Jak bylo ukázáno dříve, jednou z nejdůležitějších výhod vícefázových systémů je vytváření točivého magnetického pole pomocí stacionárních cívek, na kterých je založen provoz střídavých motorů. Začněme naši úvahu o tomto problému analýzou magnetického pole cívky se sinusovým proudem.
Magnetické pole cívky se sinusovým proudem
Při průchodu sinusového proudu vinutím cívky vzniká magnetické pole, jehož indukční vektor se podél této cívky mění (pulsuje) také podle sinusového zákona Okamžitá orientace vektoru magnetické indukce v prostoru závisí na vinutí cívky a okamžitý směr proudu v ní a je určeno gimletovým pravidlem pravé ruky. Takže pro případ znázorněný na obr. 1, vektor magnetické indukce směřuje vzhůru podél osy cívky. Po půl periodě, kdy při stejné velikosti proud změní znaménko na opačné, změní vektor magnetické indukce se stejnou absolutní hodnotou svou orientaci v prostoru o 1800. S přihlédnutím k výše uvedenému se magnetické pole cívky se sinusovým proudem se nazývá pulzující.
Kruhové točivé magnetické pole
dvou a třífázové vinutí
Kruhové točivé magnetické pole je pole, jehož vektor magnetické indukce se beze změny velikosti otáčí v prostoru s konstantní úhlovou frekvencí.
Uvažujme získání kruhového rotujícího magnetického pole v případě dvoufázového systému Tesla (obr. 2,a).
Když cívkami procházejí harmonické proudy, každá z nich v souladu s výše uvedeným vytvoří pulzující magnetické pole. Vektory a charakterizující tato pole jsou vedeny podél os příslušných cívek a jejich amplitudy se také mění podle harmonického zákona. Pokud proud v cívce B zaostává za proudem v cívce A o 90 0 (viz obr. 2,b), pak .
Najdeme průměty výsledného vektoru magnetické indukce na osy x a y kartézského souřadnicového systému spojeného s osami cívek:
Modul výsledného vektoru magnetické indukce v souladu s Obr. 2.v se rovná
v tomto případě pro tečnu úhlu a vytvořeného tímto vektorem s osou úsečky můžeme napsat
Výsledné vztahy (1) a (2) ukazují, že vektor výsledného magnetického pole je co do velikosti nezměněn a otáčí se v prostoru s konstantní úhlovou frekvencí, popisující kružnici, která odpovídá kruhovému točivému poli.
Ukažme, že symetrický třífázový systém cívek (viz obr. 3, a) také umožňuje získat kruhové točivé magnetické pole.
Každá z cívek A, B a C, když jimi prochází harmonické proudy, vytváří pulzující magnetické pole. Vektorový diagram v prostoru pro tato pole je na Obr. 3, b. Pro projekce výsledného vektoru magnetické indukce na
osy kartézského souřadnicového systému, jehož osa y je zarovnaná s magnetickou osou fáze A, lze zapsat
| ; | (3) |
| . | (4) |
Uvedené vztahy zohledňují prostorové uspořádání cívek, ale jsou napájeny i třífázovou proudovou soustavou s dočasným fázovým posunem 1200. Proto pro okamžité hodnoty indukcí cívek platí vztahy
Dosazením těchto výrazů do (3) a (4) dostaneme:
| ; | (5) |
| (6) |
V souladu s (5) a (6) a Obr. 2.c pro velikost vektoru magnetické indukce výsledného pole tří cívek s proudem lze napsat:
a vektor sám svírá s osou x úhel a, pro který
V tomto případě tedy existuje konstantní vektor magnetické indukce, rotující v prostoru s konstantní úhlovou frekvencí, která odpovídá kruhovému poli.
Magnetické pole v elektrickém stroji
Pro posílení a koncentraci magnetického pole v elektrickém stroji je pro něj vytvořen magnetický obvod. Elektrický stroj se skládá ze dvou hlavních částí (viz obr. 4): stacionárního statoru a rotujícího rotoru, které jsou vyrobeny ve formě dutých a plných válců.
Na statoru jsou tři shodná vinutí, jejichž magnetické osy jsou posunuty podél vrtání magnetického jádra o 2/3 pólového dělení, jejichž hodnota je určena výrazem
kde je poloměr vrtání magnetického jádra a p je počet pólových párů (počet ekvivalentních rotujících permanentních magnetů vytvářejících magnetické pole – v případě znázorněném na obr. 4 p = 1).
Na Obr. 4 plné čáry (A, B a C) označují kladné směry pulzujících magnetických polí podél os vinutí A, B a C.
Za předpokladu, že magnetická permeabilita oceli je nekonečně velká, sestrojme distribuční křivku magnetické indukce ve vzduchové mezeře stroje, vytvořené vinutím fáze A, pro určitý okamžik t (obr. 5). Při konstrukci bereme v úvahu, že křivka se v místech stran cívky prudce mění a v oblastech bez proudu jsou vodorovné úseky.
Nahrazme tuto křivku sinusoidou (nutno podotknout, že u skutečných strojů je vzhledem k vhodnému návrhu fázových vinutí pro výsledné pole taková výměna spojena s velmi malými chybami). Vezmeme-li amplitudu této sinusoidy pro zvolený čas t rovnou VA, zapíšeme
| ; | (8) |
| . | (9) |
Vezmeme-li v úvahu harmonicky se měnící fázové proudy pro okamžité hodnoty těchto veličin, s dříve učiněným předpokladem o linearitě závislosti indukce na proudu, můžeme napsat
Dosazením posledních vztahů do (7)…(9) získáme
| ; | (10) |
| ; | (11) |
| . | (12) |
Po sečtení vztahů (10)…(12) s přihlédnutím k tomu, že součet posledních členů na jejich pravé straně je shodně roven nule, získáme pro výsledné pole podél vzduchové mezery stroje výraz
což je rovnice postupné vlny.
Magnetická indukce je konstantní, pokud . Pokud tedy mentálně vyberete určitý bod ve vzduchové mezeře a pohybujete s ním podél magnetického vývrtu jádra rychlostí
pak magnetická indukce pro tento bod zůstane nezměněna. To znamená, že v průběhu času se křivka rozložení magnetické indukce, aniž by změnila svůj tvar, pohybuje po obvodu statoru. Proto se výsledné magnetické pole otáčí konstantní rychlostí. Tato rychlost se obvykle určuje v otáčkách za minutu:
Princip činnosti asynchronních a synchronních motorů
Konstrukce asynchronního motoru odpovídá obrázku na Obr. 4. Rotující magnetické pole vytvořené proudovými vinutími umístěnými na statoru interaguje s proudy rotoru a způsobuje jeho rotaci. V současnosti je nejpoužívanější asynchronní motor s rotorem nakrátko pro svou jednoduchost a spolehlivost. V drážkách rotoru takového stroje jsou umístěny měděné nebo hliníkové tyče vedoucí proud. Konce všech tyčí na obou koncích rotoru jsou spojeny měděnými nebo hliníkovými kroužky, které tyče zkratují. Odtud dostal rotor své jméno.
Vířivé proudy vznikají ve zkratovaném vinutí rotoru vlivem emf způsobeného točivým polem statoru. Při interakci s polem zapojují rotor do rotace rychlostí zásadně nižší, než je rychlost rotace pole. Odtud také název motoru – asynchronní.
nazývaný relativní skluz. Pro standardní motory S=0,02…0,07. Nerovnoměrnost rychlostí magnetického pole a rotoru bude zřejmá, vezmeme-li v úvahu, že rotující magnetické pole nebude protínat proudové tyče rotoru, a proto nebudou proudy podílející se na vytváření točivého momentu. indukované v nich.
Zásadním rozdílem mezi synchronním motorem a asynchronním motorem je konstrukce rotoru. Ten u synchronního motoru je magnet vyrobený (při relativně malých výkonech) na bázi permanentního magnetu nebo na bázi elektromagnetu. Protože se opačné póly magnetů přitahují, rotující magnetické pole statoru, které lze interpretovat jako rotující magnet, se táhne podél magnetického rotoru a jejich rychlosti jsou stejné. To vysvětluje název motoru – synchronní.
Závěrem podotýkáme, že na rozdíl od asynchronního motoru, který obvykle nepřesahuje 0,8. 0,85, je u synchronního motoru možné dosáhnout vyšší hodnoty a dokonce to udělat tak, že proud povede napětí ve fázi. V tomto případě, stejně jako kondenzátorové banky, se ke zlepšení účiníku používá synchronní stroj.
V elektrických zařízeních, přístrojích a strojích se kovové části někdy pohybují v magnetickém poli nebo stacionární kovové části protínají siločáry magnetického pole různé síly. V těchto kovových částech je indukováno samoindukované emf.
Pod vlivem těchto e. d.s. Hmotou kovové součásti protékají vířivé proudy (Foucaultovy proudy), které se ve hmotě uzavírají a vytvářejí obvody vířivých proudů.
Vířivé proudy (též Foucaultovy proudy) jsou elektrické proudy, které vznikají v důsledku elektromagnetické indukce ve vodivém prostředí (nejčastěji kovu) při změně magnetického toku, který jím proniká.
Vířivé proudy generují vlastní magnetické toky, které podle Lenzova pravidla působí proti magnetickému toku cívky a oslabují jej. Způsobují také zahřívání jádra, což je plýtvání energií.
Nechť je jádro z kovového materiálu. Na toto jádro umístíme cívku, kterou budeme propouštět střídavý proud. Kolem cívky bude jádrem procházet střídavý magnetický proud. V tomto případě bude v jádře indukováno indukované EMF, které zase způsobí proudy nazývané vířivé proudy v jádru. Tyto vířivé proudy ohřívají jádro. Protože elektrický odpor jádra je malý, indukované proudy indukované v jádrech mohou být poměrně velké a zahřívání jádra může být významné.
Výskyt Foucaultových proudů (vířivých proudů)
Vířivé proudy poprvé objevil francouzský vědec D.F. Arago (1786 – 1853) v roce 1824 v měděném kotouči umístěném na ose pod otočnou magnetickou jehlou. Díky vířivým proudům se disk začal otáčet. Tento jev, nazývaný Aragoův jev, vysvětlil o několik let později M. Faraday z hlediska jím objeveného zákona elektromagnetické indukce.
Vířivé proudy podrobně studoval francouzský fyzik Foucault (1819 – 1868) a pojmenoval je po něm. Fenomén zahřívání kovových těles rotujících v magnetickém poli nazval vířivými proudy.
Obrázek ukazuje jako příklad vířivé proudy indukované v masivním jádru umístěném v cívce obtékající střídavý proud. Střídavé magnetické pole indukuje proudy, které se uzavírají podél drah ležících v rovinách kolmých ke směru pole.
Vířivé proudy: a – v masivním jádru, b – v plátovém jádru
Způsoby, jak snížit Foucaultovy proudy
Výkon vynakládaný na ohřev jádra vířivými proudy zbytečně snižuje účinnost technických zařízení elektromagnetického typu.
Pro snížení výkonu vířivých proudů se zvyšuje elektrický odpor magnetického obvodu, k tomu jsou jádra sestavena ze samostatných tenkých (0,1-0,5 mm) desek, které jsou navzájem izolované pomocí speciálního laku nebo měřítka.
Magnetická jádra všech střídavých strojů a přístrojů a jádra armatur stejnosměrných strojů jsou sestavena z desek navzájem izolovaných lakem nebo povrchovou nevodivou fólií (fosfátovanou), vyraženou z plechu z elektrooceli. Rovina desek musí být rovnoběžná se směrem magnetického toku.
Při takovém rozdělení průřezu magnetického jádra jsou vířivé proudy výrazně zeslabeny, protože magnetické toky, které prolínají obrysy vířivých proudů, jsou redukovány, a v důsledku toho se také snižuje emise indukovaná těmito toky. d.s., vytvářející vířivé proudy.
Do materiálu jádra jsou také zavedeny speciální přísady, které rovněž zvyšují jeho elektrický odpor. Pro zvýšení elektrického odporu feromagnetika se elektroocel připravuje s přísadou křemíku.
Laminované magnetické jádro transformátoru
Jádra některých cívek (cívek) jsou vyrobena z kusů žíhaného železného drátu. Železné pásy jsou umístěny rovnoběžně s čarami magnetického toku. Vířivé proudy proudící v rovinách kolmých ke směru magnetického toku jsou omezeny izolačními těsněními. Magnetodielektrika se používají pro magnetické obvody zařízení a zařízení pracujících na vysokých frekvencích. Pro snížení vířivých proudů v drátech jsou dráty vyrobeny ve formě svazku jednotlivých vodičů, které jsou od sebe izolované.
Licence je systém propletených měděných drátů, ve kterém je každé jádro izolováno od svých sousedů. Licendrat je určen pro použití na vysokofrekvenčních proudech, aby se zabránilo výskytu parazitních proudů a Foucaultových proudů.
Aplikace Foucaultových proudů
V některých případech se vířivé proudy využívají v technice například k brzdění rotujících masivních dílů. Elektromotorická síla indukovaná v prvcích součásti při přechodu magnetickým polem způsobuje v její tloušťce uzavřené proudy, které při interakci s magnetickým polem vytvářejí výrazné protipůsobící momenty.
Takovéto magnetické indukční brždění je také široce používáno pro zklidnění pohybu pohyblivých částí elektrických měřicích přístrojů, zejména pro vytvoření protipůsobícího momentu a brzdění pohyblivé části elektroměrů.
U těchto zařízení se v mezeře permanentního magnetu otáčí kotouč namontovaný na ose měřiče. Vířivé proudy indukované ve hmotě disku během tohoto pohybu, interagující s tokem stejného magnetu, vytvářejí protipůsobící a brzdící momenty.
Například vířivé proudy byly nalezeny v zařízení magnetické brzdy kotouče elektroměru. Při otáčení disk protíná siločáry magnetického pole permanentního magnetu. V rovině disku vznikají vířivé proudy, které zase vytvářejí své vlastní magnetické toky ve formě trubic kolem vířivého proudu. Při interakci s hlavním polem magnetu tyto toky zpomalují disk.
V některých případech je pomocí vířivých proudů možné použít technologické operace, které nelze použít bez vysokofrekvenčních proudů. Například při výrobě vakuových přístrojů a zařízení je nutné opatrně odčerpat vzduch a další plyny z válce. Kovové armatury umístěné uvnitř láhve však obsahují zbytky plynu, které lze odstranit až po uvaření láhve.
Pro úplné odplynění armatur je v poli vysokofrekvenčního generátoru umístěno vakuové zařízení, v důsledku působení vířivých proudů se armatury zahřejí na stovky stupňů a zbylý plyn se neutralizuje.
Příkladem užitečné aplikace vířivých proudů způsobených střídavým polem jsou elektrické indukční pece. V nich vysokofrekvenční magnetické pole vytvořené vinutím, které obklopuje kelímek, indukuje vířivé proudy v kovu umístěném v kelímku. Energie vířivých proudů se přeměňuje na teplo, které taví kov.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
