Inele de ferită pentru comutarea surselor de alimentare. Calculul transformatoarelor surselor de alimentare cu impulsuri

Este nevoie de bloc puternic nutriţie. În cazul meu, există două nuclee magnetice: bandă blindată și toroidală. Tip de armură: ШЛ32х50(72х18). Tip toroidal: OL70/110-60.

DATE INIȚIALE pentru calcularea unui transformator cu miez magnetic toroidal:

• tensiunea infasurarii primare, U1 = 220 V;
• tensiunea înfășurării secundare, U2 = 36 V;
• curent bobinaj secundar, l2 = 4 A;
• diametrul exterior al miezului, D = 110 mm;
• diametru interior miez, d = 68 mm;
• înălțimea miezului, h = 60 mm.

Calculul unui transformator cu miez magnetic de tip ШЛ32х50 (72х18) a arătat că miezul în sine este capabil să producă o tensiune de 36 de volți cu o putere a curentului de 4 amperi, dar este posibil să nu fie posibilă înfășurarea înfășurării secundare din cauza ferestrei insuficiente. zonă. Să începem să calculăm un transformator cu miez magnetic de tip OL70/110-60.

Calculul software (on-line) vă va permite să experimentați cu parametrii din mers și să reduceți timpul de dezvoltare. Puteți calcula și folosind formulele, acestea sunt date mai jos. Descrierea câmpurilor introduse și calculate ale programului: un câmp albastru deschis - datele inițiale pentru calcul, un câmp galben - date selectate automat din tabele, dacă bifați caseta pentru a ajusta aceste valori, câmpul își schimbă culoarea în albastru deschis și vă permite să introduceți propriile valori, câmp verde- valoarea calculată.

Formule și tabele pentru calculul manual al unui transformator:

1. Puterea bobinajului secundar;

2. Puterea totală a transformatorului;

3. Secțiunea transversală reală a oțelului miezului magnetic la locul bobinei transformatorului;

4. Secțiunea transversală calculată a oțelului miez magnetic la locul bobinei transformatorului;

5. Suprafața reală a secțiunii transversale a ferestrei de bază;

6. Magnitudine curent nominalînfășurare primară;

7. Calculul secțiunii transversale a firului pentru fiecare dintre înfășurări (pentru I1 și I2);

8. Calculul diametrului firelor din fiecare înfăşurare fără a ţine cont de grosimea izolaţiei;

9. Calculul numărului de spire în înfășurările transformatorului;

n - numărul de înfășurare,
U’ este căderea de tensiune în înfășurări, exprimată ca procent de valoarea nominală, vezi tabel.

La transformatoarele toroidale, valoarea relativă a căderii totale de tensiune în înfășurări este semnificativ mai mică în comparație cu transformatoarele blindate.

10. Calculul numărului de spire pe volt;

11. Formula de calcul a puterii maxime pe care o poate furniza circuitul magnetic;

Sst f - secțiunea transversală reală a oțelului circuitului magnetic existent la locul bobinei;

Sok f - suprafața reală a ferestrei în circuitul magnetic existent;

Vmax - inducție magnetică, vezi tabelul nr. 5;

J - densitatea curentului, vezi tabelul nr. 3;

Kok - factor de umplere a ferestrei, vezi tabelul nr. 6;

Kst este coeficientul de umplere a circuitului magnetic cu oțel, vezi tabelul nr. 7;

Mărimile sarcinilor electromagnetice Vmax și J depind de puterea scoasă din înfășurarea secundară a circuitului transformatorului și sunt luate pentru calcule din tabele.

După ce a determinat valoarea Sst*Sok, puteți selecta dimensiunea liniară necesară a circuitului magnetic, având un raport de suprafață nu mai mic decât cel obținut în urma calculului.

Conţinut:

Folosit pe scară largă în electronică și inginerie electrică diverse tipuri transformatoare. Acest lucru face posibilă utilizarea sistemelor electronice în multe domenii de producție și activitate economică. Prin urmare, împreună cu calculele de bază, mare valoare dobândește calculul unui transformator de impulsuri. Aceste dispozitive sunt elemente importante care sunt utilizate în toate circuitele surselor de alimentare moderne.

Scopul și funcționarea unui transformator de impulsuri

Transformatoarele de impulsuri sunt utilizate în sistemele de comunicații și diverse dispozitive automate. Lor functia principala este de a face modificări ale amplitudinii și polarității impulsurilor. Condiția principală pentru funcționarea normală a acestor dispozitive este considerată a fi distorsiunea minimă a semnalelor pe care le transmit.

Principiul de funcționare al unui transformator de impulsuri este următorul: atunci când la intrarea sa sunt primite impulsuri de tensiune dreptunghiulare cu o anumită valoare, apare o apariție treptată în înfășurarea primară. curent electricși crește în continuare forța sa. Această stare, la rândul ei, duce la o schimbare câmp magneticîn înfăşurarea secundară şi aspectul forta electromotoare. În acest caz, semnalul practic nu este distorsionat, iar pierderile mici de curent nu afectează nimic.

Când transformatorul atinge puterea de proiectare, apare în mod necesar o parte negativă a impulsului. Este foarte posibil să se minimizeze impactul prin instalarea unei diode simple în înfășurarea secundară. Ca rezultat, în acest moment pulsul va fi, de asemenea, cât mai aproape posibil de o configurație dreptunghiulară.

Principala diferență dintre un transformator de impuls și altele similare sisteme tehnice este considerat a fi un mod de operare exclusiv nesaturat. Un aliaj special este utilizat pentru fabricarea miezului magnetic, oferind mare debitului câmp magnetic.

Calculul datelor inițiale și selectarea elementelor dispozitivului

În primul rând, este necesar să selectați corect cel mai potrivit circuit magnetic. Modelele universale includ miezuri de armură cu configurații în formă de W și în formă de cupă. Setarea spațiului necesar între părțile miezului face posibilă utilizarea lor în oricare blocuri de puls nutriţie. Cu toate acestea, dacă este asamblat un convertor push-pull cu jumătate de punte, vă puteți descurca cu un miez magnetic inel convențional. La calcul, este necesar să se țină cont de diametrul exterior al inelului (D), diametrul interior al inelului (d) și de înălțimea inelului (H).

Există cărți de referință speciale despre miezurile magnetice, unde dimensiunile inelului sunt prezentate în format KDxdxH.

Înainte de a calcula un transformator de impulsuri, este necesar să obțineți un anumit set de date inițiale. Mai întâi trebuie să decideți asupra tensiunii de alimentare. Există câteva dificultăți aici din cauza posibilului... Prin urmare, pentru calcule, se ia valoarea maximă de 220 V + 10%, la care se aplică coeficienți speciali:

• Valoarea amplitudinii este: 242 V x 1,41 = 341,22 V.
• În continuare 341,22 - 0,8 x 2 = 340 V minus căderea de tensiune pe redresor.

Valoarea inducției și a frecvenței se determină cu ajutorul tabelelor:

1. Ferite mangan-zinc.

Opțiuni	Grad de ferită

2. Ferite de nichel-zinc.

Opțiuni	Grad de ferită
Frecvența de tăiere la tgδ ≤ 0,1, MHz
Inducția magnetică B la Hm = 800 A/m, T

Transformatoare de impulsuri de înfășurare

La bobinaj transformatoare de impulsuri este necesar să se țină cont de caracteristicile acestor dispozitive. În primul rând, ar trebui să acordați atenție distribuției uniforme a înfășurării de-a lungul întregului perimetru al miezului magnetic. În caz contrar, va exista o reducere semnificativă a puterii dispozitivului și, în unele cazuri, eșecul acestuia.

În cazul înfășurării firului cu propriile mâini, se folosește o înfășurare „turn to turn”, realizată într-un singur strat. Pe baza acestui lucru specificatii tehnice, transformatorul de impulsuri este calculat și în termeni de determinare cantitatea necesară se întoarce. Diametrul firului folosit pentru înfășurare trebuie selectat astfel încât întregul fir să se potrivească exact într-un singur strat, iar numărul de spire în acest caz va coincide cu datele calculate. Diferența dintre și rezultatul obținut folosind formula poate fi de la 10 la 20%, ceea ce vă permite să faceți o înfășurare fără a fi atenți la numărul exact de spire.

Există o formulă pentru a efectua calculele: W = n(D - 10 S - 4 d) / d, în care W-este numarul de spire din infasurarea primara, n- valoare constantă egală cu 3,1416, D- diametrul interior al inelului circuitului magnetic, S- grosimea garniturii izolatoare, d- diametrul fir izolat. Toleranța maximă pentru erori în calcule variază de la -5 la +10% în funcție de densitatea firelor.

Software conceput pentru calcularea transformatoarelor de impuls push-pull, convertoarelor de tensiune în punte și semipunte ale surselor de alimentare.

Printre principalele avantaje ale Lite-CalcIT, merită remarcată o interfață grafică convenabilă și ușor de înțeles, controlul și contabilizarea diferitelor caracteristici ale dispozitivelor electromagnetice în cauză, precum și generarea de rezultate destul de fiabile.

Software-ul în cauză face posibilă calcularea diametrelor fire de înfăşurare(ținând cont de efectul pielii - adâncimea de penetrare a curentului în rețeaua conductorului la o anumită frecvență), pierderile de putere în miezul magnetic, numărul de spire în înfășurările transformatorului și puterea sa totală, curentul de magnetizare al înfășurarea primară și inductanța acesteia, supraîncălzirea miezului magnetic și multe altele. Caracteristică importantă Lite-CalcIT este capacitatea de a selecta o schemă de rectificare și disponibilitate diverse opțiuni Controlere PWM: TL494, SG3525, IR2153 și altele asemenea. Există, de asemenea, două moduri de a răci transformatorul: forțat și natural. Forma miezului poate fi de tip E, ER, EI, ETD sau R, în plus, baza miezurilor magnetice este completată. Datele pentru produsele din alte mostre trebuie introduse independent, conform documentației producătorului. Când adăugați un miez nou în caseta combinată, programul adaugă automat prefixul formei și numele materialului la numele său. Lite-CalcIT oferă să calculeze până la patru înfășurări secundare ale unui transformator, iar pentru fiecare înfășurare secundară este indicat propriul circuit de redresare în conformitate cu figurile. La afișarea rezultatelor lucrării, acest software oferă nu numai diametrele firelor, ci și câte miezuri trebuie înfășurate cu aceste fire. Dacă există o sursă de alimentare bipolară cu un punct de mijloc, numărul de spire pentru fiecare braț va fi indicat prin semnul „+”.

Sfaturile cu instrumente sunt plasate pe rezultatele calculelor individuale și pe câmpurile de intrare. În plus, dacă o serie de parametri depășesc limitele rezonabile (de exemplu, încălzirea miezului), atunci acest software va avertiza utilizatorul despre acest lucru și va limita în mod independent un număr de valori setate. Toate datele din calculul anterior sunt salvate atunci când programul este repornit.

Acest software este o versiune simplificată a programului ExcellentIT și este potrivit pentru cei care nu doresc să se deranjeze cu un număr mare de parametri specifici diferiți (care sunt luați ca medie în mod implicit). Cu toate acestea, consecința acestui lucru este o eroare de calcul mai mare. Principalele diferențe față de versiunea completă– incapacitatea de a calcula inductanța bobinei de ieșire, precum și de a salva, încărca și imprima rezultatele muncii. Când lucrați cu Lite-CalcIT, nu trebuie să uităm că diametrul firului de-a lungul lacului va fi mai mare decât diametrul de intrare prin cupru.

Autorul acestui software este programatorul autohton Vladimir Denisenko, care locuiește în orașul Pskov. Pe lângă ExcellentIT și Lite-CalcIT, a scris alte câteva programe pentru determinarea componentelor de bobinare ale diferitelor dispozitive: Booster (creat pentru calcularea step-down și step-up). stabilizatoare de puls), Forward (transformatoare ale convertoarelor cu un singur capăt direct) și Flyback (transformatoare de sufocare ale convertoarelor flyback). Autorul urmează dorințele utilizatorilor și îmbunătățește constant software-ul de mai sus. Programele sale au devenit celebre nu numai în țările fostei URSS, ci și în străinătate.

Programul Lite-CalcIT este distribuit absolut gratuit. Nu necesită instalare în timpul instalării.

Limba interfeței calculatorului considerat transformator de impulsuri este rusă.

Dimensiunea programului este mai mică de 1 MB. Platforma de munca - sisteme de operare Microsoft Windows XP, Vista și 7 (funcționare testată în versiunile pe 32 și 64 de biți). Lite-CalcIT funcționează și în mediul Linux atunci când rulează sub Wine.

Descărcați: (descărcări: 953)

Distributie program:gratuit

Într-un convertor push-pull proiectat corespunzător D.C. prin înfășurare și polarizarea miezului sunt absente.
Acest lucru vă permite să utilizați un ciclu complet de inversare a magnetizării și să obțineți putere maximă. Deoarece transformatorul are mulți parametri interdependenți, calculul se efectuează pas cu pas, clarificând datele inițiale dacă este necesar.

1. Cum se determină numărul de ture și puterea?

Puterea totală obținută din starea înfășurării fără supraîncălzire este egală cu:

Pgab = S o S c f B m / 150 (1)

Unde: P gab- putere, W; S c- aria secțiunii transversale a circuitului magnetic, cm 2; S o- suprafața ferestrei centrale, cm 2; f- frecventa de oscilatie, Hz; Bm = 0,25 T- valoarea de inducție admisă pentru ferite interne de nichel-mangan la frecvențe de până la 100 kHz.

Selectăm puterea maximă a transformatorului ca 80% din puterea totală:

P max = 0,8 P gab (2)

Numărul minim de spire ale înfășurării primare n 1 determinat tensiune maxima pe înfăşurare Hmși inducerea miezului permisă Bm:

n = (0,25⋅10 4 U m) / (f B m S c) (3)

Densitatea curentului în înfășurare j pentru transformatoare cu o putere de până la 300 W acceptăm 3..5 A/mm 2 (mai multă putere corespunde mai puțin
sens). Diametrul firului în mm se calculează folosind formula:

d = 1,13 ⋅ (I / j) 1/2 (4)

Unde eu- curent efectiv de înfășurare în A.

Exemplul 1:

O instalație cu ultrasunete necesită un transformator step-up cu o putere de 30..40 W. Tensiunea pe înfășurarea primară este sinusoidală, cu o valoare efectivă Ueff= 100 V și frecvență 30 kHz.

Să alegem inel de ferită K28x16x9.
Aria sa transversala: Sc = (D - d) ⋅ h / 2 = (2,8 - 1,6) ⋅ 0,9 / 2 = 0,54 cm 2
Zona ferestrei: Deci=(d / 2) 2 π = (1,6 / 2) 2 π = 2 cm 2

Puterea totala: Pgab = 0,54 ⋅ 2 ⋅ 30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 / 150 = 54 W
Putere maxima: Pmax = 0,8 ⋅ 54 = 43,2 W

Tensiune maximă de înfășurare: Um=1,41 ⋅ 100 = 141 V
Numărul de ture: n 1 = 0,25 ⋅ 10 4 ⋅ 141 / (30 ⋅ 10 3 ⋅ 0,25 ⋅ 0,54) = 87
Numărul de spire pe volt: n0 = 87 / 100 = 0,87

Valoarea efectivă a curentului înfășurării primare: I = P / U = 40 / 100 = 0,4 A
Selectăm densitatea de curent 5 A/mm 2 . Atunci diametrul firului de cupru este: d = 1,13 ⋅ (0,4 / 5) 1/2 = 0,31 mm

2. Cum se clarifică densitatea de curent?

Dacă facem un transformator de putere mică, ne putem juca cu densitatea de curent și alegem fire mai subțiri fără teama de supraîncălzire. În cartea lui Eranosyan este dată următoarea tabletă:

De ce depinde densitatea curentului de puterea transformatorului?
Cantitatea de căldură degajată este egală cu produsul pierderilor specifice și volumul firului. Cantitatea de căldură disipată este proporțională cu aria înfășurării și cu diferența de temperatură dintre aceasta și mediu. Pe măsură ce dimensiunea transformatorului crește, volumul crește mai repede decât suprafața, iar pentru aceeași supraîncălzire trebuie reduse pierderile specifice și densitatea de curent. Pentru transformatoarele cu puterea de 4..5 kVA, densitatea de curent nu depășește 1..2 A/mm2.

3. Cum se clarifică numărul de spire ale înfășurării primare?

Cunoașterea numărului de spire ale înfășurării primare n Să-i calculăm inductanța. Pentru un toroid este determinat de formula:

L = μ 0 μ S cu n 2 / l a (5)

Unde este zona S cu dat în m2, lungime medie linie magnetică l aîn m, inductanța în H, μ 0 = 4π ⋅ 10 -7 H/m - constantă magnetică.

În versiunea de inginerie, această formulă arată astfel:

L = A L n 2(5A), n = (L / A L) 1/2(5B)

Coeficient A Lși parametrul de putere S o S c pentru unele tipuri de inele sunt date în Tabelul 2:

Pentru a opera transformatorul ca dispozitiv de potrivire trebuie îndeplinită următoarea condiție:

L > (4 .. 10) R / (2 π f min) (6)

Unde L- inductanța în H, R = U 2 eff / P n rezistența la sarcină redusă la înfășurarea primară Ohm,
f min- frecventa minima Hz.

În convertoarele cheie, în înfășurarea primară curg doi curenți, curentul de sarcină dreptunghiular I pr = U m / Rși curent triunghiular
magnetizare $$ I_T= (1 \over L) \int_0^(T/2) U_1 dt = ( T \over 2L )U_m $$

Pentru funcționarea normală, valoarea componentei triunghiulare nu trebuie să depășească 10% din componenta dreptunghiulară, adică.

L>5 R/f (7)

Dacă este necesar, măriți numărul de spire sau utilizați ferită cu mai multă μ . Nu este recomandabil să supraestimați numărul de spire în înfășurare. Datorită creșterii capacității interturn la frecvența de operare, vibratii rezonante. Ferita selectată trebuie să aibă suficientă inducție maximă și pierderi reduse în banda de frecvență de funcționare. De regulă, la frecvențe joase (până la 1 MHz) ferită cu μ = 1000 .. 6000, iar la frecvențe radio trebuie să folosești μ = 50 .. 400.

Exemplul 2:

Transformatorul din Exemplul 1 este înfăşurat pe un inel K28x16x9 de ferită nichel-mangan 2000NM cu permeabilitate magnetică μ = 2000.
Puterea de sarcină P = 40 W, tensiunea efectivă a înfășurării primare Ueff = 100 V, frecvența f = 30 kHz.
Să clarificăm numărul de ture.

Rezistență redusă la sarcină: R = 100 2 / 40 = 250 Ohm
Aria secțiunii transversale a circuitului magnetic: Sc = 0,54 cm 2 = 0,54 ⋅ 10 -4 m 2
Lungimea medie a liniei magnetice: la = π (D +d) / 2 = π (2,8+1,6) ⋅10 -2 / 2 = 6,9 ⋅ 10 -2 m
Coeficient de inductanță: A L = 4 π 10 -7 2000 0,54 10 -4 / 6,9 10 -2 = 1963 nH / vit 2

Inductanța primară minimă: L = 10 ⋅ 250 / (2π ⋅ 3 ⋅ 10 4) = 13,3 mH
Numărul de ture: n = (13,3 ⋅ 10 -3 / 1,963 ⋅ 10 -6) 1/2 = 82 Este chiar mai puțin decât a fost calculat anterior n min = 87.
Astfel, condiția de inductanță suficientă este îndeplinită și numărul de spire în înfășurare este n = 87.

4. Ce ferite pot fi folosite și de ce?

După cum se știe, miezul unui transformator acționează ca un concentrator de energie electromagnetică. Cu cât este mai mare inducția permisă Bși permeabilitatea magnetică μ, cu atât densitatea energiei transmise este mai mare și transformatorul este mai compact. Așa-zișii au cea mai mare permeabilitate magnetică. feromagneti - diverse conexiuni fier, nichel și alte metale.

Câmpul magnetic este descris de două mărimi: intensitatea H (proporțională cu curentul înfășurării) și inducția magnetică B (caracterizează acțiunea de forță a câmpului în material). Relația dintre B și H se numește curba de magnetizare a unei substanțe. In feromagneti are caracteristică interesantă- histerezis (greacă: lagging) - când răspunsul instantaneu la un impact depinde de fondul acestuia.

După părăsirea punctului zero (această secțiune se numește curba de magnetizare principală), câmpurile încep să curgă de-a lungul unei anumite curbe închise (numită buclă de histresis). Pe curbă sunt marcate puncte caracteristice - inducerea de saturație B s, inducția reziduală B r și forța coercitivă H c.

Fig.1. Proprietățile magnetice ale feritelor. În stânga este forma buclei de histerezis și parametrii acesteia. În dreapta este curba principală de magnetizare a feritei 1500NM3 at temperaturi diferiteși frecvențe: 1 - 20 kHz, 2 - 50 kHz, 3 - 100 kHz.

Pe baza valorilor acestor cantități, feromagneții sunt împărțiți în mod convențional în tari și moi. Primele au o buclă de histerezis largă, aproape dreptunghiulară și sunt bune pentru magneți permanenți. Și materiale cu o buclă îngustă sunt folosite în transformatoare. Faptul este că există două tipuri de pierderi în miezul transformatorului - electrice și magnetice. Electricele (pentru excitarea curenților turbionari Foucault) sunt proporționale cu conductivitatea materialului și frecvența, dar cele magnetice sunt mai mici, cu atât aria buclei de histerezis este mai mică.

Feritele sunt pulberi presate de oxizi de fier sau alte materiale feromagnetice sinterizate cu un liant ceramic. Acest amestec combină două proprietăți opuse - permeabilitatea magnetică ridicată a fierului și conductivitatea slabă a oxizilor. Acest lucru minimizează atât pierderile electrice, cât și magnetice și permite realizarea de transformatoare care funcționează la frecvențe înalte. Proprietățile de frecvență ale feritelor sunt caracterizate de frecvența critică fc, la care tangenta de pierderi ajunge la 0,1. Termo-temperatura Curie Tc, la care μ scade brusc la 1.

Feritele domestice sunt marcate cu numere care indică permeabilitatea magnetică inițială și litere care indică domeniul de frecvență și tipul de material.
Cea mai comună este ferita de nichel-zinc de joasă frecvență, desemnată prin literele NN. Are o conductivitate scăzută și o frecvență relativ ridicată fc. Dar are pierderi magnetice mari și o temperatură Curie scăzută.
Ferita nichel-mangan este desemnată NM. Conductivitatea sa este mai mare, deci f c este scăzută. Dar pierderile magnetice sunt mici, temperatura Curie este mai mare și îi este mai puțin frică de șocuri mecanice.
Uneori, feritele sunt etichetate cu un număr suplimentar 1, 2 sau 3. De obicei, cu cât este mai mare, cu atât ferita este mai stabilă la temperatură.

De ce mărci de ferite ne interesează cel mai mult?

Ferita stabilă termic 1500NM3 cu fc=1,5 MHz, Bs=0,35..0,4 T și Tc=200 ℃ este bună pentru tehnologia convertorului.

Pentru aplicații speciale, ferita 2000NM3 este produsă cu dezacomodare standardizată (stabilitatea temporară a permeabilității magnetice). Are fc=0,5 MHz, Bs=0,35..0,4 T și Tc=200 ℃.

Ferite din seria NMC au fost dezvoltate pentru transformatoare puternice și compacte. De exemplu, 2500NMS1 cu Bs=0,45 T și 2500NMS2 cu Bs=0,47 T. Frecvența lor critică este fc=0,4 MHz, iar temperatura lor Curie este Tc>200 ℃.

În ceea ce privește inducția permisă B m, acest parametru este reglabil și nu este standardizat în literatură. Aproximativ se poate lua în considerare B m = 0,75 V s min. Pentru ferite de nichel-mangan, se obține aproximativ 0,25 T. Ținând cont de scăderea B s la temperaturi ridicate și din cauza îmbătrânirii, în cazurile critice este mai bine să fie sigur și să reduceți B m la 0,2 T.

Principalii parametri ai feritelor comune sunt rezumați în Tabelul 3.

Tabelul 3. Parametrii de bază ai unor ferite

Marca	100NN	400NN	600NN	1000NN	2000NN	2000NM	1000NM3	1500NM1	1500NM3
μ începe	80..120	350..500	500..800	800..1200	1800..2400	1700..2500	800..1200	1200..1800	1200..1800
fc, MHz	7	3,5	1,5	0,4	0,1	0,5	1,8	0,7	1,5
Tc, ℃	120	110	110	110	70	200	200	200	200
Bs, T	0,44	0,25	0,31	0,27	0,25	0,38..0,4	0,33	0,35..0,4	0,35..0,4

5. Cât de fierbinte va deveni miezul?

Pierderi de magneți.

La o frecvență mai mică decât fс critică, pierderile de energie în magnet constau în principal din pierderi datorate inversării magnetizării, iar pierderile de curent turbionar pot fi neglijate.
Experiența și teoria arată că pierderile de energie pe unitate de volum (sau masă) în timpul unui ciclu de inversare a magnetizării sunt direct proporționale
zona buclei de histerezis. Prin urmare, puterea pierderilor magnetice:

P H = P 0 ⋅ V ⋅ f (8)

Unde P0– pierderi specifice pe unitatea de volum (măsurate la frecvență f 0în timpul inducției B 0) ,V– volumul probei.

Cu toate acestea, odată cu creșterea frecvenței, inducerea saturației scade, bucla de histerezis este deformată și pierderile cresc. Pentru a ține cont de acești factori, Steinmetz (C. P. Steinmetz, 1890-1892) a propus o formulă empirică:

P H = P 1 ⋅ m ⋅ (f / f 1) α (B / B 1) β (9)

S-a convenit că f 1 = 1 kHz, B 1 = 1 T; cantități P1, a, p indicat în director.

Tabelul 5. Pierderi specifice la unele ferite

Marca	1500NM3	2000NM1-A,B		2000NM3	2000NM-17		3000NM-A	6000NM-1
f	-	0,4..100 kHz	0,1..1 MHz	-	0,4..100 kHz	0,1..1 MHz	0,4..200 kHz	20..50 kHz	50..100 kHz
P1, W/kg	23,2	32±7	13±3	44,6	63±10	25±4	48±8	11±2	38±0,8
α	1,2	1,2	1,4	1,3	1,2	1,4	1,2	1,35	1,6
β	2,2	2,4		2,7	2,85	2,76	2,69	2,6

Pierderi de cupru.

Pierderi ohmice în înfășurarea primară la temperatura camerei și fără a ține cont de efectul pielii:

P M1 =I 2 eff (ρ / Sm) ((D - d) + 2h) ⋅ n 1 (10)

Unde eu eff- curent efectiv, D - extern, d - diametrul intern al inelului, h - înălțimea acestuia în metri; n 1 - numărul de spire; Sm - secţiune transversală fire, în mm 2; ρ = 0,018 Ohm ⋅ mm 2 / m rezistivitate cupru

Pierderi totale în toate înfășurările la temperatură ridicată mediu:

P M = (P M1 + P M2 + ..)(1 + 0,004(T-25 o C)) (11)

Pierderi totale într-un transformator.

P Σ = P H + P M (12)

Temperatura estimată de supraîncălzire în timpul convecției naturale:

ΔT = P Σ / (α m Sool) (13)

Unde α m = (10..15) -4 W/cm 2 o C, Sool = π /2 (D 2 - d 2)+π h (D + d)

Exemplul 3:

Să găsim pierderile în transformator din exemplele 1 și 2. Pentru simplitate, presupunem că înfășurările secundare și primare sunt aceleași. Curent efectiv
înfăşurare primară Ieff = 0,4 A. Pierderile de cupru ale înfăşurării primare P M1 = 0,4 2 ⋅ (0,018 /0,08) (28 - 16 + 18) ⋅ 10 -3 ⋅ 87 0,1 W.
Pierderile de cupru ale ambelor înfășurări: PM = 0,2 W.

Conform datelor de referință pentru ferită 2000NM P 1 = 32 W/kg, α = 1,2, β = 2,4, masa miezului K28x16x9 este de 20 de grame.
Pierderi de ferită: P H = 32 (30 / 1) 1,2 (0,25 / 1) 2,4 ⋅ 20 ⋅ 10 -3 = 1,36 W

Pierderi totale la transformator: PΣ = 1,56 W. Eficiență estimată = (40 - 1,56) / 40 ⋅ 100% 96%

6. Cum se ține cont de proprietățile inerțiale ale unui transformator?

În Fig.2. arătat . Include rezistența sursei r i, rezistență redusă la sarcină R = n 2 R n sau R = P n / U 2 eff, Unde n = U 1 / U 2- raportul de transformare, Ueff- tensiunea efectivă a înfăşurării primare.

Fig.2. Circuit echivalent al transformatorului.

Proprietățile inerțiale ale transformatorului determină inductanțe mici de scurgere L s, inductanță de magnetizare Lμ(aproape egală cu inductanța înfășurării primare L 1), capacitatea înfășurării paralele Cu p(așa-numita capacitate dinamică) și capacitatea în serie între înfășurări S p.

Cum să le evaluăm?

L 1 calculat folosind formula (5) sau măsurat experimental.
Conform ordinului de mărime, inductanța de scurgere este egală cu L s ~ ​​​​L 1 / μ. Capacitate S p este de aproximativ 1 pF pe tură.

Transformatorul funcționează ca un filtru trece-bandă. La frecvențe joase este un filtru trece-înalt cu o frecvență de tăiere ω n = R / L μ.
La frecvenţe înalte elementele L sŞi C p formează un filtru trece-jos cu o frecvență de tăiere ω în ≈ (L s C p) -1/2.
Capacitatea seriei S p nu este grozav și nu are practic niciun efect asupra funcționării.

Există două rezonanțe caracteristice în model.

Frecvență joasă (rezonanță de magnetizare) în circuit paralel Lμ C r
Frecvența sa f μ (1/ 2 π) ⋅ (L μ C p) -1/2, și factorul de calitate Q μ (r i || R) ⋅ (L μ / C p) -1/2 (14)

Înaltă frecvență (rezonanță de împrăștiere) în circuitul format de L sŞi C r.
Frecvența sa fs (1/ 2 π) ⋅ (L s C p) -1/2, și factorul de calitate Q s (L s / C p) 1/2 / r i . (15)

Cum afectează aceste rezonanțe?

Răspunsul în frecvență al unui transformator este similar cu răspunsul în frecvență al unui filtru trece-bandă, dar există rezonanță la marginea superioară. fs dă un vârf caracteristic.
Răspunsul la impulsuri depinde de includerea sursei și a valorilor rezistenței.
Cu rezistență internă scăzută a sursei r i apare doar rezonanța fs sub forma unui „sunet” caracteristic la fronturile pulsului.
Dacă sursa este conectată printr-o cheie, atunci când este deschisă, oscilații intense cu o frecvență de f μ

Fig.3. Un exemplu de răspuns în frecvență și proces tranzitoriu într-un transformator. Circuitul său echivalent este prezentat mai jos în Figura 4.

7. Măsurarea experimentală a parametrilor transformatorului de impulsuri.

Pentru probă, a fost luat un inel de ferită de 3000NM de dimensiunea K10x6x2. Înfășurarea primară a fost de 21 de spire, secundarul de 14, raportul de transformare n = 1,5, rezistența de sarcină a fost de 4,7 kOhm, sursa a fost un generator de impulsuri pătrate pe microcircuite TTL cu un nivel de 6V, o frecvență de 1 MHz și rezistență internă r i 200 ohmi.

Să calculăm parametrii teoretici:
S c = 4 ⋅ 10 -6 m 2, la = 25,13 ⋅ 10 -3 m, A L teor = 600 nH/vit 2 , L 1teor = 0,6 ⋅ 21 2 = 265 μH , Ls teoretic 265/3000 = 0,09 uH , Cu p teor 21+14 = 35 pF.
Rezistență redusă la sarcină R = n 2 Rн = 2,25 ⋅ 4,7 ~ 10 kOhm.

Rezultatele măsurătorilor de inductanță folosind dispozitivul AKIP-6107:
L1 = 269 uH , L2 = 118 uH, prin scurtcircuitarea înfășurării secundare obținem 2Ls = 6,8 uH, care este cu două ordine de mărime mai mare decât estimarea sa teoretică.

Capacitatea dinamică Cp poate fi estimată folosind formula (15) prin aplicarea la transformator impulsuri pătrateși utilizarea unui osciloscop pentru a măsura perioada de oscilații a „sunetului” la marginile impulsurilor la ieșirea înfășurării secundare. Frecvența de apel fs s-a dovedit a fi de 18,5 MHz, ceea ce dă o medie de 21 pF și este în acord cu estimarea teoretică.
Pentru comparație cu experimentul, a fost simulat un circuit echivalent cu parametri măsurați în programul LT Spice.

Fig.4. Model de transformator. Vout este tensiunea redusă, cea reală va fi de n ori mai mică.

Fig.5. Rezultatele experimentului. Scara verticală este de 1 volt pe diviziune.

Deci, un model construit pe baza de măsurat L μ , L s și C p este destul de compatibil cu experimentul.
Estimarea capacității teoretice de 1 pF pe tură pentru inelele mici este acceptabilă, dar estimarea inductanței de scurgere este cu două ordine de mărime diferită de estimarea reală. Este mai ușor de determinat experimental.

Anexa 1. Derivarea formulei pentru numărul de spire.

Când se aplică tensiune U pe înfăşurare va apărea o fem indusă E: U = -E = n Sc dB / dt

Pentru tensiune sinusoidală cu amplitudine um: Um = n Sc ω Bm

De unde vine numărul de ture? n = Um / (Sc ω Bm)

Exprimând frecvența circulară în termenii celei obișnuite și aria în cm 2, obținem formula inginerească: n = 0,16 ⋅10 4 / (f Bm Sc)

Pentru o tensiune dreptunghiulară de mărime um: dB = dt Um / (n Sc)

Integrand in timp de la 0 la T/2 si tinand cont ca pe jumatate din perioada campul se va schimba de la -Bm la +Bm, obtinem: 2Bm = (T / 2) Um / (n Sc)

Exprimând perioada în termeni de frecvență și aria în cm 2, obținem formula inginerească: n = 0,25 ⋅10 4 / (f Bm Sc)

Este potrivit pentru ambele cazuri.

Anexa 2. Derivarea formulei pentru puterea totală a transformatorului.

Conform legii lui Faraday a inducției electromagnetice, relația dintre tensiunea de pe bobină și schimbarea inducției magnetice din aceasta:

U dt = n Sc dB

În timpul de la 0 la T/2, inducția se va schimba de la -Bm la +Bm, integrând în aceste limite obținem:

U av = 4 n Sc Bm f

Unde: $$ U_(cp)=(2 \over T) \int_0^(T/2) U dt $$

Dar dispozitivele nu măsoară media, ci tensiunea efectivă, care este echivalentă cu energie constantă. Legătura dintre media și actorie
tensiunea dă factorul de formă k f = U eff / U avg. Pentru un meadru este egal cu 1, pentru un sinus este 1,11.
Prin urmare, tensiunea efectivă pe bobină:

Ueff = 4 kf n Sc Bm f

Vom estima puterea totală din următoarele considerații. Frecvența f nu este mare, pierderile datorate curenților turbionari și inversării magnetizării sunt mici, iar puterea
limitat de supraîncălzirea bobinajului. Este determinată de densitatea maximă de curent j, care este aceeași pentru ambele înfășurări.
Să definim puterea totală ca jumătate din suma puterilor înfășurărilor primare și secundare.

Pgab = (P 1 + P 2) / 2 = (U eff1 I 1 + U eff2 I 2) / 2 = j (S 1 n 1 + S 2 n 2) 4 kf Sc Bm / 2 unde S 1 și S 2 sunt zonele de viraj ale înfășurărilor primare și secundare.

Aceasta poate fi scrisă în termeni de aria de cupru Sm:

Pgab = 2 kf f Sc Sm Bm j

Aria de cupru este asociată cu factorul de umplere a ferestrei σ = Sm / S 0 .
Sigma este un anumit coeficient empiric, egal cu un minim de 0,15 pentru o înfășurare cu un singur strat și cu maxim 0,4 pentru o înfășurare multistrat (nu se mai potrivește).
Ca rezultat, formula noastră arată astfel:

Pgab = 2 kf σ f Sc S 0 Bm j

Toate cantitățile de aici sunt în SI.

Să presupunem că tensiunea are forma unui meandre, k f = 1. Alegând densitatea de curent j = 2,2 A / mm 2,
factor de umplere σ = 0,15, exprimând aria în cm 2, Bm în T, frecvența în Hz, obținem formula de calcul:

Pgab = Sc S 0 f Bm / 150

După cum puteți vedea, această formulă a fost derivată cu o marjă mare, de fapt, puteți obține mai multă putere de la un transformator.

Literatură.

1. Kosenko S. „Calculul unui transformator de impuls al unui convertor push-pull” // Radio, nr. 4, 2005, p. 35 - 37, 44.
2. Eranosyan S. A. Surse de alimentare de rețea cu convertoare de înaltă frecvență. - L.: Energoatomizdat. Leningr. catedra, 1991, - 176 p.: ill.
3. S. V. Kotenev, A. N. Evseev. Calcul si optimizare transformatoare toroidaleși clapete de accelerație. - M.: Hotline-Telecom, 2013. - 359 p.: ill.
4. A. Petrov „Inductanțe, șocuri, transformatoare” // Radioamator, Nr. 12, 1995, p. 10-11.
5. Mihailova M.M., Filippov V.V., Muslakov V.P. Ferite magnetice moi pentru echipamente electronice. Director. - M.: Radio şi Comunicaţii, 1983. - 200 p., ill.
6. Parametrii geometrici calculati ai miezurilor inelelor.
7. B.Yu Semenov. Electronice de putere pentru amatori și profesioniști. M.: Solon-R, 2001. - 327 p. : nămol

În circuitele electronice și electrice sunt utilizate diferite tipuri de echipamente de transformare, care sunt solicitate în multe domenii de activitate economică. De exemplu, transformatoare de impulsuri (denumite în continuare IT) - element important, instalat în aproape toate sursele de alimentare moderne.

Proiectare (tipuri) de transformatoare de impulsuri

În funcție de forma miezului și de plasarea bobinelor pe acesta, IT-urile sunt produse în următoarele modele:

Cifrele indică:

• A – circuit magnetic din clase de oțel de transformator realizat folosind tehnologia de laminare a metalului la rece sau la cald (cu excepția miezului toroidal, este din ferită);
• B – bobina din material izolator
• C – fire care creează cuplaj inductiv.

Rețineți că oțelul electric conține puțini aditivi de siliciu, deoarece provoacă pierderi de putere din efectul curenților turbionari asupra circuitului magnetic. În IT-ul toroidal, miezul poate fi realizat din oțel laminat sau ferimagnetic.

Plăcile pentru setul de miez electromagnetic sunt selectate ca grosime în funcție de frecvență. Pe măsură ce acest parametru crește, este necesar să instalați plăci mai subțiri.

Principiul de funcționare

Caracteristica principală a transformatoarelor de tip impuls (denumite în continuare IT) este că sunt alimentate cu impulsuri unipolare cu o componentă de curent constantă și, prin urmare, circuitul magnetic este într-o stare de magnetizare constantă. Arată mai jos schema circuitului conectarea unui astfel de dispozitiv.

Diagrama: conectarea unui transformator de impulsuri

După cum puteți vedea, schema de conectare este aproape identică cu transformatoarele convenționale, ceea ce nu poate fi spus despre diagrama de sincronizare.

Înfășurarea primară primește semnale de impuls având formă dreptunghiulară e (t), intervalul de timp între care este destul de scurt. Aceasta determină o creștere a inductanței în intervalul t u, după care se observă scăderea acesteia în intervalul (T-t u).

Modificările de inducție au loc la o viteză care poate fi exprimată în termeni de constantă de timp folosind formula: τ p =L 0 /R n

Coeficientul care descrie diferența în diferența inductivă se determină astfel: ∆V=V max – V r

• В max – nivelul valorii maxime de inducție;
• În r – rezidual.

Diferența de inducție este prezentată mai clar în figură, care arată deplasarea punctului de funcționare în circuitul conductor magnetic al IT.

După cum se poate observa în diagrama de timp, bobina secundară are un nivel de tensiune U2 în care sunt prezente emisii inverse. Așa se manifestă energia acumulată în circuitul magnetic, care depinde de magnetizare (parametrul i u).

Impulsurile de curent care trec prin bobina primară sunt de formă trapezoidală, deoarece sarcina și curenții liniari (cauzați de magnetizarea miezului) sunt combinați.

Nivelul de tensiune în intervalul de la 0 la t u rămâne neschimbat, valoarea sa e t =U m. În ceea ce privește tensiunea pe bobina secundară, aceasta poate fi calculată folosind formula:

în acest caz:

• Ψ – parametru de legătură de flux;
• S este o valoare care reflectă secțiunea transversală a miezului magnetic.

Având în vedere că derivata, care caracterizează modificări ale curentului care trece prin bobina primară, este o valoare constantă, creșterea nivelului de inducție în circuitul magnetic are loc liniar. Pe baza acestui fapt, este permis, în loc de derivat, să introduceți diferența dintre indicatorii luați într-un anumit interval de timp, ceea ce vă permite să faceți modificări formulei:

în acest caz, ∆t va fi identificat cu parametrul t u, care caracterizează durata cu care apare impulsul de tensiune de intrare.

Pentru a calcula aria impulsului cu care este generată tensiunea în înfășurarea secundară a IT, este necesar să se înmulțească ambele părți ale formulei anterioare cu t u. Ca urmare, ajungem la o expresie care ne permite să obținem principalul parametru IT:

U m x t u =S x W 1 x ∆V

Rețineți că mărimea zonei pulsului depinde direct de parametrul ∆B.

A doua cea mai importantă cantitate care caracterizează funcționarea IT este căderea de inducție este influențată de parametri precum secțiunea transversală și permeabilitatea magnetică a miezului magnetic, precum și numărul de spire pe bobină:

Aici:

• L 0 – diferența de inducție;
• µ a – permeabilitatea magnetică a miezului;
• W 1 – numărul de spire ale înfășurării primare;
• S – aria secțiunii transversale a miezului;
• l cр – lungimea (perimetrul) miezului (nucleului magnetic)
• În r – valoarea inducției reziduale;
• În max – nivelul valorii maxime de inducție.
• H m – Intensitatea câmpului magnetic (maxim).

Având în vedere că parametrul de inductanță al IT depinde complet de permeabilitatea magnetică a miezului, la calcul este necesar să se procedeze de la valoarea maximă a µ a, care este arătată de curba de magnetizare. În consecință, pentru materialul din care este realizat miezul, nivelul parametrului B r, care reflectă inducția reziduală, ar trebui să fie minim.

Video: descriere detaliată principiul de funcționare al unui transformator de impulsuri

Pe baza acestui fapt, o bandă din oțel pentru transformator este ideală ca material de bază IT. Puteți folosi și permalloy, care are un coeficient minim de perpendicularitate.

Miezurile din aliaje de ferită sunt ideale pentru IT de înaltă frecvență, deoarece acest material are pierderi dinamice scăzute. Dar datorită inductanței sale scăzute, IT-ul trebuie făcut în dimensiuni mari.

Calcul transformator de impulsuri

Să luăm în considerare modul în care este necesar să se calculeze IT. Rețineți că Eficiența dispozitivului legate direct de precizia calculelor. Ca exemplu, să luăm un circuit convertor convențional care utilizează un IT toroidal.

În primul rând, trebuie să calculăm nivelul de putere IT, pentru aceasta vom folosi formula: P = 1,3 x P n.

Valoarea Pn afișează câtă energie va consuma sarcina. După aceasta, calculăm puterea totală (R gb), aceasta nu trebuie să fie mai mică decât puterea de sarcină:

Parametri necesari pentru calcul:

• S c – afișează aria secțiunii transversale a miezului toroidal;
• S 0 – zona ferestrei sale (așa cum era de așteptat, aceasta și valoarea anterioară sunt prezentate în figură);

• B max este vârful maxim de inducție; depinde de ce grad de material feromagnetic este utilizat (valoarea de referință este luată din surse care descriu caracteristicile claselor de ferită);
• f este un parametru care caracterizează frecvența cu care este convertită tensiunea.

Următoarea etapă se reduce la determinarea numărului de spire în înfășurarea primară Tr2:

(rezultatul este rotunjit)

Valoarea lui U I este determinată de expresia:

U I =U/2-U e (U este tensiunea de alimentare a convertizorului; U e este nivelul de tensiune furnizat emițătorilor elementelor tranzistorului V1 și V2).

Să trecem la calcul curent maxim, trecând prin înfășurarea primară a IT:

Parametrul η este egal cu 0,8, aceasta este eficiența cu care trebuie să funcționeze convertorul nostru.

Diametrul firului utilizat în înfășurare este calculat prin formula:

Dacă aveți probleme la determinarea parametrilor de bază ai IT, puteți găsi pe Internet site-uri tematice care vă permit să calculați orice transformatoare de impulsuri online.