Elementy indukcyjne. Konstrukcja i właściwości

Transkrypt

1 Elementy indukcyjne Konstrukcja i właściwości Zbigniew Usarek, 2018 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Elementy indukcyjne Induktor nazwa niekiedy stosowana w znaczeniu ogólnym Cewka - to pewna liczba zwojów druru najczęściej nawinięta na jakimś korpusie z rdzeniem (magnetowodem) lub bez rdzenia Dławik to cewka, której rolą w obwodzie jest... gromadzenie energii w postaci pola magnetycznego; lub... wykazywanie się odpowiednią (zwykle dużą) impedancją dla prądu zmiennnego o pewnej częstotliwości (zakresie częstotliwości) Cewki bywają elementami obwodów rezonansowych... oraz filtrów. Transformator to układ dwóch lub większej liczby cewek sprzężonych magnetycznie.

3 Model induktora rzeczywisttego L indukcyjność (induktora idealnego) RS rezystancja szeregowa Rezystancja drutu cewki + inne straty energii CL Pojemność własna cewki Uzwojenia i wyprowadzeń

4 Parametry induktora Indukcyjność znamionowa Tolerancja indukcyjności znamionowej Temperaturowy współczynnik indukcyjności TWI = 1/L * ΔL/ΔT Dopuszczalna moc strat Dopuszczalne prądy (stały i zmienny) Rezystancja szeregowa lub... Dobroć Określa zdolność gromadzenia energii Q = ω L / RS Niekiedy: tangens kąta strat: tg δ = 1/Q

5 Rodzaje induktorów Induktory są produkowane w olbrzymiej liczbie odmian. Często konstruowane są specjalnie do konkretnych urządzeń. Ujednolicona jest jedynie produkcja elementów najprostszych i najbardziej pospolitych. Można wyróżnić dwie zasadnicze grupy: Induktory powietrzne (bez rdzenia) Induktory z rdzeniem (magnetowodem)

6 Induktory powietrzne Nie posiadają rdzenia magnetycznego (magnetowodu) Charakteryzują się: Dużą stałością indukcyjności Dużymi rozmiarami (przy danej indukcyjności) Dużym polem rozproszenia Bywają nawijane w rozmaity sposób, w zależności od pożądanych cech

7 Induktory rdzeniowe Są zbudowane na ferromagnetycznym rdzeniu Charakteryzują się: Większą indukcyjnością niż powietrzne o danych rozmiarach Zwykle większą dobrocią Mniejszym polem rozproszenia Gorszą liniowością Decydujący wpływ na właściwości induktorów ma materiał rdzenia i jego kształt.

8 Induktory na rdzeniach z blach ferromagnetycznych Stosowane są przy niskich częstotliwościach, a stosunkowo dużych indukcyjnościach i mocach. Rdzenie bywają składane z odpowiednio wyciętych kształtek lub zwijane z taśm. Stosuje się zarówno stal, jak i rozmaite stopy ferromagnetyczne.

9 Induktory na rdzeniach proszkowych Rdzenie prasowane z izolowanych ziaren proszków ferromagnetycznych mają nieco mniejsze straty niż rdzenie z blach i łatwiej formować z nich różne kształty. Są stosowane na rdzenie induktorów w układach małej częstotliwości i impulsowych (zwłaszcza w zasilaczach).

10 Induktory na rdzeniach ferrytowych Ferryty to słabo przewodzące prąd tlenkowe materiały spiekane o właściwościach ferromagnetycznych (ściślej najczęściej są ferrimagnetykami). Są powszechnie stosowane na rdzenie induktorów w zakresie od małych do bardzo dużych częstotliwości (mikrofal). Produkowane są rdzenie o bardzo rozmaitych kształtach.

11 Induktory na rdzeniach ferrytowych Przy obliczaniu indukcyjności induktorów ferrytowych pomicna jest podawana dla wielu rdzeni stała indukcyjności rdzenia A L, będąca indukcyjnością jednego zwoju nawiniętego w oknie rdzenia. Indukcyjność całej cewki o z zwojach możemy policzyć jako L = A L * z 2. Projektując induktory (zresztą nie tylko na rdzeniach ferrytowych) należy utrzymywać indukcję pola magnetycznego na dopuszczalnym poziomie (poniżej nasycenia). Wraz wymaganą indukcyjnością oraz dopuszczalną mocą strat determinuje to rozmiary rdzenia.

12 Transformatory Transformator służy do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji elektromagnetycznej z jednego obwodu elektrycznego do drugiego. Oba obwody mogą być odseparowane galwanicznie - co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana jest jedynie przez pole magnetyczne. Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (zwanych uzwojeniami) często nawiniętych na wspólny rdzeń. Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego, powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego, pole to przenika przez pozostałe cewki (zwane uzwojeniami wtórnymi) i w wyniku indukcji powstanie w nich zmiennej siły elektromotorycznej. Rozmaitość konstrukcji transformatorów jest równie obfita jak induktorów z pojedynczym uzwojeniem.

13 Przykłady transformatorów transformator Tesli Transformator Tesli pracuje przy częstotliwości kilkudziesięciu (rzadziej kilkuset) khz i charakteryzuje się bardzo dużą przekładnią.

14 Przykłady transformatorów transformatory sieciowe Służą do zasilania urządzeń z sieci energetycznej dopasowują napięcie i zapewniają izolację galwaniczną urządzeń od sieci występują w sporej liczbie odmian i rozmiarów. Pracują przy częstotliwości 50 Hz.

15 Przykłady transformatorów transformator energetyczny nadprzewodnikowy Wymaga odpowiedniego schłodzenia.