Материал взят из книги
Скачать оригинал КНИГИ в хорошем качестве
Давайте теперь вспомним, как устроен обыкновенный низкочастотный трансформатор: на замкнутом стальном магнитопроводе расположены обмотки. Все просто, поэтому и работает безотказно! Но, обратите внимание, магнитопровод силового низкочастотного трансформатора никогда не делают из сплошного куска железа, что, вне всякого сомнения, проще для изготовления, а набирают из тонких пластин. Разберемся, зачем это нужно.
Магнитное поле, порождаемое обмоткой 1, изображенной на рис. 1.9, как и полагается, возбуждает электрический ток в обмотке 2. Однако, поскольку магнитопровод трансформатора сам является проводником тока, то ток возбуждается еще и в магнитопроводе. Эти токи, которые появляются в стали магнитопровода, называют токами Фуко, или вихревыми токами. Электрическое сопротивление стали мало, поэтому вихревые токи могут достигать больших значений. Для снижения вихревых токов стальные магнитопроводы выполняют из тонких пластин или ленты. Появление ферритов и магнитодиэлектри-ков сделало возможным выполнять магнитопроводы высокочастотных трансформаторов сплошными, потому как сопротивление этих материалов в десятки раз больше сопротивления стали.
Токи Фуко могут возникать и в обмоточных проводах. В этом случае они вытесняют полезный ток ближе к поверхности. В результате ток высокой частоты оказывается неравномерно распределенным по сечению. Это явление называют скин-эффектом. Из-за скин-эффекта в высокочастотных цепях внутренняя часть проводников оказывается бесполезной. Мы вспомним о скин-эффекте и разберем его подробно в дальнейшем, когда будем определять потери мощности в обмоточных проводах дросселей и трансформаторов.
1.5. Магнитные материалы, их классификация, свойства и выбор
Пора читателю познакомиться с ферромагнитными материалами, используемыми в силовой импульсной технике. Основные свойства, которыми должны обладать эти материалы, таковы:
• материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, то есть обладать узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости;
• материал должен обладать большой индукцией насыщения, что позволит разработчику уменьшить габариты и массу электротехнических изделий;
• материал должен иметь возможно меньшие потери на перемаг-ничивание и вихревые токи;
• материал должен иметь слабую зависимость магнитных свойств от механических напряжений растяжения и сжатия;
• материал должен иметь стабильные магнитные характеристики при изменении температуры, влажности с течением времени.
Обычно магнитные материалы классифицируются по трем группам:
а) проводниковые — электротехнические стали и сплавы;
б) полупроводниковые — ферриты;
в) диэлектрические — магнитодиэлектрики.
При изготовлении электромагнитных элементов, работающих на частотах от 50 Гц до 10 кГц, используют электротехнические стали. На частотах от 5—10 до 20—30 кГц — электротехнические сплавы. На частотах от нескольких килогерц и выше — ферриты и магнитодиэлектрики. Но в любом случае надо помнить, что верхняя частота материала ограничена потерями в нем на гистерезис и вихревые токи.
Мы не будем рассматривать достоинства и недостатки электротехнических сталей и сплавов, поскольку первые совершенно не годятся для проектирования высокочастотных индуктивных элементов, а вторые, имея очень большую чувствительность к механическим ударам, просто непопулярны у большинства современных разработчиков источников питания малой и средней мощности. Итак, сразу переходим к материалам, на основе которых проектируются индуктивные элементы импульсных источников электропитания.
Это поликристаллические многокомпонентные соединения, изготавливаемые по особой технологии, общая химическая формула которых МеГе203 (где Ме — какой-либо ферромагнетик, например, Мп, Ъи, N1). Являясь полупроводниками, ферриты обладают высокими значениями собственного электрического сопротивления, превышающего сопротивление сталей в 50 раз и более. Именно это обстоятельство позволяет применять ферриты в индуктивных элементах, работающих на высоких частотах, без опасения, что могут резко повыситься потери на вихревые токи. Наибольшее распространение в силовой технике получили марганец-цинковые ферриты марок НМ и ни-кель-цинковые ферриты марок НИ. При выборе между этими марками предпочтение, конечно, следует отдать ферритам марок НМ, поскольку они имеют более высокую температуру, при которой ферромагнетики теряют свои ферромагнитные свойства (температуру Кюри). Это обстоятельство позволяет эксплуатировать их при более высоких температурах перегрева. Потери на гистерезис у марга-нец-цинковых ферритов на порядок меньше, чем у никель-цинковых. Ферриты марок НМ обладают высокой стабильностью к воздействию механических напряжений. Однако электрическое сопротивление ферритов марок НМ меньше, чем ферритов марок НН, поэтому последние могут применяться для работы на более высоких частотах.
Отметим из наиболее часто встречающихся никель-цинковые ферриты марок 2000НН, 1000НН, 600НН, 200НН, 100НН. Верхней границей рабочей области частот для них является 5-7 МГц. Марганцево-цинковые нетермостабильные высокопроницаемые ферриты марок 6000НМ, 4000НМ, 3000НМ, 2000НМ, 1500НМ, 1000НМ используются в частотном диапазоне до нескольких сот килогерц в интервале температур -60...+100 °С, когда термостабильность не является определяющим параметром. В противном случае следует использовать термостабильные ферриты 2000НМЗ, 2000НМ1, 1500НМЗ, 1500НМ1, 1000НМЗ, 700НМ. Вдобавок к термостабильности ферриты этих марок обладают меньшими потерями на вихревые токи и большим диапазоном частот (0,3...1,5 МГц). Для импульсных источников термостабильность, конечно, важна, но не является определяющим фактором.
о средних и, осооенно, сильных ПОЛЯХ и,1 I л; хорошо применять ферриты марок 4000НМС, 3000НМС, 2500НМС1, 2500НМС2. Результаты исследований, приведенные в [1], показывают, что лучшими представителями в этой группе являются ферриты 2500НМС1 и 2500НМС2.
Применение ферритов этих марок позволяет уменьшить массу и габариты трансформатора соответственно на 8 и 15%, а при сохранении прежних типоразмеров — увеличить мощность на 20%.
В табл. 1.2 приведены параметры наиболее часто встречающихся ферритов марок НМ и НН.
Магнитодиэлектрики
Магнитодиэлектрики включают в свой состав мелкопомолотые порошки, обладающие магнитными свойствами, и связующий диэлектрический материал на основе полистирола. Частицы магнетика отделены друг от друга диэлектрической средой, являющейся одновременно электрической изоляцией и механической связкой всей системы. Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков невелика (от нескольких единиц до сотен). Благодаря большому размагничивающему эффекту параметры магнитодиэлектриков мало зависимы от внешних полей.
Распространены три основные группы магнитодиэлектриков: аль-сиферы, карбонильное железо, пресспермы.
Карбонильное железо применяют в основном для индуктивных катушек малой энергоемкости, поэтому мы не будем рассматривать этот вид ферромагнитного материала.
Основу магнитного наполнителя альсиферов составляет тройной сплав АББьБе. Выпускаются 6 марок альсиферов с проницаемостью от 22 до 90, предназначенных для работы в интервале температур от -60 до +120 °С. Буквы в названии марок означают:
Внимание! Коэффициент потерь на гистерезис остается постоянным лишь при слабых полях. При повышении напряженности поля он уменьшается и в полях порядка 1500—2000 А/м снижается до 0,1 своего начального значения. Такая зависимость объясняется тем, что в . слабых полях площадь петли гистерезиса альсифера растет пропорционально //3, а в сильных — медленнее.
Пресспермы — магнитодиэлектрики на основе Мо-пермаллоя. Изготовляют их из мелкого металлического порошка на базе высоконике-девого пермаллоя, легированного молибденом. Пресспермы обладают повышенной магнитной проницаемостью, низким уровнем гистерезис-ных потерь. Разработаны 10 марок пресспермов — 5 нетермокомпенси-рованных и столько же термокомпенсированных. В обозначении термокомпенсированных пресспермов добавляется буква «К». Цифра в обозначении марки означает номинальную магнитную проницаемость.
Несколько слов о номенклатуре выпускаемых электротехнических изделий, предназначенных для изготовления высокочастотных дросселей и трансформаторов. Подробно ознакомиться с ней можно в [13], [14], [15], [16], [17]. Здесь же коротко напомним основные виды изделий, с которыми мы в основном будем иметь дело при разработке импульсных источников: кольцевой магнитопровод; стержневой сердечник; броневой чашечный магнитопровод; броневой Ш-образный магнитопровод.
Существуют и другие типы электротехнических изделий на основе ферромагнетиков, такие, как П-образные, Г-образные, Е-образные, эллиптические, низкопрофильные и т.д. При желании читатель может поразмышлять над их применением самостоятельно.
2. «О холостом ходе, габаритной мощности и не только»
Как работают высокочастотные дроссели и трансформаторы
...Я вчера после нашего разговора задумался, а чем же вообще трансформатор от дросселя отличается? Скажем, взял я две одинаковых железяки, намотал на них одно количество витков, в сеть включил, измеряю ток первички. Пока вторичка висит в воздухе, все одинаково, все понятно. Но как только я, скажем, на вторичку сопротивление повешу, сразу картинка меняется, ток в первичной обмотке подскакивает. Я никак не могу понять — оба уже включены, оба в одинаковых условиях. Так почему трансформатор — это совсем не дроссель?..
Из переписки
2.1. Что такое магнитный поток?
Прежде чем приступить к рассмотрению принципов работы дросселей и трансформаторов, давайте разберемся, что такое магнитный поток и зачем он нам вдруг понадобился? Предположим, что в некотором пространстве существует магнитное поле, которое можно определить в каждой точке через его магнитную индукцию. Поместим в это поле поверхность 5 произвольной формы. Для наглядности представим, что мы просто вырезали из пластиковой бутылки прозрачный сегмент 5, как показано на рис. 2.1. Силовые линии поля как бы протекают сквозь эту поверхность.
Т