Ρεύμα κορεσμού πυρήνων.

Πριν λίγο καιρό είχα γράψει μερικά άρθρα σχετικά με τις τοπολογίες στους μετατροπείς ισχύος (ΕΔΩ, ΕΔΩ, ΕΔΩ,ΕΔΩ, ΕΔΩ και ΕΔΩ). Σε όλες τις περιπτώσεις το στοιχείο που κυριαρχεί στην ανάλυση, είναι ο υπολογισμός και η κατάλληλη επιλογή των πηνίων που πρέπει να χρησιμοποιηθούν. Δεν υπολογίζουμε μόνο την αυτεπαγωγή του πηνίου αλλά και το μέγιστο ρεύμα που πρέπει να λειτουργεί το πηνίο.

Inductors

Το κύριο χαρακτηριστικό ενός πηνίου είναι η αυτεπαγωγή του (που μας δείχνει πόσο αντιστέκεται ένα πηνίο στις αλλαγές του ρεύματος που το διαρρέει). Σε παλιότερο άρθρο είχαμε δει, ΕΔΩ, πως μπορούμε με απλό τρόπο να μετρήσουμε την αυτεπαγωγή ενός πηνίου. Σε έναν μετατροπέα ισχύος, τεράστια σημασία έχει και το ρεύμα κορεσμού του πηνίου.

Όποτε χρησιμοποιούμε τον όρο κορεσμό για κάποιο πηνίο, εννοούμε κάποιο πηνίο με σιδηρομαγνητικό πυρήνα. Ένα πηνίο αέρα δεν φτάνει ποτέ σε κορεσμό. Ο κορεσμός δηλαδή αφορά το σιδηρομαγνητικό υλικό του πυρήνα. Η εισαγωγή ενός σιδηρομαγνητικού πυρήνα να σε ένα πηνίο, το μετατρέπει σε πηνίο με πολύ μεγαλύτερη αυτεπαγωγή (π.χ. χίλιες φορές πάνω). Η παρουσία του πυρήνα μειώνει τον ρυθμό της αύξησης του ρεύματος στο πηνίο, όταν σε αυτό εφαρμόζεται μία τάση.

Όλα τα σιδηρομαγνητικά υλικά αποτελούνται από μικροσκοπικά μαγνητικά δίπολα που έχουν τυχαίο προσανατολισμό. Όταν βρεθούν σε κάποιο μαγνητικό πεδίο θέλουν να προσανατολιστούν προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Η κίνηση αυτή απαιτεί ενέργεια. Η ενέργεια προέρχεται από το ρεύμα που διαρρέει το πηνίο. Με άλλα λόγια τα μαγνητικά αυτά δίπολα δεν επιτρέπουν στο ρεύμα του πηνίου να μεγαλώσει γρήγορα. Δεν μπορούν να κινηθούν στιγμιαία, οπότε το ρεύμα πρέπει “να περιμένει” να πάρουν την τελική τους θέση.

saturation-1

Το πόσο γρήγορα αλλάζει το ρεύμα σε ένα πηνίο που βρίσκεται υπό τάση, ο ρυθμός μεταβολής του ρεύματος δηλαδή, έχει άμεση σχέση με την αυτεπαγωγή. Μαθηματικά εκφράζεται με τον παρακάτω τύπο.

formula

Όπου Ε η τάση στα άκρα του πηνίου, L η αυτεπαγωγή του πηνίου, και dI/dt ο ρυθμός αύξησης του ρεύματος στο πηνίο. Αν ο ρυθμός μεταβολής του ρεύματος (όρος dI/dt) μειώνεται αυτό πρέπει να συμβαίνει επειδή αυξάνεται η αυτεπαγωγή L, αφού η τάση Ε είναι σταθερή.

Αυτός είναι ο λόγος που η αυτεπαγωγή ενός πηνίου αυξάνει όταν υπάρχει κάποιος σιδηρομαγνητικός πυρήνας. Τα πράγματα βέβαια περιπλέκονται λίγο όταν βάλουμε στην εξίσωση και την ωμική αντίσταση του πηνίου. Η αρχή όμως είναι ίδια.

Συνδέουμε λοιπόν ένα πηνίο με σιδηρομαγνητικό πυρήνα σε μία τάση. Το ρεύμα αρχίζει να αυξάνεται και τα μαγνητικά δίπολα να κινούνται. Για κάποια τιμή ρεύματος τα δίπολα θα έχουν ευθυγραμμιστεί όσο καλύτερα γίνεται, και σταματούν να κινούνται. Έτσι δεν υπάρχει πλέον καθυστέρηση στην αύξηση του ρεύματος.

saturation-2

Ο πυρήνας παύει να μειώνει τον ρυθμό αύξησης του ρεύματος στο πηνίο. Από το σημείο αυτό και μετά το πηνίο αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν πηνίο αέρα, η αυτεπαγωγή του μειώνεται, και το ρεύμα αυξάνεται πολύ ποιο γρήγορα (π.χ. χίλιες φορές ποιο γρήγορα).

Αν σχεδιάζαμε το ρεύμα σε ένα πηνίο με την πάροδο του χρόνου, στην διάρκεια του οποίο επέρχεται κορεσμός του πυρήνα, θα βλέπαμε μία καμπύλη όπως η παρακάτω.

Sat-Curve

Βλέπουμε πως το ρεύμα στο πηνίο αυξάνεται γραμμικά και κάποια στιγμή η κλίση της καμπύλης αλλάζει δραματικά και το ρεύμα αυξάνεται απότομα. Στο σημείο της αλλαγής της κλίσης έχουμε το χαρακτηριστικό “γόνατο”. Το σημείο αυτό μας δίνει το ρεύμα στο οποίο έχουμε τον κορεσμό του πυρήνα. Στην παραπάνω καμπύλη το ρεύμα κορεσμού του πυρήνα είναι λίγο πάνω από τα 2 Amperes.

Ο κορεσμός ενός πηνίου σε έναν μετατροπέα ισχύος μπορεί να είναι καταστροφική για τον μετατροπέα. Μπορούμε να δούμε τον πυρήνα ενός πηνίου σαν ένα σφουγγάρι, και το μαγνητικό πεδίο σαν νερό. Το σφουγγάρι έχει την ιδιότητα να απορροφά το νερό. Η ποσότητα νερού που μπορεί να απορροφήσει είναι όμως συγκεκριμένη. Όταν το σφουγγάρι κορεστεί συμβαίνουν περίεργα πράγματα.

Αρχικά το σφουγγάρι χάνει το σχήμα του. Βαραίνει, μαλακώνει και δεν μπορεί να παραμείνει τετράγωνο. Αντίστοιχα το ρεύμα και η τάση που περνούν από ένα πηνίο, που βρίσκεται ο πυρήνας του σε κατάσταση μαγνητικού κορεσμού, αλλάζουν μορφή. Η αλλαγή της μορφής μπορεί να προκαλέσει πολλά προβλήματα. Αν για παράδειγμα έχουμε έναν μετατροπέα από συνεχή τάση σε εναλλασσόμενη καθαρού ημίτονου, αν τα πηνία εξόδου είναι σε κατάσταση κορεσμού, τότε η τάση θα παραμορφωθεί και δεν θα είναι ημιτονική.

Το δεύτερο πράγμα που παθαίνει το σφουγγάρι είναι να αρχίσει να τρέχει νερό. Το επιπλέον νερό που βάζουμε, θα βγαίνει από το σφουγγάρι. Το ίδιο συμβαίνει και με τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου στο πηνίο. Όσο ο πυρήνας δεν είναι κορεσμένος, συγκεντρώνει τις δυναμικές γραμμές μέσα του. Όταν επέλθει ο κορεσμός του, οι δυναμικές γραμμές αρχίζουν να ξεχειλίζουν. Αυτές μπορούν να εξέλθουν ταχύτατα από τον πυρήνα και να καταβάλουν χώρο γύρω από το πηνίο. Αυτό μπορεί εύκολα να επηρεάσει άλλα γειτονικά μαγνητικά (και όχι μόνο) κυκλώματα. Επίσης αυξάνονται σημαντικά οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές που δημιουργεί η συσκευή σε άλλες συσκευές.

Συνεχίζεται…

Advertisements
This entry was posted in Electronics and tagged , , , , , , , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s