SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Samankaltaiset tiedostot
SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET. Kirchhoffin lait Aktiiviset piirikomponentit Resistiiviset tasasähköpiirit

Kuva 1: Vaihtovirtapiiri, jossa on sarjaan kytkettynä resistanssi, kapasitanssi ja induktanssi

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

4. SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Sähkömagneettinen induktio

Magneettikenttä ja sähkökenttä

Aktiiviset piirikomponentit. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

DEE Sähkötekniikan perusteet

Erään piirikomponentin napajännite on nolla, eikä sen läpi kulje virtaa ajanhetkellä 0 jännitteen ja virran arvot ovat. 500t.

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

Sähkömagnetismi. s. 24. t syyskuuta :01. FY7 Sivu 1

Magneettinen energia

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Sähköstatiikka ja magnetismi Sähkömagneetinen induktio

SATE1040 Piirianalyysi IB kevät /6 Laskuharjoitus 5: Symmetrinen 3-vaihejärjestelmä

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Muuntajat ja sähköturvallisuus

1-vaiheinen 100 kva 1000 V / 100 V muuntajan standardimittaustulokset ovat. Short-circuit test L-voltage side shorted

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

Kuva 8.1 Suoran virrallisen johtimen magneettikenttä (A on tarkastelupiste). /1/

Elektroniikan komponentit

( ) ( ) ( ) ( ) SMG-1100 Piirianalyysi I, kesäkurssi, harjoitus 1(3) Tehtävien ratkaisuehdotukset

DEE Sähkötekniikan perusteet

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

DEE Sähkötekniikan perusteet

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Magneettinen induktio

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Omnia AMMATTIOPISTO Pynnönen

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

SATE1140 Piirianalyysi, osa 1 kevät /9 Laskuharjoitus 4: Kerrostamis- ja silmukkamenetelmä

S Piirianalyysi 1 2. välikoe

Katso Opetus.tv:n video: Kirchhoffin 1. laki

14.1 Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait R 1. I 1 I 3 liitos + - R 2. silmukka. Kuva 14.1: Liitoksen, haaran ja silmukan määrittely virtapiirissä.

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Sähkövirran määrittelylausekkeesta

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I. Verkkojen taajuusriippuvuus: suo(dat)timet

Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio

Luento 2. SMG-2100 Sähkötekniikka Risto Mikkonen

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

NIMI: LK: 8b. Sähkön käyttö Tarmo Partanen Ota alakoulun FyssaMoppi. Arvaa, mitä tapahtuu eri töissä etukäteen.

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

DEE Sähkötekniikan perusteet

1. Tasavirta. Virtapiirin komponenttien piirrosmerkit. Virtapiiriä havainnollistetaan kytkentäkaaviolla

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

DEE Sähkötekniikan perusteet

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 7. Tehtävä 1

SÄHKÖTEKNIIKKA. NTUTAS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri kevät 2015

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

1. Erään piirin impedanssimittauksissa saatiin seuraavat tulokset:

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Luento 2. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Théveninin teoreema. Vesa Linja-aho (versio 1.0) R 1 + R 2

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

SMG-4450 Aurinkosähkö

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

SMG-1100 Piirianalyysi I, kesäkurssi, harjoitus 2(3) Tehtävien ratkaisuehdotukset

2.2 Energia W saadaan, kun tehoa p(t) integroidaan ajan t suhteen. Täten akun kokonaisenergia W tot saadaan lausekkeesta ( )

Magneettikenttä. Magneettikenttä on magneettisen vuorovaikutuksen vaikutusalue. Kenttäviivat: Kenttäviivojen tiheys kuvaa magneettikentän voimakkuutta

FYSA2010 / K1 MUUNTAJA

Sähkötekniikka ja elektroniikka

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 6 Laskuharjoitus 13: Rajapintaehdot ja siirrosvirta

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

SMG-4500 Tuulivoima. Viidennen luennon aihepiirit YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

Sähkötekniikka ja elektroniikka

SÄHKÖTEKNIIKKA. NBIELS13 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2015

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä

Luento 4 / 12. SMG-1100 Piirianalyysi I Risto Mikkonen

2. Vastuksen läpi kulkee 50A:n virta, kun siihen vaikuttaa 170V:n jännite. Kuinka suuri resistanssi vastuksessa on?

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

TN T 3 / / SÄH Ä KÖAS A IOI O TA T Vi taniemen koulu

6. Kertaustehtävien ratkaisut

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Elektroniikka ja sähkötekniikka

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

Ongelmia mittauksissa Ulkoiset häiriöt

Muuntaja yleisesti MUUNTAJAN OMINAISUUKSISTA TEHO TYHJÄKÄYNTIJÄNNITE HYÖTYSUHDE POIKKEAMAT TYYPPITEHOSTA

SÄHKÖTEKNIIKKA JA ELEKTRONIIKKA

Transkriptio:

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I Keskinäisinduktanssi induktiivisesti kytkeytyneet komponentit muuntajan toimintaperiaate T-sijaiskytkentä kytketyn piirin energia

KESKINÄISINDUKTANSSI M Faraday: magneettikentän muutos indusoi jännitteen. Käämin toimintaperiaate: Kun käämin virta muuttuu, käämin läpi kulkeva magneettivuo muuttuu, mistä indusoituu jännite. Olkoot käämit 1 (induktanssi L1) ja 2 (induktanssi L2) sijoitetut siten, että osa käämin 1 magneettivuosta kulkee käämin 2 läpi. Kun nyt käämin 1 virta muuttuu, käämin 1 yli indusoituu jännite. Koska osa käämin 1 magneettivuosta kulkee käämin 2 läpi, myös käämin 2 yli indusoituu jännite. keskinäisinduktanssi M Vaikka kuvan oikeanpuoleisessa piirissä ei ole energialähdettä, käämin 2 yli indusoituu jännite keskinäisinduktanssin ansiosta. induktiivinen kytkentä E R 1 L 1 M L 2 R 2

i 1 M i 2 MISTÄ SAADAAN M:n ARVO? u 1 L 1 L 2 u 2 Induktiolaki (i 2 = 0): Induktiolaki (i 1 = 0): dφ di 1 1 dφ di 2 2 u = N = L u = N = L 1 1 1 2 2 2 dt dt dt dt dφ di 12 1 2 u = N = M dφ di u = N = M 2 2 1 1 dt dt dt dt dφ dt dφ dt dφ dt dφ dt 12 1 2 dφ M di 12 1 dφ L di 1 1 1 M L1 = dt N dt = dt N dt M M L L 2 1 N N 2 1, N N N N 2 1 M dφ M di dφ L di 2 2 2 2 = M L2 = 2 M L L dt N dt dt N dt 1 N N 2 Induktiivisen kytkennän laatua kuvataan kytkentäkertoimella k : M k =. L L L L

KESKINÄISINDUKTANSSIN PISTESÄÄNTÖ Keskinäisinduktanssi M huomioidaan joko positiivisena tai negatiivisena. Jos käämien magneettivuot vahvistavat toisiaan, M huomioidaan positiivisena. Muulloin M huomioidaan negatiivisena. M riippuu siis sekä käämintäsuunnasta että virtojen suunnista. Piirilaskennassa M:n vaikutus määräytyy ns. pistesäännön avulla: Jos molemmat virrat tulevat pistepäähän tai lähtevät pistepäästä, M huomioidaan positiivisena. Jos toinen virroista tulee pistepäähän ja toinen lähtee pistepäästä, M huomioidaan negatiivisena.

PISTEPÄIDEN MÄÄRITTÄMINEN 1. Valitaan satunnaisesti yksi kuvan neljästä navasta pistepääksi (D valittu). 2. Syötetään virta käämiin valitusta pistepäästä (i D ). 3. Määritetään i D :n synnyttämän magneettivuon suunta oikean käden säännön avulla. 4. Valitaan yksi napa toisesta käämistä (A valittu) ja syötetään käämiin virta tästä navasta (i A ). 5. Määritetään i A :n synnyttämän magneettivuon suunta oikean käden säännön avulla. 6. Jos i D :n ja i A :n synnyttämät magneettivuot ovat samansuuntaiset, A valitaan pistepääksi. Jos em. magneettivuot ovat vastakkaissuuntaiset, B valitaan pistepääksi.

Keskinäisinduktanssin huomioiminen piirilaskennassa Samalla tavalla kuin induktanssiin L liittyvä impedanssi on jωl, myös keskinäisinduktanssiin M liittyvä impedanssi on jωm. Piirilaskennassa on kuitenkin oltava tarkkana, huomioidaanko keskinäisinduktanssi positiivisena vai negatiivisena. Keskinäisinduktanssin etumerkki määräytyy ns. pistesäännön avulla. Piirilaskennassa pistepäät on aina annettu, eikä niitä edes pystyisi käämin piirrosmerkistä selvittämään. Käytännön käämeille pistepäät on kuitenkin helpohkosti selvitettävissä. Esimerkki: Muodosta oheiselle kytkennälle silmukkavirtayhtälöt.

MUUNTAJA Toiminta perustuu keskinäisinduktanssiin. Muuntajassa virtapiirit yhdistetään toisiinsa keskinäisinduktanssin avulla mahdollisimman kiinteästi siten, että mahdollisimman suuri osa toisen käämin läpäisevästä magneettivuosta läpäisee myös toisen käämin. Muuntajia käytetään sähköenergiajärjestelmissä ja elektroniikkalaitteissa jännitteen muuntamiseksi suuremmaksi tai pienemmäksi. Muunnettavan jännitteen puolta (yleensä vasen) kutsutaan ENSIÖKSI ja muunnetun jännitteen puolta (yleensä oikea) TOISIOKSI.

MUUNTAJAESIMERKKI Tarkastellaan oheista muuntajaa. Käämien (induktanssit L 1 ja L 2 ) välinen kytkentäkerroin k on 0.91, ensiöpuolen jännite U 1 on 220 0 o V, ja jännitteen kulmataajuus ω on 100π rad/s. Laske U 2, kun a) L 1 = 1 H, L 2 = 10 mh ja muuntajan toisiota ei kuormiteta. b) L 1 = 10 mh, L 2 = 1 H ja muuntajan toisiota ei kuormiteta. c) L 1 = 1 H, L 2 = 10 mh ja muuntajan toisiota kuormitetaan 10 Ω:n vastuksella.

MUUNTAJAN T-SIJAISKYTKENTÄ Kun muuntajan ensiöllä ja toisiolla on yhteinen solmupiste, piirianalyysiä voidaan usein yksinkertaistaa T-sijaiskytkennän avulla.

Yhteenveto: keskinäisinduktanssi Mistä keskinäisinduktanssi syntyy? Käämin toiminta perustuu luonnonilmiöön (Faradayn laki), jossa muuttuva magneettikenttä indusoi jännitteen sähköä johtavaan kappaleeseen. Kun käämin virta muuttuu, käämiä ympäröivä magneettikenttä muuttuu, mistä indusoituu Faradayn lain mukaan jännite käämin yli. Kun käämit ovat niin lähellä toisiaan, että osa toisen käämin magneettivuosta kulkee myös toisen käämin läpi, käämien välillä on induktiivinen kytkentä. Tällöin virran muutos toisessa käämissä synnyttää jännitteen myös toiseen käämiin. Missä keskinäisinduktanssia hyödynnetään? Muuntajia käytetään jännitteen pienentämiseen (esim. sähköverkossa suurjännitelinjan ja jakeluverkon välillä, kotona kännykkälatureissa ja muussa kodin elektroniikassa) tai suurentamiseen (esim. sähköverkossa generaattorin ja suurjännitelinjan välillä).

KYTKETYN PIIRIN ENERGIA Tarkastellaan, miten keskinäisinduktanssi vaikuttaa magneettikenttään varastoituvaan energiaan. Yksittäiseen käämiin varastoituva energia on W on: W = LI. 2 Tarkastellaan oheista kytkentää. Alkutilanne: i 1 (0) = i 2 (0) = 0 A, u 1 (0) = u 2 (0) = 0 V. Kytketään ensiöpuolelle säädettävä jännitelähde, jolla i 1 (t) kasvatetaan vakioarvoon I 1. Toisiopuolen navat pidetään tyhjäkäynnissä. Toisiokäämiin indusoituu kyllä keskinäisinduktanssin vuoksi jännite, mutta toisiopuolen virta i 2 (t) pysyy nollassa. Kytkennän tehoksi p a (t) saadaan nyt: di ( t) di ( t) di ( t 1 1 1 ) p ( t) = u ( t a 1 ) i1 ( t) + u2 ( t) i2 ( t) = L i 1 1 ( t) + M 0 = L i 1 1 ( t). dt dt dt Kytkentään varastoituva energia W a on nyt: I ( ) 1 I di t 1 1 W = a p ( t a ) dt = L i 1 1 ( t) dt = L i 1 1 ( t) di1 ( t) = L 1 ( i1 ( t) ) = L I. 1 1 dt 0 0 2 2

Pidetään ensiökäämin virta vakiona ja kytketään toisiopuolelle säädettävä jännitelähde, jolla i 2 (t) kasvatetaan vakioarvoon I 2. Tällöin ensiökäämiin indusoituu jännite: di ( t 2 ) u1 ( t) = M. dt Toisiokäämiin ei indusoidu keskinäisinduktanssin kautta jännitettä, koska ensiökäämin virta ei muutu. Kytkennän tehoksi p b (t) saadaan nyt: di ( t) di ( t 2 2 ) p ( t) = u ( t b 1 ) i1 ( t) + u2 ( t) i2 ( t) = M I L i 2 ( t) dt + dt. Edellistä integroimalla saadaan kytkentään varastoituva energia W b : di ( t) di ( t 2 2 ) W = b pb ( t ) dt = MI dt + L i 1 2 2 ( t ) dt dt dt I2 I2 I2 I2 = MI di ( t ) + L i 2 2 ( t) di2 ( t ) = MI i ( t) + L 2 ( i2 ( t) ) = MI I + L I. 2 2 0 0 0 0 2 2 Kun i 1 (t) ja i 2 (t) ovat saavuttaneet vakioarvonsa, kytkennän kokonaisenergia W tot on: W = W + W = L I + L I + MI I. tot a b 1 2 2 2 Jos keskinäisinduktanssin vaikutus on negatiivinen, myös energia MI 1 I 2 on negatiivinen.