admin / 13.12.2018

Импульсный трансформатор принцип работы

Описание

Импульсные трансформаторы, предназначенные для трансформирования коротких импульсов с минимальными искажениями и работающие в режиме переходных процессов, находят применение в различных импульсных устройствах. Импульсные трансформаторы позволяют изменить уровень и полярность формируемого импульса напряжения или тока, согласовать сопротивление генератора импульсов с сопротивлением нагрузки, отделить потенциалы источника и приёмника импульсов, получить на нескольких раздельных нагрузках импульсы от одного генератора, создать обратную связь в контурах схемы импульсного устройства. Импульсный трансформатор может быть также использован и как преобразовательный элемент, например дифференцирующий трансформатор.

Генерация мощных импульсов современных параметров невозможна без применения высоковольтных импульсных трансформаторов. Получаемая форма выходных импульсов во многом определяется свойствами ИТ, особенно при большом коэффициенте трансформации. Применение выходных повышающих ИТ позволяет резко сократить габариты, вес и стоимость генерирующих устройств, хотя и негативно влияет на форму квазипрямоугольных импульсов, увеличивая относительные длительности фронта, среза и неравномерность вершины. В связи с этим величина коэффициента трансформации современных выходных ИТ при длительности импульсов в единицы и десятки микросекунд возрастает до 10 — 20 и более.

Наибольшее распространение получили ИТ, трансформирующие импульсы, по форме близкие к прямоугольным, которые обладают крутым фронтом и постоянством напряжения вершины импульса, необходимыми для работы широкого класса нагрузок. Импульс прямоугольной формы должен быть трансформирован с малыми искажениями, длительность фронта импульса должна быть значительно меньше длительности импульса и переходные процессы при трансформации фронта и вершины импульса рассматриваются раздельно. Эквивалентные схемы ИТ при раздельном рассмотрении переходных процессов упрощаются и позволяют установить связь между параметрами эквивалентных схем и конструктивными параметрами ИТ и найти такие соотношения между ними, при которых удовлетворяются требования к длительности фронта и скосу вершины импульса

Эквивалентные схемы

Трансформация фронта импульса с малыми искажениями достигается при малых значениях индуктивности рассеяния и распределенной ёмкости трансформатора, которые уменьшаются с уменьшением числа витков обмоток и сечения магнитопровода ИТ. В то же время для трансформации вершины импульса с малым спадом следует стремиться к увеличению индуктивности намагничивания трансформатора, возрастающей с увеличением числа витков и сечения магнитопровода.

Удовлетворение одновременно нескольким поставленным требованиям при расчёте ИТ потребует нахождения компромиссного решения. Оно должно быть принято в зависимости от значимости того или иного поставленного требования.

Расчеты ИТ производятся на основе приближённой эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами. Индуктивный эффект и потери в проводах обмоток можно учитывать с помощью известной Т-образной эквивалентной схемы.

Эквивалентная Т-образная схема импульсного трансформатора

Параметры схемы:

L μ {\displaystyle L_{\mu }} — индуктивность намагничивания трансформатора, учитывающая запасание энергии в основном потоке взаимной индукции магнитопровода при приложении напряжения к первичной обмотке. С потоком в сердечнике связан ток намагничивания, протекающий по первичной обмотке;

L s 1 , L s 2 {\displaystyle L_{s1},L_{s2}} — индуктивности рассеяния обмоток, учитывающие запасание энергии в потоках рассеяния, связанных с протеканием по обмоткам тока нагрузки;

R 1 , R 2 {\displaystyle R_{1},R_{2}} — активные сопротивления проводов обмоток, учитывающие потери при протекании по ним тока нагрузки;

R B {\displaystyle R_{B}} — эквивалентное сопротивление, учитывающие потери энергии в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи.

Наряду с запасанием энергии в магнитных полях, а также потерями в проводах обмоток в ИТ необходимо учитывать запасание энергии в электрических полях между обмоткой и магнитопроводом и между слоями обмоток. Учёт этой энергии производят введением трех ёмкостей, образующих П-образную структуру: C 1 {\displaystyle C_{1}} — ёмкость первичной обмотки, C 2 {\displaystyle C_{2}} — ёмкость вторичной обмотки, C 1 , 2 {\displaystyle C_{1,2}} — ёмкость между обмотками.

Получившаяся эквивалентная схема ИТ описывается уравнением высокого порядка, что затрудняет анализ в общем виде:

Эквивалентная схема ИТ шестого порядка

Однако без внесения заметной погрешности можно упростить схему, если иметь в виду следующее:

1. Намагничивающий ток составляет обычно небольшую часть тока нагрузки и поэтому можно пренебречь его влиянием на поток рассеяния. Это позволяет перейти от Т-образной схемы из индуктивных ветвей к Г-образной схеме.

2. Так как электрическая энергия пропорциональна квадрату напряжения, то основная её часть запасается в обмотке высшего напряжения. Поэтому П-образная схема ёмкостных элементов замещается одной эквивалентной ёмкостью, подключенной параллельно обмотке высшего напряжения.

3. Число витков обмоток ИТ мало и, следовательно, можно пренебречь при расчётах наиболее важных электрических характеристик сопротивлением обмоток, полагая R 1 = R 2 = 0 {\displaystyle R_{1}=R_{2}=0} . Сопротивление обмоток учитывается при определении потерь.

В результате указанных упрощений, фронт анализируется на основе эквивалентной схемы 2-го порядка с сосредоточенными индуктивностью и ёмкостью, определяемыми из энергетических соображений:

Эквивалентная схема формирования фронта 2-го порядка

Она хотя и удобна для математического описания, но не отражает в полной мере процессы, происходящие при передаче импульса, так как при этом считается, что большая часть электрической энергии паразитной ёмкости запасается в обмотке высшего напряжения.

Между тем использование такой схемы недопустимо при соизмеримости приведенных ёмкостей обмоток, включающих в себя паразитные ёмкости нагрузки и генератора, так как нельзя отдать предпочтение ни одной из ёмкостей. Кроме того, при резком различии приведенных ёмкостей, когда, казалось бы, можно ограничиться одной из них, возможно формирование фронта с паразитными колебаниями, наложенными на самом фронте, а не на вершине. Такие колебания должны быть исключены, например, при импульсной модуляции мощных магнетронных генераторов. Но схема 2-го порядка не только не позволяет определить условия их появления, но даже исключает само их существование. В работах вышеупомянутых авторов такой вид искажения фронта прямоугольного импульса отсутствует. Поэтому надо как минимум учитывать разделение ёмкостей обмоток индуктивностью рассеяния. Следовательно, предпочтительнее рассматривать эквивалентную схему 3-го порядка, как это сделано в работе:

Эквивалентная схема формирования фронта 3-го порядка

L {\displaystyle L} — индуктивность рассеяния;

R {\displaystyle R} — сопротивление обмоток, включающее приведенное сопротивление вторичной обмотки;

R i {\displaystyle R_{i}} — сопротивление генератора импульсов;

C 1 {\displaystyle C_{1}} — эквивалентная ёмкость первичной обмотки, включающая выходную ёмкость генератора;

C 2 {\displaystyle C_{2}} — эквивалентная приведённая ёмкость вторичной обмотки включающая паразитную ёмкость нагрузки.

Виды магнитопроводов

По конструкции магнитопровода трансформаторы подразделяются на стержневые и броневые.

Рисунок 1. Устройство однофазного стержневого (а) и броневого (б) трансформаторов

Магнитопровод однофазного стержневого трансформатора (рисунок 1, а) имеет два стержня С, на которых размещаются обмотки, и два ярма Я, которые служат для создания замкнутого магнитопровода. Каждая из двух обмоток (1 и 2) состоит из двух частей, расположенных на двух стержнях, причем эти части соединяются либо последовательно, либо параллельно. При таком расположении первичная и вторичная обмотки находятся близко друг от друга, что приводит к увеличению коэффициента электромагнитной связи .

Однофазный трансформатор броневой конструкции (рисунок 1, б) имеет один стержень с обмотками и развитое ярмо, которое частично закрывает обмотки подобно «броне».

Для преобразования, или трансформации, трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора (рисунок 2), обмотки которых соединяются по схеме звезды или треугольника и присоединяются к трехфазной сети. Такое устройство называется трехфазной трансформаторной группой или групповым трансформатором. Чаще, однако, применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз магнитопроводом, так как такие трансформаторы компактнее и дешевле.

Рисунок 2. Трехфазная трансформаторная группа Рисунок 3. Идея образования трехфазного трехстержневого трансформатора

Идея образования трехфазного трансформатора стержневого типа показана на рисунке 3. Если для трехфазных синусоидальных токов соблюдается условие

ia + ib + ic = 0 ,

то для синусоидальных потоков трех трансформаторов (рисунок 3, а) также соблюдается условие

Фa + Фb + Фc = 0

Поэтому, если объединить три стержня 1, 2 и 3 (рисунок 3, а) в общий стержень, то поток в этом стержне будет равен нулю и этот стержень можно удалить. Тогда получим трехфазный трехстержневой трансформатор, показанный на рисунке 3, б. Конструкцию этого трансформатора можно упростить, расположив все три стержня в одной плоскости (рисунок 3, в). Эта последняя конструкция была предложена М. О. Доливо-Добровольским в 1889 году и получила всеобщее распространение. Такой магнитопровод не вполне симметричен, так как длина магнитных линий средней фазы несколько короче, чем для крайних, однако влияние этой несимметрии весьма незначительно.

Трехфазный броневой трансформатор (рисунок 4) можно рассматривать как три однофазных броневых трансформатора, поставленные рядом или друг над другом. При этом средняя фаза имеет обратное включение относительно крайних, чтобы в соприкасающихся частях магнитной системы потоки фаз складывались, а не вычитались. Так как

, то при таком включении средней фазы поток в соприкасающихся частях магнитной системы уменьшается в √3 раза, и во столько же раз можно уменьшить сечение этих частей магнитопровода. При этом потоки во всех частях ярма равны половине потока стержней.

Рисунок 4. Устройство трехфазного броневого трансформатора

В броневых трансформаторах коэффициент электромагнитной связи между обмотками несколько больше, чем в стержневых, и поэтому броневые трансформаторы в электромагнитном отношении несколько совершеннее. Однако это преимущество не имеет большого значения. Поскольку броневые трансформаторы сложнее по конструкции, в России силовых трансформаторов броневой конструкции не строят.

С увеличением мощности трансформаторов возрастают их размеры и трудности транспортировки по железным дорогам. Поэтому в трансформаторах мощностью Sн > 80 – 100 МВ×А на фазу и напряжением 220 – 500 кВ применяют бронестержневую или многостержневую конструкцию. Такие конструкции получаются, если у трансформаторов вида показанных на рисунках 1, а и 3, в добавить слева и справа по одному боковому ярму (рисунок 5). При этом магнитный поток в верхнем и нижнем ярмах разветвляется и в случае, изображенном на рисунке 5, а, уменьшается в два раза, а в случае на рисунке 5, б – в раза по сравнению с рисунками 1, а и 3, в. Во столько же раз можно уменьшить сечение ярем, в результате чего высота магнитопроводов уменьшается.

Рисунок 5. Устройство бронестержневых трансформаторов

Преимущественно применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой. Трехфазные группы однофазных трансформаторов используются, во-первых, при весьма больших мощностях (Sн > 300 МВ×А), когда транспорт трехфазного трансформатора становится весьма затруднительным или невозможным, и, во-вторых, иногда при Sн > 30 МВ×А, когда применение однофазных трансформаторов позволяет уменьшить резервную мощность на случай аварии или ремонта.

Рисунок 6. Схемы стыковых магнитопроводов

Рисунок 7. Укладка листов стали в слоях шихтованных магнитопроводов однофазных (а) и трехфазных (б) трансформаторов

Конструкция магнитопроводов

По способу сочленения стержней с ярмами различают трансформаторы со стыковыми (рисунок 6, а, б) и шихтованными (рисунок 7, а, б) магнитопроводами. В первом случае стержни и ярма собираются отдельно и крепятся друг с другом с помощью стяжных шпилек, а в места стыков во избежание замыкания листов и возникновения значительных вихревых токов ставятся изоляционные прокладки. Во втором случае стержни и ярма собираются вместе как цельная конструкция, причем листы стержней и ярем отдельных слоев собираются в переплет. При стыковой конструкции наличие немагнитных зазоров в местах стыков вызывает заметное увеличение магнитного сопротивления магнитопровода и вследствие этого увеличение намагничивающего тока. Кроме того, наличие изоляционных прокладок не дает полной гарантии от возможности замыкания листов стали. Поэтому стыковые магнтопроводы применяются редко.

У броневых магнитопроводов сечения стержней прямоугольные, а стержневые и бронестержневые магнитопроводы имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность (рисунок 8, а, б). В этом случае обмотки имеют вид круговых цилиндров и вследствие ступенчатого сечения магнитопровода коэффициент заполнения сталью полости обмотки получается большим. Такая конструкция с точки зрения расхода материалов, уменьшения габаритов и стоимости изготовления трансформатора, а также механической прочности обмоток является наиболее рациональной. Число ступеней магнитопровода увеличивается с увеличением мощности. В мощных трансформаторах в сечении магнитопровода предусматриваются каналы для его охлаждения циркулирующим трансформаторным маслом (рисунок 8, б).

Рисунок 8. Формы сечения стержней трансформаторов Рисунок 9. Формы сечения ярем трансформаторов

Для упрощения технологии изготовления ярем их сечение берется прямоугольным или с небольшим числом ступеней (рисунок 9). Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении магнитопровода. Площади сечения ярем выбираются так, чтобы индукция в них была на 10 – 15% меньше, чем в стержнях. Стяжка стержней трансформаторов средней (до 800 – 1000 кВ×А) и большой мощности показана на рисунках 10 и 11. Ярма трансформаторов стягиваются с помощью деревянных или стальных балок. Для весьма мощных трансформаторов применяются и более сложные конструкции магнитопроводов.

Рисунок 10. Стяжка стержней трансформаторов средней мощности Рисунок 11. Стяжка стержней трансформаторов большой мощности
1 – деревянная планка; 2 – изоляционный цилиндр; 3 – деревянный стержень 1 – стальная шпилька; 2 – трубка из бакелизированной бумаги; 3 и 5 – шайбы из электротехнического картона; 4 – стальная шайба

Рисунок 12. Магнитопровод трансформатора небольшой мощности

Рисунок 13. Раскрой листов (а) и укладка магнитопровода (б) трансформатора небольшой мощности

В однофазных трансформаторах весьма малой мощности (до 150 – 200 В×А) применяется броневая конструкция магнитопроводов. При этом стремятся к наибольшему упрощению их изготовления и сборки, а также к уменьшению отходов листовой стали. Обычно штамповка листов магнитопровода производится по одному из вариантов, изображенных на рисунках 12 и 13. В первом случае лист вырубается одним ударом штампа и имеет прорезь n; при сборке средний лепесток временно отгибается и вводится внутрь катушки обмотки, лепесток последующего листа вводится внутрь катушки с противоположного, торцевого, ее конца и так далее. Во втором случае одновременно вырубаются Ш-образные листы Ш1 и Ш2 и ярмовые листы Я1 и Я2 (рисунок 13, а), из которых составляются два слоя листов магнитопровода (рисунок 13, б). При этом листы вводятся внутрь катушки также поочередно с одного и второго ее конца.

Магнитопроводы силовых трансформаторов собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм марок 1511, 1512, 1513 или 3411, 3412, 3413. Применение холоднокатаной стали в последние годы все больше расширяется.

Межлистовая изоляция осуществляется путем односторонней оклейки листов стали изоляционной бумагой толщиной 0,03 мм или двустороннего покрытия изоляционным масляным лаком.

Индукции в стержнях трансформаторов мощностью 5 кВ×А и выше находится в пределах 1,2 – 1,45 Т для горячекатаных сталей и 1,5 – 1,7 Т для холоднокатаных сталей у масляных трансформаторов и соответственно 1,0 – 1,2 Т и 1,1 – 1,5 Т у сухих трансформаторов.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832 с.

Силовой трансформатор на феррите

Здравствуйте уважаемые коллеги!!

Чтобы намотать импульсный выходной трансформатор на ферритовом сердечнике на любую мощность, необходимо провести предварительный, прикидочный расчет. Сначала нужно определиться с мощностью, которую необходимо получить на выходе трансформатора.
Обратимся к таблице параметров ферритовых магнитопроводов, в ней указаны размеры, площадь сечения магнитопровода, площадь окна и мощность, которую «теоретически» можно получить от сердечника.
Эту таблицу я «откопал» еще в «советской технической литературе» по электротехнике и не один раз убедился в ее верности.
Ферритовые кольца на разные размеры по позициям №1 — №16 имеют рабочую мощность Рвт, от 9 до 951 и более, ватт. Нетрудно заметить, что начиная с позиции №6, даже незначительное увеличение размеров ферритового кольца, приводит к резкому увеличению «пропускаемой» мощности Р вт.
Кольцо К18,5×11х6,5 (Наруж. диам. х Внутр. диам. х Ширина кольца, в миллиметрах) соответствует мощности 70 ватт.
Кольцо К28×16х9 уже 232 ватта. И так далее…

Начиная с позиции №5 уже можно использовать кольца для изготовления выходного трансформатора в импульсном блоке питания на мощность 10 — 15 ватт. С позиции №7 можно изготовить импульсный блок питания на 25 — 30 ватт.
Количество витков в обмотках ферритового трансформатора (количество витков на один вольт) зависит от поперечного сечения магнитопровода «Sк». Выбор размера того или иного ферритового кольца или Ш — сердечника, для задуманного ИБП, зависит в основном от условия — уместятся ли заявленные количества витков в обмотках, в окне.
Чем больше мощность трансформатора, тем диаметр провода обмоток должен быть выше. Чем меньше поперечное сечение феррита, тем больше число витков в обмотках (выше количество витков, приходящееся на один вольт).
Теоретически, все кольца, начиная с позиции №7, «дадут мощность» свыше 232 ватт, что вполне достаточно для среднемощного, до 200 ватт источника питания. Но пытаться «вымучить» из него 200 ватт бесполезно, площадь окна в 202 мм.кв. для этого очень мала. Витки всех обмоток не влезут в его окно. Чтобы получить мощность 200 ватт, нужно брать больше размер кольца.
Существуют также П — образные ферритовые сердечники (строчный трансформатор в телевизорах с кинескопами).
Исходя из практики, импульсные трансформаторы, выполненные на Ш — образных и П — образных ферритовых сердечниках, имеют те же свойства, что и на ферритовом кольце.
Ш — образный сердечник № 17: поперечное сечение среднего стержня » «Sк»= 56 мм.кв.; площадь окна -«Sо» = 7,5 х 20 = 150 мм.кв…
Ш — образный сердечник № 18 от ИБП компьютера: сечение «Sк» = 8,0 х 12,5 = 100мм.кв. = 1см.кв.; Площадь окна «Sо» = 7,5 х 19 = 142 мм.кв…
Сердечник № 19: «Sк» = 10 х 10 = 100 мм.кв. = 1 см.кв.; «Sо» = 7,5 х 25 = 187 мм.кв…
Из всего перечня ферритовых магнитопроводов, я использовал для построения маломощных импульсных трансформаторов кольца: № 5,№ 6, № 7.
Из Ш — образных сердечников: № 17, № 18, № 19.
Из П — образных, от строчных трансформаторов с «Sк»= 1,1 — 1,3 см.кв.
Основной параметр у кольца, П и Ш — сердечников, это площадь поперечного сечения магнитопровода «Sк». Этот параметр определяет количество витков провода в обмотках. Чем больше площадь «Sк», тем меньше витков в обмотках.
Для определения количества витков в обмотках трансформатора, необходимо определить число витков на 1 вольт, исходя из площади Sк. Для этого я постоянно использую свою простую формулу, полученную эмпирическим путем:
n = 0,7/Sк
где: n — количество витков на 1 вольт для данного сердечника;
0,7 — коэффициент;
Sк — площадь поперечного сечения феррита в см.кв.

Второй основной параметр ферритового сердечника, это площадь окна Sо.

В таблице о ферритах видно — увеличивается площадь окна «Sо», увеличивается объем феррита в сердечнике. Следовательно, запасается больше индуктивной энергии в феррите, увеличивается «пропускаемая» электрическая мощность Рвт.
Увеличить мощность ферритового трансформатора любой конфигурации, можно двумя путями:
1. Взять феррит заведомо больших размеров;
2. Применить складывание однотипных сердечников вместе.
При этом суммарная площадь поперечного сечения сердечника «Sк», будет кратна количеству штук, а общая площадь окна «Sо» остается прежней.
Какой же конфигурации (П, Ш или кольцо) ферритовый сердечник наиболее подходит для построения трансформатора. У каждой формы магнитопровода есть свои особенности.
Например, кольцо:
— обмотки трансформатора покрывают всю поверхность кольца, максимальное потокосцепление магнитного поля катушки и сердечника;
— минимально поле рассеивания электромагнитной энергии;
— максимальна площадь теплового излучения обмоток при нагревании, хороший теплоотвод — естественная вентиляция;
— площадь окна у кольца больше, чем у Ш — образного сердечника, значит при одинаковой площади «Sк» (у кольца и Ш — сердечника), с кольца можно «снять» большую мощность.
Трансформатор на Ш — сердечнике (при одинаковой мощности) более компактен, чем на кольце и П — образном сердечнике. Обмотки на Ш — обр. сердечнике сильно нагреваются, т. к. находятся внутри корпуса трансформатора, требуется обдув вентилятором.
Силовые ферритовые трансформаторы в компьюторных блоках питания выполнены в основном на Ш — образных сердечниках. Разбирая старый ферритовый трансформатор, обратите внимание, есть ли немагнитный зазор в прилегающих плоскостях. Для ферритовых сердечников, применяемых в двухтактных импульсных источниках питания, такой зазор не нужен. Если зазор существует, нужно аккуратно сточить на бруске, наждачной шкурке или мелком напильнике боковые стержни сердечника таким образом, чтобы сохранялась плоскость соприкосновения.

Различные типы трансформаторного оборудования применяются в электронных и электротехнических схемах, которые востребованы во многих сферах хозяйственной деятельности. Например, импульсные трансформаторы (далее по тексту ИТ) – важный элемент, устанавливаемый практически во всех современных блоках питания.

Различные модели импульсных трансформаторов

Конструкция (виды) импульсных трансформаторов

В зависимости от формы сердечника и размещения на нем катушек, ИТ выпускаются в следующих конструктивных исполнениях:

  • стержневом; Конструкция стержневого импульсного трансформатора
  • броневом; Конструкция импульсного трансформатора в броневом исполнении
  • тороидальном (не имеет катушек, провод наматывается на изолированный сердечник); Конструкция тороидального импульсного трансформатора
  • бронестержневом; Конструктивные особенности бронестержневого импульсного трансформатора

На рисунках обозначены:

  • A – магнитопроводный контур, выполненный из марок трансформаторной стали, изготовленной по технологии холодного или горячего металлопроката (за исключением сердечника тороидальной формы, он изготавливается из феррита);
  • В – катушка из изолирующего материала
  • С – провода, создающие индуктивную связь.

Заметим, что электротехническая сталь содержит мало добавок кремния, поскольку он становится причиной потери мощности от воздействия вихревых токов на контур магнитопровода. В ИТ тороидального исполнения сердечник может производится из рулонной или ферримагнитной стали.

Пластины для набора электромагнитного сердечника подбираются толщиной в зависимости от частоты. С увеличением этого параметра необходимо устанавливать пластины меньшей толщины.

Принцип работы

Основная особенность трансформаторов импульсного типа (далее ИТ) заключается в том, что на них подаются однополярные импульсы с постоянной токовой составляющей, в связи с чем магнитопровод находится в состоянии постоянного подмагничивания. Ниже показана принципиальная схема подключения такого устройства.

Схема: подключение импульсного трансформатора

Как видите, схема подключения практически идентична с обычными трансформаторами, чего не скажешь о временной диаграмме.

Временная диаграмма иллюстрирующая работу импульсного трансформатора

На первичную обмотку поступают импульсные сигналы, имеющие прямоугольную форму е(t), временной интервал между которыми довольно короткий. Это вызывает возрастание индуктивности во время интервала tu, после чего наблюдается ее спад в интервале (Т-tu).

Перепады индукции происходят со скоростью, которую можно выразить через постоянную времени по формуле: τp=L0/Rн

Коэффициент, описывающий разность индуктивного перепада, определяется следующим образом: ∆В=Вmax – Вr

  • Вmax – уровень максимального значения индукции;
  • Вr –остаточный.

Более наглядно разность индукций представлена на рисунке, отображающем смещение рабочей точки в магнитопроводном контуре ИТ.

График смещения

Как видно на временной диаграмме, вторичная катушка имеет уровень напряжения U2, в котором присутствуют обратные выбросы. Так проявляет себя накопленная в магнитопроводе энергия, которая зависит от намагничивания (параметр iu).

Импульсы тока проходящего через первичную катушку, отличаются трапецеидальной формой, поскольку токи нагрузки и линейные (вызванные намагничиванием сердечника) совмещаются.

Уровень напряжения в диапазоне от 0 до tu остается неизменным, его значение еt=Um. Что касается напряжения на вторичной катушке, то его можно вычислить, воспользовавшись формулой:

при этом:

  • Ψ – параметр потокосцепления;
  • S – величина, отображающая сечение магнитопроводного сердечника.

Учитывая, что производная, характеризующая изменения тока, проходящего через первичную катушку, является постоянной величиной, нарастание уровня индукции в магнитопроводе происходит линейно. Исходя из этого, допустимо вместо производной внести разность показателей, сделанных через определенный интервал времени, что позволяет внести изменения в формулу:

в этом случае ∆t будет отождествляться с параметром tu , который характеризует длительность, с которой протекает входной импульс напряжения.

Чтобы вычислить площадь импульса, с которым напряжение образуется во вторичной обмотке ИТ, необходимо обе части предыдущей формулы умножить на tu. В результате мы придем к выражению, которое позволяет получить основной параметр ИТ:

Um x tu=S x W1 x ∆В

Заметим, что от параметра ∆В прямо пропорционально зависит величина площади импульса.

Вторая по значимости величина, характеризующая работу ИТ, – перепад индукции, на него влияют такие параметры, как сечение и магнитная проницаемость сердечника магнитопровода, а также числа витков на катушке:

Здесь:

  • L0 – перепад индукции;
  • µа – магнитная проницаемость сердечника;
  • W1 – число витков первичной обмотки;
  • S – площадь сечения сердечника;
  • lcр – длинна (периметр) сердечника (магнитопровода)
  • Вr – величина остаточной индукции;
  • Вmax – уровень максимального значения индукции.
  • Hm – Напряженность магнитного поля (максимальная).

Учитывая, что параметр индуктивности ИТ полностью зависит от магнитной проницаемости сердечника, при расчета необходимо исходить из максимального значения µа, которое показывает кривая намагничивания. Соответственно, что у материала, из которого делается сердечник, уровень параметра Вr, отображающий остаточную индукцию, должен быть минимальным.

Видео: подробное описание принципа работы импульсного трансформатора

Исходя из этого, в качестве на роль материала сердечника ИТ, идеально подходит лента, изготовленная из трансформаторной стали. Также можно применять пермаллой, у которого такой параметр как коэффициент прямоугольности, минимальный.

Высокочастотным ИТ идеально подходят сердечники из ферритовых сплавов, поскольку этот материал отличается незначительными динамическими потерями. Но из-за его низкой индуктивности приходится делать ИТ больших размеров.

Расчет импульсного трансформатора

Рассмотрим, как необходимо производить расчет ИТ . Заметим, КПД устройства напрямую связано с точностью вычислений. В качестве примера возьмем схему обычного преобразователя, в которой используется ИТ тороидального вида.

Схема преобразователя

В первую очередь нам потребуется вычислить уровень мощности ИТ, для этого воспользуемся формулой: Р=1,3 х Рн.

Значение Рн отображает, сколько мощности будет потреблять нагрузка. После этого рассчитываем габаритную мощность (Ргб), она должна быть не меньше мощности нагрузки:

Необходимые для вычисления параметры:

  • Sc – отображает площадь сечения тороидального сердечника;
  • S0 – площадь его окна (как наитии это и предыдущее значение показано на рисунке);

Основные параметры тороидального сердечника

  • Вмакс – максимальный пик индукции, она зависит от того, какая используется марка ферромагитного материала (справочная величина берется из источников, описывающих характеристики марок ферритов);
  • f – параметр, характеризующий частоту, с которой преобразуется напряжение.

Следующий этап сводится к определению количества витков в первичной обмотке Тр2:

(полученный результат округляется в большую сторону)

Величина UI определяется выражением:

UI=U/2-Uэ ( U – питающее преобразователь напряжение; Uэ– уровень напряжения, поступающего на эмиттеры транзисторных элементов V1 и V2).

Переходим к вычислению максимального тока, проходящего через первичную обмотку ИТ:

Параметр η равен 0,8, это КПД, с которым должен работать наш преобразователь.

Диаметр используемого в обмотке провода вычисляется по формуле:

Осталось рассчитать выходную обмотку ИТ, а именно, количество витков провода и его диаметр:

Если у вас возникли проблемы с определением основных параметров ИТ, в интернете можно найти тематические сайты, позволяющие в онлайн режиме рассчитать любые импульсные трансформаторы.

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*