CC BY
21ПРИМЕНЕНИЕ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МОДУЛЕЙ
Рогинская Любовь Эммануиловна
доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханика», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», 450008, Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Карла
Маркса, д. 12 Горбунов Антон Сергеевич кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Электромеханика», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет»,
450008, Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Карла
Маркса, д. 12 Меднов Антон Александрович
аспирант кафедры «Электромеханика», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», 450008, Российская Федерация, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Карла
Маркса, д. 12
Аннотация
В статье рассмотрены особенности применения современных магнитных материалов - аморфных и нанокристаллических сплавов в различных элементах электротехнологических установок с индукционным нагревом. Проведено сравнение основных параметров магнитопроводов из аморфных и нанокристаллических сплавов и других известных материалов.
Abstract
In article features of use of the modern magnetic materials - amorphous and nanocrys-talline alloys in different elements of electrotechnological systems with induction heating are considered. We made the comparison of main parameters of magnetic cores from amorphous and nanocrystalline alloys and other known materials.
Ключевые слова: аморфный сплав, нанокристаллический сплав, магнитопровод, трансформатор, дроссель.
Key words: amorphous alloy, nanocrystalline alloy, magnetic core, transformer, choke.
В настоящее время высокочастотные ферромагнитные модули находят свое применение в различных областях, например, в источниках питания технологического оборудования, такого как индукционные установки, установки диэлектрического нагрева, электротехнологические устройства для механической обработки материала заготовок, для питания высокоскоростных электрических двигателей и др.
К таким ферромагнитным модулям можно отнести высокочастотные трансформаторы, дроссели переменного тока, фильтровые дроссели, индукторы и т.д. Общей их особенностью является использование магнитопроводов из различных магнитных материалов, позволяющих значительно повысить энергетические показатели установок, сократить их габариты. На рис. 1 показан общий вид фильтрового дросселя с магнито-проводом [1]: 1, 2 - катушки обмотки дросселя; 3 - магнитопровод; 4-7 - выводы обмоток.
Рис. 1. Фильтровый дроссель с магнитопроводом
В применяемых в настоящее время высокочастотных ферромагнитных модулях используются магнитопроводы на базе различных магнитных материалов: электротехническая сталь, ферриты, прецизионные магнитомягкие сплавы и др. Указанные материалы обладают рядом недостатков, в зависимости от типа материала, связанных с высокими магнитными потерями на высоких частотах, низкой магнитной индукцией насыщения, трудностью механической обработки [2] и др. В результате ферромагнитные модули получаются с недостаточно высоким КПД, высокими потерями и большими массогабаритными показателями.
Использование современных магнитных материалов - аморфных или нанокри-сталлических сплавов позволит избавиться от перечисленных недостатков, а именно: повысить КПД применяемых установок, снизить их массу и размеры, что связано с более высокими показателями таких материалов, такими как: индукция насыщения, удельные магнитные потери при высоких частотах. Аморфные сплавы обладают недостатком, связанным с низкой температурой магнитных превращений (точкой Кюри), составляющей, например, 350° С для сплава 5БДСР [3], однако при необходимости работы при высоких температурах могут быть применены нанокристаллические сплавы с более высокой точкой Кюри, например, сплав ГМ 414, у которого значение такой температуры составляет 600° С [4].
Для подтверждения эффективности применения аморфных или нанокристалличе-ских сплавов авторами были произведены расчеты ряда высокочастотных ферромагнитных модулей с магнитопроводами из различных материалов. В табл. 1 сведен ряд полученных параметров спроектированного согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из нанокристаллического сплава ГМ 414 для источника питания индукционных установок.
Из табл. 1 видно, что при номинальной мощности согласующего трансформатора 10 кВт величина магнитных потерь составляет менее 0,5% от этой мощности.
Таблица 1
Параметры согласующего высокочастотного трансформатора
Обозначение параметра Значение параметра
Мощность Р, Вт 10000
Частота / Гц 22000
Максимальная индукция Вт, Тл 0,49
Магнитные потери рст, Вт 35,14
Потери в обмотках рм, Вт 13,59
КПД п, % 99,51
Намагничивающий ток 1о, % от величины первичного тока 0,5%
Масса магнитопровода тст, кг 1,12
Масса меди первичной обмотки тм1, кг 0,26
Масса меди вторичной обмотки тм2, кг 0,37
Величина магнитных потерь определялась по формуле [4]
Рст = Руд • • У = ' • /Р • В'т • Уст • у = 5,5 • 10-6 • 220001'7 • 0,4872 х
Ч-б
(1)
х 151 • 10-6 • 7400 = 35,14 Вт,
где руд , г - удельные магнитные потери, Вт/кг; Уст - объем сердечника, м3; у -плотность материала магнитопровода, кг/м3; р, s - коэффициенты для расчета магнитных потерь.
Для сравнения потерь производилось проектирование фильтрового дросселя с шихтованным магнитопроводом из пластин электротехнической стали 3409 толщиной 0,27 мм для того же самого источника питания. Особенностью такого дросселя является то, что, несмотря на его подключение к выходу выпрямителя, при питании электротехнологических установок с индукционным нагревом в кривой его тока имеется переменная составляющая с высокой частотой, амплитуда которой может достигать до 20-50% от среднего значения выпрямленного тока [5]. Основные полученные параметры рассчитанного дросселя сведены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры фильтрового дросселя_
Обозначение параметра Значение параметра
Индуктивность дросселя Ь, Гн 210-3
Постоянная составляющая тока дросселя ¡а, А 12,42
Переменная составляющая тока дросселя ¡д, А 4,86
Частота переменной составляющей тока дросселя / Гц 11000
Магнитные потери рст, Вт 136,26
Потери в обмотке рм, Вт 13,23
Максимальная магнитная индукция от переменной составляющей напряжения на дросселе Вт~, Тл 0,27
Масса меди обмотки тм, кг 1,87
Масса магнитопровода тст, кг 3,02
В случае согласующего трансформатора при индукции 0,49 Тл, частоте 22000 Гц и массе сердечника 1,12 кг магнитные потери равны 35,14 Вт, а в случае фильтрового дросселя - при индукции от переменной составляющей напряжения на дросселе 0,27 Тл, частоте переменной составляющей тока дросселя 11000 Гц и массе сердечника 3,02 кг магнитные потери составляют 136,26 Вт.
Сравнивая результаты в табл. 1 и 2, при приведении величин магнитных потерь к одной массе магнитопровода, частоте и магнитной индукции по известным зависимостям [4, 5] было получено, что потери в сердечнике из электротехнической стали более чем на порядок превышают магнитные потери в магнитопроводе из аморфного или нанокристаллического сплава.
Следует отметить, что в случае применения ферритовых магнитопроводов потери были бы значительно большими, по сравнению с рассчитанным трансформатором с сердечником из нанокристаллического сплава, поскольку рабочая индукция феррито-вых магнитопроводов не превышает 0,1-0,2 Тл [2]. Поэтому использование в высокочастотных ферромагнитных модулях сердечников из аморфных или нанокристаллических сплавов позволяет улучшить энергетические показатели применяемых установок, снизить их потери, нагрев устройств, что позволит использовать более простой способ их охлаждения. Все это значительно снизит массогабаритные параметры применяемых установок.
Список литературы
1. Тиристорные преобразователи частоты / А. К. Белкин [и др.]. М.: Энергоатом-издат, 2000. 263 с.
2. Рогинская Л.Э., Горбунов А.С. Параметрический синтез высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных сплавов // Электроника, автоматика и измерительная техника: межвузовский сборник научных трудов с международным участием. Уфа: УГАТУ, 2011. С. 279-284.
3. Лента марки 5БДСР [Электронный ресурс]. URL: http://www.amet.ru/buyers/product/tape/24/ (дата обращения 04.10.2016).
4. Стародубцев Ю.Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. М.: ИП РадиоСофт, 2005. 320 с.
5. Иванов Г.Е. Расчет геометрических размеров дросселей с сердечником из электротехнической стали // Тиристорные источники питания современных электротехнических установок повышенной частоты. № 12. Уфа, 1997. С. 72-83.
