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Indutância mútua e operação básica

Comportamentos de indutores envolvidos em um núcleo condutor


Suponha que envolvamos uma bobina de fio isolado em torno de um loop de material ferromagnético e energizemos essa bobina com uma fonte de tensão CA:(Figura abaixo (a))




O enrolamento isolado no circuito ferromagnético tem reatância indutiva, limitando a corrente CA



Como um indutor, esperaríamos que esta bobina de núcleo de ferro se opusesse à tensão aplicada com sua reatância indutiva, limitando a corrente através da bobina, conforme previsto pelas equações:



X L =2πfL e I =E / X (ou I =E / Z)



Para os fins deste exemplo, no entanto, precisamos dar uma olhada mais detalhada nas interações de voltagem, corrente e fluxo magnético no dispositivo.

A lei de tensão de Kirchhoff descreve como a soma algébrica de todas as tensões em um loop deve ser igual a zero. Neste exemplo, poderíamos aplicar esta lei fundamental da eletricidade para descrever as respectivas tensões da fonte e da bobina indutora.

Aqui, como em qualquer circuito de uma fonte e uma carga, a queda de tensão na carga deve ser igual à tensão fornecida pela fonte, assumindo que a tensão zero caiu junto com a resistência de quaisquer fios de conexão.

Em outras palavras, a carga (bobina indutora) deve produzir uma tensão oposta de magnitude igual à da fonte, a fim de que possa se equilibrar com a tensão da fonte e produzir uma soma de tensão de loop algébrica igual a zero.

De onde surge essa tensão oposta? Se a carga fosse um resistor (figura acima (b)), a queda de tensão se origina da perda de energia elétrica, o “atrito” dos portadores de carga fluindo através da resistência.

Com um indutor perfeito (sem resistência no fio da bobina), a tensão oposta vem de outro mecanismo:a reação a um fluxo magnético variável no núcleo de ferro. Quando a corrente CA muda, o fluxo Φ muda. Mudar o fluxo induz um EMF contador.

Relação entre tensão, corrente e fluxo magnético


Michael Faraday descobriu a relação matemática entre o fluxo magnético (Φ) e a tensão induzida com esta equação:







A tensão instantânea (tensão caiu a qualquer instante no tempo) através de uma bobina de fio é igual ao número de voltas dessa bobina em torno do núcleo (N) multiplicado pela taxa instantânea de mudança no fluxo magnético (dΦ / dt) ligando com a bobina.

Representado graficamente (figura abaixo), isso se mostra como um conjunto de ondas senoidais (assumindo uma fonte de tensão senoidal), a onda de fluxo 90 ° atrasada em relação à onda de tensão:




Fluxo magnético, como corrente, retarda a tensão aplicada em 90 °



É por isso que a corrente alternada através de um indutor atrasa a forma de onda da tensão aplicada em 90 °:porque é isso que é necessário para produzir um fluxo magnético variável cuja taxa de mudança produz uma tensão oposta em fase com a tensão aplicada.

Devido à sua função de fornecer uma força de magnetização (mmf) para o núcleo, esta corrente é às vezes chamada de corrente de magnetização .

Deve ser mencionado que a corrente através de um indutor com núcleo de ferro não é perfeitamente senoidal (em forma de onda senoidal), devido à curva de magnetização B / H não linear do ferro.

Na verdade, se o indutor for construído de forma barata, usando o mínimo de ferro possível, a densidade do fluxo magnético pode atingir níveis elevados (próximos da saturação), resultando em uma forma de onda de corrente de magnetização que se parece com a figura abaixo:




Conforme a densidade do fluxo se aproxima da saturação, a forma de onda da corrente de magnetização fica distorcida



Quando um material ferromagnético se aproxima da saturação do fluxo magnético, níveis desproporcionalmente maiores de força do campo magnético (mmf) são necessários para fornecer aumentos iguais no fluxo do campo magnético (Φ).

Como mmf é proporcional à corrente através da bobina de magnetização (mmf =NI, onde "N" é o número de voltas do fio na bobina e "I" é a corrente através dela), os grandes aumentos de mmf necessários para fornecer o necessário aumentos no fluxo resultam em grandes aumentos na corrente da bobina.

Assim, a corrente da bobina aumenta dramaticamente nos picos, a fim de manter uma forma de onda de fluxo que não seja distorcida, levando em consideração os semiciclos em forma de sino da forma de onda atual no gráfico acima.

Corrente emocionante e seus efeitos


A situação é ainda mais complicada pelas perdas de energia dentro do núcleo de ferro. Os efeitos da histerese e das correntes parasitas conspiram para distorcer e complicar ainda mais a forma de onda da corrente, tornando-a ainda menos senoidal e alterando sua fase para ficar um pouco menos de 90 ° em relação à forma de onda de tensão aplicada.

Esta corrente da bobina resultante da soma total de todos os efeitos magnéticos no núcleo (magnetização dΦ / dt mais perdas por histerese, perdas por correntes parasitas, etc.) é chamada de corrente de excitação .

A distorção da corrente de excitação de um indutor com núcleo de ferro pode ser minimizada se ele for projetado e operado em densidades de fluxo muito baixas. De modo geral, isso requer um núcleo com uma grande área de seção transversal, o que tende a tornar o indutor volumoso e caro.

Por uma questão de simplicidade, no entanto, vamos assumir que nosso núcleo de exemplo está longe da saturação e livre de todas as perdas, resultando em uma corrente de excitação perfeitamente senoidal.

Como já vimos no capítulo sobre indutores, ter uma forma de onda de corrente 90 ° fora de fase com a forma de onda de tensão cria uma condição em que a energia é absorvida alternadamente e devolvida ao circuito pelo indutor.

Se o indutor for perfeito (sem resistência do fio, sem perdas do núcleo magnético, etc.), ele dissipará a energia zero.

Vamos agora considerar o mesmo dispositivo indutor, exceto desta vez com uma segunda bobina (Figura abaixo) enrolada no mesmo núcleo de ferro. A primeira bobina será rotulada como primária bobina, enquanto a segunda será rotulada como secundária :




Núcleo ferromagnético com bobina primária (acionada por CA) e bobina secundária.


Indução mútua


Se esta bobina secundária experimenta a mesma mudança de fluxo magnético que a primária (o que deveria, assumindo a contenção perfeita do fluxo magnético através do núcleo comum), e tem o mesmo número de voltas ao redor do núcleo, uma tensão de igual magnitude e fase para a tensão aplicada será induzida ao longo de seu comprimento.

No gráfico a seguir, (Figura abaixo), a forma de onda de tensão induzida é desenhada ligeiramente menor do que a forma de onda de tensão de origem simplesmente para distinguir uma da outra:




O secundário em circuito aberto vê o mesmo fluxo Φ que o primário. Portanto, tensão secundária induzida e s tem a mesma magnitude e fase que a tensão primária e p .



Este efeito é chamado de indutância mútua :a indução de uma tensão em uma bobina em resposta a uma mudança na corrente na outra bobina. Como a indutância normal (auto-), é medida na unidade de Henry, mas ao contrário da indutância normal, é simbolizada pela letra maiúscula "M" em vez da letra "L":





Não haverá corrente na bobina secundária, pois ela está em circuito aberto. No entanto, se conectarmos um resistor de carga a ele, uma corrente alternada passará pela bobina, em fase com a tensão induzida (porque a tensão em um resistor e a corrente através dele são sempre em fase entre si). (Figura abaixo)




A carga resistiva no secundário tem tensão e corrente em fase.



A princípio, pode-se esperar que a corrente da bobina secundária cause um fluxo magnético adicional no núcleo. na verdade, não. Se mais fluxo fosse induzido no núcleo, faria com que mais tensão fosse induzida tensão na bobina primária (lembre-se de que e =dΦ / dt).

Isso não pode acontecer, porque a tensão induzida da bobina primária deve permanecer na mesma magnitude e fase, a fim de equilibrar com a tensão aplicada, de acordo com a lei de tensão de Kirchhoff. Consequentemente, o fluxo magnético no núcleo não pode ser afetado pela corrente da bobina secundária.

No entanto, o que faz mudança é a quantidade de mmf no circuito magnético.

Força magnetomotriz


A força magnetomotriz é produzida sempre que a corrente flui através de um fio. Normalmente, este mmf é acompanhado por fluxo magnético, de acordo com a equação mmf =ΦR "Lei de Ohm magnético".

Neste caso, porém, fluxo adicional não é permitido, então a única maneira de o mmf da bobina secundária pode existir é se um mmf de contra-ataque for gerado pela bobina primária, de igual magnitude e fase oposta.

Na verdade, é isso o que acontece, uma corrente alternada se formando na bobina primária - 180 ° fora de fase com a corrente da bobina secundária - para gerar este mmf de neutralização e evitar fluxo de núcleo adicional.

Marcas de polaridade e setas de direção da corrente foram adicionadas à ilustração para esclarecer as relações de fase:(Figura abaixo)




O fluxo permanece constante com a aplicação de uma carga. No entanto, um mmf de neutralização é produzido pelo secundário carregado.



Se você achar este processo um pouco confuso, não se preocupe. A dinâmica do transformador é um assunto complexo. O que é importante entender é o seguinte:quando uma tensão CA é aplicada à bobina primária, ela cria um fluxo magnético no núcleo, que induz uma tensão CA na bobina secundária em fase com a tensão da fonte.

Qualquer corrente consumida através da bobina secundária para alimentar uma carga induz uma corrente correspondente na bobina primária, extraindo corrente da fonte.

Indutância mútua e transformadores


Observe como a bobina primária está se comportando como uma carga em relação à fonte de tensão CA e como a bobina secundária está se comportando como uma fonte em relação ao resistor.

Em vez de a energia ser meramente absorvida e devolvida alternadamente ao circuito da bobina primária, a energia agora está sendo acoplada para a bobina secundária, onde é entregue a uma carga dissipativa (que consome energia). Tanto quanto a fonte “sabe”, ela está alimentando diretamente o resistor.

Claro, há também uma corrente de bobina primária adicional atrasada em relação à tensão aplicada em 90 °, apenas o suficiente para magnetizar o núcleo para criar a tensão necessária para equilibrar contra a fonte (a corrente de excitação )

Chamamos esse tipo de dispositivo de transformador , porque ele transforma energia elétrica em energia magnética e, em seguida, de volta em energia elétrica. Como sua operação depende da indução eletromagnética entre duas bobinas estacionárias e um fluxo magnético de magnitude e “polaridade” variáveis, os transformadores são necessariamente dispositivos CA.

Seu símbolo esquemático se parece com dois indutores (bobinas) compartilhando o mesmo núcleo magnético:(Figura abaixo)




O símbolo esquemático de um transformador consiste em dois símbolos indutores, separados por linhas indicando um núcleo ferromagnético.



As duas bobinas indutoras são facilmente distinguidas no símbolo acima. O par de linhas verticais representa um núcleo de ferro comum a ambos os indutores. Embora muitos transformadores tenham materiais de núcleo ferromagnético, alguns não têm, seus indutores constituintes sendo magneticamente ligados entre si pelo ar.

A fotografia a seguir mostra um transformador de potência do tipo usado em iluminação de descarga de gás. Aqui, as duas bobinas indutoras podem ser vistas claramente, enroladas em torno de um núcleo de ferro. Enquanto a maioria dos projetos de transformadores envolvem as bobinas e o núcleo em uma estrutura de metal para proteção, este transformador em particular é aberto para visualização e, portanto, atende bem a sua finalidade ilustrativa (Figura abaixo):




Exemplo de um transformador de iluminação de descarga de gás.


Enrolamentos primários e secundários


Ambas as bobinas de fio podem ser vistas aqui com isolamento de verniz cor de cobre. A bobina superior é maior que a bobina inferior, possuindo um maior número de “voltas” ao redor do núcleo. Em transformadores, as bobinas indutoras são frequentemente chamadas de enrolamentos , em referência ao processo de fabricação em que o fio é enrolado em torno do material do núcleo.

Conforme modelado em nosso exemplo inicial, o indutor alimentado de um transformador é chamado de primário enrolamento, enquanto a bobina sem energia é chamada de secundária enrolamento.

Na próxima fotografia (figura abaixo), um transformador é mostrado cortado ao meio, expondo a seção transversal do núcleo de ferro, bem como os dois enrolamentos. Como o transformador mostrado anteriormente, esta unidade também utiliza enrolamentos primários e secundários de contagens de voltas diferentes.

A bitola do fio também pode ser vista como diferente entre os enrolamentos primários e secundários. A razão para essa disparidade na bitola do fio será esclarecida na próxima seção deste capítulo.

Além disso, o núcleo de ferro pode ser visto nesta fotografia como sendo feito de muitas folhas finas (laminações) em vez de uma peça sólida. A razão para isso também será explicada em uma seção posterior deste capítulo.




Corte da seção transversal do transformador mostra núcleo e enrolamentos.


Ação simples de transformador usando SPICE


É fácil demonstrar a ação simples do transformador usando SPICE, configurando os enrolamentos primário e secundário do transformador simulado como um par de indutores “mútuos” (figura abaixo).

O coeficiente de acoplamento do campo magnético é dado no final da linha “k” na descrição do circuito SPICE, este exemplo sendo definido quase na perfeição (1,000). Este coeficiente descreve o quão intimamente “ligados” os dois indutores são magnéticos. Quanto melhor esses dois indutores forem acoplados magneticamente, mais eficiente deverá ser a transferência de energia entre eles.




Circuito de tempero para indutores acoplados.


transformador

 v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 11 2 0 100 12 3 5 100 ** Esta linha diz à SPICE que os dois indutores ** l1 e l2 são magneticamente "ligados" entre si k l1 l2 0,999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 1k .ac lin 1 60 60 .print ac v (2,0) i (v1) .print ac v (3,5) i (vi1) .fim 



Nota:o R bogus resistores são necessários para satisfazer certas peculiaridades do SPICE. O primeiro quebra o loop contínuo entre a fonte de tensão e L 1 o que não seria permitido pela SPICE. O segundo fornece um caminho para o aterramento (nó 0) do circuito secundário, necessário porque o SPICE não pode funcionar com nenhum circuito não aterrado.


 freq v (2) i (v1) 6,000E + 01 1,000E + 01 9,975E-03 enrolamento primário freq v (3,5) i (vi1) 6.000E + 01 9.962E + 00 9.962E-03 Enrolamento secundário 



Observe que, com indutâncias iguais para ambos os enrolamentos (100 henries cada), as tensões e correntes CA são quase iguais para os dois. A diferença entre as correntes primária e secundária é a corrente de magnetização mencionada anteriormente:a corrente retardada de 90 ° necessária para magnetizar o núcleo.

Como pode ser visto aqui, geralmente é muito pequeno em comparação com a corrente primária induzida pela carga e, portanto, as correntes primária e secundária são quase iguais. O que você está vendo aqui é bastante típico da eficiência do transformador.

Qualquer coisa abaixo de 95% de eficiência é considerada pobre para projetos de transformadores de potência modernos, e essa transferência de potência ocorre sem peças móveis ou outros componentes sujeitos a desgaste.

Se diminuirmos a resistência da carga de modo a extrair mais corrente com a mesma quantidade de tensão, veremos que a corrente através do enrolamento primário aumenta em resposta.

Mesmo que a fonte de alimentação CA não esteja diretamente conectada à resistência de carga (em vez disso, é eletromagneticamente "acoplada"), a quantidade de corrente retirada da fonte será quase a mesma que a quantidade de corrente que seria drenada se a carga foi conectado diretamente à fonte.

Dê uma olhada nas próximas duas simulações SPICE, mostrando o que acontece com diferentes valores de resistores de carga:


transformador
 v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 11 2 0 100 12 3 5 100 k l1 l2 0,999 vi1 3 4 ac 0 ** Observe o valor de resistência de carga de 200 ohms rload 4 5 200 .ac lin 1 60 60 .print ac v (2,0) i (v1) .print ac v (3,5) i (vi1) .fim 
 freq v (2) i (v1) 6,000E + 01 1,000E + 01 4,679E-02 freq v (3,5) i (vi1) 6,000E + 01 9,348E + 00 4,674E-02 



Observe como a corrente primária segue de perto a corrente secundária. Em nossa primeira simulação, ambas as correntes eram de aproximadamente 10 mA, mas agora estão em torno de 47 mA. Nesta segunda simulação, as duas correntes estão mais próximas da igualdade, pois a corrente de magnetização permanece a mesma de antes enquanto a corrente de carga aumentou.

Observe também como a tensão secundária diminuiu um pouco com a carga mais pesada (maior corrente). Vamos tentar outra simulação com um valor ainda mais baixo de resistência de carga (15 Ω):


transformador
 v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 11 2 0 100 12 3 5 100 k l1 l2 0,999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 15 .ac lin 1 60 60 .print ac v (2,0) i (v1) .print ac v (3,5) i (vi1) .fim 
 freq v (2) i (v1) 6,000E + 01 1,000E + 01 1,301E-01 freq v (3,5) i (vi1) 6,000E + 01 1,950E + 00 1,300E-01 



Nossa corrente de carga agora é de 0,13 amperes, ou 130 mA, o que é substancialmente mais alto do que da última vez. A corrente primária está muito próxima de ser a mesma, mas observe como a tensão secundária caiu bem abaixo da tensão primária (1,95 volts contra 10 volts no primário).

A razão para isso é uma imperfeição em nosso projeto de transformador:porque as indutâncias primária e secundária não são perfeitamente vinculado (um fator k de 0,999 em vez de 1,000) há “dispersão” ou “ vazamento ”Indutância. Em outras palavras, parte do campo magnético não está se ligando à bobina secundária e, portanto, não pode acoplar energia a ela:(Figura abaixo)




A indutância de vazamento é devido ao fluxo magnético que não corta os dois enrolamentos.



Consequentemente, esse fluxo de “vazamento” meramente armazena e retorna energia para o circuito da fonte por meio de auto-indutância, atuando efetivamente como uma impedância em série nos circuitos primário e secundário. A tensão cai nessa impedância em série, resultando em uma tensão de carga reduzida:a tensão na carga “afunda” conforme a corrente de carga aumenta. (Figura abaixo)




Circuito equivalente modelos de indutância de vazamento como indutores em série independentes do “transformador ideal”.



Se mudarmos o projeto do transformador para ter um melhor acoplamento magnético entre as bobinas primária e secundária, os valores de tensão entre os enrolamentos primário e secundário ficarão muito mais próximos da igualdade novamente:


transformador

 v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 11 2 0 100 12 3 5 100 ** Fator de acoplamento =0,99999 em vez de 0,999 k l1 l2 0,99999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 15 .ac lin 1 60 60 .print ac v (2,0) i (v1) .print ac v (3,5) i (vi1) .fim 
 freq v (2) i (v1) 6,000E + 01 1,000E + 01 6,658E-01 freq v (3,5) i (vi1) 6,000E + 01 9,987E + 00 6,658E-01 



Aqui, vemos que nossa tensão secundária voltou a ser igual à primária, e a corrente secundária também é igual à corrente primária. Infelizmente, construir um transformador real com esse acoplamento completo é muito difícil.

Uma solução de compromisso é projetar bobinas primárias e secundárias com menos indutância, a estratégia sendo que menos indutância geral leva a menos indutância de “vazamento” para causar problemas, para qualquer grau de ineficiência do acoplamento magnético. Isso resulta em uma tensão de carga que está mais perto do ideal com a mesma carga (alta corrente pesada) e o mesmo fator de acoplamento:


transformador
 v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 ** indutância =1 Henry em vez de 100 Henry 11 2 0 1 12 3 5 1 k l1 l2 0,999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 15 .ac lin 1 60 60 .print ac v (2,0) i (v1) .print ac v (3,5) i (vi1) .fim 
 freq v (2) i (v1) 6,000E + 01 1,000E + 01 6,664E-01 freq v (3,5) i (vi1) 6,000E + 01 9,977E + 00 6,652E-01 



Simplesmente usando bobinas primárias e secundárias de menos indutância, a tensão de carga para esta carga pesada (alta corrente) foi trazida de volta aos níveis quase ideais (9,977 volts). Neste ponto, pode-se perguntar:“Se menos indutância é tudo o que é necessário para alcançar um desempenho quase ideal sob carga pesada, então por que se preocupar com a eficiência do acoplamento?

Se é impossível construir um transformador com acoplamento perfeito, mas fácil de projetar bobinas com baixa indutância, então por que não construir todos os transformadores com bobinas de baixa indutância e ter excelente eficiência, mesmo com mau acoplamento magnético? ”

A resposta a esta pergunta é encontrada em outra simulação:o mesmo transformador de baixa indutância, mas desta vez com uma carga mais leve (menos corrente) de 1 kΩ em vez de 15 Ω:


transformador
 v1 1 0 ac 10 sin rbogus1 1 2 1e-12 rbogus2 5 0 9e12 11 2 0 1 12 3 5 1 k l1 l2 0,999 vi1 3 4 ac 0 rload 4 5 1k .ac lin 1 60 60 .print ac v (2,0) i (v1) .print ac v (3,5) i (vi1) .fim 
 freq v (2) i (v1) 6,000E + 01 1,000E + 01 2,835E-02 freq v (3,5) i (vi1) 6,000E + 01 9,990E + 00 9,990E-03 



Com indutâncias de enrolamento mais baixas, as tensões primária e secundária estão mais próximas de serem iguais, mas as correntes primária e secundária não. Neste caso particular, a corrente primária é de 28,35 mA, enquanto a corrente secundária é de apenas 9,990 mA:quase três vezes mais corrente no primário do que no secundário.

Por que é isso? Com menos indutância no enrolamento primário, há menos reatância indutiva e, conseqüentemente, uma corrente de magnetização muito maior. Uma quantidade substancial de corrente através do enrolamento primário meramente funciona para magnetizar o núcleo ao invés de transferir energia útil para o enrolamento secundário e carga.

Um transformador ideal com enrolamentos primário e secundário idênticos manifestaria tensão e corrente iguais em ambos os conjuntos de enrolamentos para qualquer condição de carga. Em um mundo perfeito, os transformadores transfeririam energia elétrica do primário para o secundário tão suavemente como se a carga estivesse diretamente conectada à fonte de alimentação primária, sem nenhum transformador.

No entanto, você pode ver que esse objetivo ideal só pode ser alcançado se houver um um perfeito acoplamento de fluxo magnético entre enrolamentos primários e secundários. Sendo que isso é impossível de alcançar, os transformadores devem ser projetados para operar dentro de certas faixas esperadas de tensões e cargas, a fim de funcionar o mais próximo possível do ideal.

Por enquanto, a coisa mais importante a se manter em mente é o princípio operacional básico de um transformador:a transferência de energia do circuito primário para o secundário via acoplamento eletromagnético.



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