5 Магнитные формирователи и распределители импульсов

Для управления и питания различных устройств промышленной электроники часто требуются специальные источники импульсов.

Простейшее устройство для получения знакопеременных импульсов напряжения небольшой мощности можно выполнить на базе схемы, состоящей из трансформатора насыщения с сердечником с ППГ и нагрузочного сопротивления R_Н, включенного параллельно обмотке W₂ (рисунок 15).

Рисунок 15

Если перемагничивание сердечника осуществлять синусоидальным током достаточно большой амплитуды, то вторичное напряжение трансформатора будет изменяться прямо пропорционально дифференциальной проницаемости сердечника. Докажем это.

Действительно,

.

Для малых значений фазы переменного тока (, что соответствует нахождению на начальном участке зависимости В(Н), при этом µ_Д – максимальна) можно записать:

.

И тогда

Таким образом, напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет прямо пропорционально дифференциальной магнитной проницаемости µ_Д (или дифференциальной индуктивности нелинейной катушки L_Д). Моделирование формирователя импульсов в момент перехода сетевого напряжения через нуль представлено на рисунке 16.

Рисунок 16

Рассмотренный принцип формирования импульсов широко используется для построения многоканальных источников или распределителей импульсов. Рассмотрим пример построения n-канального распределителя импульсов (рисунок 17).

Рисунок 17

Здесь первичные обмотки через фазосдвигающий контур φ₁, φ₂, φn подключены к общему источнику питания. Фазосдвигающие цепи обеспечивают сдвиг между токами в первичных обмотках соседних трансформаторов на угол π/n. Для получения однополярных импульсов на выходе схемы включают полупроводниковые выпрямители.

Теперь рассмотрим применение двух сердечников с ППГ для формирования практически прямоугольных импульсов напряжения при использовании источника синусоидального напряжения.

В этой схеме (рисунок 18) сердечники дросселя и трансформатора выполняют из одного материала и одного типоразмера (с одинаковой площадью поперечного сечения S). Если выполняется условие: W_Д >>W_T1, то при ненасыщенном сердечнике дросселя ток в его обмотке ограничен такой величиной, которая недостаточна для перемагничивания сердечника трансформатора, и все питающее напряжение приложено к обмотке W_Д.

Рисунок 18

После насыщения дросселя при ωt = α₁ все питающее напряжение прикладывается к первичной обмотке трансформатора W_T. В интервале времени от ωt = α₁ до ωt = α₂ сердечник трансформатора перемагничивается от – В_S до + В_S и в его вторичной обмотке индуцируется импульс напряжения U₂ ≈ U∙n_T. В интервале α₁ ≤ ωt ≤π оба сердечника насыщены и все напряжение сети падает на активном сопротивлении первичной цепи R (рисунок 19).

Рисунок 19

Начиная с ωt = π, процесс повторяется в той же последовательности, но для другой полярности. Допустим, что требуемая длительность импульсов выходного напряжения в радианах Δα = α₂ - α₁. При этом

Установим связь между углом насыщения α₁ и параметрами дросселя.

или

Это уравнение и определяет выбор параметров дросселя для получения необходимого значения α₁.

Приращение индукции в трансформаторе:

Тогда требуемое значение W_T1S определяется из формулы:

где

Недостаток этой схемы: это большие потери в резисторе. Следует также отметить, что для правильной работы устройства необходимо, чтобы активное сопротивление в первичной цепи было во много раз меньше индуктивного сопротивления дросселя на линейном участке. Процессы, происходящие в схеме формирователя, хорошо иллюстрируют результаты его моделирования в программе MICRO – CAP (рисунок 19).

Для получения относительно мощных импульсов обычно используют специальные устройства, называемые пик - трансформаторами (рисунок 20).

Рисунок 20

Первичная обмотка W₁ подключена к сети переменного тока и расположена на стержне I с достаточно большим поперечным сечением, благодаря чему он не насыщается. Вторичная обмотка W₂ расположена на стержне II с небольшим поперечным сечением, для которого используется магнитный материал с высокой магнитной проницаемостью и небольшой индукцией насыщения.

Допустим, что поток Ф₁ увеличивается от 0. сначала он будет полностью замыкаться через стержень II из-за его небольшого магнитного сопротивления. Магнитное сопротивление стержня III значительно больше из-за воздушного зазора.

Однако, при стерженьII оказывается насыщенным и при дальнейшем увеличении Ф₁ этот поток ответвляется в стержень III. Надо отметить, что из-за наличия стержня III (с немагнитным зазором) индуктивность обмотки W₁ сохраняет большую величину и после насыщения стержня II, что ограничивает величину намагничивающего тока. Таким образом, устраняется отмеченный ранее недостаток простейшей схемы.

Магнитный поток в стержне II начнет изменяться лишь после того, как поток Ф₁ в процессе своего уменьшения достигнет значения .

В обмотке W₂ индуцируется ЭДС лишь при изменении магнитного потока в стержне II, что имеет место лишь вблизи переходов потока Ф₁ через нуль, т.к. Ф_1m>>Ф_2нас.

Путем соответствующего выбора числа витков обмотки W₂ можно получить амплитудное значение U₂ много больше амплитуды питающего напряжения.

Для экономичного формирования мощных импульсов большой скважности применяют многоступенчатые феррорезонансные формирователи, так называемые магнитные цепи сжатия (рисунок 21).

Рисунок 21

На этом рисунке приведены две простейшие схемы формирователей импульсов: с последовательным (а) и параллельным (б) соединением конденсатора и дросселя насыщения с прямоугольной петлей гистерезиса.

В схеме (а) каждый полупериод до насыщения дросселя все напряжение приложено к обмотке дросселя и ток по цепи практически не протекает. После насыщения дросселя все напряжение мгновенно прикладывается к нагрузкеR_Н, а затем, по мере зарядки конденсатора, напряжение на нагрузке быстро спадает до 0.

В схеме (б) питание осуществляется от источника тока. Пока дроссель ненасыщен, практически весь этот ток идет на зарядку конденсатора. Насыщение дросселя вызывает быструю разрядку конденсатора и появление короткого импульса напряжения на R_Н.

Для получения более коротких импульсов применяют каскадное соединение рассмотренных схем (рисунок 22).

Рисунок 22

При этом каждый каскад вырезает более короткий импульс из подаваемого на его вход импульса от предыдущего каскада.

В этой схеме большая линейная индуктивность L_Л, - определяет величину тока на входе формирователя.

Пусть питающее напряжение изменяется по синусоидальному закону, заряды на конденсаторах при t = 0 отсутствуют и начальное магнитное состояние сердечников характеризуется значением индукции - B_S. Контур, образуемый линейным дросселем L_Л и конденсатором С₁, обычно настраивается в резонанс с частотой питающего напряжения и служит для периодической зарядки конденсатора. Если пренебречь потерями в контуреL_Л С₁, то напряжение на конденсаторе изменяется по закону:

Доказательство следует из решения соответствующего дифференциального уравнения для колебательного контура без потерь, настроенного на частоту входного гармонического воздействия:

А – любое

,

Одновременно, с увеличением U_C1, растет индукция В_I первого нелинейного дросселя, и пока он остается ненасыщенным, можно пренебречь током, протекающим через него. Если выбрать <U_m, то индукция дросселя будет равна В_S к моменту ωt = π, когда напряжение на конденсаторе достигнет своего первого максимума.

После насыщения сердечника первого дросселя имеет место колебательная разрядка С₁ и зарядка С₂ через контур, содержащий индуктивность насыщенного дросселя L_S1. При этом, если пренебречь активным сопротивлением дросселя, то, принимая за начало отсчета времени момент насыщения дросселя L₁, получим:

Решение дифференциального уравнения для соответствующего участка цепи (С₁, С₂, L₁):

, ,,,

, ,

, ,

,

,

и зарядный ток:

,

где L_S1 – индуктивность насыщенного дросселя.

Напряжение на конденсаторе С₂ достигает максимального значения при ω₁t = π, когда i₁ = 0.

При продолжении колебательной разрядки ток i₁ изменяет свое направление, что выводит сердечник дросселя L₁ из состояния насыщения и прекращает колебательный процесс. Поэтому заряд С₁ практически полностью передается С₂. Далее процесс повторяется для следующего дросселя и конденсатора. После насыщения последнего нелинейного дросселя конденсатор С₃ разряжается на нагрузку.

Обычно конденсаторы имеют одинаковую емкость, а параметры нелинейных дросселей выбирают так, чтобы каждый последующий С заряжался быстрее предыдущего. Тогда длительность каждого последующего импульса тока будет короче предыдущего, а амплитуда больше. Для отрицательного полупериода питающего напряжения сердечники перемагничиваются от В_S до - В_S, а импульсы тока имеют противоположную полярность.

Такие схемы способны давать импульс с мгновенной мощностью более 500…1000кВт длительностью 1…2мкс и КПД до 60…70%.