Дроссельная катушка

д

ДРОССЕЛЬНАЯ КАТУШКА (реактивная катушка), устройство, применяемое в цепях переменного тока для получения добавочного падения напряжения. Дроссельная катушка представляет собою катушку самоиндукции с железным магнитопроводом или без него, в зависимости от назначения. На фиг. 1 схематически представлено устройство дроссельной катушки. Железный магнитопровод М делается набранным из листового железа толщиной в 0,5 мм, для уменьшения потерь в железе.

Устройство дроссельной катушки

Приблизительно 0,1 часть объема железа уходит на бумажную изоляцию между листами. К, К - две катушки из изолированной медной проволоки, соединенные последовательно. Сечение Q (см2) железного сердечника определяется из выражения:

Сечение железного сердечника

или

Сечение железного сердечника

где Е2 - напряжение на зажимах дроссельной катушки, f - число периодов переменного тока, w - выбранное число витков, В - магнитная индукция, которая берется, в зависимости от сорта железа и назначения дроссельной катушки, в пределах от 5000 до 10000 индукционных линий, L - коэффициент самоиндукции дроссельной катушки, δ' - приведенная длина воздушного зазора, равная 2δ+(l/μ) (I – длина пути силовых линий в железе, μ - коэффициент магнитной проницаемости). Сечение q витков катушек определяется плотностью тока, которая обычно берется = 1,5—2,5 А/мм2. Чтобы при изменении силы тока или напряжения на зажимах дроссельной катушки коэффициент самоиндукции ее оставался практически постоянным, воздушный зазор 2δ выбирают равным 2, 3 и даже 5 мм.

Дроссельная катушка имеет самое разнообразное применение в электротехнике. Пусть, например, требуется понизить напряжение на электродах дугового фонаря, присоединенного к сети переменного тока. Это можно осуществить при помощи дроссельной катушки, включенной по схеме фиг. 2.

Схема с дроссельной катушкой

Одновременно с этим уменьшается колебание силы тока, вызывающее неспокойное горение дуги. Понижение напряжения происходит без большой потери энергии, в противоположность тому случаю, когда для той же цели применяется омическое сопротивление (реостат). На фиг. 3 представлена векторная диаграмма включения дроссельной катушки по схеме фиг. 2.

Векторная диаграмма включения дроссельной катушки

Вектор силы тока I совпадает по фазе с напряжением E1 действующим на зажимах лампы, и отстает на угол φ2 от Е2 - падения напряжения в дроссельной катушке. Угол φ2 был бы точно равен 90°, если бы не было потерь в железе и меди дроссельной катушки, которые в сумме составляют обыкновенно около 10% от произведения Е2·I. Эти суммарные потери в дроссельной катушке получаются наименьшими тогда, когда у нее выбрано такое число витков и их сечение, что, при тех же силе тока и падении напряжения Е2 в дроссельной катушке, потери в железе получаются равными потерям в меди. В настоящее время, однако, избегают применять дроссельные катушки для дуговых фонарей, а ставят вместо них трансформаторы или делители напряжения, т. к. в последнем случае понижается сила тока, идущего из сети, благодаря меньшему сдвигу фаз. При освещении длинных каналов и шоссе выгоднее применять последовательное соединение источников света, т. к. сечение проводов получается меньше, чем при параллельном соединении. В этом случае параллельно к каждой лампе присоединяют дроссельную катушку (фиг. 4).

К каждой лампе присоединяют дроссельную катушку

Этим можно достигнуть того, что при перегорании 40% общего числа ламп в остальных сила тока уменьшится всего на 10%.

Дроссельные катушки употребляются также для регулирования напряжения одноякорных преобразователей со стороны постоянного тока. В том случае, когда два трансформатора имеют не совсем одинаковые коэффициенты трансформации или неравные падения напряжения, при нагрузке включают около этих трансформаторов дроссельную катушку, чем достигается удовлетворительность их параллельной работы.

Очень важное применение дроссельных катушек относится к области защиты мощных электротехнических установок от действия чрезмерных токов и перенапряжений. Употребляемые в первом случае дроссельные катушки носят название реакторов и служат для ограничения тока при коротком замыкании, случившемся в каком-нибудь пункте сети. Реакторами защищают обычно слабые ответвления, которые рассчитаны на сравнительно небольшую рабочую силу тока и поэтому не могут выдерживать громадных токов короткого замыкания, достигающих 200-кратного и больших значений. Наиболее распространенная величина падения напряжения в реакторах при прохождении рабочей силы тока - 5% от рабочего напряжения. Таким значением удается ограничить силу ударного тока короткого замыкания до 30-кратного рабочего тока, что для многих случаев является достаточным. Выше идти не следует, т. к. возрастающее падение напряжения при нагрузке невыгодно отражается на приемниках энергии. Поэтому реакторы обыкновенно делают без железного сердечника; расчет их ведется на основании следующих выражений:

Drosselnaya katushka 7

где λ колеблется от 4 до 6 в зависимости от отношения высоты реактора к его внешнему диаметру D.

При защите от перенапряжений дроссельные катушки служат для сглаживания крутого фронта набегающей волны напряжения, который очень вредно действует на изоляцию обмоток трансформаторов, машин и аппаратов, находящихся на пути этой волны. Действительно, если, например, трансформатор имеет 3000 витков и находится под рабочим напряжением, амплитудное значение которого 30000 V, то понятно, что напряжение между двумя соседними витками не превзойдет значения 10 V. Последнее и имеют в виду при устройстве изоляции между витками. Однако такое положение резко меняется в случае набегания волны напряжения. Как видно из фиг. 5, в то время как первый виток находится уже под напряжением, до второго волна еще не дошла.

Drosselnaya katushka 8

Т. о., между этими первыми витками в момент вхождения волны может образоваться полное напряжение (в нашем случае - 30000 V). В действительности влияют емкости между витками и между витками и корпусом, вследствие чего указанное выше напряжение понижается, однако не настолько, чтобы быть безопасным.

Дроссельная катушка, находящаяся на пути волны напряжения, сглаживает ее фронт. Это объясняется тем, что подходящая волна с напряжением Е и с силой тока i = E/w1, (w1 - волновое сопротивление линии передачи, равное √(L/C), где L и С - коэффициент самоиндукции и емкость 1 км линии) разбивается у входа в дроссельную катушку на две части: на отраженную с силой тока i'0 и на проходящую с силой тока i2=i0— i'0 (фиг. 6).

Drosselnaya katushka 9

Одновременно с этим у входа в дроссельную катушку образуется напряжение

Drosselnaya katushka 10

Это напряжение д. б. равно напряжению самоиндукции, развивающемуся в дроссельной катушке при прохождении по ней тока. Т. о.,

Drosselnaya katushka 11

откуда

Drosselnaya katushka 12

т. е. нарастание тока i2, проходящего за дроссельной катушкой, происходит постепенно, по закону экспоненциальной кривой. Если учесть волновое сопротивление обмотки трансформатора, то уравнение представится в следующем виде:

Drosselnaya katushka 13

Ниже приводится таблица коэффициентов самоиндукции дроссельной катушки в mН, в зависимости от мощности и напряжения.

Таблица коэффициентов самоиндукции дроссельной катушки в зависимости от мощности и напряжения

Наиболее употребительные типы дроссельных катушек - соленоидальный и дисковой. Расчет подобных катушек м. б. произведен по следующей формуле Эмде:

Формула Эмде

где w - число витков, D - внешний диаметр дроссельной катушки, у - коэффициент, зависящий от отношения диаметра дроссельной катушки к ее длине.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 7 - 1929 г.