АТ / Attachments_mysteryst@mail.ru_2015-09-08_11-42-25 / Лекции_ИКИТ / 5

42

Лекция 5

ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ УСТРОЙСТВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

План

1.Введение

2.Общие свойства магнитных материалов

3.Магнитные материалы, используемые в преобразовательных устройствах

4.Трансформаторы

5.Дроссели

6.Выводы

1. Введение

Одними из основных компонентов устройств энергетической электроники являются индуктивные катушки и трансформаторы.

Впреобразовательных устройствах необходимы катушки, обладающие большой индуктивностью и высокой добротностью даже на низких частотах. Этим требованиям удовлетворяют катушки, намотанные на сердечники из ферромагнитных материалов. Такие катушки называют дросселями. Основными параметрами дросселя являются индуктивность L и активное сопротивление Rдр .

Особенно важным является применение ферромагнитных сердечников

втрансформаторах. Поскольку почти весь магнитный поток, создаваемый обмотками трансформатора, сосредоточен в сердечнике, коэффициент связи между обмотками может достигать значений, равных 0.95 – 0.98, в то время как у трансформаторов без ферромагнитного сердечника коэффициент связи не превышает 0.3 – 0.5.

Развитие импульсных источников электропитания стимулировало совершенствование характеристик магнитных материалов, а также конструкций трансформаторов и дросселей. В настоящее время диапазон рабочих частот пассивных компонентов достигает нескольких мегагерц.

Входе настоящей лекции мы рассмотрим основные свойства магнитных материалов, используемых в современных преобразовательных устройствах. Материал лекции имеет обзорный характер и базируется в основном на монографии [1].

43

2. Общие свойства магнитных материалов

Магнитная индукция и напряженность магнитного поля. Основной величиной, характеризующей магнитное поле, является вектор магнитной индукции B . Поток вектора магнитной индукции сквозь поверхность S называется магнитным потоком:

Φ=òBds .

В однородном магнитном поле, когда магнитная индукция во всех точках поверхности одинакова, поток сквозь поверхность S , расположенную перпендикулярно силовым линиям магнитного потока,

Φ = BS .

Другой характеристикой магнитного поля является вектор напряженности магнитного поля H . В вакууме связь между напряженностью магнитного поля и магнитной индукцией определяется равенством

B = μ0 H .

Магнитная постоянная μ0 = 4π ×10−7 Гн/м.

В качестве материала магнитных сердечников используют железо, никель, кобальт и их сплавы. Магнитная проницаемость этих материалов превышает магнитную проницаемость воздуха в сотни тысяч раз.

Свойства ферромагнитных материалов характеризуют зависимостью магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H . График зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля

B = f (H ) называют кривой намагничивания.

В том случае, когда ток в обмотке катушки, намотанной на ферромагнитный сердечник, изменяется периодически, кривая зависимости приобретает вид петли гистерезиса (рис. 5.1). Размеры петли зависят в основном от материала сердечника, от наибольшего значения

магнитной индукции, а также от скорости перемагничивания. Если периодически изменять напряженность магнитного поля так, чтобы

44

возрастает по нижней части петли, а при уменьшении H индукция убывает по верхней части петли.

Предельной гистерезисной петлей называют симметричную гистерезисную петлю при очень больших насыщениях. Индукцию при называют остаточной и обозначают Br . Напряженность поля при называют коэрцитивной силой и обозначают H с .

Геометрическое место вершин симметричных гистерезисных петель называют основной кривой намагничивания. В соответствии с ГОСТ в качестве однозначной зависимости между B и H принимают основную кривую намагничивания.

Рис. 5.1

При изменении магнитного поля в ферромагнитном материале часть энергии магнитного поля преобразуется в тепло. Основные потери в материале сердечника состоят из потерь от гистерезиса и динамических потерь.

Потери на гистерезис определяются формулой

Pг = (σ г1Bm + σ г 2 Bm2 ) f .

Здесь σг1 , σг 2 – коэффициенты, зависящие от вида магнитного материала, Bm – амплитуда магнитной индукции; f – частота.

Динамические потери вызываются в основном вихревыми токами. Потери от вихревых токов определяются приближенной формулой

Pв =σв Bm2 V f .

46

Согласно ГОСТ электротехнические стали имеют буквенно-цифровое обозначение. Буква Э обозначает электротехническую сталь. Первая цифра (1, 2, 3, 4) обозначает процентное содержание кремния. Вторая цифра характеризует магнитные свойства стали.

Электротехнические стали разделяются на две группы.

К первой группе относят стали, предназначенные для работы при частотах порядка 50 Гц. Они обладают большой индукцией насыщения, но относительно низкими магнитными свойствами в слабых магнитных полях и относительно большими потерями. Удельные потери при частоте 50 Гц и индукции 1.0 Тл составляют от 0.8 до 1.6 Вт/кг. Такие стали изготавливаются в виде листов толщиной 0.35 и 0.5 мм.

Во вторую группу входят электротехнические стали, обладающие улучшенными магнитными свойствами в слабых магнитных полях и относительно малыми потерями. Они предназначены для работы при более высоких частотах. Современные магнитные сердечники из электротехнической стали и специальных сплавов изготавливаются из ленты. Толщина ленты определяет условия работы трансформаторов и дросселей. Меньшая толщина ленты позволяет использовать эти устройства на более высоких частотах. На частотах выше 1 кГц применяются электротехнические стали с толщиной ленты 25 – 50 мкм.

Аморфное железо. Аморфные сплавы на основе железа используются в сердечниках в виде ленты, толщина которой составляет 22 – 25 мкм. Такие сплавы характеризуются высоким значением индукции насыщения Bs и сравнительно малыми удельными потерями. Сердечники из аморфных сплавов позволяют создавать устройства, которые по совокупности характеристик превосходят устройства, изготовленные из электротехнической стали. Основное их применение – дроссели в различных узлах электротехнических устройств. Важными достоинствами сердечников из аморфных сплавов являются высокие значения температуры точки Кюри (3950С) и окружающей температуры (до 1500С).

Кобальтовые сплавы. В устройствах энергетической электроники, работающих на высоких частотах, используются аморфные магнитные сплавы с высоким содержанием кобальта. Помимо кобальта сплавы содержат бор, никель, железо и кремний.

Такие сплавы имеют высокую прямоугольность петли гистерезиса (0.9

– 0.98), низкие значения проницаемости в состоянии насыщения и малую коэрцитивную силу. Важной особенностью сердечников на основе кобальтовых сплавов является их высокая проницаемость, во много раз превосходящая проницаемость других магнитных материалов.

Благодаря низким потерям сплавы на основе кобальта применяют в электромагнитных элементах, устраняющих высокочастотные импульсы

47

напряжения, в качестве сердечников дросселей фильтров защиты от радиопомех, возникающих при работе импульсных устройств.

Ферриты. Ферритами называют ферромагнитные материалы, изготовленные из смеси окислов железа с окислами цинка, марганца, меди магния. При изготовлении сердечников эта смесь размалывается, прессуется под большим давлением, отжигается в кислороде при температуре более 10000С и затем медленно охлаждается. В результате получают сердечники нужной геометрической формы. Последующая механическая обработка (шлифовка) выполняется инструментом с алмазными включениями.

Окислы выполняют роль изолятора, поэтому удельное сопротивление ферритов значительно выше, чем сопротивление магнитных сплавов. Вследствие этого у ферритов намного меньшие потери при высоких частотах. Преобразовательные устройства с ферритовыми сердечниками могут работать на высоких частотах, до 10 – 15 МГц.

Порошковые материалы. Современные порошковые материалы используются в сердечниках трансформаторов и дросселей, работающих на постоянном и переменном токе. Порошковые магнитные материалы и сердечники на их основе делятся на четыре группы.

1.Порошковое железо.

2.Мо-пермаллой.

3.Материалы, основанные на сплаве железа и никеля.

4.Железо-алюминиевые порошковые материалы.

Порошковые материалы представляют мелкие крупинки железа и других сплавов, покрытых изоляционным материалом, которые прессуются и запекаются. Размер крупинок определяет верхнюю частоту вследствие потерь на вихревые токи. Важное свойство сердечников из порошковых материалов заключается в том, что они имеют распределенный зазор, обеспечиваемый изолирующим веществом.

Ферриты и порошковое железо являются основными материалами, применяемыми в сердечниках дросселей импульсных источников питания. Конструкции и характеристики сердечников из порошковых материалов подробно рассмотрены в [7]. Там же приведены рекомендации по выбору сердечников для магнитных элементов импульсных преобразователей.

4. Трансформаторы

Трансформатор – устройство, которое служит для передачи энергии из одной цепи в другую посредством электромагнитной индукции.

48

Двухобмоточный трансформатор состоит из двух индуктивно связанных катушек с индуктивностями L1 и L2, расположенных на общем сердечнике. Катушку, к которой подключается источник, называют первичной, а катушку, к которой подключается нагрузка, – вторичной.

Силовые трансформаторы используют для повышения или понижения напряжения, гальванической развязки между первичной и вторичной цепями.

Низкочастотные силовые трансформаторы, работающие на частотах 50 или 400 Гц, выполняются на сердечниках из шихтованной или ленточной электротехнической стали. В высокочастотных преобразователях вместо электротехнической стали используют порошковые магнитные материалы

электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к напряжению u1 в ней возникает ток i1, создающий в сердечнике переменный магнитный поток. В результате в обмотках трансформатора индуцируются ЭДС: в первичной обмотке – ЭДС самоиндукции, а во вторичной – ЭДС взаимной индукции, которая вызывает в нагрузке ток i2.

Если число витков первичной обмотки w1 меньше числа витков вторичной обмотки w2, трансформатор является повышающим. Если w2 > w2 , трансформатор является понижающим.

На рис. 5.3 изображена схема двухобмоточного трансформатора. Резисторы учитывают потери в первичной и вторичной катушках, Z н – комплексное сопротивление нагрузки.

Рис. 5.3

Идеальный трансформатор. В трансформаторах с ферромагнитными сердечниками коэффициент индуктивной связи между обмотками близок к единице, а сопротивления обмоток значительно больше сопротивлений источника и нагрузки. Для упрощения расчетов такой трансформатор полагают идеальным. Индуктивности первичной и вторичной обмоток идеального трансформатора бесконечно велики, поэтому ток намагничивания равен нулю. Коэффициент связи между катушками равен единице.

49

Идеальный трансформатор мы будем обозначать так, как показано на рис. 5.4.

Рис. 5.4

Соотношения между напряжениями и токами идеального

Здесь n = w2 w1 – коэффициент трансформации. Равенства (6.1) и (6.2) показывают, что идеальный трансформатор – это резистивный четырехполюсник, «пересчитывающий» токи и напряжения первичной и вторичной обмоток. Одно из главных свойств идеального трансформатора – отсутствие потерь мощности, т.е.

u1i1 + u2i2 = 0 .

Если к выходным зажимам идеального трансформатора подключено сопротивление нагрузки Rн , как показано на рис. 5.5, то u2 = −Rнi2 . Входное сопротивление идеального трансформатора, нагруженного на сопротивление Rн , равно

50 Рис. 5.5

Итак, идеальный трансформатор изменяет сопротивление нагрузки в 1n2 раз.

Схема замещения двухобмоточного трансформатора. Идеальный трансформатор является простейшей моделью силовых трансформаторов, используемых в устройствах преобразования электрической энергии. Он только приближенно отображает процессы, происходящие в реальных устройствах. Свойства реального трансформатора во многом отличаются от идеального.

Во-первых, идеальный трансформатор обеспечивает связь по постоянному току и напряжению между первичной и вторичной обмотками. В реальном трансформаторе такой связи нет.

Во-вторых, уравнения идеального трансформатора предполагают совершенную магнитную связь между обмотками. Иными словами, в идеальном трансформаторе отсутствует магнитный поток рассеяния и все силовые линии сцепляются с обеими обмотками.

В идеальном трансформаторе ток в первичной обмотке отсутствует, если цепь вторичной обмотки разомкнута. В реальном трансформаторе индуктивности обмоток конечны и поэтому ток намагничивания, связанный с общим потоком взаимной индукции в сердечнике, отличен от нуля.

Для учета эффектов, наблюдаемых в реальных трансформаторах, в простейшую схему замещения включают дополнительные элементы. Схема замещения двухобмоточного трансформатора показана на рис. 5.6. Индуктивность намагничивания Lμ , включенная параллельно первичной обмотке, учитывает ненулевой ток намагничивания реального трансформатора и шунтирует постоянную составляющую тока i1 . Ток, замыкающийся через Lμ называют током намагничивания.

Величина индуктивности намагничивания зависит от материала сердечника. Идеальный сердечник должен обладать бесконечной магнитной проницаемостью и бесконечной индуктивностью намагничивания. На практике выбирают сердечники, имеющие самую большую магнитную проницаемость и наименьшие потери на рабочей частоте. В трансформаторах импульсных источников питания используются в основном ферритовые сердечники.