Calculation_pulsed_transformer.pdf

(440 KB) Pobierz
Теория расчётов импульс�½ых тра�½сформаторов
двухтакт�½ых ИИП и её подтвержде�½ие практикой
Е. МОСКАТОВ, г. Тага�½рог Ростовской обл.
Не секрет, что од�½им из ос�½ов�½ых компо�½е�½тов ИИП является импульс�½ый
тра�½сформатор. От точ�½ости его расчёта и качества изготовле�½ия зависят
важ�½ейшие параметры и характеристики ИИП – КПД, вес, габарит�½ые размеры и
�½адёж�½ость. Разработа�½�½ая методика расчёта [1] даёт результат, весьма далёкий от
вер�½ого. Проа�½ализируем �½екоторые допуще�½ия методики и допол�½им извест�½ые
расчёт и его улучше�½ие [2], ос�½овываясь �½е только �½а теоретических ос�½овах, �½о и
�½а практике изготовле�½ия двухтакт�½ых ИИП с импульс�½ыми тра�½сформаторами.
В литературе [1] и [2] КПД при�½ят рав�½ым 80 %. По логике расчётов это
КПД тра�½сформатора, хотя в [1] сказа�½о, что это КПД преобразователя. Обыч�½о в
преобразователе ИИП мощ�½остью от 100 до 500 Вт в диапазо�½е частот от 10 до 100
кГц КПД тра�½сформатора составляет 95 … 99 %, а общий КПД всего источ�½ика –
более 80 %. Необос�½ова�½�½о за�½иже�½�½ый КПД с�½ижает расчёт�½ое з�½аче�½ие
габарит�½ой мощ�½ости тра�½сформатора, повышает используемую мощ�½ость и
величи�½у прямоуголь�½ой составляющей тока ключевых тра�½зисторов, что может
привести к �½ерацио�½аль�½ому выбору послед�½их. Расчёт ста�½овится з�½ачитель�½о
более точ�½ым, если �½е задаваться КПД тра�½сформатора, а его определять по
усред�½ё�½�½ой зависимости от суммар�½ой мощ�½ости �½агрузки и частоты [3, с. 115],
показа�½�½ой �½а
рис. 1.
η
0,98
0,96
0,94
0,92
0,90
0,88
0,86
0,84
100 кГц
50 кГц
10 кГц
5 кГц
0
50
100
150
Рис. 1
соглас�½о
200
250
300 P�½,Вт
да�½�½ым
для
Зависимость
построе�½а
экспериме�½таль�½ым
маг�½итомягких
�½икель-ци�½ковых
и
марга�½ец-ци�½ковых
маг�½итопроводов различ�½ой марки и ко�½фигурации.
ферритовых
В справоч�½ых да�½�½ых [4 с. 8 – 11] указа�½о, что при �½апряжё�½�½ости
маг�½ит�½ого поля Hм = 800 А / м для ферритов марки 2000НН B�½ас = 0,25 Тл, а для
2000НМ B�½ас = 0,39 Тл. Началь�½ая маг�½ит�½ая про�½ицаемость µ�½ач для ферритов
марки 2000НН µ�½ач = 2000 (+400 -200), а для 2000НМ µ�½ач = 2000 (+500 -300).
Если ферритовое изделие подвергались тряске, ударам (явле�½ие шок-эффекта), то
его µ�½ач может з�½ачитель�½о уме�½ьшиться. Влия�½ие меха�½ических �½агрузок �½а
электромаг�½ит�½ые параметры сердеч�½иков зависит от �½аправле�½ия вектора
вызываемых ими меха�½ических �½апряже�½ий от�½оситель�½о �½аправле�½ия вектора
�½апряжё�½�½ости рабочего поля. К максималь�½ым изме�½е�½иям параметров
ферритовых маг�½итопроводов приводят меха�½ические �½апряже�½ия, действующие
перпе�½дикуляр�½о или параллель�½о �½аправле�½ию маг�½ит�½ого поля. В этих случаях
величи�½ы изме�½е�½ия электромаг�½ит�½ых параметров оди�½аковы и могут
различаться только з�½аком. При склеива�½ии разбитых сердеч�½иков их маг�½ит�½ые
свойства ме�½яются �½ез�½ачитель�½о [4 с. 13]. У совреме�½�½ых маг�½итопроводов B�½ас
может достигать 1 Тл и более.
Оптималь�½о использовать ферриты, специаль�½о пред�½аз�½аче�½�½ые для
работы в силь�½ых маг�½ит�½ых полях. О�½и в обоз�½аче�½ии имеют букву “С”. Мож�½о
использовать марга�½ец-ци�½ковые ферриты 2500НМС1 и 3000НМС, которые
приме�½яются в ТВС телевизио�½�½ых приём�½иков, так как о�½и обладают малыми
маг�½ит�½ыми потерями в силь�½ых маг�½ит�½ых полях и высокими з�½аче�½иями
маг�½ит�½ой и�½дукции при высоких температурах и подмаг�½ичива�½ии.
Кроме того, справоч�½ая величи�½а B�½ас = 0,39 Тл указа�½а для работы образца
из материала 2000НМ при си�½усоидаль�½ой форме �½апряже�½ия. Особе�½�½остью
работы импульс�½ых тра�½сформаторов ИИП является �½аличие импульс�½ого
�½апряже�½ия, отлич�½ого от гармо�½ического. Форма импульсов обыч�½о
прямоуголь�½ая с защит�½ой паузой �½а �½улевом уров�½е. B�½ас маг�½итопровода,
работающего при таком �½апряже�½ии, ме�½ьше, чем если бы о�½о было при
�½апряже�½ии си�½усоидаль�½ой формы.
Маг�½ит�½ая про�½ицаемость µ, и�½дукция B и �½апряжё�½�½ость поля H связа�½ы
между собой соот�½оше�½ием:
,
B
µ=
H · µ
0
в котором µ
0
– абсолют�½ая маг�½ит�½ая про�½ицаемость вакуума.
При приближе�½ии част�½ого цикла перемаг�½ичива�½ия к предель�½ому циклу петли
гистерезиса маг�½ит�½ая про�½ицаемость будет уме�½ьшаться. Это происходит потому,
что с ростом тока через обмотку возрастает �½апряжё�½�½ость поля H, �½о замедляется
увеличе�½ие и�½дукции B. В моме�½т �½асыще�½ия сердеч�½ика I → ∞, H → ∞, µ → 0, и
L → 0. Сопротивле�½ие обмотки ста�½овится из и�½дуктив�½о-актив�½ого чисто
актив�½ым. Потеря маг�½ит�½ых свойств материала сердеч�½ика приводит к выходу из
строя преобразователя ИИП.
С уме�½ьше�½ием µ и�½дуктив�½ость обмотки уме�½ьшается и возрастает ток
через обмотку. Это приводит к разогреву сердеч�½ика. С ростом температуры
маг�½итопровода µ возрастает. Так, для феррита 2000НН с повыше�½ием
температуры от 0 до +60 °С з�½аче�½ие µ возрастает от 1750 до 2500. Для 2000НМ с
ростом температуры от -15 до +160 °С µ увеличивается от 2000 до 2800. При
даль�½ейшем росте температуры µ будет резко уме�½ьшаться. Таким образом, в
определё�½�½ых пределах получается компе�½сация. Мож�½о предположить, что для
кольцевого сердеч�½ика эффектив�½ая маг�½ит�½ая про�½ицаемость в�½утри част�½ого
цикла петли гистерезиса будет пример�½о рав�½а �½ачаль�½ой µэфф ≈ µ�½ач. Поэтому в
расчётах для простоты соглас�½о [4, с. 21] будем при�½имать для част�½ого цикла
µэфф = µ�½ач.
В качестве сердеч�½иков �½е�½асыщающихся импульс�½ых тра�½сформаторов
двухтакт�½ых ИИП требуется приме�½ять материалы с �½епрямоуголь�½ой петлёй
гистерезиса [6, с. 236, 237]. Из-за �½есимметрич�½ости плеч преобразователя,
обусловле�½�½ой �½еиде�½тич�½остью параметров тра�½зисторов, а в схемах с отводом
от середи�½ы первич�½ой обмотки тра�½сформатора – отсутствием симметрии
полуобмоток, происходит подмаг�½ичива�½ие сердеч�½ика постоя�½�½ой составляющей
тока первич�½ой обмотки. Если приме�½ить маг�½итопровод с ППГ, то такое
подмаг�½ичива�½ие приведёт к резкому изме�½е�½ию петли гистерезиса, и в моме�½т
коммутации ключевых тра�½зисторов сердеч�½ик войдёт в �½асыще�½ие. Через
тра�½зисторы будут протекать импульсы токов, различ�½ых по величи�½е. В
результате тепловые режимы тра�½зисторов смеж�½ых плеч будут резко отличаться.
Неправиль�½ым выбором материала маг�½итопровода объяс�½яется выход из строя
тра�½зисторов только в од�½ом из плеч преобразователя.
Если преобразователь автоге�½ератор�½ый, а силовой или переключатель�½ый
тра�½сформатор работает в режиме с заходом в область �½асыще�½ия, то в качестве
материала их сердеч�½иков, соглас�½о [6, с. 245], мож�½о использовать феррит с ППГ.
С ростом частоты маг�½ит�½ая про�½ицаемость ферритов уме�½ьшается, а потери
в �½их возрастают [4, с. 14]. В справоч�½иках приводят з�½аче�½ия гра�½ич�½ых частот
приме�½е�½ия феррита. Гра�½ич�½ая частота – при которой та�½ге�½с угла потерь раве�½
0,1. Маг�½ит�½ые потери зависят от и�½дукции, частоты, свойств феррита и типа
катушки. Гра�½ич�½ая частота тороидаль�½ых катушек со сплош�½ой �½амоткой
ме�½ьше, чем для катушек других типов, �½апример, цили�½дрических [4, с. 14].
Поэтому частоту преобразова�½ия ИИП следует задавать ме�½ьше гра�½ич�½ой
частоты материала выбра�½�½ого сердеч�½ика.
Итак, если сердеч�½ик уже выбра�½, то перед расчётом весьма желатель�½о
измерить его и�½дукцию �½асыще�½ия B�½ас и определить µ. Также весьма желатель�½о
измерить габарит�½ые размеры маг�½итопровода, а �½е при�½имать да�½�½ые
типоразмера.
Экспериме�½таль�½о определим B�½ас и H�½ас. Для измере�½ия соберём
уста�½овку, показа�½�½ую �½а
рис. 2.
R1 3
G1
G
R2 33
PA1
А
PV1 L1
V
Рис. 2
Так как тра�½сформатор долже�½ работать �½е �½а гармо�½ических колеба�½иях, а
�½а прямоуголь�½ых импульсах �½апряже�½ия, то и измерять и�½дукцию следует при
воздействии меа�½дра �½а образец. В качестве ге�½ератора мощ�½ых прямоуголь�½ых
импульсов в радиолюбительской практике �½аиболее подходит вспомогатель�½ый
импульс�½ый источ�½ик, с гальва�½ически развязывающего тра�½сформатора которого
с�½имаются импульсы.
Маг�½итопровод L1 примем ферритовый, кольцевой формы. Обмотка
�½аматывается рав�½омер�½о по всей дли�½е кольца для исключе�½ия �½асыще�½ия
отдель�½ых областей, а �½е всего сердеч�½ика. Настраиваем ге�½ератор так, чтобы о�½
выдавал прямоуголь�½ые импульсы с частотой, �½а которой будет работать
тра�½сформатор в ос�½ов�½ой ко�½струкции. Резистор R1 – балласт�½ый. О�½ �½уже�½ для
предотвраще�½ия выхода из строя вспомогатель�½ого ИИП в случае, если движок
переме�½�½ого резистора R2 �½аходится в край�½ем правом по схеме положе�½ии.
Мощ�½ость резистора R2 – около 50 Вт. Исход�½о движок R2 уста�½овле�½ в край�½ее
левое по схеме положе�½ие. С помощью резистора R2 будем повышать �½апряже�½ие,
прикладываемое к обмотке L1, и ток через �½её. По следующим формулам будем
рассчитывать B и H для различ�½ых з�½аче�½ий токов и �½апряже�½ий, показываемых
высокочастот�½ыми амперметром PA1 и вольтметром PV1.
I ·w
,
H
=
lср.л
U
−
I · R
,
B=
4
· F · w · Sc
где B, Тл и H, А / м – искомые и�½дукция и �½апряжё�½�½ость поля образца,
I, А и U, В – измере�½�½ые PA1 и PV1 переме�½�½ые ток через обмотку L1 и
�½апряже�½ие, прикладываемое к обмотке,
w – количество витков в проб�½ой обмотке,
lср.л,
м – дли�½а сред�½ей ли�½ии маг�½итопровода (�½аходится, исходя из в�½еш�½его и
в�½утре�½�½его диаметра тороидаль�½ого сердеч�½ика по формуле из пу�½кта 7 �½иже
приведё�½�½ого расчёта),
R, Ом – омическое сопротивле�½ие обмотки,
F, Гц – частота работы ге�½ератора G1,
Sc, м
2
– площадь сече�½ия маг�½итопровода (�½аходится соглас�½о пу�½кту 5 расчёта).
С�½имая показа�½ия амперметра и вольтметра, следует пом�½ить, что измере�½ия
проводятся при воздействии �½еси�½усоидаль�½ого �½апряже�½ия, то есть требуется
учитывать коэффицие�½т формы импульсов. Для измере�½ий мож�½о использовать
осциллограф. После проведе�½ия измере�½ий требуется резистором R2 плав�½о
уме�½ьшить ток через обмотку для ми�½имизации остаточ�½ой �½амаг�½иче�½�½ости
сердеч�½ика и отключить уста�½овку.
Рассчитав по выше указа�½�½ым формулам B и H, требуется построить график.
О�½ долже�½ получиться таким, как показа�½о �½а
рис. 3.
B, Тл
B�½ас
Bm
0
Hm
Рис. 3
H, А/м
График мож�½о разбить �½а три участка. На первом участке происходит рост
и�½дукции при увеличе�½ии �½апряжё�½�½ости. Этот участок мож�½о аппроксимировать
прямой. На втором участке �½аблюдается замедле�½ие роста и�½дукции. Может
�½аблюдаться прогиб характеристики вог�½утостью в�½из. На третьем – и�½дукция
практически �½е возрастает при з�½ачитель�½ом увеличе�½ии �½апряжё�½�½ости. Этот
участок, так же как и первый, мож�½о аппроксимировать прямой. Продлим
аппроксимирующие прямые, и от точки их соеди�½е�½ия опустим перпе�½дикуляры
�½а оси. В точке пересече�½ия перпе�½дикуляра с осью Н будет иметь место
максималь�½ая �½апряжё�½�½ость поля Hm, а в точке пересече�½ия перпе�½дикуляра с
осью B будет �½аблюдаться и�½дукция �½асыще�½ия маг�½итопровода B�½ас.
Экспериме�½таль�½о определить µ кольцевого маг�½итопровода мож�½о
соглас�½о [5, с. 581, 582]. Для этого рав�½омер�½о по всей дли�½е кольца �½аматывают
проб�½ую катушку, содержащую w
1
витков. Затем измеряют её и�½дуктив�½ость и
вычисляют маг�½ит�½ую про�½ицаемость сердеч�½ика по формуле:
2500
· L
1
· Dd
,
µ=
w
1
· h · D−d
2
где L
1
– измере�½�½ая и�½дуктив�½ость катушки в мкГ�½, D, d и h – размеры сердеч�½ика
в мм (в�½еш�½ий, в�½утре�½�½ий диаметры и высота).
При определе�½ии и�½дуктив�½ости �½адо пом�½ить, что соеди�½итель�½ые провода
прибора также имеют и�½дуктив�½ость. Эту паразит�½ую и�½дуктив�½ость следует
определить и вычесть из общей измере�½�½ой и�½дуктив�½ости, чтобы получить
з�½аче�½ие только для катушки. Дли�½а выводов обмотки долж�½а быть ми�½ималь�½а
(�½есколько миллиметров).
Часто у радиолюбителей воз�½икают труд�½ости с расчётом ёмкостей
ко�½де�½саторов делителя �½апряже�½ия полумостового преобразователя. Ёмкость
каждого из ко�½де�½саторов мож�½о приближё�½�½о рассчитать по формуле из [6 с. 234]
или �½есколько точ�½ее [3, с. 363]:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin