|
|
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Электросварка. Как рассчитать дроссель с сердечником
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 So (см2) и
коэффициент его заполнения Кo, можно
определить максимальное количество витков, которое можно разместить в окне
сердечника:
 Потокосцепление обмотки дросселя можно определить, если известны витки,
максимальная индукция Вm (Тл), Сечение
сердечника Sc (см2) и его коэффициент
заполнения Кm:
 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, Кc,
Кo можно использовать рекомендации табл.
18.5. При этом габаритную мощность Ргаб можно приравнять к 1,25 • ScSc.
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 Вm.
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 Рc - потери в сердечнике;
Руд - удельные потери для данного материала при заданных значениях
максимальной индукции Ву и частоты fу синусоидальной
магнитной индукции;
Gс - масса сердечника;
Вm - максимальная индукция в сердечнике; α и β
- частотные показатели.
В трансформаторе размах индукции достигает удвоенного значение максимальной
индукции Вm (индукция меняется от -Вm
до +Bm). А в дросселе, даже в режиме
разрывных токов, размах не превышает значения Вm
(индукция меняется от 0 до Вm). 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
Imin = 50 А до Imax
= 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 Iст =
10 А.
Отсюда можно определиться с минимальной индуктивностью дросселя:
 Дроссель будем мотать на Ш-образном сердечнике из стали 3411 (Э310).
Предварительно выберем:
Найдем габаритный размер сердечника:
 Для дросселя можно использовать два сердечника ШЛ40х80 (Sc
= 32 см2, So = 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 Iнас
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
Iнас = 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 JCu = 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. JAl = 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 (Sc
=16 см2, So = 26 см2, ScSo
= 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 FШИМ = 25000 Гц.
Определим параметры дросселя, необходимые для обеспечения неразрывности
сварочного тока. На рис. 18.25 изображена форма тока в дросселе L2,
соответствующая границе неразрывности.
 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 Iсв 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 Ia.
Во время паузы к дросселю приложено напряжение -Ud
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 fy = 1000 Гц, при индукции By
= 1 Тл и прямоугольной форме напряжения имеет потери Py
= 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, Ko = 0,35 и
Kc = 0,10. Найдем габаритный размер сердечника:
 По размерам подходит сердечник ШЛ25х50 (Sc
= 12,5 см2, So = 16 см2). Размер сердечника
ScSo = 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 Uвх 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.
журналы Радиодело (годовые архивы) книга Однотипные связанные системы регулирования. Соболев О.С., 1972 книга Берг Аксель Иванович. Жизнь и деятельность. Ерофеев Ю.Н., 2007 статья Копировщик. Должностная инструкция статья Универсальный УКВ-ДМВ приемник SEC-850M справочник Вхождение в режим сервиса зарубежных телевизоров. Книга №1
|
Смотрите другие статьи раздела