Борьба с самоиндукцией в электротехнике реферат

Обновлено: 05.07.2024

1. Самоиндукция. Величина и направление ЭДС самоиндукции. Правило Ленца. Единицы измерения.
Применение правила Ленца
1. показать направление вектора В внешнего магнитного поля; 2. определить увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур; 3. показать направление вектора Вi магнитного поля индукционного тока ( при уменьшении магнитного потока вектора В внешнего м.поля и Вi магнитного поля индукционного тока должны быть направлены одинаково, а при увеличениии магнитного потока В и Вi должны быть направлены противоположно); 4. по правилу буравчика определить направление индукционного тока в контуре.
Закон электромагнитной индукции
Эл. ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции. Учитывая направление индукционного тока, согласно правилу Ленца:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком.
Почему "-" ? - т.к. индукционный ток противодействует изменению магнитного потока, ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.
Если рассматривать не единичный контур, а катушку, где N- число витков в катушке:
Величину индукционного тока можно рассчитать по закону Ома для замкнутой цепи
, где R - сопротивление проводника.
Самоиндукция
Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.
При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции. Это явление называется самоиндукцией. Самоиндукция – явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока. Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции
Проявление явления самоиндукции
Замыкание цепи При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи ( вихревое поле тормозит электроны). В результате Л1 загорается позже, чем Л2.
Размыкание цепи При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток ( стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи. В результате Л при выключении ярко вспыхивает. Вывод в электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (эл.ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (эл.ток пропадает не сразу).
Индуктивность
От чего зависит ЭДС самоиндукции? Эл.ток создает собственное магнитное поле . Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике (B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I). ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника (размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник. Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью. Индуктивность - физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду. Также индуктивность можно рассчитать по формуле:
где Ф - магнитный поток через контур, I - сила тока в контуре.
Единицы измерения индуктивности в системе СИ:
Индуктивность катушки зависит от: числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды ( возможен сердечник).
ЭДС Самоиндукции
ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.
2. Полимерные Электроизоляционные материалы (Природные и синтетические). Их свойства и применение в электротехнике.
Классификация по происхождению По происхождению диэлектрики делятся на органические и неорганические. Органические диэлектрики Органические электроизоляционные изделия можно разделить на естественные и синтетические. Все материалы, относящиеся к первой категории, в последнее время практически не эксплуатируются, что связано с увеличением производственных мощностей синтетических диэлектриков, стоимость которых намного ниже. Естественными диэлектриками являются растительные масла, парафин, целлюлоза и каучук. К синтетическим материалам можно отнести пластмассы и эластомеры разных типов, применяемые в бытовых приборах и другой электротехники.Неорганические диэлектрики Электроизоляционные материалы неорганического типа бывают естественные и искусственными. Из компонентов природного происхождения можно выделить слюду с большой устойчивостью к воздействию химически активных веществ и высоких температур. Не менее популярными являются мусковит и флогопит.
Свойства диэлектриков Для того чтобы гарантировать выполнение важных функций, электроизоляционные изделия должны обладать необходимыми свойствами. Основное отличие диэлектрика от проводника – намного большее удельное сопротивление (100-1100 Ом*см). С другой стороны, их электрическая проводимость в 14-15 раз ниже токоведущих жил. Связано это с природным происхождением изоляционных материалов, в составе которых намного меньше свободных отрицательных электронов и положительно заряженных ионов, влияющих на токопроводимость. Важно! Несмотря на последнее высказывание, при нагревании любого диэлектрика количество ионов и электронов существенно возрастает, из-за чего повышается электрическая проводимость и возникает риск пробоя током. Все свойства диэлектриков можно разделить на две основные группы – активные и пассивные, при этом вторая является наиболее важной. К пассивным относится диэлектрическая проницаемость: чем меньше ее значение, тем более надежным и качественным является изолятор, поскольку он не оказывает негативного влияния на электрическую схему и не добавляет паразитные емкости. С другой стороны, если изделие эксплуатируется в роли диэлектрического конденсатора, то проницаемость должна быть максимально высокой (паразитные емкости в данном случае важны).
К основным областям применения электроизоляционных материалов можно отнести различные промышленные ветви, радиотехнику, приборостроение и монтаж электрических сетей. Диэлектрики – это основные элементы, от которых зависит безопасность и стабильность работы любого электроприбора. На качество и функциональность изоляции влияют различные параметры.
3. Устройство и принцип действия автоматического выключателя. Виды защит. Назначение.
АВ – это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для проведения тока цепи в нормальных режимах и для автоматического отключения электроустановок при перегрузках и токах КЗ, чрезмерных понижениях напряжения и других аварийных режимах. Возможно использование аппаратов для нечастых (6-30 раз в сутки) оперативных включений и отключений цепей. Применение их возможно в сетях до 1 кВ.АВ изготовляют одно-, двух-, трех- и четырехполюсными. Для выполнения защитных функций АВ снабжаются либо тепловыми (защита от токов перегрузки), либо электромагнитными (защита от токов КЗ), либо комбинированными (тепловыми и электромагнитными) расцепителями. Действие тепловых расцепителей автоматов основано на использовании нагрева биметаллической пластины, изготовленной из спая двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения. В расцепителе при токе, превышающем расчетный, на который он выбран, одна из пластин при нагреве удлиняется больше и вследствие большего ее удлинения воздействует на отключающий пружинный механизм. В результате чего коммутирующее устройство автомата размыкается. Данный расцепитель обладает большой тепловой инерцией, из-за чего не может защищать питающую линию или асинхронный двигатель от токов КЗ. Т.е. продолжительность токов КЗ значительно меньше времени срабатывания теплового расцепителя.
Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит, который воздействует на отключающий пружинный механизм. Если ток в катушке превышает определенное, заранее установленное значение (ток срабатывания), то электромагнитный расцепитель отключает линию мгновенно. Настройку расцепителя на заданный ток срабатывания называют уставкой тока. Уставку тока электромагнитного расцепителя на мгновенное срабатывание называют отсечкой. В зависимости от наличия механизмов, регулирующих время срабатывания расцепителей, АВ разделяются на неселективные с временем срабатывания 0,02. 0,1 с, селективные с регулируемой выдержкой времени и токоограничивающие с временем срабатывания не более 0,005 с.
АВ изготавливают с ручным, электромагнитным и двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.
Контактная система АВ на большие токи – двухступенчатая, состоит из главных и дугогасительных контактов. Главные контакты должны иметь малое переходное сопротивление, т.к. по ним проходит основной ток.
На рисунке ниже представлено устройство автоматического выключателя с комбинированным расцепителем, т.е. имеющий и электромагнитный и тепловой расцепитель.
1,2 — соответственно нижняя и верхняя винтовые клеммы для подключения провода
3 — подвижный контакт; 4 — дугогасительная камера; 5 — гибкий проводник (применяется для соединения подвижных частей автоматического выключателя); 6 — катушка электромагнитного расцепителя; 7 — сердечник электромагнитного расцепителя; 8 — тепловой расцепитель (биметалли́ческая пласти́на); 9 — механизм расцепителя; 10 — рукоятка управления; 11 — фиксатор (для крепления автомата на DIN-рейке)
Принцип работы автоматического выключателя
В обычном рабочем режиме через автоматический выключатель проходит ток, сила которого должна быть меньшей и равной нормальному значению. Электричество, которое используется для запитки устройства, подается на клемму в верхней части устройства, которая соединена со статичным контактом. С этого контакта ток идет на динамичный контакт, после чего проходит через металлический проводник и попадает на катушку соленоида.
После прохождения через катушку электричество идет по термическому расцепителю, и только после этого ток приходит на клемму в нижней части защитного электрооборудования.
Во время значительного повышения напряжения или риска короткого замыкания защитное электрооборудование отключает сеть. Это происходит с помощью системы автоматического расцепления, которая запускается посредством термического или электромагнитного расцепителя.
4. Действие Электрического тока на организм человека.
Электробезопасность — это система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги и статического электричества с целью сокращения электротравматизма до приемлемого уровня риска и ниже.
Отличительной особенностью электрического тока от других производственных опасностей и вредностей (кроме радиации) является то, что человек не в состоянии обнаружить электрическое напряжение дистанционно своими органами чувств.
В большинстве стран мира статистика несчастных случаев по причинам электропоражения показывает, что общее число травм, вызванных электрическим током с потерей трудоспособности, невелико и составляет приблизительно 0,5-1% (в энергетике— 3-3,5%) от общей численности несчастных случаев на производстве. Однако со смертельным исходом такие случаи на производстве составляют 30-40%, а в энергетике до 60% . Согласно статистике, 75-80% смертельных поражений электрическим током происходит в установках до 1000 В.
Электрический ток протекает через тело человека, если между двумя его точками имеется разность потенциалов. Напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, называется напряжением прикосновения
Действие электрического тока на организм человека
Проходя через организм, электрический ток вызывает термическое, электролитическое и биологическое действие.
Термическое действиевыражается в ожогах отдельных участков тела, нагреве кровеносных сосудов и нервных волокон.
Электролитическое действиевыражается в разложении крови и других органических жидкостей, вызывая значительные нарушения их физико-химических составов.
Биологическое действиепроявляется в раздражении и возбуждении живых тканой организма, что может сопровождаться непроизвольным судорожным сокращением мышц, в том числе мышц сердца и легких. В результате могут возникнуть различные нарушения в организме, в том числе нарушение и даже полное прекращение деятельности органов дыхания и кровообращения.
Раздражающее действие тока на ткани может быть прямым, когда ток проходит непосредственно по этим тканям, и рефлекторным, то есть через центральную нервную систему, когда путь тока лежит вне этих органов.
Все многообразие действия электрического тока приводит к двум видам поражения: электрическим травмам и электрическим ударам.
Электрические травмы— это четко выраженные местные повреждения тканей организма, вызванные воздействием электрического тока или электрической дуги (электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, механические повреждения).
Электрический удар— это возбуждение живых тканей организма проходящим через него электрическим током, сопровождающееся непроизвольным судорожным сокращением мышц.
Различают четыре степени электрических ударов:
Iстепень — судорожное сокращение мышц без потери сознания;
IIстепень — судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимся дыханием и работой сердца;
IIIстепень — потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (либо того и другого вместе);
IVстепень — клиническая смерть, то есть отсутствие дыхания и кровообращения.
Клиническая ("мнимая") смерть— это переходный процесс от жизни к смерти, наступающий с момента прекращения деятельности сердца и легких. Длительность клинической смерти определяется временем с момента прекращения сердечной деятельности и дыхания до начала гибели клеток коры головного мозга (4-5 мин., а при гибели здорового человека от случайных причин — 7-8 мин.).Биологическая (истинная) смерть— это необратимое явление, характеризующееся прекращением биологических процессов в клетках и тканях организма и распадом белковых структур. Биологическая смерть наступает по истечении периода клинической смерти.
Таким образом, причинами смерти от электрического токамогут быть прекращение работы сердца, прекращение дыхания и электрический шок.
Остановка сердца или его фибрилляция, то есть хаотические быстрые и разновременные сокращения волокон (фибрилл) сердечной мышцы, при которых сердце перестает работать как насос, в результате чего в организме прекращается кровообращение, может наступить при прямом или рефлекторном действии электрического тока.
Прекращение дыхания как первопричина смерти от электрического тока вызывается непосредственным или рефлекторным воздействием тока на мышцы грудной клетки, участвующие в процессе дыхания (в результате — асфиксия или удушье по причине недостатка кислорода и избытка углекислоты в организме).
Виды поражений электрических травм:
- электрические ожоги –
- электрометаллизация кожи
- электрические знаки
- электрические удары
- электроофтальмия- механические повреждения
Электрические ожоги возникают при термическом действии электрического тока. Наиболее опасными являются ожоги, :возникающие в результате воздействия электрической дуги, такKaк ее температура может превышать 3000°С.
Неотпускающие токивызывают судорожное сокращение мышц руки. Наименьшее значение тока, при котором человек не может самостоятельно оторвать руки от токоведущих частей, называетсяпороговым неотпускающим током. Для переменного тока это значение лежит в пределах от 10 до 15 мА, для постоянного тока — т 50 до 80 мА. При дальнейшем увеличении тока начинается поражение сердечно-сосудистой системы. Затрудняется, а затем останавливается дыхание, изменяется работа сердца.фибрилляционные токивызывают фибрилляцию сердца — трепетание или аритмичное сокращение и расслабление сердечной мышцы. В результате фибрилляции кровь из сердца не поступает в жизненно важные органы и в первую очередь нарушается кровоснабжение мозга. Человеческий мозг, лишенный кровоснабжения, живет в течение 5 — 8 минут, а затем погибает, поэтому в данном случае очень важно быстро и своевременно оказать первую помощь пострадавшему. Значения фибрилляционных токов колеблются от 80 до 5000 мА
Факторы, влияющие на исход поражения Эл. током
Исход воздействия электрического тока на организм человека зависит от ряда факторов, основными из которых являются: электрическое сопротивление тела человека; величина электрического тока; длительность его воздействия на организм; величина напряжения, воздействующего на организм; род и частота тока; путь протекания тока в теле; психофизиологическое состояние организма, его индивидуальные свойства; состояние и характеристика окружающей среды (температура воздуха, влажность, загазованность и запыленность воздуха) и др.
Продолжительность воздействия тока на организм человека— один из основных факторов. Чем короче время воздействия тока, тем меньше опасность.
Если ток неотпускающий, но еще не нарушает дыхания и работы сердца, быстрое отключение спасает пострадавшего, который не смог бы освободиться сам. При длительном воздействии тока сопротивление тела человека падает и ток возрастает до значения, способного вызвать остановку дыхания или даже фибрилляцию сердца.
Остановка дыхания возникает не мгновенно, а через несколько секунд, причем чем больше ток через человека, тем меньше это время. Своевременное отключение пострадавшего позволяет предотвратить прекращение работы дыхательных мышц.
Таким образом, чем меньше длительность действия тока на человека, тем меньше вероятность совпадения времени, в течение которого через сердце проходит ток с фазой Т.

Нет нужной работы в каталоге?

Сделайте индивидуальный заказ на нашем сервисе. Там эксперты помогают с учебой без посредников Разместите задание – сайт бесплатно отправит его исполнителя, и они предложат цены.

Цены ниже, чем в агентствах и у конкурентов

Вы работаете с экспертами напрямую. Поэтому стоимость работ приятно вас удивит

Бесплатные доработки и консультации

Исполнитель внесет нужные правки в работу по вашему требованию без доплат. Корректировки в максимально короткие сроки

Если работа вас не устроит – мы вернем 100% суммы заказа

Техподдержка 7 дней в неделю

Наши менеджеры всегда на связи и оперативно решат любую проблему

Строгий отбор экспертов

Требуются доработки?
Они включены в стоимость работы

Работы выполняют эксперты в своём деле. Они ценят свою репутацию, поэтому результат выполненной работы гарантирован

В данной статье будет рассмотрено явление самоиндукции, проявляющееся зачастую при коммутации индуктивных нагрузок. Также будут рассмотрены способы защиты и используемое для этого оборудование.

Техника безопасности

1. Электромагнитная индукция. Определение. Физический смысл

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока, при изменении во времени магнитного поля. Изменение магнитного поля, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в контуре индуктивной электродвижущей силы (ЭДС). Процесс возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию, а при убывании тока — препятствует убыванию. Величина ЭДС самоиндукции определяется уравнением:

где:
E — ЭДС самоиндукции
L — индуктивность катушки
dI/dt — изменение тока во времени.

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Разберем более подробно, почему скачок ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность. На рисунке 1 изображены две схемы, на которых стрелками обозначено направление движения тока, а так же потенциалы на всех элементах схемы при закрытом и открытом ключе.

а - закрытый ключ б - открытый ключ

Рисунок 1 — Направление тока при закрытом и открытом ключе

При закрытом ключе потенциалы на всех элементах совпадают с потенциалом источника питания (рисунок 1, а). Во время размыкания ключа, из схемы исключается источник питания, и ЭДС самоиндукции стремится поддержать ток в катушке. Для того, что бы сохранить направление тока в катушке, ЭДС меняет свой потенциал на противоположный по знаку источнику питания (рисунок 1, б). Именно поэтому всплеск ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность.

Более наглядно этот всплеск показан на рисунке 2. На графике изображено напряжение источника питания Uпит, ток возникающий в катушке I, ЭДС самоиндукции.

Рисунок 2 — График изменения тока и напряжения при коммутации

2. Теоретический расчет ЭДС самоиндукции

Рассмотрим явление самоиндукции на примере работы электромагнитной катушки при пропускании через нее постоянного тока. Включение катушки происходит при помощи бесконтактного датчика. Катушку можно заменить на последовательно соединенные активное Rk и индуктивное Lk сопротивления (рисунок 3).

Рисунок 3 — Эквивалентная схема электромагнитной катушки

Тогда электрическая схема будет иметь вид, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 — Схема включения электромагнитной катушки

При сработавшем датчики падение напряжения U на катушке составляет 24 В. При коммутации индуктивной нагрузки в первый момент времени ток остается равным току до коммутации, а после изменяется по экспоненциальному закону. Таким образом, при переходе управляющего транзистора в закрытое состояние катушка начинает генерировать ЭДС самоиндукции, предотвращающую падение тока. Попробуем рассчитать величину генерируемого катушкой напряжения.

На рисунке 5 показано направление тока при открытом транзисторе. Переход транзистора в закрытое состояние фактически означает что цепь катушки с генерируемым ЭДС самоиндукции замыкается через подтягивающий резистор. Обозначим его Ro. По документации датчика это сопротивление составляет 5,1 кОм.

Рисунок 5 — Направление тока при открытом транзисторе Рисунок 6 — Направление тока после перехода транзистора в закрытое состояние

На рисунке 6 видно что ток на резисторе Ro поменял направление - это обусловлено возникновением ЭДС самоиндукции в катушке. Для полученного замкнутого контура выполняется следующее уравнение:

Выражая напряжение через ток и сопротивление, получим:

При этом ток в цепи стремится к значению тока при открытом транзисторе:

Подставим данное выражение в предыдущую формулу, получим величину генерируемого напряжения самоиндукции:

U Lk = − U × ( R k + R 0 ) / R k = − U × ( 1 + R 0 / R k ) U_Lk= -U times ( R_k + R_0 ) / R_k = -U times ( 1 + R_0 / R_k )

Все переменные из этой формулы известны:
U = 24В — напряжение питания
R_o = 5,1кОм — сопротивление подтягивающего резистора датчика
R_k = 900 Ом — активное сопротивление катушки (данные из документации).

Подставив значения в формулу, рассчитаем примерное значение напряжения самоиндукции:

U Lk = − U × ( 1 + R 0 / R k ) = − 24 × ( 1 + 5100 / 900 ) = − 160 В U_Lk= -U times ( 1 + R_0/R_k ) = -24 times ( 1 + 5100 / 900 )=-160 В

Данный расчет упрощен и не учитывает индуктивность катушки, от которой так же зависит ЭДС самоиндукции. Но даже из упрощенного расчета видно, что величина генерируемого напряжения оказывается во много раз больше номинального напряжения 24В.

Воздействие ЭДС самоиндукции может повредить устройства, имеющие общие с индуктивной нагрузкой цепи питания. На рисунке 7 приведена некорректная схема, на которой от одного источника питания подключен бесконтактный датчик и катушка соленоидного клапана.

3. Практическое измерение ЭДС самоиндукции

Чтобы проверить правдивость приведенных выше теоретических расчетов, проведем измерение ЭДС самоиндукции. Для проведения измерений необходимо собрать схему, для которой мы проводили расчеты. При помощи осциллографа на клеммах катушки произведем измерение напряжения (рисунок 8).

Рисунок 8 — Измерение ЭДС самоиндукции

На рисунке 9 изображена осциллограмма значений напряжения самоиндукции катушки с питанием 24 В. На графике видно, что реальный всплеск напряжения при отключении катушки в несколько раз больше напряжения питания и составляет 128 В. Как следствие, транзисторный ключ выйдет из строя. Возникающий скачок ЭДС приводит к пробою транзисторных ключей, бесконтактных датчиков, слаботочных коммутирующих элементов и другим нежелательным эффектам в схемах управления.

Рисунок 9 — ЭДС самоиндукции при выключении катушки с питанием 24 В

4. Методы и средства защиты от ЭДС самоиндукции

Для подавления ЭДС самоиндукции и предотвращения выхода из строя оборудования необходимо принимать специальные меры. Для подавления пиков напряжения на катушке во время выключения, необходимо параллельно катушке включить в схему диод (для постоянного напряжения) или варистор (для переменного напряжения). ЭДС самоиндукции будет ограничиваться этими элементами, тем самым они будут обеспечивать защиту схемы.

Диод включается параллельно катушке против напряжения питания (рисунок 10). Таким образом, в установившемся режиме он не оказывает никакого воздействия на работу схемы. Однако при отключении питания на катушке возникает ЭДС самоиндукции, имеющая полярность, противоположную рабочему напряжению. Диод открывается и шунтирует катушку индуктивности.

а - включение диода в схему PNP б - включение диода в схему NPN

Рисунок 10 — Схема включения диода для защиты от самоиндукции

Варистор также включается параллельно катушке (рисунок 11).

Рисунок 11 — Схема включения варистора для защиты от самоиндукции

При увеличении напряжения выше пороговой величины, сопротивление варистора резко уменьшается, шунтируя индуктивную нагрузку. Соответственно, при броске тока варистор быстро срабатывает и обеспечивает надежную защиту схемы.

На рисунке 12 изображен график напряжения во время включения и выключения индуктивной катушки с использованием защитного диода для напряжения 24 В.

Рисунок 12 — ЭДС самоиндукции с использованием диода

На графике видно, что использование защитных диодов сглаживает переходную характеристику напряжения.

Для защиты от ЭДС самоиндукции существует целый ряд готовых устройств. Их выбор зависит от применяемой катушки и типа напряжения питания. Для гашения ЭДС самоиндукции на катушках промежуточных реле используют модули FINDER серии 99 (рисунок 13):

Рисунок 13 — Защитный модуль Finder/99.02.9.024.99

Модули устанавливаются непосредственно на колодку реле, не требуют дополнительного изменения схемы управления.

В случае подключения катушек пускателей, либо катушек соленоидных клапанов, необходимо использовать защитные клеммники Klemsan серии WG-EKI (рисунок 14):

Рисунок 14 – Защитный клеммник WG-EKI

Клеммники позволяют осуществить подключение индуктивной катушки без дополнительного изменения схемы. Клеммник имеет два яруса, соединенных между собой защитным диодом либо варистором. Для осуществления защиты необходимо провести провода питания катушки через этот клеммник. При использовании клеммника с защитным диодом необходимо соблюдать полярность при подключении (рисунок 15).

Рисунок 15 — Схема подключения клеммника WG-EKI с защитным диодом

Заключение

В рамках данной статьи было рассмотрено явление самоиндукции, приведен теоретический расчет ЭДС и практическое подтверждение этого расчета. Применяя модули Finder серии 99 и клеммники Klemsan серии WG-EKI, можно избавиться от пагубного воздействия самоиндукции и сохранить целостность коммутирующих элементов цепей управления.

В работе с электротехникой часто приходится иметь дело с электромагнитной индукцией. Она возникает за счет взаимодействия электрических и магнитных полей. Также возникает самоиндукция.

Изобретатели активно используют это явление. Уже давно стало понятно, что переменное магнитное поле способно вызвать появление электрического тока. По такому принципу в наше время работают генераторы (источники электромагнитной энергии). Самоиндукцию также связывают с процессом электромагнитизма. Однако, работает она иначе.

Чтобы понять, каким что такое самоиндукция, необходимо обратиться к школьным методам и вспомнить опыты, которые проводят с помощью катушки. По ее спирали движется электрический импульс. Внутри соленоида возникает свое магнитное поле, а магнитные линии замыкаются за пределами контура.

При непрерывной подаче напряжения, контур не меняется. Однако, во время размыкания и замыкания цепи меняется напряженность магнитного поля. Появляется дополнительный индукционный ток. В контуре образовывается электродвижущая сила индукции. Ее и называют самоиндукцией. Сила магнитного поля изменяется в зависимости от трансформации силы напряжения.

Часто самоиндукцию сравнивают с инерцией. У них похожий принцип действия. Как движущийся предмет не может моментально остановиться, так и ток не в состоянии сразу же приобрести какое-то значение. Этому мешает самоиндукция.

Это хорошо иллюстрирует опыт с двумя лампами, подключенными к одному источнику тока. При замыкании цепи первая лампа сразу же включается. Вторая же загорается с опозданием, несмотря на параллельное расположение.

Когда происходит размыкание цепи, сила тока моментально уменьшается. Однако, ЭДС самоиндукции не дает магнитному потоку сразу же иссякнуть. Самоиндукция может превышать силы внешней ЭДС. Из-за этого мы часто сталкиваемся с проблемой перегорания лампочек при выключении освещения.

Во время возрастания силы напряжения, курс ориентирования ЭДС самоиндукции с ним не совпадает. Это происходит при замыкании гальванической цепи. Однако, во время разъединения цепи вектор ЭДС самоиндукции соответствует направлению движения тока. Действие происходит с существенной задержкой.

Суть самоиндукции становится понятна после опыта с лампочками.

Если одна из них подключена последовательно с индуктивностью, а другая – непосредственно к источнику питания. В данном случае верхняя лампочка зажжется позже, так как импульс, исходящий из источника питания, после замыкания контактов встретит сопротивление вихревых токов, направленных в другую сторону.

Включение верхней лампочки уменьшает силу разряда в цепи. Поэтому, после того как подача тока прекратится, верхняя лампа наоборот будет работать дольше, в то время как нижняя погаснет моментально после разъединения цепи. Интересно, что изменение силы тока проходит нелинейно. Если цепь состоит из одной катушки, этот принцип работает так же.

Важно понимать, что количество обмоток катушки прямо влияет на скорость изменения электродвижущей силы. Скорость увеличивается при большем количестве витков.

При условии наличия переменного напряжения, отклонение ЭДС самоиндукции на прямую зависит от амплитуды дросселя и его коэффициента самоиндукции.

При контакте с соленоидом, переменный ток производит сдвиг по фазе на величину π/2. Из-за этого происходит отставания тока катушки от тока, поставляемого электрическим оборудованием.

Какие формулы нужно запомнить

Поток направления магнитной индукции (Ф) на прямую зависит от индуктивности (L) и мощности напряжения в контуре (i). Формула выглядит таким образом: Ф = L*I

Индуктивность контура L выражает коэффициент пропорциональности между электрическим импульсом, проходящим по рисунку и возникшим магнитным напряжением.

Степень индуктивности проводника на прямую зависит от его формы, площади плоскости внутри катушки и электромагнитных свойств окружающей среды. При этом, сила тока в проводнике значения не имеет.

В случае, если магнитные свойства среды и размеры катушки остаются неизменны, можно использовать следующую формулу для расчета величины индуктивной ЭДС: Esi=-L∙ΔI/Δt.

Здесь E самоинд. обозначает ЭДС самоиндукции, ΔФ – изменение собственного направления магнитной индукции, Δi – степень изменения силы напряжения в контуре за определенный промежуток времени Δt. L – это коэффициент самоиндукции.

Что важно помнить об индуктивности

Как уже было отмечено, индуктивность контура может менять в зависимости от его геометрии, охвата, магнитных характеристик среды. Данные правила работают и для дросселя. Ее индуктивность может меняться в зависимости диаметра и интенсивности обмотки. Значение индуктивности также вырастет при использовании ферромагнитного сердечника.

Степень индуктивности будет меняться в соответствии с тем, как сильно передатчик, роль которого выполняют спирали, сопротивляется электрическому импульсу. При высокой индуктивности и быстрой остановке ее цепи, произойдет сильный всплеск ЭДС.

Значение индуктивности помогает определить, сколько энергии выделяется благодаря магнитному полю при самоиндукции. Высчитать энергию можно, применив формулировку Wм = LI2 / 2.

Как спользуют силу самоиндукции в жизни:

Физика – ничто без практического применения. Явление самоиндукции активно используют в обычной жизни. Например, в работе карбюраторного двигателя участвует катушка зажигания.

Катушка зажигания получает заряд в 12 В. Электрическая цепь прекращается с помощью специального прерывателя. Из-за этого образуется сильная искра, зажигающая топливо. Автомобиль начинает движение. В современных машинах разрыв цепи происходит автоматически, но принцип самоиндукции сохраняется.

Самоиндукцию также применяют в работе сетевых фильтров. Она помогает сгладить всплески напряжения и заполнить провалы в подаче тока. В результате, удается убрать шум, пульсацию и ненужные частоты.

Самоиндукцию катушки применяют для розжига электродов в газоразрядных источниках света. Когда срабатывает стартер, контакты перерываются, из-за чего в катушке возникает ЭДС самоиндукции. Лампа начинает выполнять свою функцию за счет всплеска энергии.

Вредное воздействие самоиндукции

В промышленных масштабах самоиндукция может быть смертельно опасной. Речь идет об огромных мощностях. Избежать трагических случаев позволяют приспособления, предотвращающие моментальное размыкание цепи. Иначе, всплеск энергии был бы огромным. Их установка на линиях обязательна в производстве и энергосистемах.

Если у вас возникли подозрения на некорректную работу электрооборудования, специалисты нашей электротехнической лаборатории в короткие сроки решат все поставленные перед ними задачи.

Одним из важных явлений, происходящих в катушке индуктивности при прохождении через нее переменного тока, является самоиндукция. Рассмотрим, в чем заключается явление самоиндукции.

ЭДС самоиндукции

В результате электромагнитной индукции, при изменении магнитного потока через проводящий контур, в нем возникает электродвижующая сила (ЭДС), пропорциональная скорости изменения потока.

Рис. 1. Явление электромагнитной индукции.

При этом для возникновения ЭДС нет разницы, какой источник был у магнитного потока, пронизывающего контур. Этот магнитный поток мог наводиться другой катушкой, постоянным магнитом, или даже обычным проводником с током, вокруг которого также возникает магнитное поле.

А теперь проследим, что происходит, если через катушку будет проходить не постоянный, а переменный ток.

Ток, идущий по катушке, создает магнитное поле, пронизывающее витки. Поскольку ток переменный, а индукция магнитного поля прямо пропорциональна силе порождающего тока, то и магнитный поток, порождаемый этим током, будет переменным. Изменение же магнитного потока приводит к возникновению ЭДС, которая будет также переменной.

Рис. 2. Самоиндукция.

Индуктивность

Оценим величину возникающей ЭДС самоиндукции.

Согласно закону электромагнитной индукции:

Изменение же индукции и наведенного магнитного потока пропорционально изменению тока в катушке (если не меняется ориентация катушки и площадь ее сечения):

$$\Delta B \sim \Delta \Phi \sim \Delta I$$

То есть, изменение потока можно приравнять изменению тока, введя коэффициент пропорциональности $L$, и получить следующее выражение для ЭДС самоиндукции:

Коэффициент пропорциональности $L$, входящий в эту формулу, является важной характеристикой катушки, и называется индуктивность. Физический смысл ее в том что это ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1A за 1с.

За единицу индуктивности в СИ принят 1 Генри. (Гн). Такую индуктивность имеет катушка или проводник, в котором при изменении силы тока на 1А возникает ЭДС самоиндукции 1В:

Самоиндукция и инерция

В случае механики приложенная энергия изменяет кинетическую энергию точки. В случае катушки энергия изменяет энергию магнитного поля.

Рис. 3. Аналогия массы и индуктивности.

Что мы узнали?

Явление самоиндукции состоит в том, что при изменении тока через катушку, в нем возникает ЭДС самоиндукции, сопротивляющаяся изменениям. Данное явление аналогично инерции в механике.

Читайте также: