Несколько слов о моточных изделиях в силовых преобразователях

September 5, 2013 by admin Комментировать »

О принципах проектирования моточных изделий, использующихся в приборах силовой электроники (сюда входят дроссели, реакторы, трансформаторы) написано достаточно книг, поэтому мы не будем здесь повторяться и подробно разъяснять читателю, что такое идеальные и реальные индуктивные элементы, как вычислять поле в магнитопроводах, как рассчитать в них тепловые потери, как выбрать подходящее сечение обмоточных проводов, какие бывают конструктивные исполнения этих элементов и т. д. Обо всем об этом можно прочитать, например, в [1] и [2]. Наш рассказ посвятим лишь перспективным ферромагнитным материалам и изделиям на их основе, которые целесообразно использовать при проектировании мощных статических преобразователей, а также расскажем о новой технологии компактной «намотки» трансформаторов и дросселей.

Далеко не всякие ферромагнитные материалы могут быть использованы в силовой электронике для намотки трансформаторов и дросселей, тем более высокочастотных. Назовем основные свойства материалов, которые являются «пропуском» в область силовой преобразовательной техники:

•  материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, то есть обладать магнитомягкими свойствами (обладать узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости);

•  материал должен обладать большой индукцией насыщения, что позволит разработчику максимально уменьшить габариты и массу индуктивных элементов;

•  материал должен обладать возможно меньшими потерями на перемагничивание и вихревые токи;

•  материал должен иметь слабую зависимость магнитных свойств от механических напряжений типа растяжения и сжатия;

•  материал должен в максимальной степени сохранять магнитные характеристики при изменении температуры, влажности, иметь временную стабильность характеристик.

В большинстве электротехнических справочников магнитные материалы для изготовления дросселей и трансформаторов классифицируются по трем основным группам:

а)           проводниковые — электротехнические стали и сплавы (сюда также входят пермаллои);

б)           полупроводниковые — различные типы ферритов;

в)           диэлектрические — магнитодиэлектрики (МО-пермаллои).

Применение материалов, относящихся к разным группам, имеет

свои особенности. При изготовлении электромагнитных элементов, работающих на частотах от 50 Гц до 10 кГц, используют электротехнические стали, на частотах от 5…10 до 20…30 кГц — электротехнические сплавы, на частотах от нескольких кГц и выше — ферриты и магнитодиэлектрики. Отдельные виды электротехнических сплавов так называемого микронного проката работают на частотах до нескольких сотен кГц. Но в любом случае надо помнить, что верхняя частота эффективной работы материала ограничена потерями в нем на перемагничивание (на гистерезис) и на вихревые токи.

Рассматривать подробно достоинства и недостатки электротехнических сталей не имеет никакого смысла, поскольку они в основном используются в низкочастотной преобразовательной технике — в сетевых трансформаторах и сглаживающих дросселях фильтров, рассчитанных на частоты в диапазоне 50…400 Гц. Конечно, обычные сетевые низкочастотные трансформаторы тоже используются в преобразовательной технике — для обеспечения питания собственных нужд. Но их теория хорошо известна, а потому выходит за рамки данной книги.

Кроме того, электротехнические стали совершенно не годятся для проектирования высокочастотных индуктивных элементов. Электротехнические сплавы типа пермаллоя, имея значительную чувствительность к механическим ударам, до недавнего времени были не слишком популярны у разработчиков силовой преобразовательной техники. Однако теперь технология изготовления изделий на основе пермаллоя сделала значительный прогрессивный шаг, появились доступные и надежные магнитопроводы, стойкие к внешним воздействиям.

В отличие от электротехнических сталей, в основе которых содержится только небольшое количество кремния (не более 4 %), пермаллои представляют собой сложные по структуре сплавы с примесью хрома, никеля, кобальта и других металлов, что и обуславливает их замечательные свойства. Наиболее известны такие марки пермаллоев, как 79HM, 81HMA. Эти материалы выпускаются в виде ленты толщиной от 0,005 ммдо 2,5 мм, обладают начальной магнитной проницаемостью порядка 10 000, максимальной магнитной проницаемостью около 200 000, индукция насыщения пермаллоев составляет около 0,75 Тл. Главная проблема практического применения пермаллоев состоит в том, что промышленность выпускает ограниченный типоряд готовых сердечников и магнитопроводов из этих материалов. К тому же далеко не всякое предприятие обладает необходимым оборудованием для изготовления качественных магнитопроводов из пермаллоевойленты. Но это вовсе не означает, что нужно отказываться от использования электротехнических сплавов. Сегодня в области проектирования силовой преобразовательной техники стремительно растет интерес к использованию таких электротехнических сплавов, как аморфные магнитомягкие сплавы. Они отличаются от сплавов кристаллического типа, к которым относятся пермаллои, улучшенными магнитными и механическими свойствами, высоким собственным электрическим сопротивлением (что снижает потери на вихревые токи), малыми потерями на гистерезис. Величина вихревых токов, возникающих в аморфных магнитомягких сплавах, в

3..                     .5 раз меньше, чем у кристаллических сплавов. И, что немаловажно, промышленность наладила выпуск широкой номенклатуры изделий из аморфных сплавов, отличающихся низкой стоимостью.

Ведущим отечественным предприятием по производству изделий из аморфных магнитомягких сплавов является НПО «Гаммамет» (г.Екатеринбург) [46]. Наиболее серьезно преуспело это предприятие в выпуске кольцевых магнитопроводов с наружным диаметром до 600 мм, и высотой, кратной 5 мм. Выпускаются также П-образные магнитопроводы и магнитопроводы прямоугольного (стержневого) типа. Изделия из аморфного сплава марок ГМ работают в диапазоне температур от минус 60 до +125 °С. Выпускаются две разновидности изделий из аморфных материалов: размещаемые в защитных контейнерах из полипропилена и в комбинированных контейнерах. Изделия могут быть поставлены и без контейнеров, но этот вариант очень неудобен для потребителя — ему в этом случае придется выполнять изоляцию магнитопровода самостоятельно. Верхняя граница рабочей частоты материала, как указано в фирменных технических условиях, составляет около 200 кГц. Магнитные свойства наиболее распространенных марок сплава ГМ приведены в табл. 2.6.1.

Таблица 2.6.1. Основные параметры аморфных сплавов типа ГМ

Марка материала

Вт, Тл

ц„, o.e.

Hmax> °-е*

Нс, А/м

ГМ412А

1,12

10 000

600 000

1,2

ГМ414

1,15

60 000

300 000

1,0

ГМ440А

1,5

1000

200 000

4,0

ГМ501

0,43

150 000

600 000

0,15

ГМ503А

0,58

5000

150 000

0,2

ГМ515А

0,95

150

250 000

1,5

ГМ11ДС

0,32

70 000

150 000

0,4

ГМ14ДС

0,8

20 000

50 000

2,0

ГМ32ДС

0,75

7000

200 000

2,0

ГМЗЗДС

0,4

3000

600 000

0,5

ГМ42ДС

0,75

20 000

25 000

2,0

ГМ43ДС

0,4

35 000

40 000

0,5

ГМ45ДС

0,7

1200

1250

2,5

ГМ54ДС-1000

0,8

| 1000

1100

3,0

ГМ54ДС-700

0,8

700

760

3,0

ГМ54ДС-500

0,8

500

540

3,0

ГМ54ДС-350

0,8

350

370

3,0

ГМ54ДС-250

0,8

| 250

260

3,0

ГМ54ДС-200

0,8

| 200

215

3,0

ГМ54ДС-140

0,8

140

150

3,0

ГМ54ДС-90

0,8

| 90

96

4,0

IГМ54ДС-60

0,8

J 60

64

4,0

ГМ54ДС-40

0,8

40

42

4,0

ГМ54ДС-30

0,8

! зо

31

4,0

На рис. 2.6.1 и рис. 2.6.2 приведены кривые намагничивания материалов марок ГМ32ДС и ГМ54ДС.

Рис. 2.6.1. Кривая намагничивания материала ГМ32ДС

Рис. 2.6.2. Семейство кривых намагничивания материала ГМ54ДС с проницаемостью 30…1000

Особое внимание следует обратить на магнитопроводы из материала ГМ54ДС. Эти магнитопроводы, имеющие неферромагнитный зазор, могут быть использованы для намотки мощных дросселей, «работающих» в режиме подмагничивания постоянным током и с меняющимися однополярными токами.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты