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:

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха 11.10.2026

Даже автомобили без двигателя внутреннего сгорания не являются полностью безвредными для окружающей среды. При движении любой автомобиль изнашивает шины и тормозные элементы, в результате чего в воздух и на дорожное покрытие попадают мельчайшие частицы. Студенты Эйндховенского технологического университета решили обратить внимание именно на этот мало заметный источник загрязнения и создали концептуальный электромобиль VENTRA, способный собирать часть таких загрязняющих веществ непосредственно во время движения. Проект разработала команда TU/ecomotive, которая оснастила VENTRA специальной системой улавливания частиц, образующихся при износе шин и торможении. Авторы концепта считают, что переход на электрическую тягу сам по себе не решает проблему автомобильных выбросов. Более тяжелые электромобили дополнительно нагружают шины, а их электродвигатели способны обеспечивать очень быстрое ускорение, что также может способствовать повышенному износу резины. Собранные около колес частицы си ...>>

Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется. В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, ...>>

Случайная новость из Архива

Электронное самонастраивающееся пианино 27.01.2003

Изобретатель из Канзас-Сити (США) Д. Гилмор создал электронное самонастраивающееся пианино, в котором нет движущихся частей.

В основе лежит следующий физический принцип: при нагревании струны электрическим током она расширяется, что приводит к уменьшению ее натяжения.

Встроенный микрокомпьютер анализирует натяжения струн и сравнивает их с эталонными. При наличии ошибок он подает соответствующие управляющие напряжения на силовые транзисторы, которые регулируют силу тока, протекающего через струны, и, соответственно, степень их натяжения.

Другие интересные новости:

▪ Системная плата Gigabyte Z590 Aorus Tachyon

▪ Закрученный свет тормозит

▪ Разработана камера, которая снимает без бликов

▪ Новая серия камер от CANON

▪ Рулонный смартфон Motorola

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Детекторы напряженности поля. Подборка статей

▪ статья AVerMedia DVD EZ Maker USB Plus. Искусство видео

▪ статья Какую роль солнечное затмение 28 мая 585 года до нашей эры сыграло в истории древних народов Западной Азии? Подробный ответ

▪ статья Эльсгольция Патрэна. Легенды, выращивание, способы применения