4.2. Вывод расчетных соотношений для определения произведения площадей сердечника магнитопровода Sc и окна Sок

Принятые в формулах обозначения:

k_з=S_об/S_ок – коэффициент заполнения окна (должен быть не более 0,40);

S_об – суммарная площадь проводников всех обмоток;

S_ок – площадь окна сердечника трансформатора;

k_р=S_об1/S_об – коэффициент площади первичной обмотки;

S_об1 – суммарная площадь проводников первичной обмотки;

k_т=I_вх/I₁ – коэффициент формы кривой тока первичной обмотки трансформатора;

I_вх – среднее значение входного тока;

I₁ – действующее (среднеквадратичное) значение входного тока;

k_об= k_тk_зk_р – обмоточный коэффициент;

j – плотность тока;

f_р – рабочая частота трансформатора однотактных преобразователей;

Р_нг – выходная мощность (мощность, отдаваемая преобразователем в нагрузку).

Постоянная составляющая входного тока импульсного преобразователя I_вx вычисляется по формуле:

I_вх =P_вх/U_вх,

где P_вх=P_нг/ η, η – КПД преобразователя.

На первом этапе расчета следует задаться величиной η ≈0,9.

Максимальное действующее значение тока первичной обмотки I_1max соответствует минимальному значению напряжения на входе преобразователя U_{вх min}. Соотношение между действующим значением тока и постоянной составляющей входного тока первичной обмотки определяется коэффициентом формы кривой тока, k_т.

С учетом коэффициента k_т определим действующее значение тока первичной обмотки

I_1max= P_{вх max}/(U_{вх min}k_т).

Количество витков первичной обмотки можно определить по формуле

W₁= U_{вх min}k_тk_зk_pS_ок j/P_{вх max}.

Требуемая площадь сечения окна сердечника магнитопровода

S_ок=(W₁P_{вх max})/ (U_{вх min}k_тk_зk_p j). (77) В соответствие с законом Фарадея

U_вхdt=W₁dФ можно установить

U_{вх min}t_и=W₁ΔВS_c,

откуда определим площадь сердечника магнитопровода

S_с = U_{вх min}t_{и max}/( W₁ΔВ). (78)

Для прямоходового преобразователя максимальное значение коэффициента скважности γ_max рекомендуется принимать равным 0,5. В этом случае максимальное значение времени импульса, t_{и max}, можно определить по соотношению

t_иmax=γ_max/f_р=1/(2f_р). Объединяя (77) и (78), получим произведение площадей сердечника и окна для однотактного прямоходового преобразователя [4]:

S_cS_ок=P_{вх max}10⁴/(k_тk_зk_р j_maxΔВ2f_р) [см⁴ ] . (79)

В случае, когда размах колебаний магнитного потока ограничивается насыщением, предполагается, что потери в магнитопроводе незначительны и все потери приходятся на обмотки. Для сердечника с произведением площадей S_cS_ок =1см⁴ максимальная плотность тока j_max, вызывающая перепад температур на 30 ^oС в зоне нагрева при естественном охлаждении, равна 4,20 А/мм².

Увеличение размера сердечника приводит к уменьшению максимальной плотности тока, так как площадь рассеивающей тепло поверхности увеличивается медленнее, чем объем, в котором происходит выделение тепла. Эмпирически плотность тока можно определить по формуле (80) [4]

j₃₀=4,2(S_cS_ок) ^-0,240 [А/мм²]. (80)

В случае ограничения ΔВ насыщением сердечника S_cS_ок вычисляют по формуле

S_cS_ок=[ P_{вх max}10⁴/(k_тk_зk_р420ΔВ2f_р)] ^1,31 =

=[ 11,9 P_вх.max/(k_обΔВf_р)] ^1,31 [см⁴ ]. (81)

Выведем формулу для расчета произведения S_cS_ок, исходя из условия ограничения потерь мощности в сердечнике магнитопровода трансформатора.

Снова предполагается перепад температур на 30 ^oС в зоне нагрева, но потери распределяются поровну между сердечником и обмотками. Это означает, что первые 15 ^oС обусловлены потерями в магнитопроводе, а другие — потерями в обмотках. Плотность тока, вызывающая повышение температуры обмотки на 15 ^oС, рассчитывается по формуле

j₁₅=2,97(S_cS_ок) ^{-0, 240} [А/мм² ]. (82)

Это значение подставляется в (79) вместо j_max, но сначала необходимо определить величину ΔВ, при которой потери в сердечнике вызывают нагрев на 15 ^oС. Удельные потери в сердечнике можно вычислить по следующей эмпирической формуле:

P_уд= ΔВ^2,4_m(К_Нf+К_Еf²) . (83)

Для большинства мощных ферритов коэффициент гистерезиса К_Н=4•10^-5, а коэффициент вихревых токов К_Е=4•10^-10.

В формуле (83) f – это частота, с которой магнитная индукция изменяется в сердечнике. Для однотактных схем частота f = f_р.

Перепад температуры ΔТ зависит от величины удельных потерь P_уд в магнитопроводе, объема сердечника V_с и его теплового сопротивления R_т и вычисляется по формуле

ΔТ=R_тV_сP_уд=15 ^oС , (84)

где V_с P_уд =P_м, (85)

P_м – потери в магнитопроводе трансформатора (магнитные потери).

Если тепловое сопротивление и объем сердечника не известны, их можно вычислить по эмпирическим зависимостям от произведения площадей (S_cS_ок):

R_т=23(S_cS_ок) ^-0,37 [^оС/Вт] ; (86)

V_с=5,7(S_cS_ок) ^0,66 [см³]. ^.

Отметим, что, в том случае, когда сердечник магнитопровода трансформатора выбран, объем V_с легко определить по справочным данным на этот сердечник.

Используя полученные соотношения, определяем требуемое значение (S_cS_ок) для случая ограничения ΔВ потерями в сердечнике:

S_cS_ок= (К_Нf+К_Еf²)[P_вх10⁴/(120k_об2f_р)]^1,58 [см⁴]. (87)

Таким образом, при расчете прямоходовых однотактных преобразователей формулы (81) и (87) позволяют определить значение произведения S_cS_ок в зависимости от того, какие ограничения поставлены перед тем, кто проводит расчет трансформатора, а именно:

–ограничение величины ΔВ насыщением магнитопровода (81);

–ограничения величины ΔВ потерями в магнитопроводе (87).

Отметим, что эмпирические формулы (80) и (82) позволяют определить максимальное значение плотности тока при заданном ограничении перепада температур на 30 ^оС и на 15 ^оС соответственно.

В случае, когда допустим перепад температуры Δθ больше, чем

Δθ =30 ^оС, можно воспользоваться эмпирической формулой (82), введя в нее поправочный коэффициент

Тогда формула (82) приобретает вид

j_θ= k_θ 2,97( S_cS_ок) ^-0,240 [А/мм² ]. (88)

Нетрудно убедиться, что при Δθ=30 ^оС поправочный коэффициент

Умножив 1,41 на 2,97, получим коэффициент 4,20, который используется в эмпирической формуле (80) при определении плотности тока при перепаде температуры на Δθ=30 ^оС, что подтверждает точность формулы расчета поправочного коэффициента k_θ.

Если Δθ=60 ^оС, то плотность тока следует определять по формуле

Таким образом, при повышении перепада температуры до Δθ=60 ^oС плотность тока может быть увеличена в 2 раза по сравнению с плотностью тока при Δθ=15 ^оС.

Правильный выбор типоразмера сердечника позволит избежать насыщения магнитопровода трансформатора и обеспечит приемлемые потери в магнитопроводе и обмотках.

Отметим, что в формулах (81) и (87) предполагается, что обмотки занимают 40 от площади окна, соотношение между площадями первичной и вторичной обмоток соответствует одинаковой плотности тока в обеих обмотках и что суммарные потери в магнитопроводе и обмотках приводят к перепаду температур в зоне нагрева на 30 ^oC при естественном охлаждении.

В табл. 3 приведены значения коэффициентов k_об, k_т, k_з, k_р, которые используются при расчете значения S_cS_ок трансформатора для ОПП и двух двухтактных преобразователей [4].

Таблица 3

Значения расчетных коэффициентов

Тип преобразователя	Первичная/Вторичная обмотки	kоб	kт	kз	kр
Прямоходовой преобразователь	БО/БО	0,141	0,71	0,40	0.50
Полномостовой/полумостовой	БО/СТ	0,165	1,0	0,40	0.41
Двухполупериодный со средней точкой	СТ/СТ	0,141	1,41	0,40	0.25

Примечание:

БО – обмотка без отвода; СТ – обмотка со средней точкой.

В приведенных ниже формулах для полумостовых схем U_вх равняется половине размаха входного напряжения.

Для первичной обмотки со средней точкой все значения приводятся для половины первичной обмотки.

Если значение S_cS_ок, рассчитанное по формуле (81), больше, чем рассчитанное по формуле (87), то размах колебаний магнитной индукции ограничивается насыщением, и в качестве ΔВ принимается значение, используемое в (87).

Далее вычисляется минимальное число витков первичной обмотки W₁, необходимое для нормальной работы при заданном значении произведения вольт•секунда:

W₁>(U_{вх min}t_{и max} •10⁴)/(ΔВS_с) =5000U_{вх min}/(ΔВS_с f_р ). (89)

Для однотактных преобразователей

t_{и max}=γ_max /f_р [с];

для двухтактных преобразователей

t_{и max}=γ_max /(2f_р) [с].

Коэффициент трансформации k_тр рассчитывается для случая наименьшего напряжения на вторичной обмотке, соответствующего минимальному входному напряжению и максимальному коэффициенту скважности.

k_тр=W₁/W₂=0,95(U_{вх min}-ΔU_кэ.нас.)γ_max/(U_нг+ΔU_в.пр.) , (90)

где ΔU_в.пр — прямое падение напряжения на диоде;

ΔU_{кэ. нас} — падение напряжения на открытом транзисторе.

Коэффициент 0,95 в формуле (90) введен для учета влияние времени включения и выключения транзистора на уменьшение величины напряжения, прикладываемого к первичной обмотке.

Обратим внимание на то, что по формуле (90) определяется коэффициент трансформации преобразователя, в цепи фильтра нагрузки которого отсутствует дроссель фильтра, т.е. применен С фильтр. В случае применения L–C - фильтра в цепи нагрузки в формуле (90) необходимо учесть падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя фильтра ΔU_RL, которое суммируется с U_нг и ΔU_в.пр.

Затем вычисляется число витков вторичной обмотки W₂ и округляется до ближайшего большего целого числа:

W₂=W₁/k_тр. (91)

Для округленного значения числа витков вторичной обмотки вычисляется фактическое число витков первичной обмотки

W₁=W₂k_тр.

Если новое значение W₁ окажется значительно больше, чем минимальное, полученное из формулы (89), то может потребоваться сердечник больших размеров.

В этом случае новое значение W₁ подставляется в формулу (89) для нахождения фактического значения ΔВ. Полученное значение ΔВ используется для нахождения удельных потерь (83), а затем найденное значение удельных потерь умножается на объем сердечника V_с для получения фактических потерь в сердечнике Р_с. Далее определяется температура перегрева ΔТ по формуле (84).

Плотность тока во всех обмотках должна быть одинаковой, что соответствует однородной плотности мощности во всех обмотках и таким образом улучшает использование площади окна.

Чтобы избежать больших потерь на вихревые токи и облегчить процесс выполнения обмоток, можно использовать несколько запараллеленных витков более тонкого провода с эквивалентной общей площадью поперечного сечения. Для вторичных обмоток с большими токами рекомендуется использовать тонкую медную пластину.

Требования к изоляции между обмотками для схем с непосредственным питанием от сети составляются в зависимости от конкретного применения и требования стандарта по электробезопасности.

Приведем требования стандарта по электробезопасности для трансформаторов и дросселей оборудования, работающего в отапливаемом и вентилируемом помещении [4].

1. Толщина диэлектрика между обмотками должна иметь 3 слоя лавсановой пленки толщиной (0,0254 мм) (всего 0,16 мм со связующим веществом).

2. Безопасное расстояние между выводами первичной и вторичной обмоток должно быть не менее 0,6 см.

3. Электростатический экран между первичной и вторичной обмотками (экран Фарадея) должен иметь слой медной фольги толщиной 0,035 мм (со связующим веществом 0,076 мм).