Вам бонус- начислено 1 монета за дневную активность. Сейчас у вас 1 монета

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Лекция



Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про катушка индуктивности, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое катушка индуктивности, индуктивность, классификация индуктивностей, характеристики индуктивности, массив индуктивностей smd , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

катушка индуктивности ( индуктивность ) — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свернутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой емкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается ее значительная инерционность.

Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных(колебательный контур) и частотноизбирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.

Индуктивность является пассивным однопортовым элементом

  • Сопротивление: конститутивное отношение определяется как .Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение
  • Емкость: конститутивное отношение определяется как .Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение
  • Индуктивность: конститутивное отношение определяется как .Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение
  • Memristance(не включен): конститутивное отношение определяется как .Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

где произвольная функция от двух переменных.Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Обозначение на электрических принципиальных схемах (старые и новые обозначение катушек индуктивности)

Онлайн демонстрация и симуляция работы Индуктивность:

Открыть на весь экран Индуктивность

Терминология

При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем.

В силовой электротехнике (для ограничения тока при, например, коротком замыкании ЛЭП) называют реактором.

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой намного превышает диаметр, называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющее механическую работу за счет магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, илиэлектромагнитом. В электромагнитных реле называют обмоткой реле, реже — электромагнитом.

Нагревательный индуктор — специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.

При использовании для накопления энергии называют индукционным накопителем.

Конструкция катушек индуктивностей

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Конструктивно выполняется в виде винтовых, или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто натороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределенной паразитной емкости при использовании в качестве высокочастотного дросселя, однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом, — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную емкость. Часто, опять же, для снижения паразитной емкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.

Для увеличения индуктивности, катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Дроссели подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот, имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники (как правило, ферромагнитные) используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах путем изменения положения сердечника относительно обмотки. Насверхвысоких частотах, когда ферродиэлектрики теряют высокую магнитную проницаемость и резко увеличивают потери, применяются металлические (латунные) сердечники.

На печатных платах электронных устройств так же иногда делают плоские «катушки» индуктивности: геометрия печатного проводника выполняется в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой линии или в виде меандра. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса .

Свойства катушки индуктивности

Свойства катушки индуктивности:

  • Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
  • Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через нее тока.
  • Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своем магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.

Катушка индуктивности в электрической цепи для переменного тока имеет не только собственное омическое сопротивление, но имеет реактивное сопротивлениепеременному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, модуль которого Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение, где Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — индуктивность катушки, Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше ее сопротивление.

Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение. Эта энергия равна:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Векторная диаграмма в видекомплексных амплитуд для идеальной катушки индуктивности в цепи синусоидального напряженияИндуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Катушка индуктивности в переменном напряжении — аналог тела с массой, подверженному механическим колебаниям.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение.

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение.

Для идеальной катушки индуктивности (не имеющей паразитных параметров) ЭДС самоиндукции равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение.

При замыкании катушки с током на резистор ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствие с формулой:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение,

где : Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — ток в катушке,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — начальный ток катушки,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — текущее время,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — постоянная времени.

Постоянная времени выражается формулой:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение,

где : Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — сопротивление резистора,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — омическое сопротивление катушки.

При закорачивании катушки с током процесс характеризуется собственной постоянной времени : Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение катушки:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение.

При стремлении Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение к нулю, постоянная времени стремится к бесконечности, именно поэтому в сверхпроводящих контурах ток течет «вечно».

В цепи синусоидального тока, ток в катушке по фазе отстает от фазы напряжения на ней на π/2.

Явление самоиндукции аналогично проявлению инертности тел в механике, если аналогом индуктивности принять массу, тока — скорость, напряжения — силу, то многие формулы механики и поведения индуктивности в цепи принимают похожий вид:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применениеИндуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение , где

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применениеИндуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применениеИндуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение ; Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применениеИндуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение ; Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применениеИндуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применениеИндуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

Основным параметром катушки индуктивности является ее индуктивность, численно равная отношению создаваемого током потока магнитного поля, пронизывающего катушку к силе протекающего тока. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Индуктивность катушки-соленоида

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение,

где Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — магнитная постоянная,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — относительная магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты),

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — площадь сечения сердечника,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — длина средней линии сердечника,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — число витков.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Схема последовательного соединения катушек индуктивности. Ток через каждую катушку один и тот же.

При последовательном соединении катушек общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединенных катушек:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Электрическая схема параллельного соединения нескольких катушек индуктивности. Напряжение на всех катушках одинаково

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение.

Сопротивление потерь

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых импеданс катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведет к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

где Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — потери в проводах,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — потери в диэлектрике,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — потери в сердечнике,

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение — потери на вихревые токи

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

  • Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.
  • Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие, уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.
  • В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведет к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Потери в диэлектрике

Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:

  • Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери, характерные для диэлектриков конденсаторов).
  • Потери, обусловленные магнитными свойствами диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).

В общем случае можно заметить, что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.

Потери в сердечнике

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание ферромагнетика — на «гистерезис».

Потери на вихревые токи

Переменное магнитное поле индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за омического сопротивления проводников.

Добротность

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Векторная диаграмма потерь и добротности реальной катушки индуктивности. Обозначения: Z — импеданс; Xc — емкостная составляющая импеданса; Xl — индуктивная составляющая импеданса; X — реактивная составляющая импеданса; Ri — активная составляющая импеданса.

Иногда потери в катушке характеризуют тангенсом угла потерь (величина, обратная добротности) — сдвигом фаз тока и напряжения катушки в цепи синусоидального сигнала относительно π/2 — для идеальной катушки.

Практически добротность лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсаль», применением посеребреного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат» для снижения потерь, вызванных скин-эффектом.

Паразитная емкость и собственный резонанс

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Эквивалентная схема и некоторые формулы реальной катушки индуктивности без ферромагнитного сердечника

Межвитковая паразитная емкость проводника в составе катушки индуктивности превращает катушку в сложную распределенную цепь. В первом приближении можно принять, что реальная катушка эквивалентно представляет собой идеальную индуктивность, включенной последовательно с резистором активного сопротивления обмотки с присоединенной параллельно этой цепочкепаразитной емкостью (см. рис). В результате этого катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Эта резонансная частота легко может быть измерена и называется собственной частотой резонанса катушки индуктивности. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки индуктивный, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — емкостный. Обычно собственная частота указывается изготовителем в технических данных промышленных катушек индуктивности, либо в явном виде, либо косвенно — в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Зависимость модуля импеданса и активной составляющей импеданса от частоты для реальной катушки индуктивности

.

На частотах ниже собственного резонанса этот эффект проявляется в падении добротности с ростом частоты.

Для увеличения частоты собственного резонанса используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной обмотки на разнесенные секции.

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

ТКИ — это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.

Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведет к изменению собственной емкости катушки. Очень существенно влияние температуры на магнитную проницаемость ферромагнетика сердечника.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Обозначение катушек индуктивности, дросселей, трансформаторов и магнитных усилителей

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

За основу построения обозначений катушек индуктивности, дросселей, трансформаторов, автотрансформаторов и магнитных усилителей принимают обозначения обмоток, сердечников, корпуса, экрана, знаки регулирования, а также знаки, указывающие виды соединений.

Обмотки обычно изображают в виде окружности (рис. 1.3). Количество полуокружностей и направление выводов не устанавливается. Обозначение сердечников приведено на рис. 1.3, б…д. Ферромагнитный, ферритовый сердечники (магнитопровод) имеют обозначение, изображенное на рис. 1.3, б, ферромагнитный с воздушным зазором (для исключения насыщения сердечника от протекающего по обмотке постоянного тока) – нарис. 1.3, в, магнитодиэлектрический – на рис. 1.3, г; при этом количество штрихов в обозначении не устанавливается. Сердечник, например, из меди, латуни – немагнитного материала обозначается на схемах в соответствии с рис. 1.3, д.

Размеры обозначения катушки индуктивности приведены на рис. 1.3, е. Рассмотрим обозначение на рис. 1.3, ж. В него входят катушки индуктивности с отводами и магнитодиэлектрический сердечник подстраиваемый, т. е. полное обозначение – катушка индуктивности с отводом, подстраиваемая магнитодиэлектрическим сердечником. На рис. 1.3, з показан однофазный трансформатор с неподвижным сердечником. На рис. 1.3, и показан однофазный трансформатор с ферромагнитным сердечником и экраном между обмотками. На рис. 1.3, к приведено обозначение однофазного трансформатора с ферромагнитным сердечником с тремя обмотками. Автотрансформатор однофазный с ферромагнитным сердечником показан на рис. 1.3, л. В широко применяемом на практике в лабораторном автотрансформаторе (ЛАТР) отвод является регулируемым.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Рис. 1.3. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, автотрансформаторы и магнитные усилители

При изображении магнитных усилителей рабочая обмотка имеет обозначение, приведенное на рис. 1.3, м, а управляющая – на рис. 1.3, н, где вертикальная линия обозначает сердечник. Для указания начала обмотки используют точку. На рис. 1.3, о изображен магнитный усилитель с двумя последовательно включенными рабочими обмотками и двумя встречно включенными секциями управляющей обмотки. При большом количестве обмоток на сердечнике и большом количестве сердечников в схеме допускается использовать обозначения рис. 1.3, п, р. На схеме вертикальная линия обозначает сердечник, горизонтальная – линию электрической связи между обмотками, наклонная черта указывает на наличие обмотки на данном сердечнике. Конец наклонной черты, расположенный под линией, условно определяет, что соединение произведено с началом обмотки

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Условные обозначения катушек: а) общее обозначение; б) обозначение начала обмотки точкой; с магнитопроводом (сердечником) в) ферромагнитным, г) с прямоугольной петлей гистерезиса, д) с непрямоугольной петлей гистерезиса, е) немагнитным (указана химическая формула материала), ж) с зазором, з) магнитодиэлектрическим, и) ферритовым; к) с отводами; л) подстраиваемая перемещеним сердечника, м) регулируемая скользящим контактом, н) вариометр; о) дроссель трехфазный; п) дроссель коаксиальный.

Разновидности катушек индуктивности

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Контурные катушки индуктивности, используемые в радиотехнике

Эти катушки используются совместно с конденсаторами для организации резонансных контуров. Они должны иметь высокую термо- и долговременную стабильность, и добротность, требования к паразитной емкости обычно несущественны.

Катушки связи, или трансформаторы связи

Взаимодействующие магнитными полями пара и более катушек обычно включаются параллельно конденсаторам для организации колебательных контуров. Такие катушки применяются для обеспечения трансформаторной связи между отдельными цепями и каскадами, что позволяет разделить по постоянному току, например, цепь базы последующего усилительного каскада от коллектора предыдущего каскада и т. д. К нерезонансным разделительным трансформаторам не предъявляются жесткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи (коэффициент взаимоиндукции).

Вариометры

Это катушки, индуктивностью которых можно управлять (например, для перестройки частоты резонанса колебательных контуров) изменением взаимного расположения двух катушек, соединенных последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая обычно располагается внутри первой и вращается (ротор). Существуют и другие конструкции вариометров. При изменении положения ротора относительно статора изменяется степень взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника относительно обмотки, либо изменением длины воздушного зазора замкнутого магнитопровода.

Дроссели

Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Дроссели включаются последовательно с нагрузкой для ограничения переменного тока в цепи, они часто применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента, а также в качестве балласта для включения разрядных ламп в сеть переменного напряжения. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины или кольца), нанизанные на отдельные провода или группы проводов (кабели) для подавления синфазных высокочастотных помех.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Сдвоенный дроссель

Сдвоенные дроссели

Это две намотанных встречно или согласованно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счет встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. При согласной намотке эффективны для подавления дифференциальных помех. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведенных высокочастотных сигналов из питающей сети, так и во избежание проникновения в питающую сеть электромагнитных помех, генерируемых устройством. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный сердечник (из трансформаторной стали). Для фильтрации высокочастотных помех — сердечник ферритовый.

Токоограничивающий реактор

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Современные сухие токоограничивающие реакторы на плотине Noxon Rapids 230 кВ

Токоограни́чивающий реа́ктор — электрический аппарат, предназначенный для ограничения ударного тока короткого замыкания. Включается последовательно в цепь, ток которой нужно ограничивать, и работает как индуктивное (реактивное) дополнительное сопротивление, уменьшающее ток и поддерживающее напряжение в сети при коротком замыкании, что увеличивает устойчивость генераторов и системы в целом.

Применение реакторов

При коротком замыкании ток в цепи значительно возрастает по сравнению с током нормального режима. В высоковольтных сетях токи короткого замыкания могут достигать таких величин, что подобрать установки, которые смогли бы выдержать электродинамические силы, возникающие вследствие протекания этих токов, не представляется возможным. Для ограничения тока короткого замыкания применяют токоограничивающие реакторы, которые при к.з. также поддерживают на сборных шинах питания достаточно высокое напряжение (за счет большего падения на самом реакторе), что необходимо для нормальной работы других нагрузок.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применениеИндуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Условное обозначение одинарного и сдвоенного реакторов

Устройство и принцип действия

Реактор — это катушка с постоянным индуктивным сопротивлением, включенная в цепь последовательно. В большинстве конструкций токоограничивающие реакторы не имеют ферромагнитных сердечников. В нормальном режиме на реакторе наблюдается падение напряжения порядка 3—4 %, что вполне допустимо. В случае короткого замыкания бо́льшая часть напряжения приходится на реактор. Значение максимального ударного тока короткого замыкания рассчитывается по формуле:

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

где IH — номинальный ток сети, Xp — реактивное сопротивление реактора.

Соответственно, чем выше будет реактивное сопротивление, тем меньше будет значение максимального ударного тока в сети.

Реактивность прямо пропорциональна индуктивному сопротивлению катушки. При больших токах у катушек со стальными сердечниками происходит насыщение сердечника, что резко снижает реактивность, и, как следствие, реактор теряет свои токоограничивающие свойства. По этой причине реакторы выполняют без стальных сердечников, несмотря на то, что при этом, для поддержания такого же значения индуктивности, их приходится делать больших размеров и массы. В случае если в линии электропередач 0,4—110 кВ имеются устройства передачи данных по технологии PLC, то реактор будет гасить эти частоты

Виды реакторов

Токоограничивающие реакторы подразделяются:

  • по месту установки: наружного применения и внутреннего;
  • по напряжению: среднего (3 —35 кВ) и высокого (110 —500 кВ);
  • по конструктивному исполнению на: бетонные, сухие, масляные и броневые;
  • по расположению фаз: вертикальное, горизонтальное и ступенчатое;
  • по исполнению обмоток: одинарные и сдвоенные;
  • по функциональному назначению: фидерные, фидерные групповые и межсекционные.

Бетонные реакторы

Получили распространение на внутренней установке на напряжения сетей до 35 кВ включительно. Бетонный реактор представляет собой концентрически расположенные витки изолированного многожильного провода, залитого в радиально расположенные бетонные колонки. При коротких замыканиях обмотки и детали испытывают значительные механические напряжения, обусловленные электродинамическими усилиями, поэтому при их изготовлении используется бетон с высокой прочностью. Все металлические детали реактора изготавливаются из немагнитных материалов. В случае больших токов применяют искусственное охлаждение.

Фазные катушки реактора располагают так, что при собранном реакторе поля катушек расположены встречно, что необходимо для преодоления продольных динамических усилий при коротком замыкании. Бетонные реакторы могут выполняться как естественно-воздушного так и воздушно-принудительного охлаждения (для больших номинальных мощностей), т.н. "дутье" (добавляется буква "Д" в маркировке).

По состоянию на 2014 г. бетонные реакторы считаются морально устаревшими и вытесняются сухими реакторами.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Трехфазный токоограничивающий реактор в линии 110 кВ, номинальная реактивная мощность 50 Мвар

Масляные реакторы

Применяются в сетях с напряжением выше 35 кВ. Масляный реактор состоит из обмоток медных проводников, изолированных кабельной бумагой, которые укладываются на изоляционные цилиндры и заливаются маслом или иным электротехническим диэлектриком. Жидкость служит одновременно и изолирующей и охлаждающей средой. Для снижения нагрева стенок бака от переменного поля катушек реактора применяют электромагнитные экраны и магнитные шунты.

Электромагнитный экран представляет собой расположенные концентрично относительно обмотки реактора короткозамкнутые медные или алюминиевые витки вокруг стенок бака. Экранирование происходит за счет того, что в этих витках индуцируется электромагнитное поле, направленное встречно и компенсирующее основное поле.

Магнитный шунт — это пакеты листовой стали, расположенные внутри бака около стенок, которые создают искусственный магнитопровод с магнитным сопротивлением, меньшее, чем у стенок бака, что заставляет основной магнитный поток реактора замыкаться по нему, а не через стенки бака.

Для предотвращения взрывов, связанных с перегревом масла в баке, согласно ПУЭ, все реакторы на напряжение 500 кВ и выше должны быть оборудованы газовой защитой.

Сухие реакторы

Сухие реакторы относятся к новому направлению в конструировании токоограничивающих реакторов и применяются в сетях с номинальным напряжением до 220 кВ. В одном из вариантов конструкции сухого реактора обмотки выполняются в виде кабелей (обычно прямоугольного сечения для уменьшения габаритов, повышения механической прочности и срока службы) с кремнийорганической изоляцией, намотанных на диэлектрический каркас. В другой конструкции реакторов провод обмотки изолируется полиамидной пленкой, а затем двумя слоями стеклянных нитей с проклейкой и пропиткой их кремнеорганическим лаком и последующим запеканием, что соответствует классу нагревостойкости Н (рабочая температура до 180 °С); прессовка и стяжка бандажами обмоток делает их устойчивыми к механическим напряжениям при ударном токе.

Броневые реакторы

Несмотря на тенденцию изготавливать токоограничивающие реакторы без ферромагнитного магнитопровода (вследствие опасности насыщения магнитной системы при токе к.з. и как следствие-резким падением токоограничивающих свойств) предприятия изготавливают реакторы с сердечниками броневой конструкции из электротехнической стали. Преимуществом данного типа токоограничивающих реакторов является меньшие массо-габаритные показатели и стоимость (за счет уменьшения в конструкции доли цветных металлов). Недостаток: возможность потери токоограничивающих свойств при ударных токах, больших номинального для данного реактора, что в свою очередь требует тщательного расчета токов к.з. в сети и выбора броневого реактора таким образом, чтобы в любом режиме сети ударный ток к.з. не превышал номинального.

Сдвоенные реакторы

Сдвоенные реакторы применяются для уменьшения падения напряжения в нормальном режиме, для чего каждая фаза состоит из двух обмоток с сильной магнитной связью, включаемых встречно, к каждой из которых подключается примерно одинаковая нагрузка, в результате чего индуктивность уменьшается (зависит от остаточного разностного магнитного поля). При к.з. в цепи одной из обмоток поле резко возрастает, индуктивность увеличивается и происходит процесс токоограничения.

Межсекционные и фидерные реакторы

Межсекционные реакторы включаются между секциями для ограничения токов и поддержания напряжения в одной из секций, при к.з. в другой секции. Фидерные и фидерные групповые устанавливаются на отходящих фидерах (групповые являются общими для несколько фидеров).

1. Катушки с воздушным сердечником

Это простейший тип катушек, где витки провода намотаны на неферромагнитный материал или просто на воздух. Такие катушки используются там, где требуется минимальная индуктивность или низкий уровень потерь при высоких частотах.

  • Применение: Радиочастотные цепи, антенны, ВЧ-фильтры.
  • Плюсы: Низкие потери на гистерезис и отсутствие магнитного насыщения.
  • Минусы: Меньшая индуктивность на виток по сравнению с катушками на ферритовых сердечниках.

2. Катушки с ферритовым сердечником

Ферритовые сердечники усиливают магнитное поле внутри катушки, что увеличивает ее индуктивность. Ферриты часто используются в диапазонах частот от низких до высоких, так как они имеют низкие потери на перемагничивание на высоких частотах.

  • Применение: Силовые фильтры, трансформаторы, дроссели, импульсные источники питания.
  • Плюсы: Высокая индуктивность при малых размерах, низкие потери.
  • Минусы: Ограниченная работа на высоких частотах из-за потерь в сердечнике.

3. Катушки с железным сердечником (сталь, железо)

Железные сердечники используются в катушках для увеличения индуктивности в низкочастотных цепях и мощных приложениях. Они могут создавать большие магнитные поля, но страдают от потерь на гистерезис и вихревые токи.

  • Применение: Трансформаторы, дроссели в цепях с высокой мощностью, аудиотрансформаторы.
  • Плюсы: Высокая индуктивность и способность выдерживать высокие токи.
  • Минусы: Потери на вихревые токи и гистерезис, ограничения по частоте.

4. Тороидальные катушки

Тороидальная форма катушки обеспечивает компактное и эффективное распределение магнитного поля, что уменьшает электромагнитные помехи. Такие катушки наматываются на сердечник в форме тора, который может быть из феррита или железа.

  • Применение: Фильтры электропитания, трансформаторы, индукторы.
  • Плюсы: Минимальные потери на утечки магнитного поля, высокая эффективность.
  • Минусы: Более сложное производство по сравнению с обычными катушками.

5. Дроссели

Дроссели — это катушки индуктивности, используемые для подавления высокочастотных помех в цепях. Существует несколько типов дросселей: силовые, высокочастотные, линейные и т.д.

  • Применение: Блоки питания, фильтрация помех.
  • Плюсы: Высокая способность подавления помех, защита цепей.
  • Минусы: Может возникнуть тепловыделение при работе с большими токами.

6. Силовые катушки (индукторы)

Используются в схемах с большими токами и высокими напряжениями, например, в источниках питания и преобразователях. Чаще всего они содержат ферритовый или железный сердечник.

  • Применение: Преобразователи напряжения, импульсные источники питания.
  • Плюсы: Высокая индуктивность, способность выдерживать большие токи.
  • Минусы: Размеры и вес могут быть значительными при увеличении мощности.

7. Мультисекционные катушки

В таких катушках витки делятся на несколько секций, что помогает уменьшить паразитную емкость и повысить рабочие частоты.

  • Применение: Высокочастотные схемы, радиочастотные приложения.
  • Плюсы: Улучшенная работа на высоких частотах.
  • Минусы: Более сложное производство и настройка.

8. Сверхпроводящие катушки

Катушки из сверхпроводящих материалов, которые при охлаждении до сверхнизких температур практически не имеют электрического сопротивления, что позволяет достигать очень больших токов и мощностей.

  • Применение: МРТ (магнитно-резонансная томография), системы энергосбережения.
  • Плюсы: Очень высокая эффективность, отсутствие потерь.
  • Минусы: Требуют специальных условий (сверхнизкие температуры).

9. Катушки с подвижным сердечником В таких катушках индуктивность изменяется за счет перемещения магнитного сердечника (например, ферритового) вдоль катушки. При изменении положения сердечника меняется плотность магнитного поля, что и изменяет индуктивность.

  • Принцип работы: Чем больше сердечник входит в катушку, тем больше индуктивность, так как увеличивается концентрация магнитного потока.
  • Применение: Настройка резонансных частот в радиоприемниках, генераторах и ВЧ-фильтрах.
  • Плюсы: Простая конструкция, плавная регулировка индуктивности.
  • Минусы: Ограниченный диапазон индуктивности, механическая подвижность может вызывать износ.

10. Катушки с изменяемым количеством витков Здесь индуктивность регулируется переключением между витками катушки. Обычно используется коммутатор или переключатель, который выбирает нужное количество витков, включенных в цепь.

  • Принцип работы: Большее количество витков — большая индуктивность.
  • Применение: Радиочастотные цепи, трансформаторы с переключаемыми обмотками.
  • Плюсы: Широкий диапазон изменения индуктивности.
  • Минусы: Переключение может происходить ступенчато, а не плавно.

10. Варикапные катушки Этот тип катушек используется в сочетании с варикапами (переменными конденсаторами), где индуктивность катушки комбинируется с емкостью, а изменение емкости варикапа через управляющее напряжение позволяет изменять эффективную индуктивность системы.

  • Принцип работы: Управляющее напряжение изменяет емкость варикапа, что влияет на общую резонансную частоту цепи.
  • Применение: ВЧ-генераторы, настройка частоты.
  • Плюсы: Бесконтактная регулировка, возможность использования в автоматизированных системах.
  • Минусы: Варьируется индуктивность опосредованно, через изменение других компонентов цепи.

11. Феррорезонансные катушки Эти катушки используют ферромагнитные материалы, которые обладают нелинейными магнитными свойствами. Регулируя магнитное поле (например, через дополнительную обмотку или управляющее напряжение), можно изменять индуктивность катушки.

  • Принцип работы: Изменяя степень насыщения ферромагнитного сердечника, можно управлять индуктивностью.
  • Применение: Регулируемые трансформаторы, устройства стабилизации.
  • Плюсы: Высокая стабильность, возможность регулировки в зависимости от входных параметров.
  • Минусы: Сложность конструкции, зависимость от температуры.

12. массив-сборка катушек индуктивностей SMD

Массив катушек индуктивности представляет собой группу катушек, соединенных вместе для достижения определенных электрических характеристик. Основные элементы конструкции включают:

  1. Катушки: Каждая катушка состоит из проводника, намотанного на сердечник или без него. Проводник может быть изолированным, чтобы предотвратить короткие замыкания.
  2. Сердечники: Используются для увеличения индуктивности. Материалы сердечников могут быть ферромагнитными, такими как феррит или пермаллой.
  3. Каркас: Может быть цилиндрическим, тороидальным или прямоугольным, изготовленным из диэлектрического материала.
  4. Соединения: Катушки могут быть соединены последовательно или параллельно, в зависимости от требуемых характеристик.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Применение катушек индуктивности

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Балластный дроссель. Конструкция, применяющаяся в качестве реактивного сопротивления для разрядных ламп на частоте 50 — 60 Гц. В связи с заметной зависимостью сопротивления дросселя от режима работы и от частотного спектра тока сопротивление дросселя определяется как отношение напряжения к току при замкнутой лампе и токе через дроссель, равный рабочему току лампы. В электронном пуско-регулирующем аппарате для люминесцентной лампы, работающем на частоте 20 — 50 кГц, дроссель изготавливается на ферритовом сердечнике и имеет существенно меньшие размеры.

  • Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.
  • Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.
  • Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.
  • Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.
  • Катушки используются также в качестве электромагнитов — исполнительных механизмов.
  • Катушки применяются в качестве источника энергии для нагрева индуктивно-связанной плазмы, а также ее диагностики.
  • Для радиосвязи — приема электромагнитных волн, редко — для излучения:
    • Ферритовая антенна
    • Рамочная антенна, кольцевая антенна
    • DDRR
    • Индукционная петля
  • Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
  • Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки.
  • Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля в индукционных магнитометрах
  • Для создания магнитных полей в ускорителях элементарных частиц, магнитного удержания плазмы, в научных экспериментах, в ядерно-магнитной томографии. Мощные стационарные магнитные поля, как правило, создаются сверхпроводящими катушками.
  • Для накопления энергии.

Применение катушки индуктивности на Arduino

Принцип работы: колебательный контур, частота которого зависит от индуктивности катушки. Arduino следит за изменениями частоты/ Статический режим: по нажатию на кнопку запоминается текущая частота, пищит когда есть отклонение. Динамический режим: частота постоянно стремится к текущей, реагирует только на резкое появление металла.

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Принципиальная схема металлодетектора

Индуктивность . Катушка индуктивности - виды, характеристики, применение

Внешний вид плоской катушки

Программа

https://github.com/AlexGyver/MetallDetector-Arduino


 

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

Пожалуйста, пиши комментарии, если ты обнаружил что-то неправильное или если ты желаешь поделиться дополнительной информацией про катушка индуктивности Надеюсь, что теперь ты понял что такое катушка индуктивности, индуктивность, классификация индуктивностей, характеристики индуктивности, массив индуктивностей smd и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

создано: 2014-09-13
обновлено: 2024-11-14
1004



Рейтиг 9 of 10. count vote: 2
Вы довольны ?:


Поделиться:

Найди готовое или заработай

С нашими удобными сервисами без комиссии*

Как это работает? | Узнать цену?

Найти исполнителя
$0 / весь год.
  • У вас есть задание, но нет времени его делать
  • Вы хотите найти профессионала для выплнения задания
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • Приорететная поддержка
  • идеально подходит для студентов, у которых нет времени для решения заданий
Готовое решение
$0 / весь год.
  • Вы можите продать(исполнителем) или купить(заказчиком) готовое решение
  • Вам предоставят готовое решение
  • Будет предоставлено в минимальные сроки т.к. задание уже готовое
  • Вы получите базовую гарантию 8 дней
  • Вы можете заработать на материалах
  • подходит как для студентов так и для преподавателей
Я исполнитель
$0 / весь год.
  • Вы профессионал своего дела
  • У вас есть опыт и желание зарабатывать
  • Вы хотите помочь в решении задач или написании работ
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • подходит для опытных студентов так и для преподавателей

Комментарии


Оставить комментарий
Если у вас есть какое-либо предложение, идея, благодарность или комментарий, не стесняйтесь писать. Мы очень ценим отзывы и рады услышать ваше мнение.
To reply

Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база