Трехстержневой однофазный магнитный усилитель с защитой от проникновения переменного напряжения в цепь управления

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат изобретения заключается в исключении проникновения переменного тока в обмотку управления однофазного трехстержневого магнитного усилителя. Исключение воздействия силовых рабочих цепей на слаботочные цепи управления достигается трехстержневым однофазным магнитным усилителем с защитой от проникновения переменного напряжения в цепь управления, управляющая обмотка которого размещена на среднем стержне, а полуобмотки силовой рабочей цепи размешены на двух крайних стержнях трехстержневого сердечника из шихтованной электротехнической стали, и намотаны таким образом, чтобы результирующий поток, создаваемый ими и пронизывающий обмотку управления был равен нулю, а часть среднего стерженя магнитного усилителя заменена монолитной ферромагнитной вставкой из магнитомягкого низкокоэрцитивного железа. Для повышения сопротивления переменному магнитному потоку выполняется диамагнитный зазор между монолитной ферромагнитной вставкой и шихтованным сердечником магнитного усилителя.

 

Изобретение относится к области электротехники? в частности к электроснабжению однофазных потребителей от трехфазных сетей, в том числе потребителей коммунального хозяйства, и может быть использовано в трехфазных четырех- и пятипроводных распределительных электрических сетях переменного тока.

Магнитные усилители применяются для повышения и стабилизации напряжения электропотребителей с использованием магнитоуправляемых вольтдобавочных трансформаторов, например ТВМГ.

Работа магнитных усилителей основана на использовании нелинейной характеристики дросселя с ферромагнитным сердечником с подмагничиванием ферромагнитных масс постоянным током управления, протекающим по управляющей обмотке.

Так как магнитный усилитель - электрическая машина, то в нем проявляется свойство обратимости электрических машин.

Обмотка управления с большим количеством витков провода малого сечения, по которой протекает малый постоянный управляющий ток, воздействует посредством ферромагнитной системы на рабочую обмотку, по которой протекает переменный большой рабочий ток. В силу обратимости электрических машин рабочая обмотка с большим переменным током также может воздействовать на слаботочную обмотку управления. При этом воздействии в обмотке управления будет наводиться высокое напряжение, что приведет ее к пробою и выходу магнитного усилителя из строя.

Для исключения воздействия силовых рабочих цепей на слаботочные цепи управления существует ряд схемотехнических решений.

Наиболее проста и удачна схема с двумя дросселями подмагничивания, включенными таким образом, что наведенные в двух обмотках ЭДС взаимно компенсируются [Урин В.Д. Наладка магнитных усилителей. М.: Энергия, 1974, с.5].

Размещение полуобмоток силовой рабочей цепи однофазного магнитного усилителя осуществляется на двух замкнутых сердечниках из шихтованной электротехнической стали, а управляющая обмотка подмагничивания охватывает по одному стержню каждого магнитопровода, причем рабочие полуобмотки намотаны таким образом, чтобы результирующий поток, создаваемый ими и пронизывающий обмотку управления, был равен нулю.

Тем не менее это не исключает проникновение переменного тока в цепь управления из-за возможной не симметрии: ферромагнитных масс сердечников, длин плеч его средней магнитной линии, усилия обжатия сердечника, габаритных размеров и числа витков двух половин рабочих полуобмоток.

Задачей изобретения является исключение проникновения переменного тока в обмотку управления однофазного трехстержневого магнитного усилителя.

Поставленная задача достигается трехстержневым однофазным магнитным усилителем с защитой от проникновения переменного напряжения в цепь управления, с двумя дросселями подмагничивания, включенными таким образом, что наведенные в двух обмотках ЭДС взаимно компенсируются, причем полуобмотки силовой рабочей цепи размещены на двух крайних стержнях трехстержневого сердечника из шихтованной электротехнической стали и намотаны таким образом, чтобы результирующий поток, создаваемый ими и пронизывающий обмотку управления, был равен нулю, а управляющая обмотка размещена на среднем стержне, часть которого заменена монолитной ферромагнитной вставкой из магнитомягкого низкокоэрцитивного железа, а для повышения сопротивления переменному магнитному потоку выполняется диамагнитный зазор между монолитной ферромагнитной вставкой и шихтованным сердечником магнитного усилителя.

Новые существенные признаки:

1) применение монолитной ферромагнитной вставки из магнитомягкого низкокоэрцитивного железа для части сердечника катушки управления затруднит замыкание основного магнитного потока магнитного усилителя через сердечник катушки управления, так как монолитный сердечник имеет значительно большее сопротивление переменному магнитному потоку вследствие больших потерь на перемагничивание и на токи Фуко;

2) часть основного магнитного потока, замкнувшаяся через монолитную вставку из магнитомягкого низкокоэрцитивного железа, пройдя дополнительно через диамагнитный зазор, значительно ослабится, вследствие большого магнитного сопротивления зазора.

Перечисленная совокупность признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Технический результат обеспечивается тем, что переменный магнитный поток, проходящий последовательно чрез совокупность ферромагнитных тел и сред - через магнитную цепь, может быть описан с помощью магнитодвижущей силы (МДС) F_МДС, магнитного потока Ф и разности магнитных потенциалов ΔU_МП. При рассмотрении идеализированной магнитной цепи полагаемся, что весь магнитный поток Ф, созданный обмоткой с током, проходит только по магнитопроводу и является равномерным и постоянным не только в магнитопроводе Ф_ФМ=CONST, но и в воздушном или ином немагнитном зазоре Ф_З=CONST:

Ф_ФМ=Ф_З.

Так как площади поперечного сечения S [м²], магнитопровода и зазора равны

S_ФМ=S_З=S, то магнитная индукция В в любой точке магнитной цепи является величиной постоянной

В_М=В_З=В.

Вместе с тем напряженность магнитного поля Н в ферромагнитном материале и воздушном зазоре различны.

Циркуляция вектора напряженности магнитного поля Н по контуру равна алгебраической сумме макроскопических токов, охватываемых этим контуром. Если токи I_i проходят по проводам, охватываемым контуром длиной L_L, то

∮H·dL_L=ΣI_i.

Вследствие однородности магнитного поля в такой магнитной цепи напряженность магнитного поля является величиной постоянной Н=const по всей длине замкнутого контура. Под суммой макроскопических токов понимают произведение величины тока на число витков

ΣI_i=w·I=F_МДС,

где F_МДС - магнитодвижущая сила обмотки.

Тогда приведенные выше выражения будут иметь вид

∮H·dL_L=ΣI_i=w·I=F_МДС:

- получили математическое выражение закона полного тока для однородной магнитной цепи.

Если принять напряженность магнитного поля H соответствующей ее значению по средней линии L_{CР L} магнитопровода, получим выражение закона полного тока для однородной магнитной цепи:

H·L_{CP L}=w·I=F_МДС.

Для неоднородной ферромагнитной цепи, содержащей воздушный (или заполненный другим диэлектриком) зазор, закон полного тока записывается в следующем виде:

ΣH_i·L_i=w·I

Для магнитопровода, содержащего два участка с различной магнитной проницаемостью длиной ферромагнитного сердечника L_{CР ФМL} и зазора l_3L, закон полного тока имеет вид:

H_ФМ·L_{CР ФМL}+H₃·L_3L=w·I=F_МДС

или

U_{МН ФМ}+U_{МН З}=w·I=F_МДС,

где H_ФМ и H_З - напряженность магнитного поля в ферромагнитном сердечнике и в зазоре;

U_{МН ФМ} и U_{МН З} - напряжение магнитного потока в ферромагнитном сердечнике и в зазоре.

Из выражения видно, что в неоднородной магнитной цепи сумма магнитных напряжений (∑ U_МН) на участке цепи равна МДС обмотки F_МДС (второй закон Кирхгофа для магнитной цепи).

На основании теоремы Гаусса поток вектора магнитной индукции В через любую замкнутую поверхность равен нулю:

Ф=∮B·ds.

Применяя закон полного тока для магнитной цепи, получаем: F_МДС=Н_ФМ·L_CPL+H_3·L_3L =F_ФМ+F₃=Ф(R_{М ФМ}+R_МЗ),

откуда:

Ф=F_МДС/(R_{М ФМ}+R_МЗ)= F_МДС/∑R_М

Согласно этому выражению магнитное сопротивление всей цепи равно сумме магнитных сопротивлений последовательно соединенных участков.

При рассмотрении электромагнитных процессов, происходящих в магнитной системе (цепи), намагничивающая катушка, которой запитана переменным током, также идеализируют элементы магнитной цепи. Пренебрегают полями магнитного рассеяния и сопротивлением обмотки. Тогда получается, что переменное напряжение U на обмотке уравновешивается только ЭДС самоиндукции Е_СИ.

U= Е_СИ

Е_СИ=-₍dФ_)/dt, тогда

Ф(t)=(l/w)∫U(t)dt+k,

где k - постоянная интегрирования, которая при отсутствии постоянного тока в катушке равна нулю.

Согласно приведенному выражению закон изменения магнитного потока

определяется только величиной напряжения (падения напряжения) на обмотке

электромагнита и не зависит от параметров магнитной цепи.

Это не означает, что напряжение непосредственно создает магнитное поле.

Магнитный поток создается только электрическим током, но при анализе

электромагнитных процессов удобно пользоваться этим выражением, так как

полагается, что сопротивление обмотки R_ОБМ стремится к 0. Тогда

U=L(dl/dt),

где L - индуктивность обмотки [Гн]=[Н·м/А²]

Для обмотки с магнитным потоком Ф в магнитопроводе из ферромагнитного материала зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля нелинейна

В=µ_0·µ·Н,

вследствие того, что величина относительной проницаемости µ ферромагнетиков в сильных магнитных полях резко падает. Поэтому В(I) и H(I) связаны между собой параметрической зависимостью, которая графически выражается в виде кривой намагниченности (петли гистерезиса). Вследствие этого индуктивность обмотки магнитопровода зависит от величины тока в электрической цепи.

Изменяющийся магнитный поток в ферромагнитном сердечнике приводит к созданию ЭДС в магнитопроводе, в результате чего появляются вихревые токи, вызывающие электрические потери в сердечнике. Гистерезис приводит к потерям на перемагничивание: в магнитопроводе возникают активные потери от вихревых токов и потери от гистерезиса.

В магнитопроводах, катушки которых запитаны постоянным током, такие потери отсутствуют. Косвенной характеристикой потерь от гистерезиса является коэрцитивная сила Н_С - величина, пропорциональная ширине петли гистерезиса при В=0.

Закон полного тока должен выполняться при питании катушки переменным током для любого момента времени, поэтому справедливым остается выражение для идеализированной цепи с зазором:

Н_ФМ·L_{СР ФМ}+H₃·L₃=w·I=F_МДС

Вместе с тем магнитное напряжение на зазоре:

U_МНЗ=Н_З·L_3L

можно представить как:

U_МНЗ=R_МЗ·Ф

Тогда можно записать

Н_ФМ·L_{СР ФМ L}+R_МЗ·Ф=w·I=МДС.

Так как на переменном токе мгновенное значение напряжения U описывается законом

U=U_ASin(ω·t),

а значение магнитной индукции В в магнитопроводе определяется из выражения:

то магнитная индукция В будет также изменяться по синусоидальному закону:

Уже при небольших зазорах в магнитопроводе порядка десятых долей миллиметра

L_3L·H₃>>L_{СР ФМ L}·H_ФМ,

поэтому

R_3м·Ф≅w·I,

I≅R_3М·Ф/w. (1.26.)

Магнитный поток Ф определяется напряжением U в обмотке:

Ф=U/w·ω.

Отсюда:

I=U·R_3М/ω·w²

Переменный ток в обмотке пропорционален магнитному сопротивлению зазора R_3М и его длине L_3L. Так как индуктивное (реактивное) сопротивление обмотки при ее активном сопротивлении, стремящемся к нулю, определяется соотношением:

X=U/I,

отсюда получим:

Х=ω·w²/R_3М

Но

R_М3=L_LМ3/µ₀·µ·S,

(так как относительная магнитная проницаемость воздуха близка к 1), тогда:

Х=ω·w²·µ₀·µ·S/ L_LМ3, - индуктивное сопротивление обмотки обратно пропорционально магнитному сопротивлению, а следовательно, и длине зазора.

В большинстве электротехнических устройств стремятся уменьшить воздушный зазор, чтобы снизить ток, необходимый для образования заданного магнитного потока в магнитной цепи. В случае же магнитного усилителя рост магнитного сопротивления магнитной цепи катушки управления позволит снизить проникновение переменной ЭДС в цепь управления.

Трехстержневой однофазный магнитный усилитель с защитой от проникновения переменного напряжения в цепь управления, с двумя дросселями подмагничивания, включенными таким образом, что наведенные в двух обмотках ЭДС взаимно компенсируются, отличающийся тем, что полуобмотки силовой рабочей цепи размещены на двух крайних стержнях трехстержневого сердечника из шихтованной электротехнической стали и намотаны таким образом, чтобы результирующий поток, создаваемый ими и пронизывающий обмотку управления, был равен нулю, а управляющая обмотка размещена на среднем стержне, часть которого заменена монолитной ферромагнитной вставкой из магнитомягкого низкокоэрцитивного железа, а для повышения сопротивления переменному магнитному потоку выполняется диамагнитный зазор между монолитной ферромагнитной вставкой и шихтованным сердечником магнитного усилителя.