Резонансні явища в магнітних колах

На відміну від кіл синусоїдного струму з постійними L і C елементами та f, де резонансні явища (струму або напруги) можуть бути досягнути шляхом зміни величини одного з елементів, у колах, в які ввімкнені лінійна ємність і котушка з феромагнітним осердям, явище резонансу додатково може бути досягнуто шляхом зміни або струму, або напруги кола. Наприклад, ферорезонанс напруги у колі (рис. 4.9, а) з послідовним з’єднанням лінійного конденсатора (С = const) і котушки з феромагнітним осердям (L ¹ const) має місце при перетинанні вольт-амперних характеристик (ВАХ) цих елементів – коли U_C = U_L. Для пояснення процесів, які відбуваються у такому колі скористуємося рис. 4.9, б, де наведені ВАХ елементів U_C = f(I), U_L = f(I) та всього кола U = f(I).

При мінімальному збільшені напруги джерела понад U₁, струм кола стрибкоподібно змінюється від I₁ до I₂. Одночасно з цим стрибкоподібно змінюється напруга на ємнісному елементі – від U_C1 до U_C2, і несуттєво, від U_L1 до U_L2, на індуктивному. Подальше збільшення напруги джерела U > U₁ (після стрибка струму) супроводжується пропорційним збільшенням U_C та вкрай незначним збільшенням U_L. Якщо ідеалізувати коло і вважати, що втрати енергії у його складових відсутні, то при зменшенні напруги джерела розглянуті процеси будуть відбуватися у зворотному напрямку. Таким чином, при значних коливаннях напруги живлення кола спад напруги на котушці із насиченим магнітопроводом залишається практично сталою. Ця обставина використовується в ферорезонансних стабілізаторах, де напруга на затискачах котушки є стабілізованою вихідною напругою u_вих пристрою. Явище, коли несуттєва зміна активного опору або напруги живлення кола супроводжується стрибкоподібною зміною струму, отримало назву тригерного ефекту. Воно широко використовується у ферорезонансних реле захисту електрообладнання від перенапруги.

4.7. Електричні дроселі

Силовий електричний дросель являє собою котушку з феромагнітним осердям, яка має нелінійну індуктивність. Шляхом послідовного вмикання (рис. 4.10) з навантаженням Z_н, їх використовують для регулювання струму або напруги у колах змінного струму.

На відміну від з регулювальних реостатів, які мають великий активний опір і, практично, не мають реактивного опору, дроселі, навпаки, мають великий реактивний опір і відносно малий активний. Оскільки втрати енергії у пристрої визначаються величиною його активного опору (закон Джоуля-Ленца), то при застосуванні дроселів пристрої конструктивно значно менші ніж при застосуванні реостатів.

На практиці широко використовують дроселі з замкнутим феромагнітнім осердям (рис. 4.11, а), з осердям, яке має регульований, або не регульований повітряний зазор d (рис. 4.11, б), а також дроселі з додатковим підмагнічуванням постійним струмом – так звані дроселі насичення (рис. 4.11, в).

Дроселі з замкнутим стальним (у більшості випадків) осердям мають практично сталий повний опір. Їх використовують, наприклад, у електроосвітлювальних установках для зменшення напруги живлення газорозрядних ламп.

В дроселях, де осердя має повітряний зазор, магнітне коло складається з двох ділянок, які суттєво відрізняються між собою за величиною опорів – стального осердя і повітряного зазору. Магнітний опір і, відповідно, індуктивність котушки дроселя такої конструкції в основному визначаються товщиною повітряного зазору. Якісний вигляд залежності повного електричного опору Z_др пристрою від товщини d повітряного зазору показаний на рис. 4.12, а.

При незмінній напрузі джерела зі збільшенням товщини повітряного зазору дроселя струм I у колі і напруга на навантаженні збільшуються, а напруга U_др на котушці дроселя зменшується. Залежність U_др(I) називають ВАХ дроселя. Як випливає із рис. 4.12, б збільшення товщини повітряного зазору d = 0, d₁ < d₂ сприяє спрямленню ВАХ пристрою. Дроселі з регульованим повітряним зазором використовують для зміни струму навантаження, наприклад, струму зварювання у зварювальних апаратах. Основним недоліком цих пристроїв є складність будови вузла регулювання товщини повітряного зазору.

Дросель насичення являє собою котушку із замкненим осердям, виготовленим з магнітом’якої сталі. Ступінь насичення осердя і, отже, індуктивність котушки пристрою, тут регулюють величиною постійного струму у додатковій обмотці (обмотці керування) за допомогою реостату R_рег. Зі збільшенням струму керування I_к повний опір Z_др пристрою зменшується, а зі зменшенням, відповідно, збільшується (рис. 4. 13). Дроселі такої конструкції використовують у ферорезонансних стабілізаторах напруги, безконтактних реле і т. ін.

2.8. Питання для самоперевірки за розділом „Магнітні кола”

1. Що називають магнітним полем?

2. Якими величинами визначають силову дію магнітного поля?

3. Від чого залежить сила, яка діє на провідник зі струмом розташований у магнітному полі?

4. Які матеріали називають феромагнетиками?

5. Що називають магнітним колом?

6. Яке магнітне коло називають нерозгалуженим (розгалуженим)?

7. Яке магнітне коло називають однорідним (неоднорідним)?

8. Як формулюються перший та другий закони Кірхгофа для магнітних кіл?

9. Як формулюється закон Ома для магнітних кіл?

10. Що називають прямою (зворотною) задачею розрахунку магнітного кола?

11. Які особливості мають магнітні кола зі змінною магніторушійною силою у порівнянні з колами із постійною магніторушійною силою?

12. Яку будову має нерегульований (регульований) електричний дросель?

13. Для чого і де використовують електричні дроселі?

14. У чому, з точки зору застосування полягає відміна електричного дроселя та регулювального реостату?