Вихревые токи в трансформаторе: Трансформаторы, устройство и принцип действия, назначение различных типов

Трансформаторы, устройство и принцип действия, назначение различных типов

Электрика » Электроснабжение » Трансформаторы

Трансформатор это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования напряжения электрической энергии переменного тока. Основной принцип работы трансформатора состоит в использовании явления электромагнитной индукции.

К основным частям, из которых состоит трансформатор, относятся магнитный сердечник (магнитопровод) и намотанные на нём обмотки.

Принцип действия трансформатора напряжения заключается в следующем. Одна из обмоток подключается к источнику электрического напряжения. Эту обмотку называют первичной, она служит источником энергии, трансформируемой устройством.

Ток переменного направления, протекающий по первичной обмотке, создаёт знакопеременный магнитный поток в трансформаторном магнитопроводе.

Под воздействием магнитного потока сердечника во вторичных обмотках (их может быть несколько) наводится электродвижущая сила (ЭДС) индукции.

Наведённая ЭДС индукции вызывает во вторичных обмотках появление некоторого напряжения, а при подключении к ним нагрузки — вторичного тока.

Форма магнитного трансформаторного сердечника может быть различной, главное условие — магнитный поток должен образовывать замкнутые контуры (один или несколько).

Наибольшее распространение получили следующие формы трансформаторных магнитопроводов:

• Ш – образные;
• П – образные;
• тороидальные (по аналогии с предыдущими типами сердечников их можно назвать О – образными).

В процессе трансформации электрической энергии, часть её теряется вследствие наличия потерь. Трансформаторные потери подразделяются на две категории — потери в меди и в стали. Данные определения требуют разъяснения.

Потери в меди.

Под этим термином подразумеваются омические потери при протекании токов в обмотках трансформаторов. Теряемая в обмотках энергия уходит на их нагрев.

Интересный факт. Нередко встречаются трансформаторы, обмотки которых выполнены из алюминиевых проводников. Теряемую в таких обмотках мощность логично было бы назвать «потери в алюминии», однако такой термин не употребляется. Словосочетание «потери в меди» вероятно можно отнести к профессиональному жаргону.

Потери в стали.

Данный вид теряемой мощности состоит из двух компонентов:

• потери, возникающие вследствие образования в сердечнике вихревых токов;
• мощность, затрачиваемая на перемагничивание.

Вихревые токи (токи Фуко) возникают в любом электропроводящем материале под воздействием переменного магнитного поля. Трансформаторный сердечник, являющийся проводником, не является исключением.

Для уменьшения влияния вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов обычно изготавливают не цельными изделиями, а набираются из тонких пластин специальной электротехнической стали. Каждая пластина перед сборкой покрывается электроизоляционным лаком.

Такая технология позволяет избежать возникновения глобальных вихревых токов по всей толщине сердечника, что значительно снижает потери энергии и соответственно, нагрев магнитопровода.

ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОКОВ ФУКО

Для того чтобы оценить масштабы энергии, которая может выделяться при протекании вихревых токов, полезно вспомнить принцип работы индукционных плавильных печей. В ёмкость печи, выполненную из огнеупорной керамики, помещают лом стали, чугуна или железную руду.

Плавильная ёмкость окружена мощной спиральной обмоткой, по которой пропускается ток высокой частоты. Содержимое ёмкости в данном случае играет роль магнитного сердечника.

Под воздействием возникающих вихревых токов происходит интенсивный разогрев и расплавление загруженного железосодержащего материала. Электроплавильное производство относится к одному из самых энергоёмких.

Потери на перемагничивание обусловлены следующими факторами:

1. Макроструктура магнитных материалов имеет зернистый характер. Образование структурных зёрен происходит на стадии застывания расплавленного металлического сплава вследствие возникновения множества очагов кристаллизации.

2. В результате образуются зёрна структуры, которые представляют собой монокристаллические образования — домены. Каждый домен магнитного материала имеет некоторое результирующее направление вектора магнитной индукции.

При отсутствии внешнего магнитного поля векторы индукции доменов направлены хаотически. Но если поместить такой материал в магнитное поле, векторы доменов становятся однонаправленными.

Применительно к процессу трансформации происходит следующее. Ток первичной обмотки создаёт в сердечнике магнитное поле, направление индукции которого меняется с частотой 50 герц (при подключении к обычной электросети).

С такой же частотой происходит переориентация векторов магнитной индукции доменов магнитопровода. Энергия, затрачиваемая на циклическое перемагничивание, выделяется в виде тепла, нагреваемого сердечник.

Энергию, затраченную на перемагничивание сердечника, называют также потерями на гистерезис. Величина этих потерь зависит от свойств материала трансформаторного сердечника, а если более конкретно, от вида их кривой намагничивания — петли гистерезиса.

Наименьшими потерями характеризуются магнитомягкие материалы — электротехническая сталь и пермаллой, которые и используются при изготовлении трансформаторных магнитопроводов.

ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

В зависимости от специфических функций, выполняемых трансформаторами, они подразделяются на несколько основных типов:

• силовые, предназначенные для трансформации мощности;
• измерительные, к которым относятся трансформаторы тока и напряжения;
• разделительные, служащие для разделения электрических цепей.

Силовые трансформаторы используются на электрических станциях, в распределительных сетях и в точках потребления электроэнергии. Основная их функция — трансформирование передаваемой электрической энергии с одной ступени напряжения в другую.

Смысл смены ступеней напряжения заключается в том, что выработка, транспортировка и потребление электрической энергии происходит на разных уровнях напряжения.

Мощные турбогенераторы электрических станций вырабатывают электроэнергию напряжением 20 кВ. Передача энергии на большие расстояния осуществляется по воздушным линиям (ЛЭП), имеющим напряжение сотни киловольт — 110, 220, 500 кВ.

Более высокое напряжение (750 и 1150 кВ) применяется реже ввиду дороговизны оборудования и ряда технических сложностей. Повышение напряжения транспортировки электроэнергии позволяет снизить её потери.

Потребляется же большая часть электричества с напряжением 0,4 кВ. Максимальное напряжение конечных электрических устройств составляет не более нескольких киловольт. К таким устройствам относятся высоковольтные приводные двигатели мощных производственных механизмов, тяговые двигатели электровозов, питающихся от контактных электрических сетей.

Таким образом, электрическая энергия на своём пути от её производства до поступления к конечному потребителю несколько раз изменяет уровень напряжения. Эту работу выполняют силовые трансформаторы, установленные на электрических станциях и подстанциях распределительных сетей.

Измерительные трансформаторы используются в цепях измерения, защиты и контроля. Устройства этого типа осуществляют преобразование первичных значений тока и напряжения в пропорциональные им вторичные величины, необходимые для работы измерительных приборов, устройств защиты и автоматики.

Преобразование токовых величин осуществляется трансформаторами тока, для контроля уровня напряжения служат трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы относятся к средствам измерений и подлежат периодической метрологической поверке, так же как все измерительные приборы.

Разделительные трансформаторы используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить гальваническую развязку между отдельными участками электросетей.

Необходимость такого разделения может диктоваться требованиями электробезопасности. Например, таким способом осуществляется питание некоторых видов медицинского оборудования. В данном случае используется одно из основных свойств, присущих трансформатору — отсутствие гальванической связи между его обмотками.

  *  *  *

© 2014-2020 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

§22. Вихревые токи | Электротехника

Возникновение вихревых токов. Изменяющийся магнитный поток
способен индуцировать э. д. с. не только в проводах или витках катушек, но и в массивных стальных сердечниках, кожухах и других металлических деталях электротехнических установок. Эти э. д. с. являются причиной появлений индуцированных токов, которые действуют в массивных металлических деталях, замыкаясь накоротко в их толще. Такие токи получили название вихревых. Например, при изменении магнитного потока, созданного катушкой 1 (рис. 56, а), в ее стальном сердечнике 2 индуцируются вихревые

Рис. 56. Возникновение вихревых токов

Рис. 57. Устройство сердечников электрических машин и аппаратов из отдельных изолированных стальных листов.

токи, замыкающиеся в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. Вихревые токи возникают также в сердечниках 3 якорей и роторов электрических машин при вращении их в магнитном поле (рис. 56, б). Природа вихревых токов такая же, как и токов, индуцированных в обычных проводах или катушках. Благодаря очень малому сопротивлению массивных проводников вихревые токи даже при небольшой индуцированной э. д. с. достигают очень больших значений, вызывая чрезмерное нагревание этих проводников.

Способы уменьшения вредного действия вихревых токов.

В электрических машинах и аппаратах вихревые токи обычно нежелательны, так как они вызывают нагрев металлических сердечников, создают потери энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают к. п. д. электрических машин и аппаратов и оказывают согласно правилу Ленца размагничивающее действие. Для уменьшения вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов 1 (рис. 57) толщиной 0,35—1,0 мм, изолированных один от другого слоем изоляции 2 (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов и уменьшается поперечное сечение каждого отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что приводит к уменьшению силы тока.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1—5 % кремния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов.

Потери мощности от вихревых токов пропорциональны квадрату индукции В магнитного поля и квадрату частоты f его изменения. При увеличении индукции и частоты изменения магнитного

Рис. 58. Расплавление металла (а), сварка и пайка (б) металлических деталей с помощью вихревых токов: 1 — тигель с металлом; 2 — высокочастотный индуктор; 3 — сжимающее усилие; 4 — свариваемые трубы; 5 — нагретый металл; 6— пластина из твердого сплава; 7 — резец

Рис. 59. Закалка металлических изделий с помощью вихревых токов: 1-шестерня; 2 – высокочастотный индуктор; 3- нагретый металл; 5 – головка рельса

поля, а также при увеличении частоты вращения роторов и якорей электрических машин эти потери резко возрастают.

Использование вихревых токов. В ряде случаев вихревые токи используют для полезных целей. Например, при помощи вихревых токов расплавляют металлы (рис. 58, а). Для этой цели тигель с металлом помешают в изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл. Таким же образом вихревые токи нагревают металлические детали при сварке, наплавке и пайке (рис. 58, б), а также осуществляют поверхностный нагрев, необходимый для закалки металлических изделий (рис. 59). Ввиду того что в этих случаях требуется увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, т. е. получить большие вихревые токи, для индуцирования их используют магнитные поля изменяющиеся с большой скоростью. Такие поля могут быть созданы при помощи специальных индукторов, выполненных в виде одного или нескольких витков, по которым проходят переменные быстро изменяющиеся токи — так называемые токи высокой частоты.

Польза и вред вихревых токов

Главная > Теория > Токи Фуко

Электрическое поле окружает человека повсеместно, как в производственных процессах, так и в повседневной жизни. Большинство людей даже не подразумевают, что в процессе своей жизнедеятельности сталкиваются с таким явлением, как вихревые токи. Эти токи могут оказывать как положительное, так и негативное влияние на жизнь человека, и нет однозначного ответа: больше от них пользы или вреда.

Французский физик Жанн Фуко, давший вразумительное объяснение вихревым потокам

Так, благодаря данному явлению функционируют индукционные электрические плиты и печи, либо свет включается при нажатии на кнопку. Но в тоже время под воздействием этих потоков теряется энергия в катушках и проводнике, и для ее сохранения приходится применять дополнительные технологические действия. Например, данная технология применима в трансформаторах. Его сердцевина (сердечник) состоит из большого количества мелких и плоских шихтовых пластин, которые прочно соединены друг с другом при помощи лака. Очень часто сердечник дополнительно обтянут шпилькой, основное предназначение которой снизить вихревые токи. В современном мире этот феномен стали называть токи Фуко.

Открытие вихревых токов

По историческим данным, впервые это явление обнаружил в начале 19 века французский исследователь Д. Араго. Специалистам известен его наглядный опыт. Вращение намагниченной стрелкой приводит в движение тонкий диск из меди, расположенный на небольшом расстоянии сверху. Природу явления раскрыл М. Фарадей, объяснивший представленный простой пример перемещения взаимодействием поля и образованных в проводнике токов. Они получили специфическое название по фамилии ученого. Фуко обнаружил нагрев тел при достаточно сильном энергетическом потенциале источника переменного тока.

Природа вихревых токов

Трансформатор — виды и применение

Образование ЭДС в проводниках при воздействии изменяющегося магнитного потока называют индукцией. На принципах этого явления функционируют электродвигатели, генераторы, катушки фильтров и колебательных контуров.

Что это такое токи Фуко, показано на рисунке

При определенном расположении источника переменного поля и проводника приходится учитывать отмеченные выше эффекты. При необходимости в контрольных точках можно измерить определенное напряжение. Важные особенности:

• с учетом неравномерного распределения электрической проводимости затруднено точное определение траектории токов;
• они будут возникать при перемещении пластины относительно постоянного магнита;
• линии образуют замкнутые контуры в толще образца;
• они расположены перпендикулярно вектору магнитного потока.

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.

Практическое применение вихревых токов

Применение и эксплуатация элегазовых выключателей

Прохождение сильного тока повышает энергетический потенциал молекулярной решетки, что сопровождается нагревом. Это явление объясняет возможность использования соответствующей технологии для бесконтактного повышения температуры проводящих материалов. Если приводить пример с индукционной варочной панелью, можно подчеркнуть следующие плюсы:

• образование тепла в глубине дна посуды обеспечивает эффективный нагрев рабочей зоны;
• температура на поверхности панели не повышается чрезмерно;
• тепловое воздействие на продукты выполняется быстрее, по сравнению с аналогами (спиральные ТЭНы, газовые плиты).

Привести пример на основе опыта с вращением диска несложно. Этот же принцип реализован в конструкции электромеханического счетчика потребленной энергии. В данном случае вращение рабочего узла обеспечивается наведенными токами. Ускорение/ замедление соответствует изменению мощности в нагрузке.

При увеличении тока можно нагреть металлы (сплавы) до температуры плавления

При тщательном изучении тематических вопросов можно найти определенные минусы. Электромагнитный поток в цельном сердечнике трансформатора способен увеличить энергетические потери. По этой причине соответствующие детали создают из комплекта пластин, покрытых слоем диэлектрика. Эти элементы соединяют изолированным стержнем.

Принципы вихревых токов

Для детального изучения процессов можно рассмотреть действие полей при подключении к источнику типовой катушки индукции. Переменный ток в проводнике образует силовые линии поля. Напряженность создает разницу потенциалов в соседних петлях. Движение электронов формирует вихревые токи. Они движутся по траекториям наименьшего сопротивления, которое изменяется при наличии в изделиях примесей, трещин, полостей и других дефектов.

Закон Ома

Вихревые токи – это направленное движение электронов в проводнике. Поэтому рассматриваемые явления вполне могут быть описаны базовыми физическими формулами и определениями.

Сила тока рассчитывается по закону Ома:

I = (-1/R) * (dФ/dt), где:

• R – электрическое сопротивление;
• Ф – магнитный поток;
• dt – интервал времени.

Понятно, что для практических вычислений сложнее всего выяснить значение проводимости. Кроме отмеченных выше неравномерностей пути прохождения тока (различия проводника), траектория меняется под воздействием переменного поля.

Индуктивность

Следует подчеркнуть проницаемость проводника силовыми линиями электромагнитного поля. Такое воздействие при увеличении тока источника питания интенсифицирует вихревые эффекты в контрольном образце, установленном на небольшом расстоянии. Амплитуда наведенных токов и фаза определяются нагрузкой и проводимостью катушки индукции. Как и в предыдущем примере, разрывы и другие дефекты проводящего участка оказывают существенное влияние на рабочие электрические характеристики конструкции.

Магнитные поля

Зависимость от параметров материалов показана на рисунке. Цифрами отмечены:

1. пара или диамагнетики;
2. ферриты;
3. железо.

Как будут возникать токи в разных образцах при равных общих условиях

Интересно. Взаимное воздействие оказывают магнитные поля, созданные катушкой и вихревыми процессами.

Дефектоскопия

Рассмотренные недостатки можно преобразовать в достоинства. По изменению вихревых токов определяют наличие дефектов при сканировании контрольных образцов. При создании измерительных приборов учитывают следующие факторы:

• проводимость определяет силу и путь прохождения токов;
• ровные поверхности исследовать проще;
• вихревые процессы активизируется при уменьшении рабочей области.

Обнаружение контура дефектоскопом

С учетом целевого назначения корректируют конструкцию и размещение датчиков. Как правило, катушку устанавливают ближе к месту измерения. Корректируют форму изделия для лучшего соответствия объекту обследования.

Уменьшение вихревых токов

Чтобы успешно бороться с негативными проявлениями вихревых эффектов в электроэнергетике и других областях, пользуются отмеченными особенностями. В частности, увеличивают сопротивление проводников добавлением кремниевых и других присадок. Наборы из пластин размещают параллельно вектору магнитного потока. Обеспечивают надежную изоляцию элементов конструкции.

Опыты Фуко. Закон всемирного тяготения Исаака Ньютона

Спасибо школьной ссоре

Открытые Галилеем закономерности в движении маятников позволили ученым не только изобрести маятниковые часы, но и экспериментально доказать… вращение Земли.
Опыт с огромным маятником был поставлен французским инженером Фуко в 1850 году — через 208 лет после ухода из жизни Галилея и через 307 лет после кончины Коперника, впервые предположившего, что Земля вращается не только вокруг Солнца, но и одновременно вокруг собственной оси.

В парижском Пантеоне, зале с очень высоким куполом, Фуко подвесил на гибком тросе длиной 67 метров шар массой 28 килограммов. С нижней стороны у шара имелось острие, а на полу Пантеона насыпали полоску из песка. Маятник раскачали, и острие стало прочерчивать узкую бороздку в песке — в одном и том же месте при каждом размахе. Но что это? По мере того как шло время, бороздка в песке поворачивалась по часовой стрелке!

На самом деле все, конечно, происходило наоборот: маятник, как ему и положено, все время двигался в одной и той же плоскости, но под ним медленно вращалась вокруг воображаемой оси Земля, делая полный оборот против часовой стрелки за одни сутки.

Поворачивалась в обратную сторону и бороздка, наглядно показывая недоверчивым зрителям, что мы летим вокруг Солнца на космическом корабле под названием Земля, похожем на гигантский волчок.

Опыт Фуко повторяли много раз в самых высоких зданиях и планетариях разных частей света, в том числе и у нас в стране, например, в Ленинграде, в Исаакиевском соборе. И Земля всегда вращалась под маятником…

Закон всемирного тяготения

Великий Ньютон, родившийся в 1643 году, продолжил другие исследования Галилея, связанные с движением тел и их взаимным притяжением друг к другу.

Ньютону было всего двадцать четыре года, когда он впервые сформулировал закон всемирного тяготения.

Способность одного тела притягивать другое прежде всего определяется его собственной массой, решил Ньютон. Тогда очень легко объясняются опыты Галилея: брошенная им с Пизанской башни легкая пуля и тяжелое ядро падают под действием силы тяготения Земли, масса которой так велика, что все «земные» тела получают под ее влиянием практически одинаковое ускорение свободного падения, равное 9,8 м/сек2.

А каково действие Земли на «внеземные» тела? Оно, видимо, должно ослабевать с расстоянием и зависеть от массы притягиваемого тела.

Сила притяжения любых двух тел, формулировал Ньютон в законе всемирного тяготения, прямо пропорциональна произведению масс этих тел, постоянной всемирного тяготения (одинаковой для всех тел в природе), называемой гравитационной постоянной, и обратно пропорциональна расстоянию между телами, возведенному в квадрат. Расстояние необходимо измерять между центрами тел, в частности, если в процессе притяжения участвует Земля, то отсчет надо вести от центра Земли, отстоящего от земной поверхности в среднем на глубину 6370 километров.

Для самого Ньютона наиболее важным доводом в пользу закона всемирного тяготения послужило полученное им доказательство, что притяжение Земли действует и на Луну. Расчет показал, что если бы масса Земли была меньшей, чем в действительности, то Луна улетела бы с орбиты в бескрайние просторы Вселенной; при большей массе Земли Луна постепенно тормозилась бы, приближаясь к Земле по спирали, как спускаемый космический аппарат!

Исаак Ньютон, научные труды которого легли в основу величественного здания классической физики. Справа — его рабочий кабинет.

Ньютон очень строго относился к своим выводам. Сначала по его расчетам получилось значение ускорения Луны на 15% меньше, чем определили астрономы, и Ньютон не стал ничего сообщать о своем открытии.

Он опубликовал закон всемирного тяготения только через 16 лет, когда стали известны более строгие опытные данные, и расхождение его теории с наблюдениями уменьшилось до 2%.

Закон всемирного тяготения позволил с высокой точностью определить орбиты планет Солнечной системы, благодаря ему была строго доказана справедливость законов Кеплера.

Законы движения тел

Не только небесная, но и земная механика многим обязана гению Ньютона. Он сформулировал три закона движения тел, с помощью которых механики до сих пор рассчитывают самые сложные конструкции, определяют скорость и ускорение многочисленных механизмов и средств транспорта, оценивают прочность конструкций.

Приведем эти три закона в той форме, которую использовал их автор:

«Всякое тело упорствует в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить свое состояние».

«Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению прямой, по которой эта сила действует».

«Действию всегда есть равное и противоположное действие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга всегда между собой равны и направлены в противоположные стороны».

Биографы Ньютона рассказывают, что первое время в школе он учился очень посредственно. И вот однажды его обидел лучший ученик в классе. Ньютон решил, что самая страшная месть для обидчика — отнять у него место первого ученика. Дремавшие в Ньютоне способности проснулись, и он с легкостью затмил своего соперника.

Разбуженного джинна познания нельзя снова спрятать в темную, заплесневевшую бутылку. С того счастливого для мировой науки эпизода начался процесс превращения скромного английского школьника в великого ученого…

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.

От каких свойств сердечника зависят вихревые токи

Иллюстрация возникновения токов Фуко в движущейся в постоянном магнитном поле проводящей (металлической) пластине C. Вектор магнитной индукции B показан зелеными стрелками, вектор V скорости движения пластин — черными стрелками, силовые линии вектора плотности электрического тока I — красным цветом (эти линии замкнутые, «вихревые»).
Источником магнитного поля является постоянный магнит, его фрагмент показан вверху рисунка серым цветом. Вектор магнитной индукции B направлен от северного (N) полюса магнита, магнитное поле пронизывает пластину. В материале пластины, входящем под магнит, т.е. слева, магнитная индукция изменяется во времени, возрастает (dBn/dt > 0), и в соответствии с законами Фарадея и Ома в материале пластины возникает (наводится, «индуцируется») замкнутый (вихревой) электрический ток. Этот ток течет против часовой стрелки и, по закону Ампера, создает свое собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции которого показан синей стрелкой, направленной перпендикулярно плоскости протекания тока, вверх.
Справа, в материале пластины, удаляющемся от магнита, магнитное поле тоже меняется во времени, однако оно ослабевает, и силовые линии возникающего справа еще одного электрического тока направлены по часовой стрелке.
Точно под магнитом «левый» и «правый» вихри токов направлены в одну и ту же сторону, плотность суммарного электрического тока максимальна. На движущиеся в этой области электрические заряды, поток которых образует электрический ток, в сильном магнитном поле действует сила Лоренца, направленная (по правилу левой руки) против вектора скорости V. Эта сила Лоренца тормозит пластину C. Взаимодействие магнитного поля магнита и магнитного поля индуцированных токов приводит к тому, что результирующее распределение потока магнитного поля в окрестности полюса N магнита отличается от случая неподвижной пластины C (и зависит от скорости V), хотя суммарный поток вектора магнитной индукции остается неизменным (при условии, что материал магнита и пластины C не входит в насыщение).

У этого термина существуют и другие значения, см. Ток.

Вихревые токи, или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревой[1] индукционный[2] объёмный электрический ток[3], возникающий в электрических проводниках при изменении во времени потока действующего на них магнитного поля.

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: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Фуко также открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

Токи Фуко возникают под действием изменяющегося во времени (переменного) магнитного поля[4] и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в проводах и вторичных обмотках электрических трансформаторов.

Поскольку электрическое сопротивление массивного[5] проводника может быть мало, то сила индукционного электрического тока, обусловленного токами Фуко, может достигать чрезвычайно больших значений. В соответствии с правилом Ленца токи Фуко в объеме проводника выбирают такой путь, чтобы в наибольшей мере противодействовать причине, вызывающей их протекание. Поэтому, в частности, движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с внешним магнитным полем. Этот эффект используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов без использования силы трения, а также в некоторых конструкциях тормозных систем железнодорожных поездов.

Применение[править | править код]

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах, где в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в котором возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. Подобным образом работают индукционные плиты, в которых металлическая посуда разогревается вихревыми токами, создаваемыми переменным магнитным полем катушки, расположенной внутри плиты.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок для их дегазации.

В соответствии с правилом Ленца вихревые токи протекают внутри проводника по таким путям и направлениям, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Вследствие этого при движении в магнитном поле на хорошие проводники действует тормозящая сила, вызываемая взаимодействием вихревых токов с магнитным полем. Этот эффект используется в ряде приборов для демпфирования колебаний их подвижных частей.

Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками (шихтовка). Появление ферритов сделало возможным изготовление этих сердечников сплошными.

Вихретоковый контроль — один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов.

Примечания[править | править код]

1. ↑ Термин вихревой означает, что силовые линии тока замкнуты.
2. ↑ Индукционным называют электрический ток, создаваемый (наводимый) в проводнике за счет взаимодействия проводника с переменным во времени магнитным (электромагнитным) полем, а не за счет действия включенных в разрыв цепи источников тока и ЭДС (гальванических элементов и т.п.).
3. ↑ Часто используется термин токи во множественном числе, поскольку токи Фуко представляют собой электрический ток в объеме проводника, и в отличие от индукционного тока во вторичной обмотке трансформатора затруднительно указать единственную «электрическую цепь» для тока, единственную замкнутую траекторию движения электрических зарядов в толще проводника.
4. ↑ Строго говоря — под действием переменного электромагнитного поля
5. ↑ То есть обладающего большой площадью поперечного току сечения

Литература[править | править код]

• Сивухин Д. В.: Общий курс физики, том 3. Электричество. 1977
• Савельев И. В.: Курс общей физики, том 2. Электричество. 1970
• Неразрушающий контроль: справочник: В 7т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 2: В 2 кн.-М.:Машиностроение, 2003.-688 с.: ил.

Ссылки[править | править код]

• Про вихревые токи в «Школе для электрика»

 ýëåêòðè÷åñêèõ àïïàðàòàõ, ïðèáîðàõ è ìàøèíàõ ìåòàëëè÷åñêèå äåòàëè èíîãäà äâèæóòñÿ â ìàãíèòíîì ïîëå èëè íåïîäâèæíûå ìåòàëëè÷åñêèå äåòàëè ïåðåñåêàþòñÿ ñèëîâûìè ëèíèÿìè ìåíÿþùåãîñÿ ïî âåëè÷èíå ìàãíèòíîãî ïîëÿ.  ýòèõ ìåòàëëè÷åñêèõ äåòàëÿõ èíäóêòèðóåòñÿ ÝÄÑ ñàìîèíäóêöèè.

Ïîä äåéñòâèåì ýòèõ ý. ä. ñ. â ìàññå ìåòàëëè÷åñêîé äåòàëè ïðîòåêàþò âèõðåâûå òîêè (òîêè Ôóêî), êîòîðûå çàìûêàþòñÿ â ìàññå, îáðàçóÿ âèõðåâûå êîíòóðû òîêîâ.

Âèõðåâûìè òîêàìè (òàêæå òîêàìè Ôóêî) íàçûâàþòñÿ ýëåêòðè÷åñêèå òîêè, âîçíèêàþùèå âñëåäñòâèå ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè â ïðîâîäÿùåé ñðåäå (îáû÷íî â ìåòàëëå) ïðè èçìåíåíèè ïðîíèçûâàþùåãî åå ìàãíèòíîãî ïîòîêà.

Âèõðåâûå òîêè ïîðîæäàþò ñâîè ñîáñòâåííûå ìàãíèòíûå ïîòîêè, êîòîðûå, ïî ïðàâèëó Ëåíöà, ïðîòèâîäåéñòâóþò ìàãíèòíîìó ïîòîêó êàòóøêè è îñëàáëÿþò åãî. Êðîìå òîãî, îíè âûçûâàþò íàãðåâ ñåðäå÷íèêà, ÷òî ÿâëÿåòñÿ áåñïîëåçíîé òðàòîé ýíåðãèè.

Ïóñòü èìååòñÿ ñåðäå÷íèê èç ìåòàëëè÷åñêîãî ìàòåðèàëà. Ïîìåñòèì íà ýòîò ñåðäå÷íèê êàòóøêó, ïî êîòîðîé ïðîïóñòèì ïåðåìåííûé òîê. Âîêðóã êàòóøêè îêàæåòñÿ ïåðåìåííûé ìàãíèòíûé òîê, ïåðåñåêàþùèé ñåðäå÷íèê. Ïðè ýòîì â ñåðäå÷íèêå ñòàíåò íàâîäèòüñÿ èíäóöèðîâàííàÿ ÝÄÑ, êîòîðàÿ, â ñâîþ î÷åðåäü, âûçûâàåò â ñåðäå÷íèêå òîêè, íàçûâàåìûå âèõðåâûìè. Ýòè âèõðåâûå òîêè íàãðåâàþò ñåðäå÷íèê. Òàê êàê ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ñåðäå÷íèêà íåâåëèêî, òî íàâîäèìûå â ñåðäå÷íèêàõ èíäóöèðîâàííûå òîêè ìîãóò îêàçûâàòüñÿ äîñòàòî÷íî áîëüøèìè, à íàãðåâ ñåðäå÷íèêà — çíà÷èòåëüíûì.

Âîçíèêîíâåíèå òîêîâ Ôóêî (âèõðåâûõ òîêîâ)

Âïåðâûå âèõðåâûå òîêè áûëè îáíàðóæåíû ôðàíöóçñêèì ó÷¸íûì Ä.Ô. Àðàãî (1786 — 1853) â 1824 ã. â ìåäíîì äèñêå, ðàñïîëîæåííîì íà îñè ïîä âðàùàþùåéñÿ ìàãíèòíîé ñòðåëêîé. Çà ñ÷¸ò âèõðåâûõ òîêîâ äèñê ïðèõîäèë âî âðàùåíèå. Ýòî ÿâëåíèå, íàçâàííîå ÿâëåíèåì Àðàãî, áûëî îáúÿñíåíî íåñêîëüêî ëåò ñïóñòÿ M. Ôàðàäååì ñ ïîçèöèé îòêðûòîãî èì çàêîíà ýëåêòðîìàãíèòíîé èíäóêöèè.

Âèõðåâûå òîêè áûëè ïîäðîáíî èññëåäîâàíû ôðàíöóçñêèì ôèçèêîì Ôóêî (1819 — 1868) è íàçâàíû åãî èìåíåì. Îí íàçâàë ÿâëåíèå íàãðåâàíèÿ ìåòàëëè÷åñêèõ òåë, âðàùàåìûõ â ìàãíèòíîì ïîëå, âèõðåâûìè òîêàìè.

 êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñóíêå ïîêàçàíû âèõðåâûå òîêè, èíäóêòèðóåìûå â ìàññèâíîì ñåðäå÷íèêå, ïîìåùåííîì â êàòóøêó, îáòåêàåìóþ ïåðåìåííûì òîêîì. Ïåðåìåííîå ìàãíèòíîå ïîëå èíäóêòèðóåò òîêè, êîòîðûå çàìûêàþòñÿ ïî ïóòÿì, ëåæàùèì â ïëîñêîñòÿõ, ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèþ ïîëÿ.

Âèõðåâûå òîêè: à — â ìàññèâíîì ñåðäå÷íèêå, á — â ïëàñòèí÷àòîì ñåðäå÷íèêå

Ñïîñîáû óìåíüøåíèÿ òîêîâ Ôóêî

Ìîùíîñòü, çàòðà÷èâàåìàÿ íà íàãðåâ ñåðäå÷íèêà âèõðåâûìè òîêàìè, áåñïîëåçíî ñíèæàåò ÊÏÄ òåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî òèïà.

×òîáû óìåíüøèòü ìîùíîñòü âèõðåâûõ òîêîâ, óâåëè÷èâàþò ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ìàãíèòîïðîâîäà, äëÿ ýòîãî ñåðäå÷íèêè íàáèðàþò èç îòäåëüíûõ òîíêèõ (0,1- 0,5 ìì) ïëàñòèí, èçîëèðîâàííûõ äðóã îò äðóãà ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíîãî ëàêà èëè îêàëèíû.

Ìàãíèòîïðîâîäû âñåõ ìàøèí è àïïàðàòîâ ïåðåìåííîãî òîêà è ñåðäå÷íèêè ÿêîðåé ìàøèí ïîñòîÿííîãî òîêà ñîáèðàþò èç èçîëèðîâàííûõ äðóã îò äðóãà ëàêîì èëè ïîâåðõíîñòíîé íåïðîâîäÿùåé ïëåíêîé (ôîñôàòèðîâàííûõ) ïëàñòèí, âûøòàìïîâàííûõ èç ëèñòîâîé ýëåêòðîòåõíè÷åñêîé ñòàëè. Ïëîñêîñòü ïëàñòèí äîëæíà áûòü ïàðàëëåëüíà íàïðàâëåíèþ ìàãíèòíîãî ïîòîêà.

Ïðè òàêîì äåëåíèè ñå÷åíèÿ ñåðäå÷íèêà ìàãíèòîïðîâîäà âèõðåâûå òîêè ñóùåñòâåííî îñëàáëÿþòñÿ, òàê êàê óìåíüøàþòñÿ ìàãíèòíûå ïîòîêè, êîòîðûìè ñöåïëÿþòñÿ êîíòóðû âèõðåâûõ òîêîâ, à ñëåäîâàòåëüíî, ïîíèæàþòñÿ è èíäóêòèðóåìûå ýòèìè ïîòîêàìè ý. ä. ñ, ñîçäàþùèå âèõðåâûå òîêè.

 ìàòåðèàë ñåðäå÷íèêà òàêæå ââîäÿò ñïåöèàëüíûå äîáàâêè, òàêæå óâåëè÷èâàþùèå åãî ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå. Äëÿ óâåëè÷åíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ôåððîìàãíåòèêà ýëåêòðîòåõíè÷åñêóþ ñòàëü ïðèãîòîâëÿþò ñ ïðèñàäêîé êðåìíèÿ.

Øèõòîâàííûé ìàãíèòîïðîâîä òðàíñôîðìàòîðà

Ñåðäå÷íèêè íåêîòîðûõ êàòóøåê (áîáèí) íàáèðàþò èç êóñêîâ îòîææåííîé æåëåçíîé ïðîâîëîêè. Ïîëîñêè æåëåçà ðàñïîëàãàþò ïàðàëëåëüíî ëèíèÿì ìàãíèòíîãî ïîòîêà. Âèõðåâûå æå òîêè, ïðîòåêàþùèå â ïëîñêîñòÿõ, ïåðïåíäèêóëÿðíûõ íàïðàâëåíèþ ìàãíèòíîãî ïîòîêà, îãðàíè÷èâàþòñÿ èçîëèðóþùèìè ïðîêëàäêàìè. Äëÿ ìàãíèòîïðîâîäîâ ïðèáîðîâ è óñòðîéñòâ, ðàáîòàþùèõ íà âûñîêîé ÷àñòîòå, ïðèìåíÿþò ìàãíåòîäèýëåêòðèêè. ×òîáû ñíèçèòü âèõðåâûå òîêè â ïðîâîäàõ, ïîñëåäíèå èçãîòàâëèâàþò â âèäå æãóòà èç îòäåëüíûõ æèë, èçîëèðîâàííûõ äðóã îò äðóãà.

Ëèöåíäðàò — ýòî ñèñòåìà ïåðåïëåòåííûõ ìåäíûõ ïðîâîäîâ, â êîòîðîé êàæäàÿ æèëà èçîëèðîâàíà îò ñîñåäíèõ. Ëèöåíäðàò ïðåäíàçíà÷åí äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ íà âûñîêî÷àñòîòíûõ òîêàõ äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ âîçíèêíîâåíèÿ ïàðàçèòíûõ òîêîâ è òîêîâ Ôóêî.

Ïðèìåíåíèå òîêîâ Ôóêî

 ðÿäå ñëó÷àåâ âèõðåâûå òîêè èñïîëüçóþòñÿ â òåõíèêå, íàïðèìåð äëÿ òîðìîæåíèÿ âðàùàþùèõñÿ ìàññèâíûõ äåòàëåé. Ýëåêòðîäâèæóùàÿ ñèëà, íàâîäèìàÿ â ýëåìåíòàõ äåòàëè ïðè ïåðåñå÷åíèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, âûçûâàåò â åå òîëùå çàìêíóòûå òîêè, êîòîðûå, âçàèìîäåéñòâóÿ ñ ìàãíèòíûì ïîëåì, ñîçäàþò çíà÷èòåëüíûå ïðîòèâîäåéñòâóþùèå ìîìåíòû.

Øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ òàêæå òàêîå ìàãíèòîèíäóêöèîííîå òîðìîæåíèå äëÿ óñïîêîåíèÿ äâèæåíèÿ ïîäâèæíûõ ÷àñòåé ýëåêòðîèçìåðèòåëüíûõ ïðèáîðîâ, â ÷àñòíîñòè äëÿ ñîçäàíèÿ ïðîòèâîäåéñòâóþùåãî ìîìåíòà è òîðìîæåíèÿ ïîäâèæíîé ÷àñòè ýëåêòðè÷åñêèõ ñ÷åò÷èêîâ.

 ýòèõ ïðèáîðàõ äèñê, óêðåïëåííûé íà îñè ñ÷åò÷èêà, âðàùàåòñÿ â çàçîðå ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà. Íàâîäèìûå â ìàññå äèñêà ïðè ýòîì äâèæåíèè âèõðåâûå òîêè, âçàèìîäåéñòâóÿ ñ ïîòîêîì òîãî æå ìàãíèòà, ñîçäàþò ïðîòèâîäåéñòâóþùèé è òîðìîçÿùèé ìîìåíòû.

Íàïðèìåð, âèõðåâûå òîêè íàøëè â óñòðîéñòâå ìàãíèòíîãî òîðìîçà äèñêà ýëåêòðè÷åñêîãî ñ÷åò÷èêà. Âðàùàÿñü, äèñê ïåðåñåêàåò ìàãíèòíûå ñèëîâûå ëèíèè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà.  ïëîñêîñòè äèñêà âîçíèêàþò âèõðåâûå òîêè, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ñîçäàþò ñâîè ìàãíèòíûå ïîòîêè â âèäå òðóáî÷åê âîêðóã âèõðåâîãî òîêà. Âçàèìîäåéñòâóÿ ñ îñíîâíûì ïîëåì ìàãíèòà, ýòè ïîòîêè òîðìîçÿò äèñê.

 ðÿäå ñëó÷àåâ, ïðèìåíÿÿ âèõðåâûå òîêè, ìîæíî èñïîëüçîâàòü òåõíîëîãè÷åñêèå îïåðàöèè, êîòîðûå íåâîçìîæíî ïðèìåíèòü áåç òîêîâ âûñîêîé ÷àñòîòû. Íàïðèìåð, ïðè èçãîòîâëåíèÿ âàêóóìíûõ ïðèáîðîâ è óñòðîéñòâ èç áàëëîíà íåîáõîäèìî òùàòåëüíî îòêà÷àòü âîçäóõ è èíûå ãàçû. Îäíàêî â ìåòàëëè÷åñêîé àðìàòóðå, íàõîäÿùåéñÿ âíóòðè áàëëîíà, èìåþòñÿ îñòàòêè ãàçà, êîòîðûå ìîæíî óäàëèòü òîëüêî ïîñëå çàâàðèâàíèÿ áàëëîíà.

Äëÿ ïîëíîãî îáåçãàæèâàíèÿ àðìàòóðû âàêóóìíûé ïðèáîð ïîìåùàþò â ïîëå âûñîêî÷àñòîòíîãî ãåíåðàòîðà, â ðåçóëüòàòå äåéñòâèÿ âèõðåâûõ òîêîâ àðìàòóðà íàãðåâàåòñÿ äî ñîòåí ãðàäóñîâ, îñòàòêè ãàçà ïðè ýòîì íåéòðàëèçóþòñÿ.

Èñïîëüçîâàíèå âèõðåâûõ òîêîâ ïðè èíäóêöèîííîé çàêàëêå ìåòàëëîâ

Ïðèìåðîì ïîëåçíîãî ïðèìåíåíèÿ âèõðåâûõ òîêîâ, âûçûâàåìûõ ïåðåìåííûì ïîëåì, ìîãóò ñëóæèòü ýëåêòðè÷åñêèå èíäóêöèîííûå ïå÷è.  íèõ ìàãíèòíîå ïîëå âûñîêîé ÷àñòîòû, ñîçäàâàåìîå îáìîòêîé, êîòîðàÿ îêðóæàåò òèãåëü, íàâîäèò âèõðåâûå òîêè â ìåòàëëå, íàõîäÿùåìñÿ â òèãëå. Ýíåðãèÿ âèõðåâûõ òîêîâ òðàíñôîðìèðóåòñÿ â òåïëî, ïëàâÿùåå ìåòàëë.

Источник

Использование трансформатора и вихревых токов | Примечания, видео, контроль качества и тесты | 12 класс> Физика> Электромагнитная индукция

Использование трансформатора и вихревых токов

Использование трансформатора для системы электропитания переменного тока на большие расстояния

Электроэнергия, произведенная на электростанции, передается потребителю по проводам. Эти провода имеют сопротивление R, поэтому, когда ток I течет по этим проводам в течение определенного времени t, электрическая энергия теряется в виде тепла (I ² Rt). Потери мощности при подаче переменного тока на большие расстояния могут быть уменьшены либо за счет уменьшения сопротивления передачи, либо за счет уменьшения величины тока, протекающего через сопротивление, могут быть уменьшены за счет использования очень толстых проводов, но это неэкономично, так как стоимость изготовления и установки такие длинные и толстые провода будут очень высокими, и для уменьшения протекающего через сопротивление тока можно уменьшить использование длинных и толстых проводов. Использование длинных и толстых проводов неэкономично, поэтому для уменьшения тока, протекающего по проводам, используются трансформаторы.

Электроэнергия, вырабатываемая на электростанции, подается на первичную обмотку повышающего трансформатора. Повышающий трансформатор делает напряжение высоким и низким переменным током. Этот низкий ток при высоком напряжении передается по проводу передачи к подстанции, что снижает потери мощности. После передачи на подстанцию ​​понижающий трансформатор используется для понижения напряжения и увеличения переменного тока.

Вихревые токи

Индуцированные циркулирующие токи, возникающие в самом металле из-за изменения магнитного потока, связанного с металлом, называются вихревыми токами.

Когда металлическая деталь помещается в изменяющееся магнитное поле, индуцированные токи возникают в металлической детали, которая представляет собой вихревые токи. Направление вихревых токов задается законом Ленца.

Недостатки вихревых токов

1. Возникновение вихревых токов в металлическом блоке приводит к потере электрической энергии в виде тепла.
2. Тепло, выделяемое вихревыми токами, разрушает изоляцию электрической машины.
3. Вихревые токи могут вызывать нежелательный демпфирующий эффект.

Применение вихревых токов

1. Индукционная печь
   Она основана на тепловом эффекте вихревых токов. Металлический блок, подлежащий расплавлению, помещают в высокочастотное изменяющееся магнитное поле. В блоке образуется сильный вихревой ток. В блоке выделяется большое количество тепла из-за высокого сопротивления металла. Металлический блок плавится от тепла. Таким образом, индукционная печь используется для отделения металлов от руд и для производства некоторых сплавов.
2. Диатермия
   Вихревые токи используются для локального нагрева тканей в организме человека, что называется диатермией.
3. Спидометр
   Спидометр — это устройство, используемое для измерения мгновенной скорости автомобиля. К оси колеса спидометра прикреплен небольшой магнит. Из-за вращения магнита магнитный поток, связанный с алюминиевым барабаном, изменяется, и, следовательно, в нем возникают вихревые токи. Указатель, прикрепленный к барабану, отклоняется в направлении вращения барабана.Эта скорость измеряется, что соответствует отклонению стрелки.
4. Гальванометр для гашения вихревых токов или мертвых ударов
   Согласно закону Ленца, вихревые токи всегда текут в таком направлении, чтобы противодействовать движению, которое их вызвало. Таким образом они могут уменьшить колебания вибрирующей системы. Катушка гальванометра намотана на металлический каркас. Когда катушка раскачивается в магнитном поле прибора, в корпусе индуцируются вихревые токи. Эти вихревые токи препятствуют движению катушки и, следовательно, стрелки, прикрепленной к ней.Указатель быстро достигает конечного положения без перескакивания и резких колебаний. Таким образом, вихревые токи уменьшают колебания стрелки.
5. Электромагнитные тормоза
   Вихретоковый выключатель может использоваться для регулирования скорости электропоездов. Чтобы снизить скорость поезда, включается электромагнит, который прикладывает свое поле к колесам. Возникают большие вихревые токи, которые производят замедляющий эффект.
6. Счетчики энергии
   Счетчики энергии используют концепцию вихревых токов для регистрации потребления электроэнергии.

Ссылка

Ману Кумар Хатри, Манодж Кумар Тапа и др. Принципы физики . Катманду: публикация Ayam PVT LTD, 2010.

S.K. Гаутам, Дж. М. Прадхан. Учебник по физике . Катманду: публикация Сурьи, 2003.

.

Потери в трансформаторе — Типы потерь энергии в трансформаторе

Типы потерь энергии в трансформаторе

Идеальный трансформатор не имеет потерь энергии, т.е. нулевые потери, и 100% КПД.но в реальных (на практике) трансформаторах энергия рассеивается в обмотках, сердечнике и окружающих конструкциях. Более крупные трансформаторы, как правило, более эффективны, а трансформаторы распределительного трансформатора обычно работают лучше, чем 98%.

Экспериментальные трансформаторы, в которых используются сверхпроводящие (сверхпроводник — это тот, в котором отсутствуют потери) обмотки достигают КПД 99,85%, то есть нулевые потери в трансформаторе, но это будет доступно в ближайшие годы.

Потери в трансформаторе

Различные потери в трансформаторе следующие

Щелкните изображение, чтобы увеличить

Потери в меди (сопротивление обмотки)

Ток, протекающий по обмоткам, вызывает резистивный нагрев проводников . На более высоких частотах скин-эффект и эффект близости создают дополнительное сопротивление обмотки и потери.

Общие потери меди. = I ₁ ² _. R ₁ + I ₂ ² R ₂ = I ₁ ² _. R ₀₁ + I ₂ ² R ₀₂

Потери в сердечнике или в железе

В трансформаторе есть два типа потерь в сердечнике или в железе.

a) Гистерезисные потери

Каждый раз, когда магнитное поле меняет направление, небольшое количество энергии теряется из-за гистерезиса внутри сердечника. Для данного материала сердечника потери трансформатора пропорциональны частоте и являются функцией максимальной плотности магнитного потока, которой он подвергается.

По этой формуле мы можем найти потери на гистерезис.

W _h = η B ^1,6 _max fv Вт

b) Потери на вихревые токи

Ферромагнитные материалы также являются хорошими проводниками, и сердечник, сделанный из такого материала, также составляет один короткозамкнутый виток по всей длине. Поэтому вихревые токи циркулируют внутри сердечника в плоскости, перпендикулярной потоку, и ответственны за резистивный нагрев материала сердечника.

Потери на вихревые токи являются сложной функцией квадрата частоты питания и обратного квадрата толщины материала. Потери на вихревые токи можно уменьшить, сделав сердечник пакета пластин электрически изолированным друг от друга, а не сплошным блоком; все трансформаторы, работающие на низких частотах, используют ламинированные или аналогичные сердечники.

По этой формуле можно найти потери на вихревые токи.

W _e = PB ² _max .f ² t ² Watt

Паразитные потери (поток утечки)

Индуктивность утечки сама по себе в значительной степени без потерь, поскольку энергия подается на его магнитные поля возвращаются в источник питания в следующем полупериоде. Однако любой поток утечки, который перехватывает соседние проводящие материалы, такие как опорная конструкция трансформатора, вызовет вихревые токи и преобразуется в тепло. Также существуют радиационные потери из-за колеблющегося магнитного поля, но они обычно невелики и пренебрежимо малы.

Диэлектрические потери

В твердой изоляции или трансформаторном масле, т. Е. Изоляционном материале трансформатора, диэлектрические потери возникают, когда твердая изоляция повреждается, или масло ухудшается, или его качество ухудшается с течением времени. Следовательно, эта потеря может повлиять на общий КПД трансформатора.

Другие потери

Потери на магнитострикцию

Магнитный поток в ферромагнитном материале, таком как сердечник, заставляет его физически расширяться и слегка сжиматься с каждым циклом магнитного поля, эффект, известный как магнитострикция.Это создает жужжащий звук, обычно связанный с трансформаторами, и может вызвать потери из-за нагрева от трения.

Вы также можете прочитать: Фазирование трансформатора: точечная запись и условное обозначение

Механические потери

Помимо магнитострикции, переменное магнитное поле вызывает колебания сил между первичной и вторичной обмотками. Они вызывают вибрацию в ближайших металлических конструкциях, усиливают жужжание и потребляют небольшое количество энергии.

Потери трансформатора: Siemens 1500 кВА Трансформатор

Вы также можете прочитать:

Банк вопросов для JEE Main & Advanced Physics Электромагнитная индукция Применение электромагнитных помех (двигатель, динамо, трансформатор)

Переключить навигацию 0

0

• Железные дороги
• UPSC
• Банковское дело
• SSC
• CLAT
• JEE Main и Advanced
• NEET
• NTSE
• KVPY
• Обучение
• Оборона
• 12-й класс
• 11-й класс
• 10-й класс
• 9 класс
• 8-й класс
• 7 класс
• 6-й класс
• 5 класс
• 4-й класс
• 3 класс
• 2-й класс
• 1-й класс
• Другой экзамен
• Дошкольное образование
• Государственный экзамен депутата
• Государственные экзамены UP
• Государственные экзамены Раджастана
• Государственные экзамены Джаркханда
• Государственные экзамены Чхаттисгарх
• Государственные экзамены Бихара
• Экзамены штата Харьяна
• Государственные экзамены Гуджарата
• Государственный экзамен MH
• Государственные экзамены штата Химачал
• Государственные экзамены Дели
• Государственные экзамены Уттаракханда
• Государственные экзамены Пенджаба
• Государственные экзамены J&K
• Видео
• Учебные пакеты
• Серия испытаний
• Решения Ncert
• Образцы статей
• Банк вопросов
• Ноты
• Решенные статьи
• Текущие дела

Авторизоваться Подписаться Демо-видео андроид Приложение для Android shopping_cart Покупка курсов android приложение для Android video_library Демо-видео —- человек Моя учетная запись 0 Товаров — 0

Поиск. ….

Идти!

• Все
• Видео
• Учебные пакеты
• Решения NCERT
• Вопросов
• Образцы статей
• Ноты

• Железные дороги
• UPSC
• Банковское дело
• SSC
• CLAT
• JEE Main и Advanced
• NEET
• NTSE
• KVPY
• Обучение
• Оборона
• 12-й
• 11-й
• 10-й
• 9-й
• 8-й
• 7-й
• 6-й
• 5-й
• 4-й
• 3-й
• 2-й
• 1-й
• Дошкольное образование
• Государственный экзамен депутата
• Государственные экзамены UP
• Государственные экзамены Раджастана
• Государственные экзамены Джаркханда
• Государственные экзамены Чхаттисгарх
• Государственные экзамены Бихара
• Экзамены штата Харьяна
• Государственные экзамены Гуджарата
• Государственный экзамен MH
• Государственные экзамены штата Химачал
• Государственные экзамены Дели
• Государственные экзамены Уттаракханда
• Государственные экзамены Пенджаба
• Государственные экзамены J&K

Трансформатор

Трансформатор — это электрическое устройство, используемое для преобразования низкого переменного напряжения в высокое переменное напряжение и наоборот. Он передает электроэнергию из одной цепи в другую. Трансформатор основан на принципе электромагнитной индукции.

Трансформатор состоит из первичной и вторичной обмоток, изолированных друг от друга, намотанных на сердечнике из мягкого железа (рис. 4.15). Для минимизации вихревых токов используется многослойный железный сердечник. Переменный ток вход подается на первичную катушку. Постоянно изменяющийся ток в первичной катушке создает переменный магнитный поток в первичной катушке, который, в свою очередь, создает изменяющийся магнитный поток во вторичной обмотке.Следовательно, во вторичной обмотке возникает наведенная ЭДС.

Одна из катушек, называемая первичной обмоткой , имеет Н _p витков. Другая катушка называется вторичной катушкой ; он имеет Н _с витков. Часто первичная обмотка — это входная катушка , а вторичная обмотка — это выходная катушка трансформатора. Поскольку одинаковые магнитные связи с первичной и вторичной обмотками, ЭДС, индуцированная за один виток двух катушек, должна быть одинаковой.

Пусть ϕ будет потоком в каждом витке сердечника в момент времени t из-за тока в первичной обмотке, когда к ней приложено напряжение v _p .

Тогда наведенная ЭДС или напряжение  _ , во вторичной обмотке с N _с витков будет

Переменный поток

Но ε _p = v _p . Если бы это было не так, ток в первичной обмотке был бы бесконечным, поскольку первичная обмотка имеет нулевое сопротивление (как предполагалось). Если вторичная обмотка — разомкнутая или ток, снимаемый с нее, небольшой, то с хорошим приближением

, где v _s — напряжение на вторичной обмотке.Следовательно, уравнения. (1) и (2) можно записать как

Из ур. 1 (а) и 2 (а) имеем

Обратите внимание, что указанное выше соотношение было получено с использованием трех допущений: (i) первичное сопротивление и ток малы; (ii) один и тот же поток связывает как первичную, так и вторичную обмотку, поскольку из сердечника уходит очень небольшой поток, и (iii) вторичный ток мал.

Если предполагается, что трансформатор имеет КПД 100% (без потерь энергии), потребляемая мощность равна выходной мощности, и поскольку p = iv,

Комбинирование ур.(3) и (4) имеем

Начиная с i и v , оба колеблются с той же частотой, что и источник переменного тока.

Теперь мы можем увидеть, как трансформатор влияет на напряжение и ток. Нас:

Типы трансформаторов

Существует два типа трансформаторов:

1. Повышающий трансформатор
2. Понижающий трансформатор

Повышающий трансформатор:

, если вторичная катушка имеет большее количество витков, чем первичная ( N _s > N _p ), напряжение повышается ( V _s > V _p ) .Этот тип устройства называется повышающим трансформатором . Однако в этом устройстве ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (N _p / N _s <1 и I _s p ).

Понижающий трансформатор:

Если вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная ( Н, _с < Н _с ), у нас есть
понижающий трансформатор . В данном случае V _s < V _p и I _s > I _p .То есть напряжение понижается или уменьшается, а ток увеличивается.

КПД трансформатора

КПД трансформатора определяется как отношение выходной мощности к входной.

КПД η = 1 (т.е. 100%) только для идеального трансформатора, в котором нет потерь мощности. Но на практике существует множество факторов, ведущих к потере энергии в трансформаторе, и, следовательно, КПД всегда меньше единицы.

Потери энергии в трансформаторе

Потеря гистерезиса:

Намагничивание сердечника неоднократно меняет местами переменное магнитное поле.В результате расход энергии в сердечнике проявляется в виде тепла и сводится к минимуму за счет использования магнитного материала, который имеет низкие гистерезисные потери.

Утечка флюса:

Всегда присутствует некоторая утечка потока; то есть не весь поток из первичной обмотки проходит через вторичную из-за плохой конструкции сердечника или воздушных зазоров в сердечнике. Его можно уменьшить, намотав первичную и вторичную обмотки друг на друга.

Сопротивление обмоток:

Провод, используемый для обмоток, имеет некоторое сопротивление, и поэтому энергия теряется из-за тепла, выделяемого в проводе ( I ² R ).В обмотках высокого тока и низкого напряжения они минимизированы за счет использования толстой проволоки.

Вихревые токи:

Переменный магнитный поток наводит вихревые токи в железном сердечнике и вызывает нагрев. Эффект снижается за счет ламинированного сердечника.

Трансформатор

— Конспект лекций 16-30 ТРАНСФОРМАТОР Вопрос Что такое трансформатор

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

Вопрос: Что такое трансформатор? Обсудите различные типы трансформатор.

Трансформатор: Трансформатор представляет собой статический кусок аппарат, с помощью которого подается электроэнергия одна цепь превращается в электрическую мощность той же частоты в другой цепи. Он может повышать или понижать напряжение в цепи, но с соответствующим уменьшением или увеличением текущий.

Типы трансформаторов: Конструктивно трансформаторы бывают двух основных типов. типы. Эти два типа известны как

.

а) Тип сердечника б) Снаряд

В трансформаторе с сердечником обмотки окружают значительную часть сердечник, тогда как в трансформаторах оболочечного типа сердечник окружает значительная часть обмоток.

В по типу охлаждения трансформаторы можно разделить на три типы:

a) Самоохлаждающийся масляный

Рисунок 1: (Тип сердечника) Рисунок 2: (Тип оболочки)

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

б) Масляный с водяным охлаждением в) УВВ типа

Вопрос: Объясните элементарную теорию идеального трансформатора.

Элементарная теория идеального трансформатора: идеальный трансформатор который не имеет потерь i.е. его обмотки не имеют омического сопротивления, нет магнитная утечка и, следовательно, не имеет потерь I 2 R и сердечника. Но невозможно реализовать такой трансформатор на практике, но для удобства начнем с такой трансформатор и шаг за шагом приближаемся к реальному трансформатору.

Рассмотрим идеальный трансформатор (рис. А) с разомкнутой вторичной обмоткой и первичный соединен с синусоидальным переменным напряжением V 1. Этот потенциал разница заставляет переменный ток течь в первичной обмотке.Поскольку первичная обмотка чисто индуктивная, выхода нет (вторичная обмотка разомкнута) первичная обмотка потребляет только ток намагничивания Iμ. Функция этого ток предназначен только для намагничивания сердечника, он небольшой по величине и отстает от V 1 на 90 °. Этот переменный ток Iμ создает переменный поток Φ, который раз, пропорционально току (в предположении магнитной проницаемости цепь должна быть постоянной) и, следовательно, находится в фазе с ней. Этот изменяющийся поток связаны как с первичной, так и с вторичной обмотками.Следовательно, это производит самонаводящуюся ЭДС. в первичной. Это самоиндуцированная ЭДС. E 1 есть, при каждый момент, равный и противоположный V 1. Он также известен как счетчик э.м.ф. или обратно э.м.ф. первичной.

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

Сейчас, среднеквадратичное значение значение наведенной э.д.с. всего первичной обмотки

= (наведенная ЭДС / виток) Число витков первичной обмотки

E 1 = 4,44 f N 1 Φm = 4,44 f N 1 BmA (i)

Аналогично г.РС. значение э.д.с. во вторичной обмотке —

E 2 = 4,44 f N 2 Φm = 4,44 f N 2 BmA (ii)

Из (i) и (ii) видно, что E 1 / N 1 = E 2 / N 2 = 4,44 f Φm. Это означает, что ЭДС / оборот одинаковы как для первичной, так и для вторичной обмоток.

В идеальном трансформаторе без нагрузки V 1 = E 1 и E 2 = V 2, где V 2 — клемма вольтаж.

Коэффициент трансформации напряжения (K):

Из уравнений (i) и (ii) получаем

=

= K

Эта постоянная K известна как напряжение коэффициент трансформации.

(i) Если N 2> N 1, т.е. K> 1, то трансформатор называется повышающий трансформатор.

(ii) Если N 2

И снова для идеального трансформатора входная ВА = выходная ВА.

В 1 I 1 = V 2 I 2 или

=

=

Следовательно, токи обратно пропорциональны коэффициенту трансформации (напряжения).

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

Вопрос: Обсудить механизм трансформатора / Обсудить принцип работы трансформатора.

Механизм / принцип работы трансформатора: физическая основа трансформатор — это взаимоиндукция между двумя цепями, соединенными общей магнитное поле.

В простейшем виде он состоит из двух индуктивных катушек, которые электрически соединены разделены, но связаны магнитным полем через путь с низким сопротивлением, как показано на рисунке:

Если одна катушка подключена к источнику переменного напряжения, переменный поток устанавливается в ламинированном сердечнике из-за высокой взаимной индуктивности и Закон индукции Фарадея, можно сказать, что большая часть потока связана с другая катушка, в которой он производит взаимно индуцированные e. м.ф.

Если вторая цепь катушки замкнута, в ней течет ток и можно сказать, что электрическая энергия передается от первой катушки ко второй катушке. Первый змеевик, в который электроэнергия подается от сети переменного тока. питающая сеть, называется первичная обмотка или катушка, а другая катушка, из которой отбирается энергия, называется вторичной обмоткой или катушкой.

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

7. Force с масляным и водяным охлаждением

Вопрос: Обсудите конструкцию трансформатора.

Конструкция трансформатора: Самый простой элемент трансформатора —

1. Две катушки, имеющие взаимную индуктивность
2. Сердечник из многослойной стали

Прочие необходимые детали —

1. Какой-то подходящий контейнер для собранного сердечника и обмоток.
2. Подходящая среда для изоляции сердечника и его обмотки от контейнер.
3. Подходящие вводы (фарфоровые, маслонаполненные или конденсаторные) для изоляция и вывод выводов обмоток из бака.

Вопрос: Определите потери в сердечнике, потери в меди, ток намагничивания.

Потери в сердечнике / железе: скорость преобразования энергии в тепло в магнитном материал из-за наличия переменного или пульсирующего магнитного поля называется потерей в сердечнике. Есть два типа потерь в сердечнике —

и. Потеря гистерезиса II. Вихретоковые потери

Гистерезисные потери: энергия, потребляемая на намагничивание и размагничивание. магнитный материал называется гистерезисными потерями.

Гистерезис потери, Wh = Kh f Bm1.6 Вт

Вихретоковые потери: Индуцированный ток в магнитном материале. из-за изменения потока называется потерей на вихревые токи.

Вихретоковые потери, We = Ke f 2 Kf 2 Bm 2 Вт

Потери в меди: потери в меди — это чисто потери напряжения, вызванные сопротивление обмоток трансформатора.

Потери меди = I 2 R

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

Ток намагничивания: ток, протекающий через первичную обмотку силовой трансформатор, когда к вторичной обмотке не подключены нагрузки, называется ток намагничивания.

Вопрос: Выражение трансформатора без нагрузки с вектором диаграмма.

Когда трансформатор работает без нагрузки, первичный входной ток не полностью реактивный. Первичный входной ток в режиме холостого хода должен обеспечивать —

и. Потери в стали в сердечнике, т. Е. Потери на гистерезис и потери на вихревые токи. II. Очень небольшие потери меди в первичной обмотке.

Следовательно, первичный входной ток холостого хода Io не на 90 ° позади, но отстают на угол Φo 90 °.Нет- входная мощность нагрузки,

Wo = V 1 Io cosΦo

где cosΦo — коэффициент первичной мощности при отсутствии состояние нагрузки.

Состояние холостого хода реального трансформатора векторно показано на фиг.

Как видно из фиг.8, первичный ток Io имеет две составляющие.

и. Один в фазе с V 1. Это известно как активные, рабочие или железные потери. компонент Iw, потому что он в основном обеспечивает потери в стали плюс небольшие количество первичных потерь Cu (меди). Iw = Io cosΦo II.Другой компонент Iμ находится в квадратуре с V1 и известен как компонента намагничивания Iμ, поскольку его функция заключается в поддержании переменный поток в сердечнике. Это прутья. Iμ = Io sinΦo

Очевидно, Io является векторной суммой Iw и Iμ, следовательно,

Io = (Iμ 2 + Iw 2)

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

Среднеквадратичное значение наведенной ЭДС

E = √ =

√ = 4,44 f ΦmN

Это уравнение идеального трансформатора.

Первичный, E 1 = 4,44 f ΦmN 1 (3)

Вторичный, E 2 = 4,44 f ΦmN 2 (4)

Сейчас, (3) (4)

=

или,

=

Это уравнение означает, что ЭДС на виток одинакова как для первичной обмотки, так и для вторичная обмотка.

Также можно заметить, что наведенная ЭДС e = Em sin (ωt- ) отставать от потока Φ = Φm sinωt на 90 °.

Вопрос: Почему мощность трансформатора в кВА?

Ответ: Как видно, потери Cu в трансформаторе зависят от тока и потерь в стали на напряжение, поэтому общие потери трансформатора зависят от вольт-ампер (ВА), а не от фазовый угол между напряжением и током, т. е.т. не зависит от мощности нагрузки фактор. Поэтому мощность трансформатора указывается в кВА, а не в кВт.

Вопрос: Что такое электрическая степень и космическая степень?

Электрическая степень: Электрическая степень — это степень, которая варьируется от места к месту. место в зависимости от полюса. Если полюс увеличивается, электрическая степень будет вырос.

Космическая степень: Космическая степень — это степень, которая фиксируется для любого места и является всегда 360 °.

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

Вопрос: Опишите трансформатор с сопротивлением обмоток, но без магнитная утечка с векторной диаграммой.

Ответ: Идеальный трансформатор не должен иметь сопротивления, но реальный трансформатор, всегда присутствует некоторое сопротивление первичной и вторичные обмотки. Таким образом, в двух обмотках создается некоторое падение напряжения.

Результат:

и. V 2 = E 2 -I 2 R 2 E 2 V 2 II. E 1 = V 1 -I 1 R 1 V 1 E 1

Векторная диаграмма:

Рис. (A): Резистивный Рис. (B): Индуктивный Рис. (C): Емкостной

Вопрос: Выражение для трансформатора при нагрузке с вектором диаграмма.

Когда вторичная обмотка загружена, устанавливается вторичный ток I 2. Величина а фаза I 2 по отношению к V 2 определяется характеристиками нагрузки.

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

Вопрос: Объясните магнитную утечку.

Магнитная утечка: силовые линии в полевом магните, которые проходят через воздух а не через якорь или сердечники трансформатора бесполезны и представляют собой трату поля, являются магнитными утечками.

Трансформатор с магнитной утечкой эквивалентен идеальному трансформатору. с индуктивными катушками, подключенными как в первичных, так и во вторичных цепях, как показано на рисунке ниже —

Из-за соответствующего потока утечки в реальном трансформаторе внутренняя ЭДС в каждой индуктивной катушке равно

X 1 = eL1 / I 1 и X 2 = eL2 / I 2

Термины X 1 и X 2 известны как первичное и вторичное реактивное сопротивление утечки. соответственно.

Вопрос: Обсудите испытание трансформатора на обрыв цепи или без нагрузки.

Ответ: Под открытым небом проверка цепи, высокое напряжение обмотки трансформатор открыт и обмотки низкого напряжения трансформатор связан с ваттметр, амперметр и вольтметр.

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

При подаче напряжения питания на первичный нормальный поток будет установлен и произойдет нормальная потеря железа. Поскольку первичный ток без нагрузки Io очень мал, Cu потери в первичной и вторичной незначительны. Следовательно ваттметр отображает только потери в сердечнике при состояние без нагрузки.

Если Wi — это показание ваттметра,

Wi = V 1 Iocos Φo

cosΦo = Wi / V 1 Io

Iμ = IosinΦo, IW = IosinΦo

Xo = V 1 / Iμ и Ro = V 1 / IW

Вопрос: Что такое разделение потерь в сердечнике?

Разделение потерь в сердечнике: потери в сердечнике трансформатора зависят от частота и максимальная плотность потока, когда объем и толщина ламинации сердечника. Потери в сердечнике складываются из двух частей.

и.Потеря гистерезиса; Wh = PBmax1.6 f Вт II. Вихретоковые потери; We = QBmax 2 f 2 Вт

Wi = PBmax1.6 f + QBmax 2 f 2

= Аф + Bf 2

Если мы проведем два эксперимента с использованием двух разных частот, но одинаковых максимальной плотности потока, мы должны быть в состоянии найти постоянные P и Q и следовательно, гистерезис и потери на вихревые токи рассчитываются отдельно.

Вопрос: Какие потери в трансформаторе?

Ответ: В трансформаторе есть два типа потерь.Их-

и. Потери в сердечнике или потеря железа II. Потеря меди

Они обсуждаются ниже:

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

или, η =

—

η = 1 —

Вопрос: Выведите условие максимальной эффективности трансформатора.

Условие максимальной эффективности:

Мы знаем,

Потери меди = I 12 R 01 или, I 22 R 02 = Wcu

Потери в стали = потеря на гистерезис + потеря на вихревые токи

= Wh + We = Wi

С учетом первичной стороны,

Первичный вход = V 1 I 1 cosΦ 1

η =

=

=

o o

η = 1-

o —

o

Дифференцируя обе стороны относительно I 1, имеем

####### = 0–

o +

o

Для максимального η

Подготовлено: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

= 0

o =

o

или, R 01 =

или, Wi = I 12 R 01

или, потеря железа = потеря меди

Выходной ток, соответствующий максимальной эффективности, I 2 = √.Это

значение выходного тока, при котором потери в меди будут равны потерям в стали.

Вопрос: Какова эффективность трансформатора в течение всего дня?

Эффективность в течение всего дня:

Мы знаем, что обычный или коммерческий КПД трансформатора определяется по,

η =

Но КПД трансформатора на весь день составляет,

ηполный день =

(на 24 часа)

КПД всегда ниже коммерческого КПД трансформатора.

Подготовил: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

3. В качестве печных трансформаторов для получения удобного источника питания, подходящего для обмотка печи от сети 230В.
4. В качестве соединительных трансформаторов в системе 132 кВ / 330 кВ.
5. В аппаратуре управления однофазных и трехфазных электровозов.

Вопрос: Вывести уравнение сохранения Cu автотрансформатора?

Уравнение экономии Cu: Вес Cu пропорционален произведению ток и количество витков.Применительно к автотрансформатору конфигурация,

Масса Cu в сечении AC составляет (N 1 -N 2) I 1

Масса Cu в сечении BC составляет (I 2 -I 1) N 2

Общий вес Cu в автотрансформаторе (N 1 -N 2) I 1 + N 2 (I 2 -I 1)

Если двухобмоточный трансформатор должен выполнять ту же функцию,

Масса меди на ее первичном N 1 I 1

Масса меди на вторичной обмотке N 2 I 2

Общий вес Cu N 1 I 1 + N 2 I 2

о н н о м о н о н о м ((o)) =

() ()

####### =

=

–

= 1–

= 1–

= 1–

()

Подготовлено: Хасан Бин Фироз (533)

MEC

= 1-

()

= 1-

= 1-

= 1-K

Масса Cu в автотрансформаторе, Wa = (1-K) (Масса Cu в обычном трансформатор, Wo)

Сохранение = Wo-Wa

= Wo- (1-K) Wo

= Wo-Wo + кВт

= KWo

Следовательно, экономия будет увеличиваться по мере приближения K к единице.

Вопрос: Определите трансформатор 3-Φ, регулирование трансформатора (регулирование вверх и вниз).

Трансформатор 3-Ф: трансформатор, используемый в трехфазной цепи с тремя комплектами. первичной и вторичной обмоток на одном сердечнике известен как 3-Φ трансформатор.

Регулировка вверх: изменение вторичного напряжения на клеммах от холостого хода до полного. нагрузка = oV 2 -V 2. Это изменение, деленное на V 2, известно как регулирование «вверх».

% regn «up» =

100

Снижение регулирования: изменение вторичного напряжения на клеммах с холостого хода на полная нагрузка = oV 2 -V 2.Это изменение делится на oV 2, это называется регулированием. ‘вниз’.

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Индуктивность

Индуктивность — это свойство электрической цепи, с помощью которого изменяющееся магнитное поле создает электродвижущую силу или напряжение в этой цепи или в соседней цепи. Индуктивность также определяется как свойство электрической цепи, противодействующей любому изменению тока. В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей обнаружил, что изменяющееся магнитное поле в цепи индуцирует ток в соседней цепи.Примерно в то же время это открытие независимо сделал американский ученый Джозеф Генри. Генерация электродвижущей силы и тока изменяющимся магнитным полем называется электромагнитной индукцией. Электрогенераторы работают по принципу индуктивности.

Силовые линии магнитного поля

Чтобы лучше понять индуктивность, полезно иметь представление о силовых линиях магнитного поля. Все магниты окружены магнитным полем, также называемым магнитным потоком.Магнитное поле можно представить как состоящее из силовых линий или силовых линий. Силы магнитного притяжения и отталкивания движутся по силовым линиям. Образец линий магнитного поля можно наблюдать в нашем интерактивном учебном пособии по Java Magnetic Field Lines.

	Интерактивное руководство по Java

Открытия Фарадея

Фарадей открыл электромагнитную индукцию в эксперименте с использованием двух катушек проволоки, намотанных вокруг противоположных сторон кольца из мягкого железа, аналогично экспериментальной установке на рисунке 1 ниже.

Первая катушка справа прикреплена к батарее. Вторая катушка содержит компас, который действует как гальванометр для определения тока. Когда переключатель замкнут, через первую катушку проходит ток, и железное кольцо намагничивается. Когда переключатель в первый раз замыкается, компас во второй катушке на мгновение отклоняется и немедленно возвращается в исходное положение. Отклонение компаса указывает на то, что возникла электродвижущая сила, заставившая на мгновение протекать ток во второй катушке.Фарадей также заметил, что при размыкании переключателя компас снова на мгновение отклоняется, но в противоположном направлении.

Фарадей знал, что катушка с проводом, по которой протекает электрический ток, создает магнитное поле. Поэтому он предположил, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток во второй катушке. Замыкание и размыкание переключателя вызывают изменение магнитного поля: расширение и сжатие соответственно. Вы можете провести эксперимент Фарадея в нашем интерактивном руководстве по Java Faraday’s Experiment.

	Интерактивное руководство по Java

Фарадей продемонстрировал, что его гипотеза верна, перемещая простой стержневой магнит назад и вперед внутри катушки. Он заметил, что ток индуцировался в катушке только во время движения магнита. Он также заметил, что в катушке индуцировался ток, когда катушка перемещалась рядом с неподвижным постоянным магнитом.Он обнаружил, что именно относительное движение между проводником и магнитным полем производит ток. Чтобы генерировать ток, либо проводник может двигаться через поле, либо поле может проходить мимо проводника. Чтобы возникла электромагнитная индукция, должно произойти изменение магнитного потока. Проведите этот эксперимент в нашем 2-м экспериментальном интерактивном учебном пособии по Java Faraday.

	Интерактивное руководство по Java

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Связь между изменением магнитного потока и индуцированной электродвижущей силой известна как закон электромагнитной индукции Фарадея:

Величина электромагнитной силы, индуцированной в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через цепь.

Математически закон Фарадея записывается как:

E = — (DF / Dt)

, где E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, DF — это изменение магнитной силы в сетках, а Dt — количество времени в секундах, в течение которого происходит изменение магнитной силы.

Из приведенной выше формулы мы видим, что величина индуцированного напряжения определяется двумя факторами:

1. Величина магнитного потока
   Чем больше количество силовых линий магнитного поля, пересекающих проводник, тем больше индуцированное напряжение.
2. Скорость, с которой силовые линии магнитного поля пересекают проводник
   Чем быстрее силовые линии пересекают проводник или проводник пересекает силовые линии, тем больше индуцированное напряжение. Вы можете наблюдать это, варьируя скорость, с которой вы перемещаете магнит, в нашем 2-м экспериментальном интерактивном учебном пособии по Java Фарадея.

Закон Ленца

Знак «минус» в законе Фарадея указывает направление или полярность индуцированного напряжения.В 1833 году русский физик Генрих Ленц открыл взаимосвязи между силами, напряжениями и токами электромагнитной индукции. Закон Ленца гласит:

Индуцированная электродвижущая сила генерирует ток, который индуцирует встречное магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, генерирующему ток.

Например, когда внешнее магнитное поле приближается к кольцевому проводнику, ток, который создается в кольце, будет индуцировать собственное магнитное поле, противоположное приближающемуся внешнему магнитному полю.С другой стороны, когда внешнее магнитное поле удаляется от кольца, индуцированное магнитное поле в кольце меняет направление на противоположное и противодействует изменению направления внешнего магнитного поля. Вы можете увидеть закон Ленца в действии в нашем интерактивном учебном пособии по Java по закону Ленца.

	Интерактивное руководство по Java

Собственная индуктивность

Мы знаем, что ток в проводнике создает магнитное поле вокруг проводника.Когда ток увеличивается, уменьшается или меняет направление, магнитное поле изменяется. Магнитное поле расширяется, сжимается или меняет направление в ответ на изменения тока. Изменяющееся магнитное поле индуцирует дополнительную электродвижущую силу или напряжение в проводнике. Индукция этого дополнительного напряжения называется самоиндукцией, потому что она индуцируется внутри самого проводника. Направление самоиндуцированной электродвижущей силы или напряжения противоположно направлению тока, который его породил.Это соответствует закону Ленца, который можно выразить следующим образом:

Индуцированная электродвижущая сила (напряжение) в любой цепи всегда имеет направление, противоположное току, который его произвел.

Эффект самоиндукции в цепи заключается в противодействии любому изменению тока, протекающего в цепи. Например, когда на цепь подается напряжение, ток начинает течь во всех частях цепи. Этот ток индуцирует вокруг себя магнитное поле.По мере расширения поля в цепи создается противодействующее напряжение, иногда называемое обратным напряжением. Это обратное напряжение вызывает протекание тока в направлении, противоположном направлению основного тока. Индуктивность на этом этапе препятствует нарастанию тока. Когда индуцированное магнитное поле становится устойчивым, оно перестает индуцировать обратное напряжение.

Когда ток в цепи отключается, индуцированное магнитное поле начинает разрушаться. По мере того как поле схлопывается, оно генерирует напряжение в направлении, которое на мгновение продлевает основной ток.Когда индуцированное магнитное поле полностью схлопывается, индуцированное напряжение и ток прекращаются. Опять же, самоиндукция препятствует изменению тока. Он препятствует нарастанию тока и задерживает его пробой. Вы можете увидеть влияние самоиндукции на ток в нашем интерактивном руководстве по Java Self-Inductance.

	Интерактивное руководство по Java

Взаимная индуктивность

В эксперименте Фарадея с двумя катушками на кольце из проводящего железа он обнаружил, что изменяющееся магнитное поле в одной катушке индуцирует электродвижущую силу или напряжение во второй катушке.Это явление называется взаимной индуктивностью. Взаимная индуктивность возникает, когда изменяющееся магнитное поле в одной цепи индуцирует напряжение в соседней цепи.

В соответствии с законом Ленца направление индуцированной электродвижущей силы или напряжения противоположно направлению тока, который его генерировал. Снова глядя на эксперимент Фарадея ниже, мы обнаруживаем, что когда напряжение подается на катушку справа, в железном кольце индуцируется магнитное поле. По мере расширения поля во второй катушке слева создается напряжение.Это вторичное напряжение вызывает ток во второй катушке. Этот вторичный ток протекает в направлении, противоположном току в первой катушке. Когда индуцированное магнитное поле в кольце становится постоянным, ток перестает течь во второй катушке.

Когда ток в первой катушке отключается, индуцированное магнитное поле в кольце начинает разрушаться. Когда поле схлопывается, во второй катушке снова возникает напряжение.Результирующий ток во второй катушке имеет направление, противоположное ранее наведенному току. Когда магнитное поле в кольце полностью схлопывается, индуцированное напряжение и ток во вторичной катушке прекращаются. Вы можете провести этот эксперимент в нашем интерактивном учебном пособии по Java Faraday’s Experiment.

	Интерактивное руководство по Java

Катушки индуктивности

Дроссели — это электрические устройства, предназначенные для обеспечения индуктивности в цепи.Индуктор — это просто катушка с проволокой. Самоиндукция возникает в цепи, даже когда проводники абсолютно прямые. Однако самоиндукция в прямом проводе очень мала. Индуктивность намного более значительна, когда проводники скручены, потому что магнитное поле каждого витка катушки пересекает соседние витки катушки. Для увеличения индуктивности индуктор может иметь железный сердечник. Помещение железа внутрь катушки значительно увеличивает силу ее магнитных полей.

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

На индуктивность катушки влияют три фактора:

1. Количество витков в катушке
   Чем больше количество витков в катушке, тем больше индуктивность.Это верно, потому что чем больше витков в катушке, тем больше количество взаимодействий магнитного поля.
2. Площадь сечения катушки
   Чем больше площадь поперечного сечения катушки, тем больше индуктивность. Этот фактор тесно связан с количеством витков в катушке. Он включает рассмотрение расстояния между витками. Поскольку магнитное поле становится слабее по мере его движения, витки, расположенные близко друг к другу, обеспечивают взаимодействие там, где поля наиболее сильны.
3. Проницаемость керна
   Проницаемость относится к способности материала проводить магнитные силовые линии. Железо имеет гораздо большую проницаемость, чем воздух. Следовательно, катушка с железным сердечником имеет большую индуктивность, чем катушка с сердечником, содержащим только воздух.

Расчет наведенного напряжения в катушке

Закон Фарадея можно использовать для определения полной наведенной электродвижущей силы или напряжения в катушке.Предполагая, что витки катушки плотно намотаны, полное наведенное напряжение катушки можно рассчитать по следующей формуле:

E = — N (DF / Dt)

, где E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, N — количество витков в катушке, DF — изменение магнитной силы в Веберах, а Dt — количество времени в секундах, в течение которого происходит изменение магнитной силы.

Измерение индуктивности

Символ индуктивности — заглавная буква L в честь Генриха Ленца. Единицей измерения индуктивности является генри, названный в честь Джозефа Генри, сокращенно ч . Одна генри индуктивности существует, когда один вольт электродвижущей силы индуцируется при изменении тока со скоростью один ампер в секунду. Математически это записывается как:

L = E / (DI / Dt)

, где L — индуктивность в генри, E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, DI — изменение тока в амперах, а Dt — время в секундах, в течение которого происходит изменение тока. .

Катушки индуктивности в последовательной цепи

Последовательная цепь — это цепь, в которой ток имеет только один путь. В последовательной цепи весь ток проходит через каждый из компонентов в цепи. Схема на рисунке 2 имеет три последовательно включенных индуктора.

Если катушки индуктивности экранированы или расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить взаимную индуктивность, общая индуктивность цепи является накопительной. Полная индуктивность такой цепи — это сумма всех индукторов в цепи.Следовательно, используйте следующую формулу для расчета общей индуктивности последовательной цепи:

L _T = L ₁ + L ₂ + L ₃ . . .

, где L _T — общая индуктивность в цепи, а от L ₁ до L ₃ . . . — номинальные индуктивности отдельных индукторов в цепи.

Используя эту формулу, общую индуктивность последовательной цепи на Рисунке 2 можно рассчитать следующим образом:

L _T = 50 + 40 + 20

L _T = 110 м h

Катушки индуктивности в параллельных цепях

Параллельная цепь — это цепь, в которой компоненты расположены так, что путь для тока разделен.Схема на рисунке 3 имеет три параллельно включенных индуктора.

Параллельное соединение катушек индуктивности всегда снижает общую индуктивность цепи. Если индукторы экранированы или расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить взаимную индуктивность, общую индуктивность цепи можно рассчитать по следующей формуле:

L _T = 1 ÷ (1 / L ₁ + 1 / L ₂ + 1 / L ₃ ….)

, где L _T — полная индуктивность в цепи, а от L ₁ до L ₃ .. . — номинальные индуктивности отдельных индукторов в цепи.

Используя эту формулу, общую индуктивность указанной выше параллельной цепи можно рассчитать следующим образом:

L _T = 1 ÷ (1/5 + 1/15 + 1/30)

L _T = 1 ÷ (0,2 + 0,066 + 0,033)

L _T = 1 ÷ 0,299

L _T = 3.344 мч

Индуктивное реактивное сопротивление

Эффект самоиндукции в катушке заключается в противодействии любому изменению тока, протекающего в катушке. Например, когда на катушку подается напряжение, в катушке начинает течь ток. Этот ток индуцирует вокруг себя магнитное поле. Когда поле расширяется, в катушке генерируется противодействующее напряжение, иногда называемое обратным напряжением. Это обратное напряжение противодействует основному току. Это противодействие протеканию тока называется индуктивным реактивным сопротивлением и измеряется в омах.

Величина индуктивного сопротивления в цепи зависит от частоты и величины переменного тока, а также величины индуктивности. Индуктивное реактивное сопротивление цепи можно рассчитать по следующей формуле:

X _L = 2pfL

, где X _L — индуктивное реактивное сопротивление в омах, 2p — константа, полученная расчетным путем, которая обычно округляется до 6,28, f — частота приложенного переменного тока в герцах, а L — это постоянная. индуктивность цепи в генри.

Трансформаторы

Трансформаторы работают по принципу взаимной индуктивности. Трансформаторы используются для увеличения или уменьшения напряжений и токов переменного тока в цепях. Трансформатор обычно состоит из двух катушек провода, электрически изолированных друг от друга, намотанных на один сердечник. Одна катушка называется первичной катушкой; другой называется вторичной обмоткой. Первичная катушка — это входная катушка трансформатора, а вторичная катушка — это выходная катушка.Когда переменное напряжение подается на первичную катушку, оно вызывает изменяющееся магнитное поле в сердечнике. Взаимная индукция вызывает наведение напряжения во вторичной катушке.

Количество обмоток первичной и вторичной обмоток трансформатора определяет, как изменяется напряжение в цепи. Когда количество витков первичной катушки больше, чем количество вторичной катушки, индуцированное напряжение во вторичной катушке меньше, чем приложенное напряжение первичной катушки.Когда количество витков первичной катушки меньше, чем количество вторичной катушки, индуцированное напряжение во вторичной катушке больше, чем приложенное напряжение первой катушки. Если выходное напряжение трансформатора больше входного напряжения, он называется повышающим трансформатором. Если выходное напряжение трансформатора меньше входного напряжения, он называется понижающим трансформатором. Откройте для себя эффекты изменения входного напряжения и количества обмоток трансформатора в нашем интерактивном руководстве по Java для трансформаторов .

	Интерактивное руководство по Java

Повышающий трансформатор увеличивает напряжение. Однако увеличение напряжения сопровождается уменьшением тока. Обратное верно для понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор снижает напряжение, но увеличивает ток. Это свойство трансформаторов делает их очень полезными и выгодными для передачи электроэнергии на большие расстояния.Повышающие трансформаторы используются на электростанциях для выработки очень высоких напряжений. Уменьшается выходной ток, что значительно снижает потери мощности из-за сопротивления в линиях передачи. Когда мощность достигает потребителей, используются понижающие трансформаторы для снижения напряжения и увеличения тока до уровня, необходимого для потребительских приложений.

Применение индуктивности

Свойства индукторов делают их очень полезными в различных приложениях.Например, катушки индуктивности противодействуют любым изменениям тока. Следовательно, индукторы можно использовать для защиты цепей от скачков тока. Катушки индуктивности также используются для стабилизации постоянного тока и для регулирования или устранения переменного тока. Катушки индуктивности, используемые для устранения переменного тока выше определенной частоты, называются дросселями.

Генераторы

Одним из наиболее распространенных способов использования электромагнитной индуктивности является генерация электрического тока. Чтобы узнать, как работает генератор, посетите наш учебник по генераторам и двигателям .

Радиоприемники Катушки индуктивности

могут использоваться в цепях с конденсаторами для генерации и изоляции высокочастотных токов. Например, катушки индуктивности используются с конденсаторами в схемах настройки радиоприемников. На рисунке 4 переменный конденсатор подключен к схеме антенна-трансформатор. Передаваемые радиоволны заставляют индуцированный ток течь в антенне через первичную катушку индуктивности на землю.

Во вторичной катушке индуктивности индуцируется вторичный ток в противоположном направлении.Этот ток течет к конденсатору. Скачок тока в конденсаторе вызывает противодействующую электродвижущую силу. Эту противодействующую электродвижущую силу называют емкостным реактивным сопротивлением. Индуцированный поток тока через катушку также вызывает противодействующую электродвижущую силу. Это называется индуктивным реактивным сопротивлением. Таким образом, в цепи есть как емкостное, так и индуктивное сопротивление.

На более высоких частотах индуктивное реактивное сопротивление больше, а емкостное реактивное сопротивление меньше. На более низких частотах все наоборот.Переменный конденсатор используется для выравнивания индуктивного и емкостного сопротивлений. Состояние, при котором реактивные сопротивления уравновешены, называется резонансом. Конкретная частота, которая изолирована выровненными реактивными сопротивлениями, называется резонансной частотой.

Радиосхема настраивается путем регулировки емкости переменного конденсатора для выравнивания индуктивного и емкостного реактивного сопротивления цепи для желаемой резонансной частоты или, другими словами, для настройки на желаемую радиостанцию.Наш интерактивный учебник по Java для радиоприемника демонстрирует, как катушки индуктивности и переменный конденсатор используются для настройки на радиочастоты.

	Интерактивное руководство по Java

Металлоискатели

Работа металлоискателя основана на принципе электромагнитной индукции. Металлоискатели содержат одну или несколько катушек индуктивности.Когда металл проходит через магнитное поле, создаваемое катушкой или катушками, это поле индуцирует электрические токи в металле. Эти токи называются вихревыми токами. Эти вихревые токи, в свою очередь, создают собственное магнитное поле, которое генерирует ток в детекторе, который питает сигнал, указывающий на присутствие металла. Наблюдайте за магнитными полями и вихревыми токами, создаваемыми металлоискателем, в нашем учебном пособии по Java для металлоискателя .

	Интерактивное руководство по Java

НАЗАД НА ДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНИТИЗМА

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.

© 1995-2019, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения владельцев авторских прав. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми Правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.