Магнітні властивості матеріалів



МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ "ЛЬВIВСЬКА ПОЛIТЕХНIКА"

 

 

 

ЕЛЕКТРОПРИЙМАЧІ З ВИКОРИСТАННЯМ

ІНДУКЦІЙНОЇ ДІЇ МАГНІТНОГО ПОЛЯ

 

Методичні настанови

до виконання лабораторної роботи

з дисципліни “Основи використання електричної енергії”

для студентів базового напряму

6.050701 “Електротехніка та електротехнології”

усіх форм навчання

 

Затверджено

на засiданнi кафедри “Електропостачання промислових пiдприємств, мiст і сiльського господарства”

Протокол №1 вiд 30 серпня 2007р.

 

 

Львів - 2007


 

Електроприймачі з використанням індукційної дії магнітного поля. Методичні настанови до виконання лабораторної роботи з дисципліни “Основи використання електричної енергії” для студентів базового напряму 6.050701 “Електротехніка та електротехнології” усіх форм навчання / Укл: П. П. Климук, М. Й. Олійник. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2007. – 16 с.

 

 

 

 

 

Укладачі                             Климук П.П., канд. техн. наук, доц.

                       Олійник М.Й., канд. техн. наук, доц.

 

Відповідальний за випуск Маліновський А.А., доктор техн. наук, професор

 

Рецензенти                       Федишин В.Г., канд. техн. наук, доц.

                                  Турковський В.Г., канд. техн. наук, доц.

 

 

Метою лабораторної роботи є закріплення та поглиблення студентами знань з теорії електричних кіл з індуктивними елементами та використання електромагнітної індукції для функціонування статичних приймачів електричної енергії; набуття студентами практичних навичок монтажу та вимірювання параметрів електричної енергії електроприймачів з індуктивними елементами.

 

Загальні відомості

Електричне коло з ідеальним індуктивним елементом

Багато приймачів електричної енергії використовують електромагнітні пристрої для зміни її параметрів чи для її перетворення у інші види енергії. До таких пристроїв відносяться трансформатори, електричні двигуни, електромагніти, реле, контактори, індуктори електричних нагрівних установок та плавильних печей тощо. Принцип дії цих електротехнічних пристроїв електроспоживачів базується на використанні індукційної і силової дії електромагнітного поля. Індукційна дія полягає у тому, що у котушці, яку пронизує змінне магнітне поле, індукується ЕРС. Силова дія проявляється у тому, що на рухомі електричні заряди чи вільні (не закріплені до якоїсь опори) провідники, по яких проходить струм, діє сила, яка може зумовлює їх рух.

В усіх названих електроприймачах основним компонентом є котушка індуктивності (індуктор), електричними параметрами якої є індуктивність L та активний опір R. Якщо активним опором знехтувати, то котушка індуктивності стає ідеальною з індуктивністю LІД  (без втрат потужності). Котушки індуктивності використовують без осердя або з феромагнітним осердям.

Рис. 1.1. Електричне коло з котушкою індуктивності (а), векторна (б) та часові (в) діаграми параметрів режиму кола

 

Якщо через котушку індуктивності (рис. 1.1, а) проходить електричний струм і, що змінюється синусоїдально і=ІМ sin ωt , в індуктивності виникає електрорушійна сила (ЕРС) самоіндукції eL= - L di/dt . Знак мінус у цій формулі вказує на реактивний характер ЕРС, який проявляється у протидії зміні струму: якщо струм зростає у додатному напрямку то ЕРС від’ємна, а якщо струм спадає – ЕРС додатна і прагне протидіяти його зменшенню (рис. 1.1, в).

Якщо спад напруги uL на котушці спрямувати до точки вищого потенціалу, а ЕРС eL спрямувати згідно зі струмом і, то рівняння, складене за другим законом Кірхгофа для цього кола, матиме вигляд

 

uL = - eL =- (-LІД di/dt)= LІД di/dt .

 

Підставивши у останнє рівняння аналітичний вираз струму (і=ІМ sin ωt), отримаємо

eL=- LІД (d ІМ sin ωt/dt)=- ω LІД ІМ cos ωt= ω LІД ІМ sin (ωt-π/2)=ЕM sin (ωt-π/2);

uL = LІД (d ІМ sin ωt/dt)= ω LІД ІМ cos ωt= ω LІД ІМ sin (ωt+π/2)=UM sin (ωt+π/2).

З цих рівнянь видно, що напруга  uL випереджує струм на кут π/2, а ЕРС eL відстає від струму на такий же кут. На рис. 1.1, б наведена векторна діаграма струму, напруги та ЕРС у колі з котушкою індуктивності.

Миттєва потужність дорівнює добутку струму і напруги і описується таким рівнянням

р=иі=ULIsin2ωt,

де UL, I – відповідно діючі значення напруги і струму котушки індуктивності.

Часова діаграма миттєвої потужності наведена на рис. 1.1, в. Середнє значення потужності за період (активна потужність) дорівнює нулю. На інтервалі часу від точки 1 до точки 2 енергія електричного струму перетворюється і запасається у вигляді енергії магнітного поля (затемнена площа, позначена знаком «+»), на інтервалі 2 – 3, коли струм у колі зменшується, енергія магнітного поля перетворюється у електричну енергію (затемнена площа, позначена знаком «-»). Кількість енергії, що запасається у магнітному полі дорівнює інтегралу миттєвої потужності за час від 0 до T/4:

.

Така ж кількість енергії перетворюється у електричну енергію на інтервалі 2-3.

Таким чином у колі з ідеальною котушкою індуктивності активна потужність не споживається і проходить неперервний періодичний процесс обміну енергією між котушкою та генератором змінного струму. Корисна робота у ідеальній котушці не виконується (немає перетворення електричної енергії у тепло чи у механічну енергію). Проте проходження струму по елементах електромережі супроводжується втратами енергії на активних опорах елементів системи електропередавання.

Магнітні властивості матеріалів

 

Електричний струм, що проходить по провіднику, утворює у довкіллі електромагнітне поле, що характеризується магнітним потоком Ф (одиницею вимірювання магнітного потоку є 1 вебер, 1Вб) і його індукцією В (одиницею вимірювання індукції є 1 Тесла, 1Тл=1 Вб/м2). Індукцію В називають густиною магнітного потоку, що пронизує площину S. Силові лінії індукції магнітного поля навколо прямолінійного провідника прийнято зображати замкненими концентричними колами у площині, перпендикулярній до напряму струму (рис. 1.2, а ). Вектор магнітної індукції зображають дотичною до силової лінії магнітного поля. Напрям вектора визначають за правилом правого свердлика, тобто за напрямом руху маховика якщо вістря свердлика рухається у напрямі струму у провіднику. Якщо площину S розташувати перпендикулярно до ліній магнітного поля, то між магнітним потоком і індукцією існує така залежність:

Ф=В·S.

Середовище, через яке замикається магнітне поле, характеризується абсолютною магнітною проникністю μa, що дорівнює добуткові відносної магнітної проникності матеріалу μr  і магнітної сталої μ0 , тобто: μa= μr μ0. Магнітна стала μ0 = 4π·10-7 Гн/м.

Ще однією величиною, що характеризує магнітне поле у матеріалі є напруженість Н, А/м. Напруженість магнітного поля кількісно дорівнює магніторушійній силі F , що припадає на одиницю довжини силової лінії магнітного поля: Н= F/l = І/l, а для котушки з кількістю витків w: Н=І w/ l. Індукція магнітного поля дорівнює: В= μa·Н.

В електротехніці матеріали поділяють на феромагнітні та неферомагнітні. У феромагнітних матеріалів μr>>1 і змінюється за нелінійною залежністю від напруженості поля , а у неферомагнітних μr1. Для виготовлення магнітопроводів (осердь) електромагнітів використовують лише феромагнітні матеріали, які створюють шлях з найменшим магнітним опором для магнітного потоку.

 

Рис. 1.2. Силові лінії магнітного поля окремого провідника (а) та котушки (б)

 

Феромагнітні матеріали характеризуються складною залежністю В(Н). На рис. 1.3 зображені залежності В(Н) для різних діапазонів зміни напруженості поля Н (рис. 1.3,а) та для різних матеріалів (рис.1.3,б). Якщо напруженість магнітного поля змінюється від Н1m до -Н1m , то індукція буде змінюватися від В1m до -В1m за залежністю 1 на рис. 1.3, а, яка називається статичною петлею магнітного гістерезису. Якщо ж напруженість магнітного поля збільшити до значення HS (чи до -HS) і більше, то площа петлі гістерезису спочатку зросте, а далі не буде збільшуватися – наступає магнітне насичення.

Рис. 1.3. Цикли магнітного гістерезису (1, 2) та основна крива намагнічення (3)

 

Кожному значенню Нm відповідає своя часткова статична петля гістерезису, причому більшому значенню Нm відповідає більша за площею петля. Змінюючи значення Нm можна отримати сімейство симетричних петель гістерезису, вершини яких будуть знаходитися на кривій 3 (рис. 1.3, а), що називається основною кривою намагнічення.

Петля гістерезису 2 на рис. 1.3, а називається граничною. На граничній петлі гістерезису відзначають дві характерні точки: напруженість Нс при В=0 – коерцитивна сила і індукцію Br при Н=0 – індукція залишкового намагнічування. Площа петлі гістерезису та значення Br і Нс залежить від складу феромагнетику та від технології процесу виготовлення.

Основна крива намагнічення використовується у розрахунках магнітних кіл. Магнітопроводи електромагнітних пристроїв переважно працюють на ділянці основної кривої намагнічення з прямо пропорційною залежністю зміни індукції від зміни напруженості поля.

Розрізняють магнітно-м’які та магнітно-тверді феромагнітні матеріали. Магнітно-м’які матеріали характеризуються відносно малим значенням Нс та малою площею петлі гістерезису (петля 2 на рис. 1.3, б). З магнітно-м’яких матеріалів можна виготовити магнітопроводи з майже прямокутною петлею гістерезису. До таких матеріалів відносяться чисте залізо та електротехнічні сталі, сплави заліза з нікелем тощо. Магнітно-тверді матеріали характеризуються великою площею петлі гістерезису та відносно великими значеннями Br і Нс . З них виготовляють постійні магніти.

На перемагнічення феромагнетиків від +Нm до -Нm витрачається енергія, значення якої пропорційне площі петлі гістерезису. (Гістерезис – це явище зумовлене неоднозначною залежністю зміни фізичних характеристик тіла від зміни дії зовнішніх сил на тіло. У випадку феромагнітних матеріалів гістерезис характеризується наявністю залишкової індукції Br та коерцитивної сили Нс).

 


Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 156; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!