Bobine de reactanţă fără miez feromagnetic

1. Introducere

Noţiunea de bobina de reactanţa sau de bobina de inductanţa este

atribuita elementelor unui circuit electric sau ale unui sistem energetic

care în regim electromagnetic cvasistaţionar sunt considerate ca

având numai o inductivitate, respectiv o reactanţa inductivă.

Introducerea acestora în sistemul energetic are drept scop

producerea unei căderi de tensiune când este parcursa de un curent

alternativ sau un curent variabil în timp, respectiv realizarea unui

schimb de putere reactiva cu sistemul.

Căderea de tensiune în curent alternativ produsa de bobina de

reactanţă, în ipoteza că se neglijează rezistenţa înfăşurării şi se

consideră regimul cvasistaţionar, este dată de relaţia:

U b = 2π · f · L · I .

Căderea de tensiune este proporţională cu valoarea efectivă a

curentului I şi cu frecvenţa f, dacă se presupune că inductivitatea L a

bobinei este constantă.

Puterea reactivă a bobinei este:

Q = U b 2 /(2π · f · L) ;

Puterea reactivă variază proporţional cu pătratul tensiunii la

bornele bobinei, dacă inductivitatea L este presupusă constantă. La

bobinele cu miez de fier, odată cu creşterea tensiunii se produce

saturaţia miezului feromagnetic; inductivitatea L scade, având ca

Bobine de reactanţă fără miez feromagnetic

10

urmare o creştere a puterii reactive în funcţie de tensiunea la borne

mai rapidă decât cu pătratul valorii tensiunii.

Figura 1: Dimensiunile optime ale bobinei fără miez feromagnetic

Bobinele de reactanţă se utilizează în diferite scopuri: pentru

compensarea puterii reactiv – capacitive în reţelele electrice, pentru

limitarea curenţilor de scurtcircuit în sistemul energetic sau pentru

limitarea curenţilor de pornire la motoarele de inducţie, pentru

filtrarea armonicilor din curba curentului alternativ sau pentru

netezirea curentului continuu în instalaţiile de redresare, pentru

tratarea reţelelor electrice împotriva punerilor la pământ, precum şi

pentru protecţia liniilor de înaltă tensiune împotriva supratensiunilor.

Construcţia bobinelor cilindrice fără miez feromagnetic cu

dimensiunile din figura 1 corespund unui optim tehnico-economic,

realizând la o valoare data a inductivităţii, un volum minim al

înfăşurărilor. Construcţia optimă se obţine atunci când sunt

îndeplinite următoarele condiţii [3], [8]:

- bobina este pătrată: h = b = a;

- latura pătratului are valoarea: b= d m / 3, unde d m = (d i + d E ) / 2

este diametrul mediu al înfăşurării; rezultă că diametrul interior al

înfăşurării va fi d i = 2·b (raza interioară a înfăşurării este R i = b), iar

diametrul exterior al înfăşurării: d E = 4b.

11

Figura 2: Funcţia V / V 0 = f (h / b)

Construcţia optimă nu este critică în sensul că la abateri relativ

însemnate ale raportului dimensiunilor rezultă o creştere relativ mică

a volumului. În figura 2 s-a reprezentat grafic volumul bobinei V

raportat la volumul corespunzător construcţiei optime V 0 , în funcţie

de raportul dintre înălţimea h a acesteia şi raza sa interioară R i = b;

din graficul reprezentat în figura 2 rezultă ca se pot construi bobine cu

rapoarte ale dimensiunilor diferite − între anumite limite− faţă de cele

optime, deoarece creşterea volumului înfăşurării este relativ mică.

La proiectarea bobinelor se urmăreşte faptul ca suprafaţa ocupată

de bobine să fie cât mai mică pentru a ocupa cat mai puţin din

suprafaţa staţiei electrice în care se va monta; în acest scop bobinele

fără miez feromagnetic se construiesc cu o înălţime mai mare decât

înălţimea optimă. Această construcţie este favorabila şi pentru

procesul de transmisie a căldurii, deoarece creşte suprafaţa bobinei.

Condiţiile principale pe care trebuie să le satisfacă construcţia

bobinelor fără miez feromagnetic sunt următoarele [7]:

- Sa prezinte o stabilitate mecanică corespunzătoare la acţiunea

Bobine de reactanţă fără miez feromagnetic

12

forţelor electrodinamice produse de curentul de scurtcircuit brusc

maxim admisibil;

- Sa asigure o transmisie bună a căldurii dezvoltate în bobina în

regimul de funcţionare în regimul de durată, astfel încât valoarea

temperaturii conductoarelor sa fie sub valoarea maximă admisibilă

determinată de clasa de izolaţie; căldura dezvoltată în regimul

tranzitoriu de curentul de scurtcircuit să nu conducă la o temperatură

care să depăşească valoarea permisă în funcţie de clasa de izolaţie şi

de natura materialului;

- Să prezinte o izolaţie corespunzătoare între spire – între borne dar

şi faţă de masa – la valoarea maxima a tensiunii care apare la bornele

bobinei în regimul tranzitoriu.

Bobina de reactanţă fără miez feromagnetic realizată cu înfăşurarea

din solenoizi concentrici conectaţi în paralel asigură îndeplinirea

condiţiilor tehnice mai sus menţionate.