Как рассчитать дроссель с сердечником. Схема, описание

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Бесплатная библиотека / Электрику

Электросварка. Как рассчитать дроссель с сердечником. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатная техническая библиотека

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Сварочное оборудование

Необходимым элементом DC-DC преобразователя является дроссель.

Цель данного раздела, не выходя за пределы школьного курса физики, дать методику расчета наиболее распространенного дросселя - дросселя, работающего с подмагничиванием. Для начала считаем, что в обмотке дросселя течет постоянный ток с незначительной пульсацией.

Обмотка дросселя обычно полностью занимает окно сердечника. Поэтому, зная величину тока I и плотность тока J (А/мм2) в обмотке, а также площадь окна сердечника S_o (см2) и коэффициент его заполнения К_o, можно определить максимальное количество витков, которое можно разместить в окне сердечника:

Потокосцепление обмотки дросселя можно определить, если известны витки, максимальная индукция В_m (Тл), Сечение сердечника S_c (см2) и его коэффициент заполнения К_m:

Подставив (18.10) в (18.11), получим:

Известно, что

Из (18.12) и (18.13) найдем индуктивность дросселя:

Из формулы индуктивности легко получить габаритные размеры сердечника, которые позволят получить требуемую индуктивность дросселя:

Для выбора значений В, J, К_c, К_o можно использовать рекомендации табл. 18.5. При этом габаритную мощность Р_габ можно приравнять к 1,25 • S_cS_c.

Для алюминиевого провода плотность тока следует уменьшить в 1,6 раза.

Внимание! Во избежание насыщения сердечник дросселя должен иметь немагнитный зазор.

Считаем, что по сравнению с немагнитным зазором, сердечник дросселя является идеальным магнитным проводником и все ампервитки обмотки приложены к немагнитному зазору. Благодаря длинному немагнитному зазору, индукция в сердечнике изменяется практически от нуля до В_m.

Длину немагнитного зазора при известных ампервитках можно определить по формуле:

или:

Из (18.10), (18.13) и (18.17) выведем формулу для нахождения индуктивности дросселя:

Часто мы видим, что дроссели со стальным сердечником используются в инверторных источниках на более высокой частоте, чем, казалось бы, для них допустимо. Этому можно найти разумное объяснение.

Потери в стальном сердечнике трансформатора определяются по формуле:

где Р_c - потери в сердечнике; Р_уд - удельные потери для данного материала при заданных значениях максимальной индукции В_у и частоты f_у синусоидальной магнитной индукции; G_с - масса сердечника; В_m - максимальная индукция в сердечнике; α и β - частотные показатели.

В трансформаторе размах индукции достигает удвоенного значение максимальной индукции В_m (индукция меняется от -В_m до +B_m). А в дросселе, даже в режиме разрывных токов, размах не превышает значения В_m (индукция меняется от 0 до В_m). Значит, для дросселя формулу можно переписать в следующем виде:

ΔB - размах индукции в сердечнике дросселя.

Из формулы следует, что потери в сердечнике возрастают вместе с увеличением размаха индукции ΔB и с увеличением рабочей частоты f. Однако, если, увеличив частоту, мы уменьшим размах индукции, то потери не увеличатся.

Отсюда можно определить максимальный размах индукции для более высокой рабочей частоты:

Рассмотрим практические примеры расчета дросселя.

Пример расчета дросселя № 1

Допустим, мы строим регулируемый сварочный источник. Источник питается от однофазной сети 220 В, 50 Гц. Регулировка сварочного тока в пределах от I_min = 50 А до I_max = 150 А осуществляется при помощи управляемого тиристорного выпрямителя.

Периодичность нагрузки ПН = 40 %. Чтобы сварочная дуга не гасла в паузах напряжения, при минимальном токе и для максимального угла регулирования, необходимо, чтобы ток не падал ниже I_ст = 10 А.

Отсюда можно определиться с минимальной индуктивностью дросселя:

Дроссель будем мотать на Ш-образном сердечнике из стали 3411 (Э310).

Предварительно выберем:

В = 1,42 Тл;
J = 5 А/мм2 (с учетом заданной ПН);
К_o - 0,35;
К_c = 0,95.

Найдем габаритный размер сердечника:

Для дросселя можно использовать два сердечника ШЛ40х80 (S_c = 32 см2, S_o = 40 см2).

Определим количество витков обмотки:

Обмотка выполняется проводом сечением:

Определим длину немагнитного зазора:

Определим результирующую индуктивность:

Результат можно считать удовлетворительным, несмотря на то, что полученная индуктивность несколько ниже требуемой.

Пример расчета дросселя № 2

Как говорилось в первом примере, дроссель в основном нужен для поддержания тока в паузах, вызванных работой выпрямителя (управляемого или неуправляемого). В отсутствии паузы в дросселе нет большой необходимости.

Следовательно, можно значительно уменьшить габариты дросселя, если сделать его нелинейным, насыщающимся. Т. е., когда ток в дросселе ниже тока насыщения 1нап дроссель имеет значительную индуктивность, достаточную для поддержания тока в паузах, а когда ток становится больше I_нас дроссель отключается, т. к. его сердечник входит в насыщение.

Рассчитаем нелинейный двухобмоточный насыщающийся дроссель для сварочного источника с тиристорным регулятором. Основная первичная обмотка дросселя до насыщения должна иметь индуктивность 0,3 мГн, а дополнительная вторичная обмотка - 7,5 мГн.

Максимальный ток первичной обмотки составляет I₁ = 180 А, а вторичной - I₂ = 13 А. Сердечник дросселя должен войти в насыщение, если ток первичной обмотки превышает I_нас = 132 А.

Предварительно считаем, что первичная обмотка дросселя будет мотаться алюминием, а вторичная - медью. Ранее мы определили, что при ПВ = 20% для меди допустима плотность тока J_Cu = 8 А/мм2.

Так как алюминий имеет более высокое по сравнению с медью удельное сопротивление, то для него нужно выбирать плотность тока в 1,6 раза меньше, т. е. J_Al = 5 А/мм2.

Так как известны индуктивности обмоток дросселя, то коэффициент трансформации дросселя можно найти по формуле:

Выведенные ранее формулы справедливы для однообмоточного дросселя, имеющего минимальную пульсацию тока в обмотках. Чтобы учесть разницу между действующим током и током насыщения, необходимо значение плотности тока J умножить на коэффициент насыщения:

Чтобы выделить место в окне сердечника для дополнительной обмотки, необходимо умножить габарит сердечника на коэффициент:

В качестве сердечника для дросселя выберем Ш-образный ленточный сердечник из стали 3411 (Э310). По модифицированной формуле (18.15) найдем:

Для дросселя можно использовать один сердечник ШЛ32х50 (S_c =16 см2, S_o = 26 см2, S_cS_o = 416 см4).

Определим количество витков первичной обмотки по модифицированной формуле (18.10):

Определим количество витков вторичной обмотки:

Первичная обмотка наматывается проводом сечением:

Вторичная обмотка наматывается проводом сечением:

Определим длину немагнитного зазора:

Определим результирующую индуктивность первичной обмотки дросселя:

Индуктивность получилась больше, чем нужно. Для получения требуемой индуктивности уменьшим количество первичной обмотки до Wt = 18. Соответственно, W2 = 90 витков и 5 = 2 мм.

Пример расчета дросселя № 3

Рассчитаем дроссель L2 ЭРСТ. Максимальный ток дросселя - 315 А, минимальный -10 А.

Частота пульсации тока в дросселе соответствует частоте ШИМ и равна F_ШИМ = 25000 Гц.

Определим параметры дросселя, необходимые для обеспечения неразрывности сварочного тока. На рис. 18.25 изображена форма тока в дросселе L2, соответствующая границе неразрывности.

Как рассчитать дроссель с сердечником
Рис. 18.25. Форма тока, соответствующая границе неразрывности

За время открытого состояния ключа ЭРСТ ток в дросселе увеличивается от нуля до амплитудного значения. Далее, за время паузы, ток уменьшается до нуля. Опасность выхода за границы неразрывности существует при минимальном сварочном токе I_{св min} = 10 А и максимальном входном напряжении ЭРСТ. Определим напряжение дуги для минимального сварочного тока:

Определим соотношение между амплитудным и средним значением тока треугольной формы. Среднее значение функции есть интеграл от этой функции или, попросту говоря, - площадь, ограниченная этой функцией и линией нулевого уровня.

Площадь треугольника определяется как произведение высоты треугольника на половину длины основания:

Отсюда найдем связь между средним и амплитудным значением тока:

Если ключ открыт, то к дросселю приложено напряжение:

Ток в дросселе нарастает от 0 до I_a.

Во время паузы к дросселю приложено напряжение -U_{d мин}, и ток в нем уменьшается до 0.

Так как изменение тока () в обоих случаях будет иметь одну и ту же величину, но разный знак, то

Допустим, в качестве материала сердечника дросселя мы предполагаем использовать электротехническую сталь с толщиной листа 0,08 мм, которая на частоте f_y = 1000 Гц, при индукции B_y = 1 Тл и прямоугольной форме напряжения имеет потери P_y = 22 Вт/ кг.

Частотные показатели стали α = 1,4 и β = 1,8. Найдем допустимый размах индукции для частоты 25000 Гц, который обеспечит такой же уровень потерь, как и на частоте 1000 Гц:

Предварительно определимся, что индукция в сердечнике для постоянного тока может достигать величины В = 1,42 Тл, плотность тока J = 3,5 А/ мм2, K_o = 0,35 и K_c = 0,10. Найдем габаритный размер сердечника:

По размерам подходит сердечник ШЛ25х50 (S_c = 12,5 см2, S_o = 16 см2). Размер сердечника S_cS_o = 12,5 • 16 = 200 см4.

Определим количество витков:

Обмотка выполняется медной шиной сечением:

Определим немагнитный зазор:

Определим результирующую индуктивность:

Теперь следует убедиться, что размах высокочастотной пульсации индукции не превышает ΔB = 0,16 Тл.

Максимальный размах индукции в сердечнике дросселя имеет место при максимальном входном напряжении U_{вх max} = 80 В и заполнении импульсов D = 0,5, и может быть найден по формуле:

что не превышает допустимого значения.

Автор: Корякин-Черняк С.Л.

Смотрите другие статьи раздела Сварочное оборудование.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Горькие продукты улучшают работу мозга 08.11.2025

Как выяснили японские ученые, горький вкус флаванолов играет важную роль в стимуляции центральной нервной системы. Даже при минимальном усвоении этих веществ организм получает сигнал к повышению активности нейромедиаторов и улучшению когнитивных функций, что делает натуральные продукты с горьким вкусом потенциально полезными для мозга и общей физиологии. В поисках способов улучшить работу мозга ученые все чаще обращаются к натуральным соединениям, содержащимся в привычных продуктах питания. Одним из таких веществ являются флаванолы, присутствующие в какао, красном вине и ягодах. Исследователи из Технологического института Сибаура в Японии выяснили, что горький и вяжущий вкус этих соединений способен активировать мозг через вкусовые рецепторы, способствуя улучшению памяти, внимания и способности к обучению. Ранее было известно, что флаванолы защищают нейроны и поддерживают когнитивные функции, однако их биодоступность - доля вещества, поступающая в кровь - крайне низка. Это вызвал ...>>

Дождевой электрогенератор 08.11.2025

Группа разработчиков Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики представила дождевой электрогенератор, который превращает дождевые капли в источник электричества, используя саму воду как структурный и электрический элемент. В отличие от традиционных капельных генераторов, где электричество создается на твердых диэлектрических пленках с металлическими электродами, новое устройство плавает непосредственно на поверхности воды. Вода одновременно выполняет роль опоры и проводника, что позволило снизить вес системы на 80%, а стоимость уменьшить почти наполовину, сохранив при этом мощность до 250 вольт на каждую каплю. "Мы позволили воде одновременно выполнять структурную и электрическую функции, создав легкую, доступную и масштабируемую систему", - объяснил профессор Ванлин Гуо, ведущий автор исследования. Такая концепция открывает путь к созданию гидровольтаических систем, которые могут работать в водоемах без использования суши, дополняя солнечные и ветровые технологии. П ...>>

Климат влияет на длительность беременности 07.11.2025

Беременность традиционно воспринимается как естественный биологический процесс с предсказуемыми сроками, однако современные исследования все чаще доказывают, что на ее продолжительность влияют факторы, выходящие далеко за пределы медицины. Среди них особое место занимают климат и окружающая среда - именно эту взаимосвязь впервые подробно изучили ученые из Университета Кертина в Австралии. Их работа раскрывает, что экстремальные погодные условия способны не только вызывать преждевременные роды, но и, напротив, удлинять срок беременности. Команда исследователей проанализировала данные почти 400 тысяч новорожденных, появившихся на свет в Западной Австралии. Результаты оказались неожиданными: климатические колебания заметно влияли на организм будущих матерей, особенно у тех, кто рожал после 41-й недели беременности. По словам доктора Сильвестра Додзи Ньядана из Школы народного здоровья Университета Кертина, проблема перенашивания долгое время оставалась в тени, хотя ее последствия могут ...>>

Случайная новость из Архива

Исчезновение динозавров изменило реки и леса 22.09.2025

Когда мы говорим о динозаврах, обычно представляем себе огромных существ, господствовавших на планете, пока катастрофа не поставила точку в их истории. Но новые данные американских ученых показывают, что роль этих животных была куда глубже: они не только населяли экосистемы, но и активно формировали их. Более того, именно их исчезновение дало толчок к коренным изменениям в ландшафте Земли.

Исследователи из Мичиганского университета обратили внимание на контраст между породами, образованными до вымирания динозавров, и теми, что возникли после. Долгое время такие различия объясняли изменением уровня моря или другими геологическими факторами. Однако анализ пород в западной части США, включая знаменитый пласт Форт-Юнион, показал, что в основе лежала биологическая причина.

Оказалось, что динозавры, питаясь огромными объемами растительности, не давали лесам разрастаться. Они оставляли между деревьями открытые пространства, заросшие сорняками, и тем самым мешали формированию устойчивых почв. В результате реки текли относительно свободно и не образовывали широких изгибов.

С исчезновением гигантов ситуация резко изменилась. Леса начали разрастаться, корневая система растений стала стабилизировать почвы, и реки получили возможность формировать меандры. Геологические следы этих изменений сохранились в разноцветных полосатых слоях Форт-Юниона, ранее ошибочно принятых за отложения прудов. На деле же это были отложения точечных бар - характерных элементов излучин рек.

Ученые отмечают, что вместе с речными отложениями встречаются пласты лигнита - низкосортного угля, образовавшегося из растительных остатков. Это лишнее доказательство того, что именно густые леса способствовали накоплению органики, а не ила и песка, как это было ранее. Подобные данные удалось обнаружить и в бассейне Бигхорн, что подтверждает глобальность процесса.

Интересно, что ключевым фактором перемен стало падение астероида на полуостров Юкатан, уничтожившее динозавров. Но само по себе это событие не объясняет всех изменений. Исследователи подчеркивают: именно исчезновение животных-инженеров позволило природе пойти по новому пути.

Этот вывод меняет наше представление о связи между жизнью и ландшафтом. Обычно мы рассматриваем климат как первичную силу, определяющую облик Земли и ее экосистемы. Но результаты работы американских геологов демонстрируют обратное: сама жизнь способна кардинально менять климатические и геологические процессы.

История вымирания динозавров - это не только рассказ о гибели величественных животных, но и пример того, насколько глубоко живые организмы могут влиять на облик планеты. Исчезновение этих существ стало отправной точкой для рождения новых экосистем, а значит, жизнь на Земле всегда была и остается главным архитектором ее будущего.

Другие интересные новости:

▪ Как считают ученые, у SSD нет будущего

▪ Графен ускоряет оптические коммутаторы в 100 раз

▪ Первый кабельный модем и маршрутизатор PCX5000

▪ Жуки - самые живучие существа

▪ Ожидается рост популярности гелиевых жестких дисков

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Устройства защитного отключения. Подборка статей

▪ статья Шитье полиэтилена - с помощью газеты. Советы домашнему мастеру

▪ статья Где находится Араратская долина? Подробный ответ

▪ статья Права профессиональных союзов в области охраны труда