Elektromagnesy prądu przemiennego, stałego i bistabilne

Elektromagnesy prądu przemiennego, stałego i bistabilne

Elektromagnesy prądu przemiennego sprawdzają się świetnie w wielu urządzeniach. Trzeba jednak pamiętać, że ich praktyczne wykorzystanie różni się znacznie od elektromagnesów prądu stałego.

Oto najważniejsze informacje, które warto znać na ich temat. Oprócz tego garść praktycznych informacji o elektromagnesach bistabilnych.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Po lekturze tego wpisu będziesz znał podstawowe różnice między elektromagnesami prądu stałego i zmiennego (AC). Dowiesz się też, jak łatwo uchronić układ przed udarem generowanym podczas tzw. rozładowywania elektromagnesów. Poznasz również elektromagnesy bistabilne i zrozumiesz, jak to możliwe, że zawór do nawadniania zasilany z jednej małej baterii może działać przez cały sezon.

Czy elektromagnes może odpychać?

Przed omówieniem elektromagnesów prądu zmiennego (przemiennego) konieczne jest wyjaśnienie podstawowego zagadnienia. Czy elektromagnesy przyciągają, odpychają, czy działają dwojako (zależnie od sposobu zasilania)?

W praktyce mówimy o wytwarzaniu pola magnetycznego, które jest charakteryzowane przez wielkości wektorowe, m.in. przez indukcję magnetyczną – o czym więcej w artykule omawiającym najważniejsze parametry elektromagnesów. Wielkość wektorowa niesie informację o „sile” oraz kierunku. Jeżeli chodzi o kierunek, to w przypadku magnesów trwałych mówimy o dwóch biegunach: północnym (ang. north, N) i południowym (ang. south, S). Tak samo jest w przypadku elektromagnesów: ich biegunowość zależy od kierunku prądu.

Biegunowość elektromagnesu zależy od kierunku przepływu prądu przez jego cewkę

Biegunowość elektromagnesu zależy od kierunku przepływu prądu przez jego cewkę

Powszechnie wiadomo, że magnes i elektromagnes przyciągają przedmioty żelazne i stalowe (ogólnie – ferromagnetyczne). Wiadomo również, że dwa magnesy trwałe (elektromagnesy też) mogą się albo przyciągać, albo odpychać.

I tu kluczowe pytanie: czy zmiana kierunku prądu powoduje, że elektromagnes przestaje przyciągać np. stal i zaczyna ją odpychać? Nie! Zmiana kierunku prądu w uzwojeniu elektromagnesu zmienia tylko jego oddziaływanie z innymi magnesami – wtedy mamy albo przyciąganie, albo odpychanie.

Dlaczego tak się dzieje? Bo przedmioty z materiałów magnetycznych nie są magnesami trwałymi, ale mogą się namagnesować (i rozmagnesować). Pole magnetyczne wytworzone przez elektromagnes powoduje namagnesowanie przedmiotu ferromagnetycznego, dzięki czemu staje się on magnesem.

Może się on namagnesować w jednym albo przeciwnym kierunku. Z pewnych względów magnesuje się zawsze w takim kierunku, że następuje przyciąganie (nie będziemy jednak analizować, dlaczego tak się dzieje – to zadanie domowe dla dociekliwych Czytelników). Ważny wniosek płynie z tego taki, że jeśli zasilimy elektromagnes prądem przemiennym, to zawsze wystąpi przyciąganie:

Siła przyciągania (F) elektromagnesu przy prądzie przemiennym (I)

Siła przyciągania (F) elektromagnesu przy prądzie przemiennym (I)

W tym miejscu trzeba odnotować pierwszą ważną wskazówkę, że elektromagnes można zasilać prądem przemiennym, a nie tylko prądem stałym. Co więcej, takie zasilanie ma nawet istotną zaletę, ale jest możliwe pod pewnymi warunkami (o czym więcej w dalszej części artykułu).

Elektromagnesy prądu zmiennego (przemiennego)

Potocznie mówimy o elektromagnesach prądu zmiennego. Określenie „prąd zmienny” jest bardzo szerokie i obejmuje przebiegi o bardzo różnych kształtach. W praktyce najczęściej mamy do czynienia z sinusoidalnym prądem przemiennym (ang. alternate current, AC) z sieci energetycznej, który też jest prądem zmiennym, a terminów „prąd zmienny” i „prąd przemienny” używamy wymiennie.

Przy prądzie przemiennym z sieci energetycznej o częstotliwości 50 Hz (czyli o okresie 20 ms) co 10 ms zmienia się kierunek prądu i biegunowość wytwarzanego pola magnetycznego. Jednak niezależnie od kierunku prądu wytwarzana siła spowoduje przyciąganie przedmiotów ferromagnetycznych. Tak, tylko siła ta będzie się zmieniać – będzie to pulsowanie z podwojoną częstotliwością (100 Hz).

Co ważne, przy przejściu wartości prądu w elektromagnesie przez zero siła przyciągania też spada do zera. Wtedy wchodzi w grę tzw. mechaniczna częstotliwość rezonansowa przyciąganych przedmiotów (systemu elektromechanicznego), a w przypadku przekaźników elektromagnetycznych i styczników – także bezwładność ich styków.

Uzwojenie pomocnicze (zwarty zwój)

Rozwiązaniem problemu zmian siły i wibracji jest taka modyfikacja układu, aby siła przyciągania nie spadała do zera, co realizowane jest w dość prosty i zaskakujący sposób. Otóż siła przyciągania jest wytwarzana przez pole magnetyczne. Chodzi więc o to, aby sumarycznie wytwarzane pole nie zmniejszało się do zera. Pole wytwarzane przez uzwojenie elektromagnesu zasilanego napięciem przemiennym zanika do zera, więc producenci dodają drugie, pomocnicze uzwojenie. Jest ono dość dziwne, bo składa się jedynie z jednego zwartego zwoju i obejmuje tylko część przekroju rdzenia.

Strzałki wskazują dwa zwarte zwoje, obejmujące część przekroju rdzenia

Strzałki wskazują dwa zwarte zwoje, obejmujące część przekroju rdzenia

W tym zwartym uzwojeniu pole magnetyczne wytworzone przez uzwojenie główne indukuje prąd. Co bardzo ważne, prąd w tym uzwojeniu pomocniczym, w zwartym zwoju, jest opóźniony (jego faza jest przesunięta o ćwierć okresu). Ten „opóźniony prąd” z uzwojenia pomocniczego również powoduje powstanie pola magnetycznego.

W rdzeniu elektromagnesu prądu zmiennego mamy więc sumę dwóch pól magnetycznych: jednego wytwarzanego przez uzwojenie główne i drugiego, opóźnionego, wytwarzanego przez uzwojenie pomocnicze. Następuje dodawanie tych dwóch pól magnetycznych, a ponieważ występuje przesunięcie w czasie, sumaryczne pole magnetyczne (tym samym siła przyciągania) nigdy nie zmniejsza się do zera, tylko pulsuje w pewnych granicach. Właśnie taki niepozorny zwarty zwój umożliwia prawidłową pracę przy zasilaniu prądem przemiennym (AC).

Przykładowy przekaźnik prądu przemiennego z dodatkowym uzwojeniem – zaznaczonym czerwoną strzałką, obejmującym połowę rdzenia (zdjęcie: Ulfbastel, CC BY-SA 3.0)

Przykładowy przekaźnik prądu przemiennego z dodatkowym uzwojeniem – zaznaczonym czerwoną strzałką, obejmującym połowę rdzenia (zdjęcie: Ulfbastel, CC BY-SA 3.0)

Warto podkreślić, że zwykły elektromagnes stałoprądowy DC (bez zwartego zwoju) nie nadaje się do zasilania prądem przemiennym 50 Hz. Natomiast elektromagnes zmiennoprądowy AC (ze zwartym zwojem) może pracować przy zasilaniu prądem stałym, będzie jednak miał nieco inne parametry dynamiczne – tzn. będzie nieco bardziej „leniwy”. Może pracować przy prądzie stałym, ale przy napięciu stałym DC znacznie niższym, niż wynosi jego nominalne napięcie zmienne AC.

Elektromagnes na prąd przemienny – zalety

Praca elektromagnesu przy prądzie stałym wydaje się naturalna i optymalna. Jednak często wcale tak nie jest! Problemem są zmiany siły i poboru prądu. Jeżeli elektromagnes coś przyciąga, to dopiero po przyciągnięciu zostaje zamknięty tzw. obwód magnetyczny i wtedy ma on największą siłę trzymania. Natomiast przed przyciągnięciem obwód magnetyczny jest przerwany i występuje w nim przerwa powietrzna (ang. air gap), a jej obecność oznacza mniejszą siłę przyciągania.

Działanie elektromagnesu likwiduje przerwę powietrzną, co powoduje mocniejsze przyciąganie

Działanie elektromagnesu likwiduje przerwę powietrzną, co powoduje mocniejsze przyciąganie

Oznacza to, że po zadziałaniu przekaźnika (przyciągnięciu kotwicy) można zasilać zawarty w nim elektromagnes dużo mniejszym prądem niż prąd wymagany podczas włączania. W najprostszych obwodach sterowania elektromagnesów prądu stałego tak nie jest i zmniejszenie prądu po zadziałaniu wymaga komplikacji układu sterowania.

Dla zaawansowanych: impedancja cewki elektromagnesu AC

Nie wchodząc w szczegóły, odnotujmy ważny fakt: indukcyjność cewki – uzwojenia elektromagnesu zależy od rdzenia. Na pewno po zamknięciu obwodu magnetycznego indukcyjność uzwojenia L jest większa. A jeżeli większa jest indukcyjność L, to większa jest też reaktancja indukcyjna, czyli tzw. oporność bierna cewki: XL = 2πfL. Zmienia się tu indukcyjność L i reaktancja XL. Rozważmy dwie wersje:

Przy zasilaniu napięciem i prądem stałym (DC) nie ma to praktycznie żadnego znaczenia, gdyż prąd cewki jest niezmienny, wyznaczony tylko przez rezystancję uzwojenia R (pomijamy nieznaczącą w praktyce szybkość narastania prądu w momencie włączenia, wyznaczającą czas włączania). Prąd cewki (I = U / R) jest taki sam podczas włączania, gdy zwora nie jest jeszcze przyciągnięta, i taki sam później, po włączeniu i przyciągnięciu zwory.

Przy zasilaniu napięciem i prądem przemiennym (AC) sytuacja jest znacząco inna, zdecydowanie korzystniejsza, i to z dwóch powodów. Otóż wtedy przez cewkę płynie prąd wyznaczony nie tylko przez rezystancję drutu nawojowego, ale też przez reaktancję indukcyjną cewki, a ściślej przez (wektorową) sumę oporności R i XL, czyli przez jakąś oporność zespoloną (impedancję Z).

Zmiana oporności biernej cewki

Zmiana oporności biernej cewki

Prąd (przemienny) ma wartość I = U / Z. Zaraz po podaniu napięcia przemiennego na cewkę obwód magnetyczny ma powietrzną przerwę, cewka ma mniejszą indukcyjność, mniejszą reaktancję i mniejszą impedancję – w efekcie w pierwszej chwili po włączeniu prąd jest większy i większa jest siła przyciągania elektromagnesu AC (proporcjonalna do prądu)!

Gdy elektromagnes zadziała, przyciągnie zworę i zamknie obwód magnetyczny, znacząco wzrośnie indukcyjność (L), reaktancja (X) i impedancja (Z). Wzrost impedancji spowoduje zmniejszenie prądu i teoretycznie także zmniejszenie siły przyciągania, ale to nie jest wadą, bo zwora jest przyciągnięta i mniejszy prąd z powodzeniem wystarcza do jej przytrzymania, bo nie ma przerwy powietrznej.

Jest i drugi powód, dlaczego praca elektromagnesu przy prądzie przemiennym jest korzystniejsza. Otóż wiemy, że o sile elektromagnesu decyduje wartość prądu i że idealny elektromagnes o zerowej oporności nie pobierałby energii (więcej na ten temat w artykule o parametrach elektromagnesów). Dla wytworzenia siły przyciągania ważny jest tylko prąd. Ale w praktyce przepływ prądu nierozłącznie wiąże się z napięciem i ze stratami mocy w postaci ciepła (tzw. ciepło Joule’a, P = I²R). Przy prądzie stałym te straty cieplne są duże, a przy prądzie przemiennym jest znacznie lepiej – mogą być dużo mniejsze!

Otóż najprościej ujmując, dla uzyskania tej samej siły przyciągania potrzebny jest przepływ prądu przemiennego (I = U / Z) o takiej samej wartości jak prądu stałego (I = U / R). Można powiedzieć, że jeżeli mamy uzyskać taki sam prąd, to w elektromagnesie prądu przemiennego impedancja Z powinna być taka jak rezystancja R w elektromagnesie prądu stałego. Tak, ale w elektromagnesie prądu przemiennego prąd płynie nie tylko przez rezystancję uzwojenia R, ale też przez reaktancję indukcyjną XL. Prąd powoduje straty cieplne tylko w rezystancji R, a nie w reaktancji XL – reaktancja XL (także XC) jest bezstratna!

Nie ma tu żadnego oszustwa! Dla jeszcze bardziej zaawansowanych czytelników: obecność reaktancji oznacza pulsowanie – dwukierunkowe przenoszenie porcji energii między źródłem zasilania i polem magnetycznym cewki. W innych zastosowaniach to pulsowanie energii jest wadą, ale tu jest korzystne.

Co więcej, obecność tej dodatkowej reaktancji przy zasilaniu elektromagnesu (np. w przekaźniku) napięciem przemiennym AC wyjaśnia, dlaczego przy próbie zasilenia tego elementu napięciem stałym musi ono być mniejsze niż nominalne napięcie przemienne przewidziane dla tego elementu.

Bezpieczne rozładowanie elektromagnesu

W artykule o parametrach elektromagnesów mówiliśmy, że podczas włączania elektromagnesu cewka ładuje się (prądem) i gromadzi się w niej porcja energii (ściślej – porcja energii gromadzi się w polu magnetycznym). Podczas wyłączania elektromagnesu tej porcji energii trzeba się jakoś bezpiecznie pozbyć, bez wytworzenia groźnych przepięć, które mogłyby uszkodzić pozostałą część układu.

Przy prądzie stałym, jak w każdej cewce, podczas przerywania prądu występuje zjawisko samoindukcji. Cewka próbuje podtrzymać dalszy przepływ prądu i wytwarza przepięcie, które może mieć amplitudę nawet kilkuset (lub więcej) woltów. Takie przepięcie może coś zniszczyć w obwodzie, dlatego w przypadku elektromagnesów prądu stałego dodaje się po prostu diodę rozładowującą.

Przykładowe podłączenie elektromagnesu lub przekaźnika elektromagnetycznego prądu stałego (sterowanego przyciskiem lub np. z mikrokontrolera przez tranzystor)

Przykładowe podłączenie elektromagnesu lub przekaźnika elektromagnetycznego prądu stałego (sterowanego przyciskiem lub np. z mikrokontrolera przez tranzystor)

Z kolei w obwodach elektromagnesów prądu przemiennego (AC) diody użyć nie można, ale dla stłumienia przepięć często stosuje się tam tzw. gasiki RC.

Przykładowe podłączenie elektromagnesu lub przekaźnika elektromagnetycznego prądu przemiennego (sterowanego przyciskiem lub np. z mikrokontrolera przez triak)

Przykładowe podłączenie elektromagnesu lub przekaźnika elektromagnetycznego prądu przemiennego (sterowanego przyciskiem lub np. z mikrokontrolera przez triak)

Elektromagnesy i przekaźniki polaryzowane

Materiały ferromagnetyczne to takie, które albo są magnesami trwałymi, albo mogą być magnesami pod wpływem pola magnetycznego – ulegają chwilowemu namagnesowaniu, magnesują się. Wcześniej stwierdziliśmy, że w elektromagnesie rdzeń ma być wykonany z materiału ferromagnetycznego, który nie jest magnesem trwałym. Taki rdzeń staje się magnesem tylko w czasie przepływu prądu, który wytwarza pole magnetyczne. Po zaniku prądu w idealnym przypadku rdzeń momentalnie przestaje być magnesem – i można powiedzieć, że właśnie tak jest w większości elektromagnesów i przekaźników.

Dodajmy do klasycznego elektromagnesu niewielki magnes trwały. Niewielki, by rdzeń tylko po części był magnesem, a po części „zwykłym”, miękkim materiałem ferromagnetycznym. Wtedy mały magnes wytworzy wstępnie jakieś pole magnetyczne, ale na tyle małe, że nie spowoduje ono zadziałania i przyciągnięcia zwory. Jednak do przyciągnięcia zwory w takim „wspomaganym” elektromagnesie wystarczy już prąd dużo mniejszy niż w wersji „zwykłej”!

Przykładowe rozwiązanie elektromagnetycznego przekaźnika spolaryzowanego firmy Omron

Przykładowe rozwiązanie elektromagnetycznego przekaźnika spolaryzowanego firmy Omron

Praktycznym problemem będzie tutaj takie dobranie magnesu trwałego i jego warunków pracy, żeby po wyłączeniu prądu elektromagnes puścił zworę. To trudna kwestia, więc w praktyce stosowane są przeróżne zmodyfikowane rozwiązania, a przekaźniki polaryzowane wymagają zasilania napięciem o określonej biegunowości.

Elektromagnesy dwu- i trzystanowe

Oto inny przykład: zastosujmy w elektromagnesie magnes w roli kotwicy, czyli zwory magnetycznej. Wtedy w zależności od kierunku prądu w cewce elektromagnesu uzyskalibyśmy albo przyciąganie, albo odpychanie. Można byłoby zbudować elektromagnes „dwukierunkowy” lub przekaźnik trzystanowy.

Możemy sobie wyobrazić w uproszczeniu, że kotwica jest tam magnesem trwałym, natomiast rdzeń elektromagnesu jest zbudowany z materiału ferromagnetycznego o właściwościach pośrednich. Pośrednich między materiałem magnetycznie miękkim, który natychmiast się rozmagnesowuje, a magnesem stałym, który jest materiałem (ferromagnetycznym) twardym. Czyli rdzeń ma być zbudowany z materiału, który można namagnesować i w którym to namagnesowanie jest względnie trwałe. Można go rozmagnesować, a raczej przemagnesować za pomocą pola magnetycznego o przeciwnej biegunowości, wytworzonego przez prąd płynący w przeciwnym kierunku.

Elektromagnesy w przekaźnikach bistabilnych

Doszliśmy do elektromagnesów i przekaźników bistabilnych (dwustabilnych), czyli takich, które po przełączeniu pamiętają swoją pozycję. Kluczem jest tutaj zastosowanie rdzenia, który można traktować jako słaby, niezbyt trwały magnes, pozwalający się łatwo przemagnesować. Niektóre takie bistabilne elementy mają jedno uzwojenie, przez które trzeba przepuszczać prąd w obu kierunkach, a inne mają dwa oddzielne uzwojenia (jedno do włączania, a drugie do wyłączania).

Nie jest to wcale teoretyczna ciekawostka! Takie dwustanowe, pamiętające elektromagnesy stosowane są w zasilanych bateryjnie sterownikach nawadniania. Poniżej widoczne są dwa na pozór jednakowe elektromagnesy do zaworów nawadniania. Z wyglądu są bardzo podobne. Ten z lewej strony, z dwoma czerwonymi przewodami, jest zwykłym elektromagnesem prądu przemiennego, drugi, z przewodami czarnym i czerwonym, jest dwustanowym, impulsowym elektromagnesem pamiętającym (ang. latching solenoid). Ten drugi wymaga zasilania tylko wtedy, gdy ma zmienić swój stan na przeciwny.

Elektromagnes klasyczny i pamiętający

Elektromagnes klasyczny i pamiętający

Właśnie takie elektromagnesy, które są sterowane krótkimi impulsami o dodatniej i ujemnej polaryzacji, powodują, że do całorocznego zasilania ogrodowego sterownika nawadniania wystarcza jedna bateria 9-woltowa lub cztery „paluszki”. Tego rodzaju pamiętające, impulsowe elektromagnesy pracują też w energooszczędnych przekaźnikach bistabilnych, które pomału stają się coraz popularniejsze.

Wnętrze przykładowego przekaźnika bistabilnego

Wnętrze przykładowego przekaźnika bistabilnego

Przy obecnych tendencjach do zmniejszania poboru energii każdy elektronik powinien poznać takie bistabilne przekaźniki i je stosować, ponieważ pozwalają one na bardzo łatwe obniżenie poboru prądu całego urządzenia, w którym prąd pobierany przez cewkę elektromagnesu przekaźnika jest znaczący.

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Elektromagnesy mogą być zasilane prądem stałym i przemiennym. Co ciekawe, zasilanie ich prądem przemiennym okazuje się w wielu zastosowaniach korzystniejsze, ponieważ pozwala bez dodatkowych nakładów obniżyć pobór prądu po załączeniu przekaźnika. Innym, jeszcze bardziej energooszczędnym typem przekaźników elektromagnetycznych są przekaźniki bistabilne.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 5 / 5. Głosów łącznie: 49

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Budowa podstawowych elektromagnesów jest niezwykle prosta, a mnogość zastosowań dla tego typu elementów może zaskoczyć – od otwierania drzwi, przez wykonywanie skomplikowanych badań MRI, aż po „lewitujące” pociągi i olbrzymie akceleratory cząstek. W kontekście tych ostatnich warto również zainteresować się czym jest elektromagnes nadprzewodnikowy.

Piotr Górecki

Elektromagnesy nadprzewodnikowe, Bittera i „wybuchowe”
Elektromagnesy nadprzewodnikowe, Bittera i „wybuchowe”

Elektromagnesy nadprzewodnikowe to jedne z najsilniejszych elektromagnesów, jakie istnieją. Są one zbudowane z materiałów, które nie stawiają... Czytaj dalej »

O autorze: Piotr Górecki

PG
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

elektromagnes, jtd

Trwa ładowanie komentarzy...