Як розрахувати дросель із сердечником. Схема, опис

ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ
Безкоштовна бібліотека / Електрику

Електрозварювання. Як розрахувати дросель із сердечником. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Безкоштовна технічна бібліотека

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / зварювальне обладнання

Необхідним елементом DC-DC перетворювача є дросель.

Мета цього розділу, не виходячи за межі шкільного курсу фізики, дати методику розрахунку найбільш поширеного дроселя - дроселя, що працює з підмагнічуванням. Для початку вважаємо, що в обмотці дроселя тече постійний струм із незначною пульсацією.

Обмотка дроселя зазвичай повністю займає вікно осердя. Тому знаючи величину струму I і щільність струму J (А/мм2) в обмотці, а також площа вікна сердечника S_o (см2) та коефіцієнт його заповнення До_o, можна визначити максимальна кількість витків, яке можна розмістити у вікні сердечника:

Потокосчеплення обмотки дроселя можна визначити, якщо відомі витки, максимальна індукція_m (Тл), Перетин сердечника S_c (см2) та його коефіцієнт заповнення К_m:

Підставивши (18.10) у (18.11), отримаємо:

Відомо, що

З (18.12) та (18.13) знайдемо індуктивність дроселя:

З формули індуктивності легко отримати габаритні розміри осердя, які дозволять отримати необхідну індуктивність дроселя:

Для вибору значень, J, К_c, К_o можна використати рекомендації табл. 18.5. При цьому габаритну потужність Р_габ можна прирівняти до 1,25 • S_cS_c.

Для алюмінієвого дроту щільність струму слід зменшити у 1,6 раза.

Увага! Щоб уникнути насичення сердечник дроселя повинен мати немагнітний зазор.

Вважаємо, що в порівнянні з немагнітним проміжком, сердечник дроселя є ідеальним магнітним провідником і всі ампервітки обмотки прикладені до немагнітного зазору. Завдяки довгому немагнітному зазору індукція в сердечнику змінюється практично від нуля до В_m.

Довжину немагнітного зазору при відомих ампервітках можна визначити за формулою:

або:

З (18.10), (18.13) та (18.17) виведемо формулу для знаходження індуктивності дроселя:

Часто ми бачимо, що дроселі зі сталевим осердям використовуються в інверторних джерелах на вищій частоті, ніж, здавалося б, для них допустимо. Цьому можна знайти розумне пояснення.

Втрати в сталевому осерді трансформатора визначаються за формулою:

де Р_c - Втрати в сердечнику; Р_уд - питомі втрати для даного матеріалу при заданих значеннях максимальної індукції_у та частоти f_у синусоїдальної магнітної індукції; G_с - Маса сердечника; У_m - максимальна індукція у сердечнику; α та β - Частотні показники.

У трансформаторі розмах індукції досягає подвоєного значення максимальної індукції_m (індукція змінюється від -В_m до +B_m). А в дроселі, навіть у режимі розривних струмів, розмах не перевищує значення В_m (індукція змінюється від 0 до В_m). Отже, для дроселя формулу можна переписати у такому вигляді:

ΔB - розмах індукції в осерді дроселя.

З формули випливає, що втрати в осерді зростають разом із збільшенням розмаху індукції. ΔB та зі збільшенням робочої частоти f. Однак, якщо збільшивши частоту, ми зменшимо розмах індукції, то втрати не збільшаться.

Звідси можна визначити максимальний розмах індукції для більш високої робочої частоти:

Розглянемо практичні приклади розрахунку дроселя.

Приклад розрахунку дроселя №1

Припустимо, ми будуємо регульоване зварювальне джерело. Джерело живиться від однофазної мережі 220 В, 50 Гц. Регулювання зварювального струму в межах I_хвилин = 50 А до I_Макс = 150 А здійснюється за допомогою керованого тиристорного випрямляча.

Періодичність навантаження ПН = 40%. Щоб зварювальна дуга не гасла в паузах напруги, при мінімальному струмі та для максимального кута регулювання, необхідно, щоб струм не падав нижче I_ст = 10 А.

Звідси можна визначитися з мінімальною індуктивністю дроселя:

Дросель будемо мотати на Ш-подібному сердечнику зі сталі 3411 (Е310).

Попередньо оберемо:

У = 1,42 Тл;
J = 5 А/мм2 (з урахуванням заданої ПН);
К_o - 0,35;
К_c = 0,95.

Знайдемо габаритний розмір сердечника:

Для дроселя можна використовувати два осердя ШЛ40х80 (S_c = 32 см2, S_o = 40 см2).

Визначимо кількість витків обмотки:

Обмотка виконується дротом:

Визначимо довжину немагнітного зазору:

Визначимо результуючу індуктивність:

Результат можна вважати задовільним, незважаючи на те, що отримана індуктивність дещо нижча за потрібну.

Приклад розрахунку дроселя №2

Як говорилося у першому прикладі, дросель переважно потрібен підтримки струму в паузах, викликаних роботою випрямляча (керованого чи неуправляемого). Без паузи в дроселі немає великої необхідності.

Отже, можна значно зменшити габарити дроселя, якщо зробити його нелінійним, що насичується. Т. е., коли струм у дроселі нижче струму насичення 1нап дросель має значну індуктивність, достатню для підтримки струму в паузах, а коли струм стає більше I_нас дросель відключається, тому що його сердечник входить у насичення.

Розрахуємо нелінійний двообмотувальний дросель, що насичується, для зварювального джерела з тиристорним регулятором. Основна первинна обмотка дроселя до насичення має індуктивність 0,3 мГн, а додаткова вторинна обмотка - 7,5 мГн.

Максимальний струм первинної обмотки становить I₁ = 180 А, а вторинної – I₂ = 13 А. Серцевий дросель повинен увійти в насичення, якщо струм первинної обмотки перевищує I_нас = 132 А.

Попередньо вважаємо, що первинна обмотка дроселя мотатиметься алюмінієм, а вторинна - міддю. Раніше ми визначили, що за ПВ = 20% для міді допустима щільність струму J_Cu = 8 А/мм2.

Так як алюміній має більш високий порівняно з міддю питомий опір, то для нього потрібно вибирати щільність струму в 1,6 рази менше, тобто J_Al = 5 А/мм2.

Так як відомі індуктивності обмоток дроселя, коефіцієнт трансформації дроселя можна знайти за формулою:

Виведені раніше формули справедливі для однообмотувального дроселя, що має мінімальну пульсацію струму в обмотках. Щоб врахувати різницю між струмом, що діє, і струмом насичення, необхідно значення щільності струму J помножити на коефіцієнт насичення:

Щоб виділити місце у вікні осердя для додаткової обмотки, необхідно помножити габарит осердя на коефіцієнт:

Як осердя для дроселя виберемо Ш-подібний стрічковий осердя зі сталі 3411 (Е310). За модифікованою формулою (18.15) знайдемо:

Для дроселя можна використовувати один сердечник ШЛ32х50 (S_c =16 см2, S_o = 26 см2, S_cS_o = 416 см4).

Визначимо кількість витків первинної обмотки за модифікованою формулою (18.10):

Визначимо кількість витків вторинної обмотки:

Первинна обмотка намотується дротом:

Вторинна обмотка намотується дротом:

Визначимо довжину немагнітного зазору:

Визначимо результуючу індуктивність первинної обмотки дроселя:

Індуктивність вийшла більшою, ніж потрібно. Для отримання необхідної індуктивності зменшимо кількість первинної обмотки до Wt = 18. Відповідно, W2 = 90 витків та 5 = 2 мм.

Приклад розрахунку дроселя №3

Розрахуємо дросель L2 ЕРСТ. Максимальний струм дроселя – 315 А, мінімальний –10 А.

Частота пульсації струму в дроселі відповідає частоті ШІМ і дорівнює F_ШИМ = 25000 Гц.

Визначимо параметри дроселя, необхідні забезпечення нерозривності зварювального струму. На рис. 18.25 зображено форму струму в дроселі L2, що відповідає межі нерозривності.

Як розрахувати дросель із сердечником
Мал. 18.25. Форма струму, що відповідає межі нерозривності

За час відкритого стану ключа ЕРСТ струм у дроселі збільшується від нуля до амплітудного значення. Далі за час паузи струм зменшується до нуля. Небезпека виходу за межі нерозривності існує при мінімальному зварювальному струмі I_{св min} = 10 А і максимальній вхідній напрузі ЕРСТ. Визначимо напругу дуги для мінімального зварювального струму:

Визначимо співвідношення між амплітудним та середнім значенням струму трикутної форми. Середнє значення функції є інтеграл від цієї функції або, попросту кажучи, - площа, обмежена цією функцією та лінією нульового рівня.

Площа трикутника визначається як добуток висоти трикутника на половину довжини основи:

Звідси знайдемо зв'язок між середнім та амплітудним значенням струму:

Якщо ключ відкритий, то до дроселя додана напруга:

Струм у дроселі наростає від 0 до I_a.

Під час паузи до дроселя додана напруга -U_{d хв}і струм у ньому зменшується до 0.

Так як зміна струму () в обох випадках буде мати одну і ту ж величину, але різний знак, то

Допустимо, як матеріал сердечника дроселя ми припускаємо використовувати електротехнічну сталь з товщиною листа 0,08 мм, яка на частоті f_y = 1000 Гц, при індукції B_y = 1 Тл та прямокутної формі напруги має втрати P_y = 22 Вт/кг.

Частотні показники стали α = 1,4 та β = 1,8. Знайдемо допустимий розмах індукції для частоти 25000 Гц, який забезпечить такий рівень втрат, як і на частоті 1000 Гц:

Попередньо визначимося, що індукція в сердечнику для постійного струму може досягати величини = 1,42 Тл, щільність струму J = 3,5 А/мм2, K_o = 0,35 та K_c = 0,10. Знайдемо габаритний розмір сердечника:

За розмірами підходить сердечник ШЛ25х50 (S_c = 12,5 см2, S_o = 16 см2). Розмір осердя S_cS_o = 12,5 • 16 = 200 см4.

Визначимо кількість витків:

Обмотка виконується мідною шиною перетином:

Визначимо немагнітний зазор:

Визначимо результуючу індуктивність:

Тепер слід переконатися, що розмах високочастотної пульсації індукції не перевищує ΔB = 0,16 Тл.

Максимальний розмах індукції в осерді дроселя має місце при максимальній вхідній напрузі U_{вх max} = 80 В та заповненні імпульсів D = 0,5, і може бути знайдений за формулою:

що не перевищує допустиме значення.

Автор: Корякін-Черняк С.Л.

Дивіться інші статті розділу зварювальне обладнання.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами 05.05.2024

Сучасний світ науки та технологій стрімко розвивається, і з кожним днем з'являються нові методи та технології, які відкривають перед нами нові перспективи у різних галузях. Однією з таких інновацій є розробка німецькими вченими нового способу керування оптичними сигналами, що може призвести до значного прогресу фотоніки. Нещодавні дослідження дозволили німецьким ученим створити регульовану хвильову пластину всередині хвилеводу із плавленого кремнезему. Цей метод, заснований на використанні рідкокристалічного шару, дозволяє ефективно змінювати поляризацію світла через хвилевід. Цей технологічний прорив відкриває нові перспективи розробки компактних і ефективних фотонних пристроїв, здатних обробляти великі обсяги даних. Електрооптичний контроль поляризації, що надається новим методом, може стати основою створення нового класу інтегрованих фотонних пристроїв. Це відкриває широкі можливості для застосування. ...>>

Приміальна клавіатура Seneca 05.05.2024

Клавіатури – невід'ємна частина нашої повсякденної роботи за комп'ютером. Однак однією з головних проблем, з якою стикаються користувачі, є шум, особливо у випадку преміальних моделей. Але з появою нової клавіатури Seneca від Norbauer & Co може змінитися. Seneca – це не просто клавіатура, це результат п'ятирічної роботи розробників над створенням ідеального пристрою. Кожен аспект цієї клавіатури, починаючи від акустичних властивостей до механічних характеристик, був ретельно продуманий і збалансований. Однією з ключових особливостей Seneca є безшумні стабілізатори, які вирішують проблему шуму, характерну для багатьох клавіатур. Крім того, клавіатура підтримує різні варіанти ширини клавіш, що робить її зручною для будь-якого користувача. І хоча Seneca поки не доступна для покупки, її реліз запланований на кінець літа. Seneca від Norbauer & Co є втіленням нових стандартів у клавіатурному дизайні. Її ...>>

Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія 04.05.2024

Дослідження космосу та її таємниць - це завдання, яка привертає увагу астрономів з усього світу. У свіжому повітрі високих гір, далеко від міських світлових забруднень, зірки та планети розкривають свої секрети з більшою ясністю. Відкривається нова сторінка в історії астрономії із відкриттям найвищої у світі астрономічної обсерваторії – Атакамської обсерваторії Токійського університету. Атакамська обсерваторія, розташована на висоті 5640 метрів над рівнем моря, відкриває нові можливості для астрономів у вивченні космосу. Це місце стало найвищим для розміщення наземного телескопа, надаючи дослідникам унікальний інструмент вивчення інфрачервоних хвиль у Всесвіті. Хоча висотне розташування забезпечує більш чисте небо та менший вплив атмосфери на спостереження, будівництво обсерваторії на високій горі є величезними труднощами та викликами. Однак, незважаючи на складнощі, нова обсерваторія відкриває перед астрономами широкі перспективи для дослідження. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Honeywell HPMA115S0 – вимірювач концентрації пилу PM2.5 29.05.2019

Компанія Honeywell представила новий вимірювач масової концентрації пилу HPMA115S0, що вимірює вміст у повітрі дрібнодисперсних завислих частинок розміром до 2,5 мкм. HPMA115S0 призначений для інтеграції в переносні та стаціонарні прилади для оцінки якості повітря. Пристрій розміром 43 х 36 х 24 мм з живленням 5 В і максимальним споживаним струмом 80 мА використовує інтегрований вентилятор для прокачування повітря через внутрішню камеру, де пара лазер-фотодіод робить підрахунок та аналіз пилових частинок, а вбудований мікроконтролер переводить цю інформацію масову в повітрі.

В рамках єдиного інформаційного пакета, доступного через інтерфейс UART, є роздільна інформація про концентрацію частинок розміром менше 2,5 мкм (PM2.5, частинки диму або бактерії) і частинок розміром менше 10 мкм в діаметрі (PM10, пил, пилок або пліснява) .

Сенсор має такі технічні характеристики:

Час напрацювання 20000 7 годин, що еквівалентно 8 років роботи при навантаженні XNUMX годин на добу.
Час виміру 6 секунд.
Діапазон вимірів від 0 до 1000 мкг/м3.
Точність +- 15 мкг/м3 у діапазоні від 0 до 100 мкг/м3 та +- 15 % у діапазоні від 100 до 1000 мкг/м3.
Діапазон робочих температур від -10 до 50 °C.
Електромагнітна сумісність відповідно до групи стандартів IEC61000.

Наявність UART з рівнями 3,3 робить можливим підключення до зовнішнього мікроконтролера без перетворення рівня сигналу. Є можливість переведення приладу в режим зниженого енергоспоживання з відключенням вбудованого вентилятора та зниження струму споживання до 20 мА.

Для розробника також може бути важливим наявність на борту приладу вбудованого стабілізатора, що перетворює напругу живлення 5 В вихідну напругу 3,3 В, яке можна використовувати для живлення зовнішньої схеми, наприклад, органів управління або індикації.

Вимірник запиленості Honeywell HPMA115S0 можна використовувати у складі наступних пристроїв:

Кондиціонери та очищувачі повітря.
Переносні вимірювачі якості повітря.
Комплексні монітори навколишнього оточення.
Автомобільні очищувачі повітря.

Модуль Honeywell HPMA115S0 не вимагає калібрування, відповідає директиві RoHS та регламенту REACH.