CC BY
96
УДК 621.314
СНИЖЕНИЕ ПОМЕХОЭМИССИИ СИЛОВЫХ ДРОССЕЛЕЙ ТОРОИДАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
В.В. Шкоркин, Ю.М. Казанцев
ОАО «Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск E-mail: [email protected]
Для расчета поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции, используемых в импульсных источниках вторичного электропитания, предложена модель в виде эквивалентного витка с током. Показано, что для снижения помехоэмиссии дросселя целесообразно его разделение на два меньшего типоразмера. При их встречном включении и размещении на несущем основании таким образом, чтобы места установки выводов были в параллельных плоскостях, суммарное значение напряженности магнитного поля снижается не менее чем на 20 дБ.
Ключевые слова:
Источники вторичного электропитания; помехоэмиссия; рациональная компоновка; угловое распределение напряженности поля; расчет поля рассеяния тороидального дросселя.
Key words:
Secondary power supply of sources; emission of disturbances electromagnetic; rational grouping; angular distribution of field intensity; calculation of the toroidal throttle's extraneous field.
Силовые дроссели на кольцевых сердечниках из молибденового пермаллоя марки МП наиболее часто используются в импульсных источниках вторичного электропитания (ИВЭП). При минимизации площадей излучающих контуров в ИВЭП наибольший уровень помех отмечен у электромагнитных элементов - силовых дросселей и трансформаторов. Создаваемые ими паразитные излучения представляют собой поля рассеяния. При работе силового дросселя тороидальной конструкции часть магнитного потока уходит из сердечника, замыкаясь через воздух [1], и создает магнитный поток рассеяния (рис. 1).
Рис. 1. Магнитный поток Ф в сердечнике и поток рассеяния Ф5
Поскольку напряженность магнитного поля Н произвольной системы токов на расстоянии г, значительно превышающем её линейные размеры, равна векторной сумме магнитных моментов отдельных замкнутых контуров [2], то для расчета поля рассеяния дросселя его можно заменить «магнитным диполем» (рис. 2) с моментом
Рт=1^ю
где I - ток через обмотку дросселя, А; - площадь контура, ограниченная средней длиной сердечника, м2.
Таким образом, физическую модель дросселя как излучателя магнитного поля можно представить рамкой площадью $к, обтекаемой током I, рис. 3.
Рис. 2. Замена тороидального дросселя эквивалентным витком
Рис. 3. Физическая модель дросселя как излучателя магнитного поля
Напряженность магнитного поля максимальна в направлении оси рамки и в непосредственной близости определяется законами магнитостатики [2]:
Рт
H.
2л(а2+ r2)
где а - радиус излучающей рамки; г - расстояние до точки наблюдения т.
При r>>a
H
2nrJ
(1)
Рассмотрим кольцевой сердечник МП 140 типоразмера К17х 10x6,5, имеющий среднюю длину сердечника /с.ср=4,24 см, площадь эквивалентного витка $к=1,4.10-4 м2. При значении действующего
m
тока 1 А на расстоянии 1 м согласно формуле (1) напряженность магнитного поля должна быть 22,7 мкА/м, что соответствует 27,1 дБ (мкА/м). При равномерном распределении витков обмотки по периметру сердечника измеренное рамочной антенной Пб-42 значение напряженности магнитного поля составило 27 дБ (рис. 4). Испытуемый дроссель размещался на поворотном столе из диэлектрического материала над заземленной алюминиевой пластиной. Антенна устанавливалась на расстоянии 1 м. Размеры маркеров на экспериментальной кривой соответствуют графику с отложенной погрешностью, обусловленной погрешностью средств измерения, а их положение - азимутальным углам, в которых проведено измерение напряженности поля. За единичный радиус-вектор принято максимальное значение напряженности поля.
Установлено, что фазовый сдвиг (положение максимумов в угловом распределении напряженности магнитного поля в относительной системе отсчета) у силовых дросселей тороидальной конструкции остается постоянным во всех режимах работы ИВЭП, не зависит от рабочей частоты, скважности, приложенного к обмотке напряжения и силы тока, равномерности намотки. На значение фазового сдвига (рис. 4, а) влияют геометрические размеры сердечника, количество витков в обмотке, тип ферромагнетика и значение его проницаемости.
Для оценки адекватности предложенной модели дросселя тороидальной конструкции как излучателя магнитного поля проведена экспериментальная проверка на сердечниках из Мо-пермаллоя марки МП 140 по ряду из наиболее часто применяемых типоразмеров (таблица) в схеме импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа.
Напряженность поля измерена в азимутальной плоскости при вращении исследуемых образцов на поворотном столе относительно антенны на угол 360° при работе импульсного стабилизатора напряжения в граничном режиме.
130
90
135 1 "У--" __* _ 45
\л \ ч> у /'\
, * '1/ —>7
315
Таблица. Напряженность поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции на измерительном расстоянии 1 м
Типоразмер сердечника, их количество; индуктивность дросселя
К13х7х5, 24 мкГн
К15х7х6,7, 26,2 мкГн
К17х10х6,5, 59,7 мкГн
К17х10х6,5, 180 мкГн
К19х11х6,7, 62,3 мкГн
К24х13х5,2, 81,4 мкГн
К24х13х7, 180 мкГн
К24х13х5,2, 2 шт., 165 мкГн
К24х13х5,2, 2 шт., 30 мкГн
К24х13х5,2, 2 шт., 200 мкГн
К24х13х5,2, 600 мкГн
К36х25х7,5, 49 мкГн
К36х25х9,7, 50 мкГн
К44х28х10,3, 53 мкГн
Длина средней линии сердечника /с.ср, см
3,14
3,45
4,24
4,24
4,71
5,81
5,81
5,81
5,81
5,81
5,81
9,58
9,58
11,31
Число слоев намотки
Длина средней линии сердечника рассчитана в соответствии с рисунком по формуле /с.ф=я(а+с). Приведенная погрешность измерения не более 1 дБ
Действующее значение тока /цд, А
0,6
0,55
0,48
0,38
0,45
10
0,63
0,41
10
Значение напряженности поля, дБ(мкА/м)
измеренное расчетное
24 22,7
25 23,5
23 22,7
36 30
25 23,8
26 26,2
25 24,2
32 25,7
54 52,6
38 28,6
35 25,0
56 55,2
57 55,2
64 64,2
270
а б
Рис. 4. Поле рассеяния силового дросселя в азимутальной плоскости (а) и условная система отсчета (б): 1) экспериментальные данные, Иш==27дБ (мкА/м); 2) расчетные, Иш==27,1 дБ (мкА/м)
2
2
3
5
5
Из результатов экспериментов следует, что при равномерном распределении витков дросселя по периметру сердечника в один слой разница между измеренным и рассчитанным значениями напряженности поля не превышает 1 дБ и с уменьшением внешнего диаметра сердечника до 13...15 мм она достигает 2 дБ. При намотке в два слоя, а также при использовании двух склеенных сердечников разница составляет 6 дБ и при намотке в три слоя -10 дБ.
Окончательно формула для расчета поля рассеяния силового дросселя тороидальной конструкции имеет вид
Н
П1ьЛ 2рт3
(2)
где Н - напряженность поля, А/м; п - число слоев намотки дросселя (п=1, 2, 3); Тц - действующее значение пульсирующей составляющей тока, А; $к=/2с.ср/4^- площадь, ограниченная средней линией сердечника, м2; г - расстояние от контура до измерительной антенны, м.
В ближней зоне (при г<Х/2п) напряженность электрического поля максимальна в плоскости витка, и её значение можно рассчитать через волновое сопротивление [3, 4]:
Е
= 2п2пт / X, (3)
0
где Е0 - напряженность электрического поля в плоскости витка, В/м; Н? - напряженность магнитного поля на оси витка, А/м; ¿0=377 Ом - волновое сопротивление свободного пространства (в дальней зоне для г>>Х/2и); X - длина волны, м.
Таким образом, для наихудшего случая напряженность электрического поля Е, В/м, создаваемая током I, протекающим по контуру с площадью $к, в ближней зоне в соответствии с формулой (3) в скалярной форме записи
2о /Б,
Е =
Хт2
женных в одной плоскости, будет минимальна, если их включить встречно и пропустить один и тот же ток (рис. 5).
Рис. 5. Компенсация суммарного излучения от двух рамок
Этот эффект проявляется и при соответствующем размещении двух одинаковых дросселей. Для наибольшей компенсации суммарной напряженности поля дроссели должны быть включены встречно и размещены на несущем основании так, чтобы места установки выводов были в параллельных плоскостях (рис. 6, начало намотки обозначено точкой).
Кольцевой сердечник МП 140 типоразмера К44х28х10,3 имеет среднюю длину /сср= 11,31 см. Площадь эквивалентного витка $к=1,02.10-3 м2. При значении действующего тока 0,89 А частотой 50,6 кГц на расстоянии 1 м согласно формуле (3) напряженность электрического поля должна быть 57 мкВ/м, что соответствует 35,1 дБ (мкВ/м). Измеренное активной антенной АДА-1 значение напряженности электрического поля составило 38 дБ.
В ИВЭП с низковольтным напряжением питания напряженность электрического поля, создаваемого электромагнитными элементами в ближней зоне, не является определяющей, а её значение, как правило, ниже чувствительности пассивных измерительных антенн.
Очевидно, что суммарная напряженность магнитного поля двух одинаковых рамок, располо-
Рис. 6. Снижение суммарного поля рассеяния двух дросселей
При действующем значении тока 10 А силовой дроссель на сердечнике МП 140 типоразмера К44х28х10,3 создает поле рассеяния напряженностью Нтах=64 дБ. При замене одного дросселя на два меньшего размера с тем же значением суммарной индуктивности Нтах=44 дБ, в то время как напряженность поля рассеяния одного дросселя типоразмера К24х 13x5,2 (2 шт.) при указанном значении тока Нтах=54 дБ (мкА/м). Таким образом, она снижается не менее чем на 20 дБ.
На амплитуду напряженности поля рассеяния электромагнитных элементов, кроме значения напряжения, приложенного к обмотке (следовательно, значения рабочей индукции), и силы тока, протекающего через обмотку, влияет неравномерность намотки, рис. 7.
Для снижения поля рассеяния на 6...10 дБ предложено выводы витков обмотки направлять внутрь [5], рис. 8.
Установка между корпусом преобразователя и дросселем экранирующей прокладки из медной фольги с припаянной к ней экранирующей сеткой из проволоки дает дальнейшее снижение напря-
90
270
Рис. 7. Способы намотки дросселя: 1) секцией, Нш=84 дБ (мкА/м); 2) виток к витку, Нш=78 дБ (мкА/м); 3) с равномерным распределением витков по периметру, Нш=64 дБ (мкА/м)
270
Рис. 8. Снижение поля рассеяния дросселя: 1) общепринятое исполнение, Нш=64 дБ (мкА/м); 2) выводы направлены внутрь, Нш,=58 дБ (мкА/м)
женности поля еще на 6...7 дБ. Экран-шайба и сетка должны быть изолированы от корпуса и соединены с общей шиной входного напряжения ИВЭП.
Выводы
Для расчета поля рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции предложена модель в виде эквивалентного витка с током.
Показано, что для снижения поля рассеяния силового дросселя тороидальной конструкции це-
лесообразно его разделение на два меньшего типоразмера. При встречном включении обмоток и размещении на несущем основании источника питания таким образом, чтобы места установки выводов были в параллельных плоскостях, суммарное значение напряженности магнитного поля на расстоянии 1 м снижается не менее чем на 20 дБ.
Поле рассеяния силовых дросселей тороидальной конструкции уменьшается на 6... 10 дБ, если выводы обмотки направить внутрь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. -М.: Техносфера, 2005. - 632 с.
2. Нейман Л.А., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Т. 2. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 407 с.
3. Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 238 с.
4. Уайт Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. В 3-х вып., вып. 3. Изме-
рение электромагнитных помех и измерительная аппаратура: Сокр. пер. с англ. / под ред. А.Д. Князева. - М.: Советское радио, 1979. - 464 с.
5. Конструкция установки выводов тороидального дросселя с минимальными полями рассеивания: пат. 66598 Рос. Федерация. № 2007112142/22; заявл. 02.04.2007; опубл. 10.09.2007, Бюл. № 25. - 3 с.: ил.
Поступила 05.04.2010 г.
