40812

Расчет магнитных нелинейных электрических цепей

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Указанная в предыдущей лекции формальная аналогия между электрическими и магнитными цепями позволяет распространить все методы и технику расчета нелинейных резистивных цепей постоянного тока на нелинейные магнитные цепи. При этом для наглядности можно составить эквивалентную электрическую схему замещения исходной магнитной цепи с использованием которой выполняется расчет. При расчете магнитных цепей на практике встречаются две типичные задачи: задача определения величины намагничивающей силы НС необходимой для создания заданного...

Русский

2013-10-22

67.12 KB

34 чел.

Лекция 33_Расчет магнитных нелинейных электрических цепей.

Указанная в предыдущей лекции формальная аналогия между электрическими и магнитными цепями позволяет распространить все методы и технику расчета нелинейных резистивных цепей постоянного тока на нелинейные магнитные цепи. При этом для наглядности можно составить эквивалентную электрическую схему замещения исходной магнитной цепи, с использованием которой выполняется расчет.

Нелинейность магнитных цепей определяется нелинейным характером зависимости , являющейся аналогом ВАХ  и определяемой характеристикой ферромагнитного материала . При расчете магнитных цепей при постоянных потоках обычно используют основную кривую намагничивания. Петлеобразный характер зависимости  учитывается при расчете постоянных магнитов и электротехнических устройств на их основе.

При расчете магнитных цепей на практике встречаются две типичные задачи:

-задача определения величины намагничивающей силы (НС), необходимой для создания заданного магнитного потока (заданной магнитной индукции) на каком - либо участке магнитопровода (задача синтеза или “прямая“ задача);

-задача нахождения потоков (магнитных индукций) на отдельных участках цепи по заданным значениям НС (задача анализа или “обратная” задача).

Следует отметить, что задачи второго типа являются обычно более сложными и трудоемкими в решении.

В общем случае в зависимости от типа решаемой задачи (“прямой” или “обратной”) решение может быть осуществлено следующими методами:

  1.  регулярными;
  2.  графическими;
  3.  итерационными.

При этом при использовании каждого из этих методов первоначально необходимо указать на схеме направления НС, если известны направления токов в обмотках, или задаться их положительными направлениями, если их нужно определить. Затем задаются положительными направлениями магнитных потоков, после чего можно переходить к составлению эквивалентной схемы замещения и расчетам.

Магнитные цепи по своей конфигурации могут быть подразделены на неразветвленные и разветвленные. В неразветвленной магнитной цепи на всех ее участках имеет место один и тот же поток, т.е. различные участки цепи соединены между собой последовательно. Разветвленные магнитные цепи содержат два и более контура.

Регулярные методы расчета

Данными методами решаются задачи первого типа -”прямые” задачи. При этом в качестве исходных данных для расчета заданы конфигурация и основные геометрические размеры магнитной цепи, кривая (кривые) намагничивания ферромагнитного материала и магнитный поток или магнитная индукция в каком-либо сечении магнитопровода. Требуется найти НС, токи обмоток или, при известных значениях последних, число витков.

“ Прямая” задача для неразветвленной магнитной цепи

Решение задач подобного типа осуществляется в следующей последовательности:

1. Намечается средняя линия (см. пунктирную линию на рис.1), которая затем делится на участки с одинаковым сечением магнитопровода.

2. Исходя из постоянства магнитного потока вдоль всей цепи, определяются значения индукции для каждого -го участка:

.

3. По кривой намагничивания для каждого значения  находятся напряженности  на ферромагнитных участках; напряженность поля в воздушном зазоре определяется согласно

 4. По второму закону Кирхгофа для магнитной цепи определяется искомая НС путем суммирования падений магнитного напряжения вдоль контура:

,

где -длина воздушного зазора.

“Прямая” задача для разветвленной магнитной цепи

            Расчет разветвленных магнитных цепей основан на совместном применении первого и второго законов Кирхгофа для магнитных цепей. Последовательность решения задач данного типа в целом соответствует рассмотренному выше алгоритму решения “прямой” задачи для неразветвленной цепи. При этом для определения магнитных потоков на участках магнитопровода, для которых магнитная напряженность известна или может быть вычислена на основании второго закона Кирхгофа, следует использовать алгоритм

по

В остальных случаях неизвестные магнитные потоки определяются на основании первого закона Кирхгофа для магнитных цепей.

В качестве примера анализа разветвленной магнитной цепи при заданных геометрии магнитной цепи на рис. 2 и характеристике  ферромагнитного сердечника определим НС , необходимую для создания в воздушном зазоре индукции .

Алгоритм решения задачи следующий:

1. Задаем положительные направления магнитных потоков в стержнях магнитопровода (см. рис. 2).

2. Определяем напряженность в воздушном зазоре  и по зависимости  для  - значение .

3. По второму закону Кирхгофа для правого контура можно записать

откуда находим  и по зависимости  - .

4. В соответствии с первым законом Кирхгофа

.

Тогда , и по зависимости  определяем .

5. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для искомой НС имеет место уравнение

.

Графические методы расчета

Графическими методами решаются задачи второго типа - “обратные” задачи. При этом в качестве исходных данных для расчета заданы конфигурация и геометрические размеры магнитной цепи, кривая (кривые) намагничивания ферромагнитного материала, а также НС обмоток. Требуется найти значения потоков (индукций) на отдельных участках магнитопровода.

            Данные методы основаны на графическом представлении вебер-амперных характеристик  линейных и нелинейных участков магнитной цепи с последующим решением алгебраических уравнений, записанных по законам Кирхгофа, с помощью соответствующих графических построений на плоскости.

“Обратная” задача для неразветвленной магнитной цепи

            Решение задач подобного типа осуществляется в следующей последовательности:

1. Задаются значениями потока и определяют для них НС , как при решении “прямой” задачи. При этом следует стремиться подобрать два достаточно близких значения потока, чтобы получить , несколько меньшую и несколько большую заданной величины НС.

2. По полученным данным строится часть характеристики  магнитной цепи (вблизи заданного значения НС), и по ней определяется поток, соответствующий заданной величине НС.

При расчете неразветвленных магнитных цепей, содержащих воздушные зазоры, удобно использовать метод пересечений, при котором искомое решение определяется точкой пересечения нелинейной вебер-амперной характеристики нелинейной части цепи и линейной характеристики линейного участка, строящейся на основании уравнения

где -магнитное сопротивление воздушного зазора.

“Обратная” задача для разветвленной магнитной цепи

Замена магнитной цепи эквивалентной электрической схемой замещения (см. рис. 3, на котором приведена схема замещения магнитной цепи на рис. 2) позволяет решать задачи данного типа с использованием всех графических методов и приемов, применяемых при анализе аналогичных нелинейных электрических цепей постоянного тока.

В этом случае при расчете магнитных цепей, содержащих два узла (такую конфигурацию имеет большое число используемых на практике магнитопроводов), широко используется метод двух узлов. Идея решения данным методом аналогична рассмотренной для нелинейных резистивных цепей постоянного тока и заключается в следующем:

1. Вычисляются зависимости  потоков во всех -х ветвях магнитной цепи в функции общей величины -магнитного напряжения  между узлами  и .

2. Определяется, в какой точке графически реализуется первый закон Кирхгофа  Соответствующие данной точке потоки являются решением задачи.

Итерационные методы расчета

Данные методы, сущность которых была рассмотрена при анализе нелинейных резистивных цепей постоянного тока, являются приближенными численными способами решения нелинейных алгебраических уравнений, описывающих состояние магнитной цепи. Как было отмечено выше, они хорошо поддаются машинной алгоритмизации и в настоящее время широко используются при исследовании сложных магнитных цепей на ЦВМ. При анализе относительно простых цепей, содержащих небольшое число узлов и нелинейных элементов в эквивалентной электрической схеме замещения (обычно до двух-трех), возможна реализация методов “вручную”.

В качестве примера приведем алгоритм расчета магнитной цепи на рис. 1, в которой при заданных геометрии магнитопровода, характеристике  материала сердечника и величине НС F необходимо найти поток Ф.

В соответствии с пошаговым расчетом для данной цепи можно записать

,  

(1)

 где .

Задаемся значением , вычисляем для -х участков магнитопровода , по кривой намагничивания  находим , подсчитываем  и по (1) определяем  для следующего приближения и т.д., пока с заданной погрешностью не будет выполняться равенство .

Статическая и дифференциальная индуктивности катушки с ферромагнитным сердечником

Пусть имеем катушку с ферромагнитным сердечником, представленную на рис. 4.

В соответствии с определением потокосцепления

,         

(2)

 

и на основании закона полного тока , откуда

(3)

 

Из соотношений (2) и (3) вытекает, что функция  качественно имеет такой же вид, что и . Таким образом, зависимости относительной магнитной проницаемости  и индуктивности  также подобны, т.е. представленные в предыдущей лекции на рис. 2 кривые  и  качественно аналогичны кривым  и .

Статическая индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником

;

дифференциальная индуктивность

.

Если магнитную проводимость сердечника на рис. 4 обозначить через , то  и , откуда

(4)

 Используя соотношение (4), покажем влияние воздушного зазора на индуктивность катушки.

Пусть катушка на рис. 4 имеет воздушный зазор . Тогда полное магнитное сопротивление контура

,

откуда

.

При , следовательно

.

Таким образом, воздушный зазор линеаризует катушку с ферромагнитным сердечником. Зазор, для которого выполняется неравенство , называется большим зазором.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81818. Понятие науки. Основные аспекты бытия науки 34.37 KB
  Наука как социальный институт или форма общественного сознания связанная с производством научнотеоретического знания представляет собой определенную систему взаимосвязей между научными организациями членами научного сообщества систему норм и ценностей. Они участвуют в разнообразных формах научного общения дискуссии конференции издания монографии учебники читают лекции и т. Выделим самые характерные черты научного знания. Еще Кант в качестве неотъемлемой черты науки отмечал систематичность научного знания: именно этим как он...
81819. Эволюция подходов к анализу науки 30.26 KB
  Важнейшей характеристикой знания является его динамика т. Дело в том что для логического позитивизма в целом были характерны: а абсолютизация формальнологической и языковой проблематики; б гипертрофия искусственно сконструированных формализованных языков в ущерб естественным; в концентрация исследовательских усилий на структуре готового ставшего знания без учета его генезиса и эволюции; г сведение философии к частнонаучному знанию а последнего к формальному анализу языка науки; д игнорирование социокультурного контекста анализа...
81820. Логико-эпистемологический подход к исследованию науки 32.07 KB
  Они полагали что причина большинства эпистемологических затруднений в неправильном использовании языка. Правильное же использование языка которому мы пока не научились даст возможность либо вообще избежать ошибок либо по крайней мере свести к минимуму ущерб от них. исследования языка в основу своих эпистемологических поисков неопозитивисты принялись за работу над многими проблемами методологии науки: тут и соотношение уровней познания принципы выбора теории определение факта место логики и математики в познании и т. Карнапа...
81821. Позитивистская традиция в философии науки 33.28 KB
  Максимум метафизики который признавался позитивизмом законным заключался в призыве к философии стать метанаукой т. Конта 17981857 пустившего в оборот термин позитивизм который фигурирует в названиях основных его сочинений: Курс позитивной философии Дух позитивной философии и Система позитивной политики. Наука к тому времени уже была предметом анализа в немецкой классической философии у Канта Фихте и Гегеля и следы немецкого влияния просматриваются у Конта.
81822. Расширение поля философской прблематики в позитивистской философии науки. Концепции К.Поппера, И. Лакатоса, Т. Куна, П. Фейерабенда, М.Полани 42.44 KB
  Проблему роста развития изменения знания разрабатывали начиная с 60х гг. Они считали что существует тесная аналогия между ростом знания и биологическим ростом т. В постпозитивизме происходит существенное изменение проблематики философских исследований: если логический позитивизм основное внимание обращал на анализ структуры научного познания то постпозитивизм главной своей проблемой делает понимание роста развития знания. Первой такой концепцией стала концепция роста знания К.
81823. Социологический и культурологический подходы к исследованию развития науки 27.7 KB
  проблема истории науки не была предметом специального рассмотрения ни философов ни ученых работавших в той или иной области научного знания и только в трудах первых позитивистов появляются попытки анализа генезиса науки и ее истории создается историография науки. Специфика подхода к возникновению науки в позитивизме выражена Г. Спенсером 18201903 в работе Происхождение науки .
81824. Проблема интернализма и экстернализма в понимании механизмов научной деятельности 33.09 KB
  Экстерналистская концепция генезиса науки вызвала резкое неприятие со стороны некоторых историков науки, которые представили альтернативную концепцию, получившую название интерналистской, или имманентной. Согласно этой концепции
81825. Базисные ценности современной цивилизации. Ценность научной рациональности 33.22 KB
  Ценности не сводятся только к моральноэтическим императивам. Ценности способствуют усилению мотивации поступков и действий человека они связаны с глубинными переживаниями значимости своей деятельности и поэтому ценностные установки накладывают свой отпечаток на процесс научного творчества. Важно подчеркнуть что ценности могут играть как позитивную так и негативную роль.
81826. Многообразие форм знания. Научное и вненаучное знание 36.77 KB
  Появление научного знания не отменило и не упразднило не сделало бесполезными другие формы знания. Шестова о том что повидимому существуют и всегда существовали ненаучные приемы отыскания истины которые и приводили если не к самому познанию то к его преддверию но мы так опорочили их современными методологиями что не смеем и думать о них серьезно Каждой форме общественного сознания: науке философии мифологии политике религии и т. соответствуют специфические формы знания.