הפסדים בחוטי AC

כאשר זרם חילופין זורם דרך מוליך, נוצר שטף מגנטי לסירוגין סביבו ובתוכו, אשר משרה e. ד. s, אשר קובע את ההתנגדות האינדוקטיבית של החוט.

אם נחלק את הקטע של החלק נושא הזרם לכמה מוליכים אלמנטריים, אז אלו מהם שנמצאים במרכז הקטע וקרובים אליו יהיו בעלי ההתנגדות האינדוקטיבית הגדולה ביותר, שכן הם מכוסים על ידי כל השטף המגנטי - חיצוני ופנימי. מוליכים אלמנטריים הממוקמים על פני השטח מכוסים רק על ידי השטף המגנטי החיצוני ולכן יש להם את ההתנגדות האינדוקטיבית הנמוכה ביותר.

לכן, ההתנגדות האינדוקטיבית האלמנטרית של המוליכים עולה מהמשטח לכיוון מרכז המוליך.

עקב פעולת השטף המגנטי לסירוגין, אפקט פני השטח או אפקט העור, ישנה תזוזה של השטף והזרם מציר המוליך אל פני השטח שלו, בפיל החיצוני; הזרמים של השכבות הבודדות שונות בגודל ובפאזה.

במרחק Z0 מהמשטח, משרעת השדות החשמליים והמגנטיים וצפיפות הזרם יורדים פי e = 2.718 ומגיעים ל-36% מערכם ההתחלתי על פני השטח. מרחק זה נקרא עומק החדירה של השדה הנוכחי והוא שווה ל

כאשר ω הוא התדר הזוויתי של זרם החילופין; γ - מוליכות ספציפית, 1 / אוהם • ס"מ, עבור נחושת γ = 57 • 104 1 / אוהם • ס"מ; µ = µ0 • µr µ0 = 4 • π • 10-9 gn / cm — קבוע מגנטי; µr היא החדירות המגנטית היחסית, שווה ל-1 עבור נחושת ואלומיניום.

בפועל, נחשב שחלקו העיקרי של הזרם עובר לשכבת פני השטח של המוליך בעובי השווה לעומק החדירה Z0, והחלק הנותר, הפנימי, של החתך כמעט אינו נושא זרם והוא לא משמש להעברת אנרגיה.

באיור. 1 מציג את התפלגות צפיפות הזרם במוליך עגול ביחסים שונים של רדיוס המוליך לעומק החדירה.

השדה נעלם לחלוטין במרחק מהמשטח השווה ל-4 — 6 Z0.

להלן ערכי עומק החדירה Z0 במ"מ עבור כמה מוליכים בתדר של 50 הרץ:

נחושת - 9.44, אלומיניום - 12.3, פלדה (µr = 200) - 1.8

ההתפלגות הלא אחידה של הזרם לאורך חתך המוליך מובילה להפחתה משמעותית בחתך הרוחב של החלק הנושא הזרם בפועל שלו, ולכן לעלייה בהתנגדות הפעילה שלו.

ככל שההתנגדות הפעילה של המוליך Ra עולה, הפסדי החום בו I2Ra גדלים, ולכן, באותו ערך של הזרם, ההפסדים במוליך וטמפרטורת החימום שלו בזרם חילופין יהיו תמיד גדולים יותר מאשר עם ישיר. נוֹכְחִי.

מדד להשפעת השטח הוא מקדם אפקט פני השטח kp, המייצג את היחס בין ההתנגדות הפעילה של המוליך Ra להתנגדות האוהמית שלו R0 (בזרם ישר).

ההתנגדות הפעילה של המוליך היא

תופעת אפקט פני השטח חזקה יותר ככל שחתך החוט גדול יותר ושלו חדירות מגנטית וגבוה יותר תדר זרם חילופין.

במוליכים מסיביים שאינם מגנטיים, אפילו בתדר אספקה, אפקט פני השטח בולט מאוד. לדוגמה, ההתנגדות של חוט נחושת עגול בקוטר 24 ס"מ בזרם חילופין של 50 הרץ גבוהה בערך פי 8 מההתנגדות שלו בזרם ישר.

מקדם אפקט העור יהיה קטן יותר, ככל שההתנגדות האוהמית של המוליך תהיה גדולה יותר; לדוגמה, kn עבור חוטי נחושת יהיה גדול יותר מאשר עבור אלומיניום באותו קוטר (חתך), כי ההתנגדות של אלומיניום גבוהה ב-70% מנחושת. מכיוון שההתנגדות של המוליך עולה עם החימום, עומק החדירה יגדל עם עליית הטמפרטורה ו- kn יקטן.

בחוטים העשויים מחומרים מגנטיים (פלדה, ברזל יצוק וכו'), למרות התנגדותם הגבוהה, אפקט פני השטח מתבטא בחוזק קיצוני בשל החדירות המגנטית הגבוהה שלהם.

מקדם אפקט פני השטח עבור חוטים כאלה, אפילו עם חתכים קטנים, הוא 8-9. יתרה מכך, ערכו תלוי בערך הזרם הזורם. אופי שינוי ההתנגדות מתאים לעקומת החדירות המגנטית.

תופעה דומה של חלוקה מחדש של זרם לאורך החתך מתרחשת עקב אפקט הקרבה, הנגרמת על ידי השדה המגנטי החזק של חוטים סמוכים. ניתן לקחת בחשבון את השפעת אפקט הקרבה באמצעות מקדם הקרבה kb, שתי התופעות - מקדם ההפסדים הנוספים:

עבור מתקני מתח גבוה עם מרחק מספיק גדול בין השלבים, מקדם ההפסדים הנוספים נקבע בעיקר על ידי אפקט פני השטח, שכן במקרה זה אפקט הקרבה חלש מאוד. לכן, בהמשך נשקול את ההשפעה של השפעת פני השטח בלבד על מוליכים נושאי זרם.

אורז. 1 מראה כי עבור חתכים גדולים יש להשתמש רק מוליכים צינוריים או חלולים, שכן במוליך מוצק החלק האמצעי שלו אינו בשימוש מלא למטרות חשמל.

אורז. 1. התפלגות צפיפות הזרם במוליך עגול ביחסים שונים α / Z0

מסקנות אלה משמשות בתכנון של חלקים נושאי זרם של מתגי מתח גבוה, מנתקים, בתכנון פסי פסים ופסים של מתג מתח גבוה.

קביעת ההתנגדות הפעילה Ra היא אחת הבעיות החשובות הקשורות לחישוב מעשי של חלקים נושאי זרם ומסוטים בעלי פרופילים שונים.

ההתנגדות הפעילה של המוליך נקבעת באופן אמפירי על סמך סך הפסדי ההספק הנמדדים בו, כיחס בין סך ההפסדים לריבוע הזרם:

קשה לקבוע אנליטית את ההתנגדות הפעילה של מוליך, לכן, עבור חישובים מעשיים, משתמשים בעקומות מחושבות, שנבנו בצורה אנליטית ומאומתת בניסוי.בדרך כלל, הם מאפשרים לך למצוא את גורם אפקט העור כפונקציה של פרמטר עיצובי כלשהו המחושב ממאפייני המוליך.

באיור. 2 מציג עקומות לקביעת אפקט פני השטח של מוליכים לא מגנטיים. מקדם אפקט פני השטח מהעקומות הללו מוגדר כ-kn = f (k1), פונקציה של הפרמטר המחושב k1, שהוא

כאשר α הוא רדיוס החוט, ראה

אורז. 2. התנגדות אקטיבית ואינדוקטיבית של המוליך בזרם חילופין

בתדר תעשייתי של 50 הרץ, ניתן להתעלם מהשפעת פני השטח עבור מוליכים נחושת d <22 מ"מ ועבור מוליכים אלומיניום d <30 מ"מ, שכן עבורם kp <1.04

אובדן אנרגיה חשמלית יכול להתבצע בחלקים שאינם נושאי זרם הנופלים לתוך שדה מגנטי לסירוגין חיצוני.

בדרך כלל, במכונות חשמליות, במכשירים ובמתקני מיתוג, מוליכים AC חייבים להיות ממוקמים בסמיכות לחלקים מסוימים של המבנה העשויים מחומרים מגנטיים (פלדה, ברזל יצוק וכו'). חלקים כאלה כוללים אוגני מתכת של ציוד חשמלי ומבנים תומכים של פסים, התקני הפצה, חיזוק של חלקי בטון מזוין הממוקמים ליד האוטובוסים, ואחרים.

בהשפעת שטף מגנטי מתחלף, נוצרים מספר זרמים זורמים באותם חלקים שאינם נושאים זרם זרמי מערבולת ומתרחש היפוך המגנטיזציה שלהם. לפיכך, הפסדי אנרגיה מתרחשים במבני הפלדה שמסביב מזרמי מערבולת וממנו היסטרזיסהומר לחלוטין לחום.

השטף המגנטי המתחלף בחומרים מגנטיים חודר לעומק קטן Z0, הנמדד, כידוע, במילימטרים בודדים.בעניין זה יתרכזו הפסדי מערבול גם בשכבה החיצונית הדקה Z0. באותה שכבה יתרחשו גם הפסדי היסטרזיס.

הפסדים אלו ואחרים ניתנים לחשבון בנפרד או ביחד באמצעות נוסחאות שונות, בעיקר סמי-אמפיריות.