Эффекты в проводнике вызываемые переменным током

При протекании в проводнике переменного тока наблюдаются следующие эффекты: а) поверхностный эффект (скин–эффект) и б) эффект близости. Оба эффекта приводят к перераспределению плотности протекающего тока по площади сечения проводника. Эффекты проявляются в независимости от способа возникновения тока в проводнике (подвод контактами или наведенный ток).

Поверхностный эффект вызывает перераспределение плотности тока таким образом, что плотность тока вблизи поверхности проводника значительно выше чем в середине.

Появление поверхностного эффекта объясняется следующим образом. Центр проводника охвачен всеми магнитными линиями, край проводника охвачен только линиями, проходящими вне проводника. Величина реактивной э.д.с. в центре проводника больше, чем на периферии, что приводит к «выдавливанию» основного тока из центра проводника на его периферию, рис. 3.5.

а) б)

Рис. 3.5. Поверхностный эффект: а) проводник в магнитном поле б) график распределения плотности тока (J) в проводнике при увеличении радиуса (r) проводника

Из теории и опыта известно, что величина коэффициента поверхностного эффекта существенно зависит от параметра , где f – частота переменного тока, R – омическое сопротивление проводника определенной длины, обычно 100 м.

Аналитические формулы для расчета k_п слишком громоздки и пригодны, как правило, только для простых по геометрии сечений проводников, поэтому на практике используют графики и номограммы, построенные на их основе, или приближенные формулы.

Эквивалентная глубина проникновения (D_э) для меди при температуре 15°С и проводимости 6,05×10⁷ См/м составляет:

При радиусе медного проводника 25 мм k_п = 1,45, поэтому применять сплошные цилиндрические проводники с диаметром более 25…30 мм нецелесообразно из-за повышенного тепловыделения в них вследствие появления поверхностного эффекта и нерационального использования материала проводника. Для практических целей является приемлемым значение k_п не более 1,1…1,2.

Для меди диаметром до 20 мм и алюминия диаметром до 30 мм при частоте 50 Гц k_п@1,03…1,06 и не учитывается.

Эффект близости наблюдается у близко расположенных проводников и проявляется в перераспределении плотности тока на внутренних и внешних краях проводников. Магнитное поле, создаваемое током одного проводника, наводит в другом проводнике реактивную э.д.с. В результате в последнем возникают токи, стремящиеся ослабить вызвавшие их магнитные потоки.

Это ведет к тому, что при одинаковом направлении токов в проводниках плотность тока будет меньше в частях проводников, обращенных друг к другу (рис. 3.6).

Рисунок править

Рис. 3.6. Распределение плотности тока по сечению проводника при протекании токов одного направления

При разном направлении токов плотность тока будет больше в частях проводников обращенных друг к другу (рис. 3.7).

Рисунок править

Рис. 3.7. Распределение плотности тока по сечению проводника при протекании токов разного направления

На рис. 3.6 и 3.7 цифрой «1» обозначено распределение тока в уединенном проводнике, цифрой «2» – распределение тока в близко расположенных проводниках.

Результатом перераспределения тока, вызванного эффектами является увеличение эквивалентного удельного сопротивления проводника

r_экв = k_п×k_б×r₀ , (3.13)

где k_п – коэффициент поверхностного эффекта, k_б – коэффициент эффекта близости (k_п ³ 1; k_б ³ 1).

Способы уменьшения проявления эффектов литцендрат