вихревые токи, которые, в свою очередь, создают свои магнитные потоки в виде трубочек вокруг вихревого тока. Взаимодействуя с основным полем магнита, эти потоки тормозят диск.

В ряде случаев, применяя вихревые токи, можно использовать технологические операции, которые невозможно применить без токов высокой частоты. Например, при изготовления вакуумных приборов и устройств из баллона необходимо тщательно откачать воздух и иные газы. Однако в металлической арматуре, находящейся внутри баллона, имеются остатки газа, которые можно удалить только после заваривания баллона.

Для полного обезгаживания арматуры вакуумный прибор помещают в поле высокочастотного генератора, в результате действия вихревых токов арматура нагревается до сотен градусов, остатки газа при этом нейтрализуются.

Примером полезного применения вихревых токов, вызываемых переменным полем, могут служить электрические индукционные печи. В них магнитное поле высокой частоты, создаваемое обмоткой, которая окружает тигель, наводит вихревые токи в металле, находящемся в тигле. Энергия вихревых токов трансформируется в тепло, плавящее металл.

Трансформатор — это статический электромагнитный аппарат,

служащий для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока того же или иного напряжения при сохранении частоты тока.

повышающих трансформаторов — силовые трансформаторы (от единиц до нескольких сотен тысяч киловольт-ампер) и

понижающих трансформаторов — трансформаторы малой мощности

A0—300 ВА). Первые используют в сетях распределения электри-

ческой энергии, последние — в разных областях новой техники:

в радиоэлектронике, автоматике, реактивной технике и т. д.

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального

сердечника (рис. 3-1) и двух обмоток — первичной с числом вит-

ков w1 и вторичной с числом витков w2.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

;

.

Векторная диаграмма идеального трансформатора приведена на рисунке

ХОЛОСТОЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка разомкнута, Рис. 1 , называют холостым режимом или холостым

ходом (трансформатор работает без нагрузки).

Именно такой режим работы был рассмотрен в предыдущем параграфе. Однако там мы пренебрегли нелинейностью кривой намагничивания стального сердечника, явлением гистерезиса и токами Фуко, действием потоков рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмотки.

Нелинейность кривой намагничивания

Нелинейность зависимости первичного тока от магнитного

потока, из-за которой намагничивание сердечника заходит в об-

ласть магнитного насыщения, приводит к тому, что ток в первич-

ной обмотке становится несинусоидальным.

В соответствии с теоремой Фурье всякий периодический несинусоидальный ток может быть представлен бесконечным рядом, состоящим из постоянной

составляющей и суммы переменных составляющих с возрастающими кратными частотами и убывающими амплитудами. Их называют гармоническими составляющими или гармониками;

В зависимости от конкретной задачи такое разложение:

может не иметь постоянной составляющей;

начальные фазы гармоник могут быть равными нулю или отличаться на п;

может иметь только четные или только нечетные гармоники.

Так, несинусоидальный ток, получающийся в результате нелинейности кривой намагничивания сердечника трансформатора, в соответствии с теоремой Фурье может быть представлен в виде суммы двух первых нечетных гармоник (первой и третьей, рис. 3-4) или заменен «эквива-

лентной синусоидой» (см. рис. 3-3). Эквивалентный ток, сдвинутый по фазе относительно приложенного напряжения на —π, поддерживает магнитный поток и является чисто реактивным током. Его называют намагничивающим током .

Гистерезис также влияет на форму тока.

Как известно, в ферромагнетике, подвергнутом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. В результате ток i в катушке (рис. 3-5) оказывается несинусоидальным и сдвинутым по фазе относительно потока на некоторый небольшой угол потерь (7°). Этот ток может быть представлен в виде суммы двух токов — намагничивающего тока Iн (реактивный ток) и тока от гистерезиса ir (активный ток). Появление тока Iг понятно из физической сущности явления гистерезиса: на перемагничивание сердечника затрачивается энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта энергия идет на нагревание сердечника. Для уменьшения потерь на гистерезис сердечники электрических машин переменного тока изготавливают из специальной трансформаторной стали.

Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, возникают и в сердечниках трансформаторов. Замыкаясь в толще сердечника, эти Рис. 5 токи нагревают их, создавая потери энергии. Поскольку вихревые токи возникают в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока,то для уменьшения этих токов сердечники трансформаторов иабирают из отдельных изолированных друг от друга стальных пластин.

Потоки рассеяния в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Поскольку потоки рас-

сеяния Фр1 (рис. 3-6) замыкаются в основном через воздух, то их можно считать пропорциональными создающим их токам. Потоки рассеяния составляют лишь около 0,25% от основного магнитного потока трансформа-

Активное сопротивление первичной цепи создает потери за счет активного тока, нагревающего обмотку. Для уменьшения этих потерь обмотки машин

выполняют, как правило, из меди.

Для холостого режима трансформатора, с учтем все виды потерь, для первичной обмотки, на основании второго закона Кирхгофа можно составить следующее уравнение :

где ul _ подведенное напряжение; е1 — ЭДС самоиндукции в пер-

вичной обмотке, ер1 —ЭДС от потоков рассеяния.

Перепишем уравнение в векторной форме:

и

Построим векторную диаграмму:

Для построения в качестве основного возьмем вектор магнитного потока Фо (рис. 3-7). Из-за потерь на гистерезис и на вихревые токи этот поток отстает от создавшего его тока I1 на угол потерь б (5—7°). Кроме того, ток I1 создает еще поток рассеяния Фр1, замыкающийся через воздух и потому совпадающий по фазе с током I1. Поток Фо индуцирует в обмотках трансформатора ЭДС , отстающие от него по фазе на , а поток Фр1 также индуцирует в обмотке ЭДС рассеяния &р1, отстающую от него по фазе на — . и Uu получим

треугольник внутреннего падения напряжения в первичной обмот-

ке, гипотенуза которого Uл = 101гх есть полное падение напряже-

ния в первичной обмотке от тока холостого хода, а катетыи

векторы падений напряжений соответственно на индуктивном и активном сопротивлениях.

Поэтому приложенное к первичной обмотке напряжение U1 уравно-

вешивается в основном ЭДС , тогда

где k — коэффициент трансформации (отношение высшего напряже-

Режим холостого хода используется для определения:

коэффициента трансформации k и

потерь в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, на так называемые «потери в стали».

РАБОЧИЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором во вторичную

обмотку включена нагрузка, называют рабочим режимом или ре-

Но если во вторичную обмотку включить какую-нибудь нагрузку, в ней появится ток /2, возбуждающий в том же сердечнике свой магнитный поток Ф2 (рис. 3-8), размагничивающе действующий на сердечник (в

соответствии с законом Ленца).

Построим векторную диаграмму нагруженного трансформатора.

Построение начнем с основного магнитного потока в сердечнике Фо (рис 3-9). Он остается практически неизменным в процессе работы и отстает от тока холостого хода /01 на угол потерь на гистерезис δ (5—7°).

Характером и значением нагрузки во вторичной обмотке опреде-

ляется значение вторичного тока /2 и угол φ 2.

Для нахождения длины и положения вектора тока в первичной

обмотке 1г надо вектор тока холостого хода /01 сложить с век-

тором некоторого добавочного тока / 2 в этой же обмотке, обусло-

вленного нагрузкой трансформатора .

Вторичный ток î2 создает некоторый небольшой поток рассея-

ния Фр2, совпадающий с ним по фазе. Поток Фр2, в свою очередь,

индуцирует ЭДС рассеяния Εр2, отстающую от него по фазе на — π/2.

Ток î2 на индуктивном сопротивлении xL2 создает падение напряже-

Так как вторичная обмотка сама является источником тока, то

уравнение электрического равновесия для этой обмотки будет

Паразитные вихревые токи в обмотках и сердечнике в значительной мере ответственны за потери, особенно в трансформаторах на большие токи и при нелинейной нагрузке. На Рис. 7.9 показаны пути этих токов в проводниках. Магнитное поле, обозначенное знаком «+», перпендикулярное к направлению проводника, индуцирует напряжения, вызывающие протекание вихревых токов в своих петельках. Напряжения в смежных проводниках уничтожают другдруга в середине. Но тем не менее остаются токи, которые текут вдоль радиальной поверхности проводников, что увеличивает омические потери в обмотках по сравнению с потерями от тока, протекающего вдоль проводника обмотки.

Перекладка проводов с помощью полупетли в середине обмотки уменьшает вихревые токи, так как индуцируемые напряжения противопо-

Рис. 7.9. Перекладка проводов для уменьшения вихревъа: токов

ложны в месте скрутки. Провода для больших токов часто делают из двух или трех проводников, собранных в бифилярную или трифилярную скрутку. Перекладка проводов используется с ранних дней телефонии для уменьшения перекрестнъюс искажений и взаимодействия между линиями питания. В линиях передачи энергии на большие расстояния перекладка проводов применяется для обеспечения фазовой балансировки.

Вихревые токи в сердечнике также вносят свой вклад в потери. Хотя магнитное поле и направлено в плоскости пластин, вихревые токи текут в их поперечном сечении, как показано на Рис. 7.10. Эти токи могут быть уменьшены при уменьшении толщины пластин сердечника, что и используется в высокочастотных трансформаторах. Однако из практических соображений, касающихся цены и удобства обращения, наиболее распространенным является применение пластин из кремнистого железа толщиной 0.014 дюйма (0.356 мм). Однако в некоторых специальных случаях используются пластины толщиной 0.001…0.002 дюйма (0.0254…0.051 мм). На уникальном оборудовании завода «Сендцимер» (Sendzimer) их прокатывают, а затем нарезают, как часовые пружинки, для производства тороидальных сердечников. Сплав, используемый в этом случае, может содержать никель и (или) молибден.

Если напряжение в первичной обмотке или ток во вторичной обмотке содержат гармонические составляющие, то потери из-за вихревых токов могут значительно увеличиться. В первом случае это происходит из-за увеличения потерь в сердечнике, а во втором — из-за увеличения омических потерь в проводах. Широкое распространение драйверов электродвигателей с регулировкой скорости вращения, которые обычно создают воз-

Рис. 7.10. Вихревые токи в пластиие сердечника

мущения в цепи их питания, привело к необходимости разработки стандартов на способность трансформаторов работать с большим содержанием гармоник в токе вторичной цепи. Эта способность характеризуется коэффициентом k, определяемым как

где n — номер гармоники, а /„ — среднеквадратичное значение тока на этой гармонике. Основная гармоника при этом — I. Стандартные конструкции имеют k = A и k = 13. Например, ток вторичной цепи, содержащий 20% пятой и 14% седьмой гармоник, будет иметь & = [1+(0.2х5) 2 + (0.14х7) 2 ] = 3. Если содержание гармоник убывает обратно пропорционально к основной, коэффициент k растет линейно с добавлением каждой гармоники. Важно отметить, что нет надежных способов оценить возможность применения стандартного трансформатора в цепях с нелинейными токами.

Как показано на Рис. 7.11, магнитное поле в трансформаторе увеличивается от нуля в зоне внутренних витков первичной обмотки до максимума в зоне ее внешних витков, а затем спадает до нуля в зоне внешних витков вторичной обмотки. Вихревые токи пропорциональны магнитному полю, а потери — квадрату токов и, следовательно, поля. По этой причине потери из-за вихревых токов в основном сконцентрированы вблизи зазора между первичной и вторичной обмотками.

Для устранения проникновения во вторичную цепь трансформаторов синфазных помех из первичной сети часто применяют заземленный экран из медной фольги, размещаемый между первичной и вторичной обмотками. Этот экран называют электростатической защитой, или экраном Фарадея. Этот экран может вызвать проблемы, если первичная и вторичная обмотки имеют разную длину в аксиальном направлении или вторичная обмотка состоит из нескольких секций, используемых не одновременно. В обоих случаях часть магнитного поля проходит радиально через экран, что может привести к его перегреву и, как следствие, к повреждению изоляции. Этот случай был упомянут в самом начале этой главы.

Рис. 7.11. Потери из-за вихревых токов в обмотках

Рис. 7.12. Нагрев вихревыми токами экранов Фарадея из различпыхматериалов

Поскольку приходилось неоднократно встречаться с такой проблемой, это подтолкнуло автора к проведению ряда экспериментов по определению реакции ряда материалов, из которых мог бы быть изготовлен экран Фарадея, на воздействие магнитного поля, перпендикулярного поверхности образцов. На катушку, возбуждавшую магнитное поле, подавался переменный ток частотой 60 Гц. Температура образцов измерялась с помощью термопары. Результаты приведены на Рис. 7.12. Интересно, что сетка из того или иного металла обеспечивала практически такую же электростатическую защиту, как и сплошной лист, а сопротивление экрана имело небольшое значение. В соответствии с результатами, приведенными на Рис. 7.12, в компании, где работал автор, в качестве стандартного материала для экранов Фарадея было принято использовать монель или нержавеющую сталь.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

10. Трансформаторы

Трансформатор — это статический электромагнитный аппарат,

служащий для преобразования посредством магнитного поля электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока того же или иного напряжения при сохранении частоты тока.

Различают:

повышающих трансформаторов — силовые трансформаторы (от единиц до нескольких сотен тысяч киловольт-ампер) и

понижающих трансформаторов — трансформаторы малой мощности

A0—300 ВА). Первые используют в сетях распределения электри-

ческой энергии, последние — в разных областях новой техники:

в радиоэлектронике, автоматике, реактивной технике и т. д.

УСТРОЙСТВО

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального

сердечника (рис. 3-1) и двух обмоток — первичной с числом вит-

ков w1 и вторичной с числом витков w2.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

;

.

Векторная диаграмма идеального трансформатора приведена на рисунке

ХОЛОСТОЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка разомкнута, Рис. 1 , называют холостым режимом или холостым

ходом (трансформатор работает без нагрузки).

Именно такой режим работы был рассмотрен в предыдущем параграфе. Однако там мы пренебрегли нелинейностью кривой намагничивания стального сердечника, явлением гистерезиса и токами Фуко, действием потоков рассеяния магнитного поля и активным сопротивлением обмотки.

Нелинейность кривой намагничивания

Нелинейность зависимости первичного тока от магнитного

потока, из-за которой намагничивание сердечника заходит в об-

ласть магнитного насыщения, приводит к тому, что ток в первич-

ной обмотке становится несинусоидальным.

В соответствии с теоремой Фурье всякий периодический несинусоидальный ток может быть представлен бесконечным рядом, состоящим из постоянной

составляющей и суммы переменных составляющих с возрастающими кратными частотами и убывающими амплитудами. Их называют гармоническими составляющими или гармониками;

В зависимости от конкретной задачи такое разложение:

может не иметь постоянной составляющей;

начальные фазы гармоник могут быть равными нулю или отличаться на п;

может иметь только четные или только нечетные гармоники.

Так, несинусоидальный ток, получающийся в результате нелинейности кривой намагничивания сердечника трансформатора, в соответствии с теоремой Фурье может быть представлен в виде суммы двух первых нечетных гармоник (первой и третьей, рис. 3-4) или заменен «эквива-

лентной синусоидой» (см. рис. 3-3). Эквивалентный ток, сдвинутый по фазе относительно приложенного напряжения на —π, поддерживает магнитный поток и является чисто реактивным током. Его называют намагничивающим током .

Гистерезис также влияет на форму тока.

Как известно, в ферромагнетике, подвергнутом циклическому перемагничиванию, магнитный поток связан с током зависимостью, выражаемой петлей гистерезиса. В результате ток i в катушке (рис. 3-5) оказывается несинусоидальным и сдвинутым по фазе относительно потока на некоторый небольшой угол потерь (7°). Этот ток может быть представлен в виде суммы двух токов — намагничивающего тока Iн (реактивный ток) и тока от гистерезиса ir (активный ток). Появление тока Iг понятно из физической сущности явления гистерезиса: на перемагничивание сердечника затрачивается энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса. Эта энергия идет на нагревание сердечника. Для уменьшения потерь на гистерезис сердечники электрических машин переменного тока изготавливают из специальной трансформаторной стали.

Вихревые токи, или токи Фуко, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, возникают и в сердечниках трансформаторов. Замыкаясь в толще сердечника, эти Рис. 5 токи нагревают их, создавая потери энергии. Поскольку вихревые токи возникают в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока,то для уменьшения этих токов сердечники трансформаторов иабирают из отдельных изолированных друг от друга стальных пластин.

Потоки рассеяния в сердечнике трансформатора создаются той частью магнитного потока, которая замыкается не через магнитопровод, а через воздух в непосредственной близости от витков. Поскольку потоки рас-

сеяния Фр1 (рис. 3-6) замыкаются в основном через воздух, то их можно считать пропорциональными создающим их токам. Потоки рассеяния составляют лишь около 0,25% от основного магнитного потока трансформа-

тора.

Активное сопротивление первичной цепи создает потери за счет активного тока, нагревающего обмотку. Для уменьшения этих потерь обмотки машин

выполняют, как правило, из меди.

Для холостого режима трансформатора, с учтем все виды потерь, для первичной обмотки, на основании второго закона Кирхгофа можно составить следующее уравнение :

где ul _ подведенное напряжение; е1 — ЭДС самоиндукции в пер-

вичной обмотке, ер1 —ЭДС от потоков рассеяния.

Перепишем уравнение в векторной форме:

Или

и

Построим векторную диаграмму:

Для построения в качестве основного возьмем вектор магнитного потока Фо (рис. и Uu получим

треугольник внутреннего падения напряжения в первичной обмот-

ке, гипотенуза которого Uл = 101гх есть полное падение напряже-

ния в первичной обмотке от тока холостого хода, а катетыи

векторы падений напряжений соответственно на индуктивном и активном сопротивлениях.

Поэтому приложенное к первичной обмотке напряжение U1 уравно-

вешивается в основном ЭДС , тогда

где k — коэффициент трансформации (отношение высшего напряже-

ния к низшему).

На практике:

Режим холостого хода используется для определения:

коэффициента трансформации k и

потерь в трансформаторе на гистерезис и вихревые токи, на так называемые «потери в стали».

РАБОЧИЙ РЕЖИМ ТРАНСФОРМАТОРА

Режим работы трансформатора, при котором во вторичную

обмотку включена нагрузка, называют рабочим режимом или ре-

жимом нагрузки.

Но если во вторичную обмотку включить какую-нибудь нагрузку, в ней появится ток /2, возбуждающий в том же сердечнике свой магнитный поток Ф2 (рис. 3-8), размагничивающе действующий на сердечник (в

соответствии с законом Ленца).

Построим векторную диаграмму нагруженного трансформатора.

Построение начнем с основного магнитного потока в сердечнике Фо (рис 3-9). Он остается практически неизменным в процессе работы и отстает от тока холостого хода /01 на угол потерь на гистерезис δ (5—7°).

Характером и значением нагрузки во вторичной обмотке опреде-

ляется значение вторичного тока /2 и угол φ 2.

Для нахождения длины и положения вектора тока в первичной

обмотке 1г надо вектор тока холостого хода /01 сложить с век-

тором некоторого добавочного тока / 2 в этой же обмотке, обусло-

вленного нагрузкой трансформатора .

Вторичный ток î2 создает некоторый небольшой поток рассея-

ния Фр2, совпадающий с ним по фазе. Поток Фр2, в свою очередь,

индуцирует ЭДС рассеяния Εр2, отстающую от него по фазе на — π/2.

Ток î2 на индуктивном сопротивлении xL2 создает падение напряже-

ния .

Так как вторичная обмотка сама является источником тока, то

уравнение электрического равновесия для этой обмотки будет

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Коэффициент полезного действия трансформатора — это отно-

шение отдаваемой активной мощности к потребляемой

где РСТ — потери в стали (в сердечнике) и Рн — потери в меди

(в обмотках) измеряют в опытах холостого хода и короткого замы-

кания соответственно.

К потерям, имеющим место при работе трансформатора,

относятся потери на гистерезис (в результате постоянного цикли-

ческого перемагничивания сердечника), на вихревые токи и на на-

гревание проводов обмоток. Других потерь в трансформаторе

практически нет.

Для определения потерь обычно пользуются двумя опытами —

опытом холостого хода и опытом короткого замыкания.

В опыте холостого хода, в котором на первичную обмотку I

подают номинальное напряжение, а вторичную II оставляют ра-

зомкнутой, определяют потери в стали трансформатора, т. е. по-

тери на гистерезис и на вихревые токи (рис. 3-11).

Таким образом, можно считать, что в холостом режиме энергия, потребляемая трансформатором из сети, расходуется только на потери в стали, поэтому мощность этих потерь измеряют ваттметром, включенным

в первичную цепь.

КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатор состоит из двух основных частей: магнитопрово-

да (сердечника) и обмоток. Для значительного уменьшения потерь

от вихревых токов, возникающих при перемагничивании, сердеч-

ники собирают из отдельных штампованных тонких @,5—0,36 мм)

пластин специальной трансформаторной стали, содержащей до

4—5% кремния. Эта сталь характеризуется малыми потерями от

гистерезиса и большим электрическим сопротивлением. Для умень-

шения потерь от вихревых токов в настоящее время пластины изо-

лируют друг от друга тонкими оксидными пленками.

По конструкции сердечники различают стержневые (рис. 3-15, а)

и броневые (рис. 3-15, б).

трехфазных трансформаторов являются обычно стержневыми (рис. 3-16).

Какие токи называют вихревыми — MOREREMONTA

Детали из металла у автомобиля или разнообразных электрических устройствах, имеют способность двигаться в магнитном поле и пересекаться с силовыми линиями. Благодаря этому образовывается самоиндукция. Предлагаем рассмотреть аномальные вихревые токи фуко, потоки воздуха, их определение, применение, влияние и как уменьшить потери на вихревые токи в трансформаторе.

Из закона Фарадея следует, что изменение магнитного потока производит индуцированное электрическое поле даже в пустом пространстве.

Если металлическая пластина вставляется в это пространство, индуцированное электрическое поле приводит к появлению электрического тока в металле. Эти индуцированные токи называются вихревые токи.

Фото: Вихревые токи

Токи Фуко – это потоки, индукция которых проводится в проводящих частях разнообразных электрических приборах и машинах, блуждающие токи Фуко особенно опасны для пропуска воды или газов, т.к. их направление невозможно контролировать в принципе.

Если индуцированные встречные токи создаются изменяющимся магнитным полем, то токи вихревые будут перпендикулярны к магнитному полю, и их движение будет производиться по кругу, если данное поле однородно. Эти индуцированные электрические поля очень сильно отличаются от электростатических электрических полей точечных зарядов.

Практическое применение вихревых токов

Вихревые токи полезны в промышленности для рассеивания нежелательной энергии, например у поворотного кронштейна механического баланса, особенно если сила тока очень высокая. Магнит в конце опоры настраивает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу кронштейна, скажем, ansys.

Схема: вихревые токи

Вихревые потоки, как учит физика, могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные приспособления и механизмы на поезде около рельсов специально настроены для создания вихревых токов. Благодаря движению тока, получается плавный спуск системы и поезд останавливается.

Закрученные токи вредны в измерительных трансформаторах и для человека. Металлический сердечник используется в трансформаторе, чтобы увеличить поток. К сожалению, вихревые токи, полученные в якоре или сердечнике, могут увеличить потери энергии. Построив металлическую сердцевину чередующихся слоев из проводящих и не проводящих энергию, материалов, размер индуцированных петель уменьшается, таким образом, уменьшая потери энергии. Шум, который производит трансформатор при работе, является следствием именно такого конструктивного решения.

Видео: вихревые токи Фуко

Еще один интересный использования вихревой волны – применение их в электросчетчиках или медицине. В нижней части каждого счетчика расположен тонкий алюминиевый диск, который всегда вращается. Это диск движется в магнитном поле, так что там всегда есть вихревых токи, цель которых замедлить движения диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перепадов.

Вихри и скин-эффект

В том случае, когда возникают очень сильные вихревые токи (при высокочастотном токе), в телах плотность тока становится значительно меньше, чем на их поверхностях. Это так называемый скин эффект, его методы используются для создания специальных покрытий для проводов и в трубах, которые разрабатываются специально для вихре-токов и тестируются в экстремальных условиях.

Это доказал еще ученый Эккерт, который исследовали ЭДС и трансформаторные установки.

Схема индукционного нагрева

Принципы вихревых токов

Катушка из медной проволоки является распространенным методом для воспроизведения индукции вихревых токов. Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. Магнитные поля образуют линии вокруг провода и соединяются, образуя более крупные петли. Если ток увеличивается в одной петле, магнитное поле будет расширяться через некоторые или все из петель проволоки, которые находятся в непосредственной близости. Это наводит напряжение в соседних петлях гистерезис, и вызывает поток электронов или вихревые токи, в электропроводящем материале. Любой дефект в материале, включая изменения в толщине стенки, трещин, и прочих разрывов, может изменить поток вихревых токов.

Закон Ома

Закон Ома является одним из самых основных формул для определения электрического потока. Напряжение, деленное на сопротивление, Ом, определяет электрический ток, в амперах. Нужно помнить, что формулы для расчета токов не существует, необходимо пользоваться примерами расчета магнитного поля.

Индуктивность

Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. С увеличением тока, катушка индуцирует циркуляцию (вихревых) потоков в проводящем материале, расположенном рядом с катушкой. Амплитуда и фаза вихревых токов будет меняться в зависимости от загрузки катушки и ее сопротивления. Если поверхность или под поверхностью возникнет разрыв в электропроводном материале, поток вихревых токов будет прерван. Для его налаживания и контроля существуют специальные приборы с разной частотой каналов.

Магнитные поля

На фото показано, как вихревые электрические токи образуют магнитное поле в катушке. Катушки, в свою очередь, образуют вихревые токи в электропроводном материале, а также создавают свои собственные магнитные поля.

Магнитное поле вихревых токов

Дефектоскопия

Изменение напряжения на катушке будет влиять на материал, сканирование и исследование вихревых токов позволяет производить прибор для измерения поверхностных и подповерхностных разрывов. Несколько факторов будут влиять на то, какие недостатки могут быть обнаружены:

  1. Проводимость материала оказывает значительное воздействие на пути следования вихревых токов;
  2. Проницаемость проводящего материала также имеет огромное влияние из-за его способности быть намагниченным. Плоскую поверхность гораздо легче сканировать, чем неровную.
  3. Глубина проникновения имеет очень большое значение в контроле вихретоков. Поверхность трещины гораздо легче обнаружить, чем суб-поверхностного дефекта.
  4. Это же касается и площади поверхности. Чем меньше площадь – тем быстрее происходит образование вихревых токов.

Обнаружение контура дефектоскопом

Существуют сотни стандартных и специальных зондов, которые производятся для конкретных типов поверхностей и контуров. Края, канавки, контуры, и толщина металла вносят свой вклад в успех или провал испытаний. Катушка, которая расположена слишком близко к поверхности проводящего материала будет иметь наилучшие шансы на обнаружение разрывов. Для сложных контуров катушка вставляется в специальной блок и прикрепляется к арматуре, что позволяет пройти ток через неё и проконтролировать его состояние. Многие устройства требуют специальных формованных изделий зонда и катушки, чтобы приспособиться к неправильной форме детали. Катушка также может иметь специальную (универсальную) форму, чтобы соответствовать конструкции детали.

Уменьшаем вихревые токи

Для того чтобы уменьшить вихревые токи катушек индуктивности нужно увеличить сопротивление в этих механизмах. В частности рекомендуется использовать лицендрат и изолированные провода.

Краткое определение

Вихревые токи — это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Не обязательно поле должно изменяться, может и тело двигаться в магнитном поле, все равно в нем начнёт течь ток.

Нельзя найти реальную траекторию движения токов для их учёта, ток протекает там, где находит путь с наименьшим сопротивлением. Вихревые токи всегда протекают по замкнутому контуру. Основные условия для его возникновения — нахождение предмета в переменном магнитном поле или его перемещение относительно поля.

История открытия

В 1824 году учёный Д.Ф. Араго проводил эксперимент. Он на одной оси смонтировал медный диск, над ним расположил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так впервые наблюдали явление вихревых токов. Диск начинал вращаться из-за того, что из-за протекания токов появлялось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это назвали, тогда как явление Араго.

Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление таким образом: подвижное магнитное поле наводит в диске ток (как в замкнутом контуре) и он взаимодействует с полем стрелки.

Почему второе название — это токи Фуко? Потому что физик Фуко подробно исследовал явление вихревых токов. В ходе своих исследований он сделал великое открытие. Оно заключалось в том, что тела под воздействием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь мы расскажем о том, где применяются токи Фуко и какие вызывают проблемы.

На видео ниже предоставлено более подробное определение данного явления:

Вред от вихревых токов

Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.

Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.

Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.

Как снизить потери

Потери энергии в магнитопроводе не приносят пользы, тогда как с ними бороться? Чтобы снизить их величину сердечник набирают из тонких пластин электротехнической стали — это своеобразные меры профилактики для снижения паразитных токов. Такие потери описывает формула, по которой можно произвести расчет:

Как известно: чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление, а чем больше его сопротивление, тем меньше ток. Пластины изолируют друг от друга окалиной или слоем лака. Сердечники крупных трансформаторов стягиваются изолированной шпилькой. Так снижают потери сердечника, т.е. это и есть основные способы уменьшения токов Фуко.

Какие последствия от влияния этого явления? Магнитное поле, возникающее из-за протекания токов Фуко ослабляет поле, из-за которого они возникли. То есть вихревые токи уменьшают силу электромагнитов. То же самое касается и конструкции деталей электродвигателей и генератора: ротора и статора.

Применение на практике

Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.

Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.

Наглядное применение на практике:

Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.

В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.

Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.

Материалы по теме:

Вихревые токи — токи Фуко, замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. В. т. являются индукционными токами (см. Индукция электромагнитная) и образуются в проводящем теле либо… … Большая советская энциклопедия

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ — (токи Фуко) замкнутые электрич. токи в массивном проводнике, возникающие при изменении пронизывающего его магн. потока. В. т. явл. индукционными токами (см. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ), они образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во … Физическая энциклопедия

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ — (Фуко токи), замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника (этот… … Современная энциклопедия

вихревые токи — Электрические токи в проводящем теле, вызванные электромагнитной индукцией, замыкающиеся по контурам, образующим односвязную область. [ГОСТ Р 52002 2003] вихревые токи Электрический ток, индуцированный в проводящем материале переменным магнитным… … Справочник технического переводчика

Вихревые токи — (Фуко токи), замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника (этот… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ — (токи Фуко) замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника, в… … Большой Энциклопедический словарь

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ — ВИХРЕВЫЕ ТОКИ, электрический ток, движущийся по кругу; возникает в ПРОВОДНИКЕ под воздействием переменного магнитного поля. Вихревые токи вызывают потерю энергии в ГЕНЕРАТОРАХ и ДВИГАТЕЛЯХ переменного тока, поскольку взаимодействие между… … Научно-технический энциклопедический словарь

вихревые токи — (токи Фуко), замкнутые индукционные токи в массивных проводниках, которые возникают под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Вихревые токи приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника, в… … Энциклопедический словарь

Вихревые токи — 54. Вихревые токи Электрические токи в проводящем теле, вызванные электромагнитной индукцией, замыкающиеся по кот уран, образующим односпязиую область Источник: ГОСТ 19880 74: Электротехника. Основные понятия. Термины и определения оригинал… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ — (токи Фуко), замкнутые индукц. токи в массивных проводниках, к рые возникают под действием вихревого электрич. поля, порождаемого переменным магн. полем. В. т. приводят к потерям электроэнергии на нагрев проводника, в к ром они возникли; для… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Вихревые токи

Дата публикации: .
Категория: Статьи.

Рассматривая принцип действия генератора постоянного тока, можно заметить, что при его вращении в проводниках обмотки якоря, пересекающих магнитное поле, индуктируется электродвижущая сила (ЭДС). Так как и сам стальной якорь пересекает те же магнитные индукционные линии, то в нем, также как и в проводнике, должны индуктироваться токи.

Токи, которые индуктируются в металлических телах при пересечении их магнитными линиями, называются вихревыми токами, или токами Фуко.

Рисунок 1. Возникновение вихревых токов в сплошном стальном якоре электрической машины
Рисунок 2. Изменение пути вихревых токов при разделении стального якоря электрической машины на изолированные участки. Стрелками показаны направления индукционных токов
Рисунок 3. Схема устройства индукционной печи

На рисунке 1 схематически изображен якорь, вращающийся в магнитном поле. Вихревые токи Фуко в якоре, условно показанные пунктирными стрелками, проходя по телу якоря, будут нагревать его, на что затрачивается энергия. Если не принять мер к уменьшению вихревых токов, они, сильно нагревая якорь, могут привести к порче изоляции его обмоток. Уничтожить совсем потери на вихревые токи нельзя, но уменьшить их можно и нужно.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторе, якоре генератора, электрическом двигателе, магнитопроводы собирают из отдельных тонких (0,35 – 0,5 мм) штампованных листов мягкой стали, расположенных по направлению линий магнитного потока и изолированных один от другого лаком или тонкой бумагой. Это делается для того, чтобы вследствие малого поперечного сечения каждого стального листа уменьшить величину проходящего через него магнитного потока, а стало быть уменьшить индуктируемые в нем ЭДС и ток.

Путь вихревых токов в теле якоря при разделении последнего на отдельные изолированные участки схематически показан на рисунке 2.

Чтобы еще больше ослабить вихревые токи, увеличивают удельное сопротивление стали путем добавления в нее около 4 % кремния. Такая сталь называется легированной.

Однако не всегда вихревые токи являются вредными; в некоторых случаях они находят и полезное применение. Так, например, эти токи используют для закалки стальных изделий токами высокой частоты, в работе индукционных электроизмерительных приборов, счетчиков и реле переменного тока (описанных ниже).

В индукционных печах (рисунок 3) вихревые токи, наводимые первичной обмоткой I во вторичной обмотке II, которой является масса металла, настолько сильны и количество тепла, выделяемое ими, так велико, что металл плавится.

Применение вихревых токов находит свое применение в измерительных приборах. Часто в них устанавливают магнитоиндукционные тормозы (рисунок 4). При колебаниях стрелки (рисунок 4, а) или при вращении диска (рисунок 4, б) они пересекают поле магнита М и в них индуктируются вихревые токи, которые по правилу Ленца имеют такое направление, что противодействуют вызвавшей их причине. Таким образом, эти токи будут тормозить вращение диска и уменьшать колебания стрелки, быстро ее успокаивая.

Рисунок 4. Магнитоиндукционные тормозы

Источник: Кузнецов М.И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.

Что такое потери на вихревые токи? — определение и выражение

Когда к магнитному материалу прикладывают переменное магнитное поле, в самом материале индуцируется ЭДС в соответствии с Законом электромагнитной индукции Фарадея. Поскольку магнитный материал является проводящим материалом, эти ЭДС циркулируют ток внутри тела материала.

Эти циркулирующие токи называются вихревыми токами. Они возникают, когда проводник испытывает изменяющееся магнитное поле.

Поскольку эти токи не отвечают за выполнение какой-либо полезной работы, они вызывают потери (потери I 2 R) в магнитном материале, известные как потери на вихревые токи . Как и потери на гистерезис, потери на вихревые токи также увеличивают температуру магнитного материала.

Гистерезис и потери на вихревые токи в магнитном материале также известны под названием потери в стали или потерь в сердечнике или магнитных потерь .

Вид магнитного сердечника в разрезе показан на рисунке выше.Когда изменяющийся поток связывается с самим сердечником, он индуцирует в сердечнике ЭДС, которая, в свою очередь, устанавливает циркулирующий ток, называемый Eddy Current . И этот ток, в свою очередь, вызывает потери, называемые потерями на вихревые токи или (I 2 R) потерями, , где I — значение тока, а R — сопротивление пути вихревого тока.

Если сердечник сделан из твердого железа с большей площадью поперечного сечения, величина I будет очень большой, и, следовательно, будут большие потери.Для уменьшения потерь на вихревые токи в основном есть два метода.

  • За счет уменьшения величины вихревого тока.

Величину тока можно уменьшить, разделив твердый сердечник на тонкие листы, называемые пластинами, в плоскости, параллельной магнитному полю. Каждая пластина изолирована от другой тонким слоем покрытия из лака или оксидной пленки.

Благодаря ламинированию сердечника площадь каждой секции уменьшается, и, следовательно, индуцированная ЭДС также уменьшается.Чем меньше площадь, через которую проходит ток, тем выше сопротивление пути вихревого тока.

Применение вихревых токов

Как вы знаете, под действием вихревых токов выделяемое тепло не используется для какой-либо полезной работы, поскольку они являются основным источником потерь энергии в машинах переменного тока, таких как трансформаторы, генераторы и двигатели. Поэтому они известны как потери на вихревые токи. Однако есть некоторые применения этого вихревого тока, например, при индукционном нагреве.

  • В случае индукционного нагрева железный вал размещается в качестве сердечника индукционной катушки.Когда высокочастотный ток проходит через катушку, вихревой ток выделяет большое количество тепла в самой внешней части вала.
    В центре вала количество тепла уменьшается. Это связано с тем, что крайняя периферия вала обеспечивает путь с низким сопротивлением для вихревых токов. Этот процесс используется в автомобилях для поверхностного упрочнения тяжелых валов.
  • Эффект вихревого тока также используется в электрических приборах, например, в счетчиках энергии индукционного типа для обеспечения тормозного момента.
  • Для обеспечения демпфирующего момента в приборах с подвижной катушкой на постоянных магнитах.
  • Вихретоковые приборы используются для обнаружения трещин в металлических деталях.
  • Используется в поездах с вихретоковыми тормозами.


Математическое выражение для потерь на вихревые токи

Трудно определить потери на вихревые токи по значениям сопротивления и тока, но экспериментально потери мощности на вихревые токи в магнитном материале задаются уравнением, показанным ниже:

где,
K e — co -эффективность вихревых токов.Его значение зависит от природы магнитного материала.
B м — максимальное значение плотности потока в wb / m 2
T — толщина ламинации в метрах
F — частота смены направления магнитного поля в Гц
V — объем магнитного материала в м 3
Это все о вихретоковых потерях.

Вихревой ток в трансформаторе и его минимизация

Нет, потери на вихревые токи не такие же, как потери в сердечнике . Потери в сердечнике обычно относятся к самому материалу, поглощающему часть энергии магнитного поля, когда он намагничивается и размагничивается.Идеальный материал действует как идеальная пружина, поскольку вы получаете обратно всю вложенную энергию магнитного поля. Настоящие материалы будут иметь несколько потерь, как и настоящие пружины.

Вихревые токи — это токи, вызванные изменяющимся магнитным полем. Это именно тот эффект, который вызывает токи во вторичной обмотке, когда магнитное поле изменяется из-за того, как приводится в действие первичная обмотка. Подумайте о разнице между проводящим металлическим сердечником и другой вторичной обмоткой. Проблема в том, что его практически нет.Проводящий сердечник действует как другая вторичная обмотка, которая всегда закорочена.

Значит ли это, что в сердечнике трансформатора нельзя использовать проводящий материал? Не полностью. На первый взгляд, вы используете что-то вроде феррита, который имеет разумные магнитные свойства, но не проводит. Однако, к сожалению, материалы с действительно хорошими магнитными свойствами, как железо, обладают проводимостью. Трансформатор с железным сердечником будет значительно меньше, чем трансформатор с ферритовым сердечником, рассчитанный на ту же мощность.

Следовательно, стоит подумать о том, как использовать железо, но не допускайте его проведения, чтобы закоротить вторичную обмотку. Один из способов — это так называемый порошковый сердечник . Железо измельчают на мелкие кусочки, которые подвешиваются в изоляционном материале. Вы по-прежнему получаете большую часть свойств железа, но сыпучий материал не может проводить много, потому что каждая из отдельных частиц железа в значительной степени изолирована друг от друга.

Другие более распространенные методы использования проводящего материала, такого как железо, основаны на наблюдении, что нам нужно только предотвратить проводимость материала в определенном направлении, которое находится по кругу вокруг центра сердечника.Один из способов сделать это — сделать сердечник из связки тонких железных пластин с еще более тонким изолирующим слоем между ними. Крошечные вихревые токи все еще существуют, но только внутри каждого тонкого листа, поэтому они значительно уменьшаются. Это часто называют ламинированным сердечником и довольно часто. Взгляните на большой силовой трансформатор линейной частоты, и вы, вероятно, сможете увидеть стопку пластин.

Другой метод — начать с длинного тонкого листа железа и намотать его, чтобы получился объемный объем с тонким изоляционным слоем между каждым слоем обмотки.Теперь сердечник трансформатора выглядит как вторичная обмотка, но поскольку концы не соединены, это всегда разомкнутая цепь и, следовательно, электрически отсутствует. Это часто называют сердечником с намоткой . Опять же, посмотрите на большие силовые трансформаторы линейной частоты, и вы иногда сможете увидеть спираль из тонких слоев вместо параллельных плоских слоев, как в многослойном сердечнике.

Что такое вихревые токи и как работают вихретоковые тормоза?


Спросил: Мэтт Бер

Ответ

Вихревой ток — это вихревой ток, возникающий в проводнике в ответ на изменение магнитного поля.По закону Ленца ток закручивается таким образом, чтобы создать магнитное поле, препятствующее изменению; для этого в проводнике электроны вращаются в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Из-за тенденции вихревых токов к противодействию, вихревые токи вызывают потерю энергии. Точнее, вихревые токи преобразуют более полезные формы энергии, такие как кинетическая энергия, в тепло, которое, как правило, гораздо менее полезно. Во многих приложениях потеря полезной энергии не особенно желательна, но есть несколько практических приложений.Один в тормозах некоторых поездов. Во время торможения металлические колеса подвергаются воздействию магнитного поля от электромагнита, в результате чего в колесах возникают вихревые токи. Магнитное взаимодействие между приложенным полем и вихревыми токами замедляет колеса. Чем быстрее вращаются колеса, тем сильнее эффект, а это означает, что по мере замедления поезда тормозная сила уменьшается, обеспечивая плавное остановочное движение.
Ответил: Джейсон Хайдекер, бакалавр физики, Западный колледж, Лос-Анджелес

Вихревой ток — это водоворот (как водоворот) тока, который индуцируется в твердой проводящей массе.

Представьте себе квадратную петлю из проволоки, вытянутую из области, через которую проходит однородное магнитное поле перпендикулярно плоскости петли. Что сейчас произойдет?

Индуктивность контура будет сопротивляться изменению магнитного поля внутри него, и будет генерироваться ЭДС. Другими словами, когда петля выходит из поля, в петле будет индуцироваться ток, который вызывает другое магнитное поле той же полярности, что и окружающее поле. Это заставит петлю «притягиваться» к окружающему полю; петля будет ощущаться, как будто ее тянут обратно в поле.Если вы посмотрите на силы, действующие на каждый отдельный участок провода, движущийся в поле, вы увидите, что тот, который перпендикулярен движению петли, вызывает силу, противоположную этому движению.

Механическая энергия, используемая для перемещения петли, будет преобразована в электрическую энергию, приводящую в действие ток в петле. Чем быстрее будет натянута петля, тем сильнее будет петля.

Я думаю, что большинство людей могут добраться до этого самостоятельно, но вихревые токи все еще кажутся странными, хотя идея вихревых токов ничем не отличается от этой.

Точно так же, как ток, индуцируемый в петле из проволоки, токовые «водовороты» или «водовороты» — небольшие водовороты тока — могут возникать внутри сплошной проводящей плиты. Хотя внутри плиты нет «провода», индуктивность (все проводники являются индукторами, включая конденсаторы, прежде чем переходные процессы затухают; представьте, что конденсатор действует как короткозамкнутый элемент для высоких частот) плиты заставляет природу перемещать ток так же, как и если бы там была круглая проволока.

Таким образом, если вы переместите плиту в магнитное поле или из магнитного поля, внутри плиты возникнут вихревые токи, которые вызовут такую ​​же противоположную реакцию силам, прилагаемым к плите.

Итак, если вы следовали этому, то, возможно, вы увидите, что я ответил на вопрос задом наперед.

Вихретоковые тормоза просто чрезмерно используют пример, который я привел выше. Возможно, мне нужен еще один пример, чтобы прояснить это. . .

Я помню, как на уроке Frosh E&M мой профессор построил интересный маятник. Позже я обнаружил, что это был обычный эксперимент в классах E&M.

Маятник мог качаться вперед и назад и мог прикрепляться к разным типам токопроводящих колец на его конце.Когда он качался, кольцо на его конце проходило между двумя полюсами очень сильного и огромного магнита (когда его катили в небольшую физическую лабораторию, этот магнит обесцвечивал все ЭЛТ в комнате). . .

Итак, профессор оттягивал маятник назад, позволял ему качаться, и мы наблюдали, что произойдет, когда проводящее кольцо войдет в магнитное поле (и, возможно, выйдет из него).

Первый пример — поместить проводящее кольцо (оно не обязательно должно быть кольцом — кольцо было именно тем, как оно прикреплялось к маятнику; только твердая часть проходила через сильную часть магнитного поля) на конец маятника и дайте ему покатиться.Это проводящее кольцо было твердым, как большой орех. Даже если профессор сильно бросил маятник в поле, как только кольцо вошло между двумя полюсами, оно немедленно остановилось. Вся его кинетическая энергия ушла в движущийся ток внутри проводящего кольца (и я уверен, что сопротивление кольца отдало эту энергию в виде тепла).

Следующий пример — очень похожее кольцо, но в нем есть несколько прорезей. Это все еще было кольцо, но область, проходящая между двумя полюсами, выглядела как потрепанные края.

На этот раз маятник без проблем качнулся через полюса — он несколько раз качнулся вперед и назад.

Прорези, вырезанные во втором примере, имели тот же эффект, что и разрыв «петли» в самом первом примере, который я привел в этом ответе. Если вы разорвите цикл, будет сгенерирована ЭДС, но ток не сможет течь. Без тока невозможно создать ни одно поле.

Итак, делая прорези, если будут какие-либо вихревые токи, они будут очень маленькими токами, которые обеспечат очень небольшой отвод кинетической энергии.

Этот тип «динамического торможения» можно расширить. Представьте себе мотор. Если вы замените аккумулятор этого двигателя на лампочку и включите двигатель вручную, лампочка может загореться. Если вы продолжите добавлять больше нагрузок, чем просто электрическая лампочка, все они могут начать работать, но с большим количеством нагрузок будет все труднее и труднее вращать «двигатель-генератор задним ходом». Удаление всех этих нагрузок так, чтобы ничего не соединяло два предыдущих вывода аккумуляторной батареи, заставит двигатель легко вращаться (при условии низкого трения / соответствующего передаточного числа и т. Д.).

Точно так же вы можете нагружать эти пустые провода бесконечной нагрузкой, просто замкнув их вместе. Если магниты достаточно сильные (магнит моего профессора был недостаточно сильным, когда он вырезал прорези в кольце), двигатель не сможет двигаться.

Таким образом ручная дрель автоматически останавливается, когда вы отпускаете спусковой крючок. Если вы внимательно посмотрите на корпус двигателя, вы можете увидеть искру, когда отпустите спусковой крючок. Это происходит, когда аккумулятор отсоединяется от выводов и заменяется коротким замыканием.Собственная кинетическая энергия двигателя пытается направить его в противоположном направлении (это один из способов взглянуть на него) и в конечном итоге очень быстро замедляется до нулевой скорости.

Теперь приступим к творчеству. . . что делать, если заменить короткое замыкание на незаряженный конденсатор. При коротком замыкании кинетическая энергия вызывает сильный ток в двигателе, который вызывает силу, противодействующую движению двигателя. . . Но эта кинетическая энергия имеет ограниченный запас, и как только она перестанет создавать поле, энергия будет отдаваться в виде тепла от сопротивления провода.ОДНАКО, если вы поместите туда конденсатор, вы можете начать улавливать часть этой энергии и хранить ее там. ОДНАКО, если вы не будете осторожны, энергия конденсатора начнет разряжаться в двигатель и пытаться его раскрутить. . . и у вас есть очень странный маленький осциллятор.

Так что, если бы у вас был умный способ динамического торможения, который позволил бы вам зарядить конденсатор как можно больше, а затем отсоединить конденсатор и заменить его коротким (или аналогичным). . . а что если заменить конденсатор на аккумулятор.. .

Тогда у вас есть не только действительно интересная тормозная система, для работы которой не требуется трение, но и вместо того, чтобы тратить всю эту энергию на тепло, вы можете сохранить большую ее часть обратно в батарею, которая заставляет вас двигаться. первое место . . .

Вы можете продлить это дальше. Такие устройства, как Segway, на самом деле используют такую ​​же технологию для зарядки своих аккумуляторов не только при торможении, но и при спуске с горы.

Итак, в моих последних нескольких примерах они не имели ничего общего с вихревыми токами — если вы хотите улавливать эту энергию, вы должны сами построить цепь — вы не можете позволить природе делать это за вас в водоворотах.Также сложно динамически тормозить вихревыми токами — нельзя просто добавить щели и убрать их по прихоти.

Вихревые токи действительно играют роль в таких вещах, как трансформаторы, поэтому трансформаторы обычно изготавливаются из многослойных сердечников, которые предотвращают появление вихревых токов.

Когда катушка с проволокой окружает ферромагнитный сердечник, например, железо трансформатора, ИЗМЕНЯЮЩЕЕСЯ магнитное поле индуцирует в сердечнике вихревой ток, который также оказывается проводящим.Если вы построите сердечник из большого количества слоев, разделенных изолятором, вы можете предотвратить появление вихревых токов. Предотвращение возникновения вихревых токов в трансформаторах предотвращает потерю мощности (токи в резистивных материалах вызывают потерю мощности) в трансформаторе. В трансформаторе есть и другие источники потерь мощности, но они намного сложнее. Даже самый простой [умеренно большой] трансформатор (не обязательно дроссели), скорее всего, будет иметь ламинированный сердечник.
Ответил: Тед Павлик, студент-электротехник, Ohio St.

Потери на гистерезисе и потери на вихревые токи: в чем разница?

Все электродвигатели испытывают вращательные потери при преобразовании электрической энергии в механическую. Эти потери обычно классифицируются как магнитные потери, механические потери, потери в меди, щеточные потери или паразитные потери, в зависимости от основной причины и механизма. В категорию магнитных потерь входят два типа — потери на гистерезис и потери на вихревые токи.


Потеря гистерезиса

Гистерезисные потери вызваны намагничиванием и размагничиванием сердечника, поскольку ток течет в прямом и обратном направлениях. По мере увеличения намагничивающей силы (тока) магнитный поток увеличивается. Но когда сила намагничивания (ток) уменьшается, магнитный поток уменьшается не с той же скоростью, а менее постепенно. Следовательно, когда сила намагничивания достигает нуля, плотность магнитного потока все еще имеет положительное значение. Чтобы плотность потока достигла нуля, необходимо приложить силу намагничивания в отрицательном направлении.

Соотношение между силой намагничивания H и плотностью магнитного потока B показано на кривой гистерезиса или петле. Площадь петли гистерезиса показывает энергию, необходимую для завершения полного цикла намагничивания и размагничивания, а площадь петли представляет потерю энергии во время этого процесса.

Петля гистерезиса показывает взаимосвязь между наведенной плотностью магнитного потока (B) и силой намагничивания (H). Его часто называют петлей B-H.
Изображение предоставлено: NDT Resource Center

Уравнение потерь на гистерезис имеет следующий вид:

P b = η * B max n * f * V

P b = потеря гистерезиса (Вт)

η = коэффициент гистерезиса Штейнмеца, в зависимости от материала (Дж / м 3 )

B max = максимальная плотность потока (Вт / м 2 )

n = показатель Штейнмеца, варьируется от 1.От 5 до 2,5, в зависимости от материала

f = частота изменения магнитного поля в секунду (Гц)

V = объем магнитного материала (м 3 )


Вихретоковые потери

Потери на вихревые токи являются результатом закона Фаради, который гласит, что «Любое изменение окружающей среды катушки с проволокой вызовет в катушке напряжение, независимо от того, как происходит магнитное изменение». Таким образом, когда сердечник двигателя вращается в магнитном поле, в катушках индуцируется напряжение или ЭДС.Эта наведенная ЭДС вызывает протекание циркулирующих токов, называемых вихревыми токами. Потери мощности, вызванные этими токами, известны как потери на вихревые токи.

В сердечниках якоря двигателей используется множество тонких железных элементов (называемых «пластинами»), а не цельная деталь, поскольку сопротивление отдельных частей выше, чем сопротивление одной цельной детали. Это более высокое сопротивление (из-за меньшей площади на единицу) снижает вихревые токи и, в свою очередь, потери на вихревые токи. Пластины изолированы друг от друга с помощью лакового покрытия, предотвращающего «перепрыгивание» вихревых токов от одного слоя к другому.

Вихревые токи в многослойных сердечниках (справа) меньше, чем в сплошных сердечниках (слева).
Изображение предоставлено: wikipedia.org

Уравнение потерь на вихревые токи имеет вид:

P e = K e * B max 2 * f 2 * t

P e = потери на вихревые токи (Вт)

K e = вихретоковая постоянная

B = плотность потока (Вт / м 2 )

f = частота изменения магнитного поля в секунду (Гц)

t = толщина материала (м)

V = объем (м 3 )


Магнитные потери названы так потому, что они зависят от магнитных путей в двигателе, но их также называют «потерями в сердечнике» и «потерями в стали».”

Эффективность трансформатора

и приложения — Учитесь — ScienceFlip

Эффективность трансформатора и приложения — Изучите


Модель трансформатора Ideal делает два допущения:

  • Флюсосцепление или передача потока идеальны. Это означает, что весь поток в первичной катушке также проходит через вторичную катушку.
  • Трансформатор имеет 100% КПД и нет потерь энергии.

На самом деле это не так, вторичное напряжение и ток будут меньше, чем предсказано уравнениями идеального трансформатора, и это также приведет к некоторой потере мощности. Это происходит по трем основным причинам:


Вихревые токи

Наведенные токи возникают не только в катушках и проводах. Они также могут возникать на более крупных проводниках, таких как сплошные куски или листы металла. Когда существует относительное движение между магнитным полем и проводником большего размера, результирующий индуцированный ток представляет собой круговую петлю тока.Эти круговые петли тока называются вихревыми токами .

Вихревые токи также являются применением закона Ленца. Магнитные поля, создаваемые вихревыми токами, противодействуют изменениям магнитного потока, которые его создали. Направление вихревого тока определяется с помощью правила для правой руки и закона Ленца:

  • Определить, в каком направлении изменяется исходное магнитное поле
  • Большой палец указывает в сторону поля соперника
  • Пальцы наматываются по направлению вихревого тока

В примере ниже металлическая пластина движется слева направо через магнитное поле, направленное внутрь страницы.Когда он движется в поле слева, магнитное поле на странице увеличивается. Это вызовет вихревой ток с результирующим полем, которое противодействует этому, то есть вне страницы. Используя правило для правой руки, указав большим пальцем из страницы, пальцы указывают, что вихревой ток, который образуется, будет направлен против часовой стрелки. Тот же процесс используется, когда пластина выходит из поля справа — поле увеличивается за пределы страницы, индуцированное поле указывает на страницу, правило правого захвата указывает, что вихревой ток будет по часовой стрелке:


Снижение влияния вихревых токов в трансформаторах

Вихревые токи, возникающие в железном сердечнике трансформатора, приводят к значительным потерям тепла и энергии.Чтобы уменьшить влияние вихревых токов, железный сердечник состоит из ряда слоев, которые изолированы друг от друга и расположены таким образом, чтобы эти слои мешали вихревым токам. Это приводит к меньшим вихревым токам и меньшим потерям энергии / тепла.


Распределение энергии по высоковольтным линиям электропередачи

Городам и поселкам требуется огромное количество энергии, а электростанции часто находятся на большом расстоянии от городов и региональных центров, которые также обеспечивают электроэнергией.Это создает проблему с потерей мощности на линиях электропередачи. Линии передачи — это очень длинные проводники, и даже хорошие проводники имеют небольшое сопротивление. На таких больших расстояниях общее сопротивление этих линий передачи может быть значительным, что приводит к большим потерям энергии от станции к потребителю.

Эффективная передача энергии по огромному количеству сетей является огромной проблемой для инженеров, особенно с учетом больших расстояний, по которым линии электропередачи транспортируют энергию в этой стране.Мощность, потерянная в цепи, определяется выражением:. Учитывая это, уравнение мощности также можно записать как:.

Из этого уравнения видно, что передача мощности с большим током приведет к большим потерям энергии. Задача инженеров состоит в том, чтобы передавать электричество слабым током, насколько это практически возможно. Чаще всего это достигается с помощью трансформаторов. Напомним, что мощность первичной обмотки равна мощности вторичной обмотки. Кроме того, вспоминая, что: можно увидеть, что передача с большим напряжением приведет к меньшему току.

На электростанциях

используется повышающий трансформатор для увеличения напряжения рядом с источником, и, что важно, это приводит к меньшему току. По мере приближения линий электропередачи к городам и поселкам напряжение понижается с помощью понижающего трансформатора, прежде чем в конечном итоге снизится до 415 В для промышленных объектов и 240 В для жилых районов. Важно отметить, что с учетом уравнения: уменьшение тока в 2 раза приводит к уменьшению потерь энергии в 4 раза!


Пример:

Электростанция должна передать 400 МВт мощности в соседний город по линии электропередачи с общим сопротивлением 2.0 Ом. Каковы были бы общие потери мощности, если бы начальное напряжение было 250 кВ?

Ответ:

с использованием: и создания темы:

с использованием: потери мощности«

[PDF] Влияние вихревых токов в обмотках трансформатора

# 2Pablo Gomez (WMU: Western Michigan University) H-Index: 16

просмотреть всех 3 авторов …

Резюме В этой статье мы представляем процедуру для поиска оптимизированная диэлектрическая конструкция системы изоляции трансформатора, подверженного быстрым фронтам импульсов напряжения, создаваемых силовыми электронными преобразователями.Предлагаемая процедура основана на взаимодействии метода конечных элементов, модели намотки с распределенными параметрами в частотной области и алгоритма оптимизации достижения цели. Чтобы подтвердить наши результаты, мы сравнили значения диэлектрического напряжения до и после оптимизации для … подробнее

В этой статье представлена ​​модель термокомпенсированного магнитного гистерезиса, способная точно определять потери в сердечнике из ферритовых материалов с учетом колебаний температуры сердечника.Используемая модель основана на аналогии между проницаемостью и емкостью и улавливает частотно-независимый эффект гистерезиса с помощью модели Прейзаха. Для целей валидации был выбран прототип реализованного среднечастотного трансформатора мощностью 100 кВт, 10 кГц и смоделирован как часть полного моста LLC-резонанса … подробнее

В статье представлен обзор методов моделирования, используемых для моделирования частотной характеристики обмоток трансформатора. Целью исследования и разработки методов моделирования был анализ влияния деформаций и повреждений обмоток на изменение частотной характеристики.Все описанные методы приведены с примерами результатов моделирования, выполненными авторами статьи и из литературных источников. Исследованию предшествует тщательный обзор литературы. Там … подробнее

В данной статье предлагается модуль вспомогательного питания (APM) высокой удельной мощности 1,8 кВт для электромобилей (EV) на основе устройств из нитрида галлия. Предложена методика проектирования высокочастотного фазовращающего полного моста с удвоителем тока выпрямителя с использованием планарных магнетиков на печатных платах.Анализ индуктивности утечки высокочастотного преобразователя с широтно-импульсной модуляцией предназначен для достижения как регулирования, так и включения переключения при нулевом напряжении. Затем, оптимизация магнитных … подробнее

Инверторы являются наиболее уязвимыми частями фотоэлектрических (PV) электростанций. Поэтому выбор подходящей топологии инвертора для максимальной надежности и доступности фотоэлектрических электростанций очень важен, особенно на крупных электростанциях. В этой статье предлагается новый индекс под названием Total Financial Loses (TFL) для сравнения различных топологий инверторов с точки зрения надежности и потерь энергии.Первоначальная стоимость, стоимость ремонта, финансовые потери из-за простоя и элемента … подробнее

В статье представлена ​​нелинейная модель эквивалентной схемы изолированного преобразователя постоянного тока в постоянный с трехфазным среднечастотным трансформатором. Модель учитывает магнитное кросс-насыщение трехфазной магнитной цепи сердечника. Модель подходит для детального моделирования электромагнитных переходных процессов в энергосистемах с изолированными преобразователями постоянного тока в постоянный. Модель построена с использованием метода энергии Лагранжа.Он включает в себя матрицу динамических индуктивностей, содержащую нелинейный член … подробнее

В статье исследуется влияние четырех факторов, которыми часто пренебрегают, на модель потерь полномостового инвертора на основе GaN: паразитная емкость устройств, динамика температуры перехода (Tj) при изменяющейся во времени рассеиваемой мощности (P-потерь), оценки температуры корпуса и подробного рассмотрения пассивных компонентов. Предложены и внедрены процедуры расчета потерь преобразователя с учетом вышеуказанных факторов.Прототип инвертора с жестким переключением мощностью 4,5 кВт с использованием нитрита галлия … подробнее

Мы разрабатываем примерную частотно-независимую эквивалентную схему для интегральных катушек индуктивности на полупроводниковых подложках. Все значения LCR в эквивалентной схеме могут быть рассчитаны непосредственно из геометрии индуктора. Эквивалентная схема фиксирует: скин-эффект, эффект близости, емкостные потери в подложке и распределенную емкость. Тщательно определив добротность индуктора, мы можем рассчитать вклад емкостных потерь в подложке и преимущества субстрата…more

# 1Zhan Shen (AAU: Университет Ольборга) H-Index: 7 # 2Huai Wang (AAU: Aalborg University) H-Index: 30

Ортоциклическая обмотка в магнитных компонентах распространена как в лабораторных прототипах, так и в массовом производстве. особенно для круглой проволоки с загнутыми краями. Однако его влияние на паразитные характеристики обмотки, т. Е. На емкость обмотки, сопротивление переменному току и индуктивность рассеяния, до сих пор систематически не исследовалось. Пропуск или неточный расчет этих параметров приводит к текущему звонку, дополнительным потерям и даже ненормальным действиям.В этой статье представлены три модифицированные формулы для паразитических паразитов орто … подробнее

Объяснение потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи в трансформаторах — электротехника 123

Трансформатор является очень простой и базовой частью электрической системы и считается наиболее эффективным из всех. электрические компоненты машин. Если мы рассмотрим экспериментальные модели, в которых используются сверхпроводящие обмотки, то можно говорить о достижении производительности 99,75%. На практике обнаруживается, что энергия теряется в обмотках, сердечнике и окружающих конструкциях по различным причинам, как указано ниже:

  1. Потери в меди в сопротивлении обмотки: Обмотки состоят из медной проволоки, которая нагревается из-за джоулева нагрева. когда через них течет ток .эффект При работе на более высоких частотах скин-эффект и эффект близости добавляют к потерям из-за сопротивления обмотки.
  2. Потери на вихревые токи: Вихревой ток — это электрический ток, создаваемый переменным магнитным полем. Эти потери возникают из-за того, что сам сердечник состоит из проводящего материала, так что напряжение, индуцируемое в нем переменным магнитным потоком, создает циркулирующие токи в материале. Потери на вихревые токи зависят от скорости изменения магнитного потока, а также от сопротивления пути, поэтому разумно ожидать, что эти потери будут изменяться как квадрат максимальной плотности потока и частоты.Если сердечник сплошной и изготовлен из ферромагнитных материалов, он эффективно действует как один короткозамкнутый виток. Наведенные вихревые токи , следовательно, циркулируют внутри сердечника в плоскости, перпендикулярной потоку, и вызывают резистивный нагрев материала сердечника.
  3. Гистерезисные потери: Во время каждого цикла переменного тока ток, протекающий в прямом и обратном направлениях, поочередно намагничивает и размагничивает сердечник. Энергия теряется в каждом гистерезисном цикле магнитопровода.Потери энергии зависят от свойств (например, коэрцитивности) конкретного материала сердечника и пропорциональны площади петли гистерезиса (кривая B-H).
  4. Потери на магнитострикцию: Ядро претерпевает незначительное физическое расширение и сжатие с каждым A.C. цикл из-за переменного магнитного поля. Этот эффект, известный как магнитострикция, производит знакомый жужжащий звук и вызывает потери из-за нагрева от трения в чувствительных сердечниках.
  5. Механические потери: Переменное магнитное поле вызывает колебания электромагнитных сил между первичной и вторичной обмотками.Они вызывают механические колебания в ближайших металлических изделиях и усиливают гудение.
  6. Паразитные потери: Все магнитное поле, создаваемое обмоткой, не связано со вторичной обмоткой из-за утечки потока первичного потока. Оно может индуцировать вихревые токи в соседних проводящих объектах, таких как опора трансформатора, и преобразовываться в тепло. который теряется в окружающей структуре
  7. Потери мощности из-за системы охлаждения: Охлаждающее устройство, такое как охлаждающие вентиляторы, необходимо, генерируемое в масляных насосах или водоохлаждаемых теплообменниках для отвода тепла от больших силовых трансформаторов.Поскольку потребляемая мощность при работе системы охлаждения непродуктивна, это считается потерей мощности трансформатора.

Физическое объяснение потери гистерезиса трансформаторов

Магнитный сердечник трансформатора изготовлен из «холоднокатаной кремниевой стали с ориентированной зернистостью». Сталь — очень хороший ферромагнитный материал. Такие материалы очень чувствительны к намагничиванию. Это означает, что всякий раз, когда магнитный поток проходит через него, он ведет себя как магнит. Ферромагнетики имеют в своей структуре несколько доменов.Домены — это очень маленькие области в структуре материала, где все диполи параллельны в одном направлении. Другими словами, домены подобны маленьким постоянным магнитам, расположенным случайным образом в структуре вещества. Эти домены расположены внутри структуры материала таким случайным образом, что результирующее магнитное поле указанного материала равно нулю. Всякий раз, когда к этому веществу прикладывается внешнее магнитное поле или mmf, эти случайно направленные домены располагаются параллельно оси приложенного mmf.После удаления этого внешнего mmf максимальное количество доменов снова переходит в случайные позиции, но некоторые из них все еще остаются в своем измененном положении. Из-за этих неизмененных доменов вещество постоянно слегка намагничивается. Этот магнетизм называется «Спонтанный магнетизм». Чтобы нейтрализовать этот магнетизм, необходимо применить несколько противоположных ММФ. Магнитодвижущая сила или mmf, приложенная к сердечнику трансформатора, является переменной. Для каждого цикла из-за этого изменения домена будет выполняться дополнительная работа.По этой причине будет потребление электроэнергии, известное как Гистерезисные потери трансформатора .

Гистерезис — это эффект запаздывания магнитного потока B всякий раз, когда есть изменения в напряженности магнитного поля H. Когда первоначально немагниченный ферромагнитный материал подвергается воздействию переменной напряженности магнитного поля H, плотность магнитного потока B создается в материале. меняется.

Потери на гистерезис связаны с явлением гистерезиса и являются выражением того факта, что когда задействован ферромагнитный материал, не вся энергия магнитного поля возвращается в цепь при удалении МДС.Это известно как потеря гистерезиса. На сердечник трансформатора действует переменная намагничивающая сила , и для каждого цикла эдс прослеживается петля гистерезиса.

Явление отставания B от H называется гистерезисом. Конец петли гистерезиса можно соединить для получения характеристик намагничивания.

  • Потери на гистерезис приводят к рассеянию энергии, которое проявляется в виде нагрева магнитного материала. Потери энергии, связанные с гистерезисом, пропорциональны площади петли гистерезиса.
  • Для устройств с возбуждением переменным током петля гистерезиса повторяется каждый цикл переменного тока. Таким образом, петля гистерезиса с большой площадью часто не подходит, поскольку потери энергии будут значительными.
  • Кремниевая сталь имеет узкую петлю гистерезиса и, следовательно, малые гистерезисные потери, и подходит для сердечников трансформаторов и якоря вращающихся машин.

Петля гистерезиса

Петля гистерезиса показывает взаимосвязь между наведенной плотностью магнитного потока (B) и силой намагничивания (H).Его часто называют петлей B-H.

Площадь петли гистерезиса зависит от типа материала. Площадь и, следовательно, потери энергии намного больше для твердых материалов, чем для мягких материалов.

  • Твердый материал с высокой остаточной намагниченностью и большой коэрцитивной силой.
  • Мягкая сталь с большой остаточной намагничиваемостью и небольшой коэрцитивностью.
  • Феррит, это керамическое магнитное вещество, изготовленное из оксидов железа, никеля, кобальта, магния, алюминия и маргенеза; гистерезис феррита очень мал.

Нарушение совмещения доменов ферромагнитного материала вызывает расход энергии на прохождение им цикла намагничивания. Эта энергия проявляется в образце в виде тепла и называется гистерезисными потерями .

Уравнение и объяснение потерь на гистерезис в трансформаторе

Определение потерь на гистерезис
Рассмотрим кольцо из ферромагнитного образца с длиной окружности L метр, площадь поперечного сечения am 2 и N витков изолированного провода, как показано на рисунке рядом, Предположим, ток, протекающий через катушку, равен I ампер, Сила намагничивания, Пусть, плотность потока в этот момент равна B, Следовательно, полный поток через кольцо, Φ = BXa Wb Поскольку ток, текущий через соленоид, является переменным, поток, создаваемый в железном кольце, также имеет переменную природу, поэтому индуцированная эдс (e ‘) будет выражена как,

Согласно закону Ленца, эта наведенная эдс будет противодействовать потоку тока, поэтому, чтобы поддерживать ток I в катушке, источник должен подавать равную и противоположную ЭДС.Следовательно, примененная ЭДС,

Энергия, потребленная за короткое время dt, в течение которого плотность потока изменилась,

Таким образом, общая выполненная работа или энергия, потребленная в течение одного полного цикла магнетизма,

Теперь aL — это объем кольца, а H .dB — это площадь элементарной полосы кривой B — H, показанной на рисунке выше,

Следовательно, Энергия, потребляемая за цикл = объем кольца X площадь петли гистерезиса.

Потери в сердечнике

Сумма потерь на гистерезис и потерь на вихревые токи называется потерями в сердечнике, поскольку обе потери происходят в сердечнике (магнитном материале).Для данной магнитной цепи с сердечником из ферромагнитного материала объем и толщина пластин постоянны, и общие потери в сердечнике можно выразить следующим образом. Потери в сердечнике = гистерезисные потери + потери на вихревые токи. Намного проще измерить потери в сердечнике с помощью ваттметра (Вт), запитав катушку N витка синусоидальным напряжением известной частоты.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *