Требования к параметрам электромагнитных компонентов преобразователей постоянного напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.314

1 1 2 1 С.Ю. Панфилов , А.И. Чивенков , И.С. Панфилов , Н.Н. Вихорев

ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОМПОНЕНТОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1, ОАО «НПП «Полет», Нижний Новгород2

Данная работа направлена на освещение проблемы предварительного проектирования электромагнитных компонентов импульсных преобразователей напряжения для радиоэлектронных устройств. В статье большое внимание уделено особенностям различных типов однотактных преобразователей, заключающиеся в режимах намагничивания, размагничивания и перемагничивания сердечников трансформаторов. Предложена методика выбора магнитопроводов по требуемому его объему или массе с учетом частных гистерезисных циклов работы сердечника, приведены необходимые для расчета выражения и соотношения параметров элементов.

Ключевые слова: дроссель, трансформатор, однотактный преобразователь, перемагничивание и размагничивание сердечника, транзистор, остаточная индукция, петля намагничивания, объем сердечника.

Из-за многообразия схемных (по принципу действия) и технических характеристик преобразователей постоянного напряжения в постоянное (ППН) зачастую не возможно для них использовать унифицированные серийно изготавливаемые электромагнитные компоненты (ЭМК) [1,2]. Оптимальным разрешением этой проблемы является разработка или использование унифицированных конструкций ЭМК и организация заказной системы их производства по техническим требованиям (условиям) заказчика. Поэтому актуальным остается совершенствование методик расчета ЭМК с учетом их режимов работы в ППН [3-5].

Существуют четыре основные схемы однотактных трансформаторных (с гальванической развязкой) ППН, различающихся по принципу действия [6-10]:

• тип Р1 - с размагничивающей обмоткой W3 трансформатора по первичной стороне (рис. 1, а);

• тип Р2 - с размагничивающей обмоткой W3 трансформатора по вторичной стороне (рис. 1, б);

• тип Р1П2 - с размагничивающей обмоткой W3 трансформатора по первичной и пере-магничивающей W4 по вторичной стороне (рис. 1, в);

• тип Р2П2 - с размагничивающей W3 и перемагничивающей W4 обмоткой трансформатора по вторичной стороне (рис. 1, г).

Каждая из схем содержит по одному трансформатору и дросселю, но работающих в каждой из схем в различных режимах даже при одинаковых входных и выходных параметрах ППН.

В приведенных ППН передача энергии от первичного источника в нагрузку происходит только при намагничивании сердечника трансформатора в одну сторону, а частота следования импульсов напряжения на выходной фильтр равна частоте работы силового транзистора.

В ППН типов Р1 и Р2 сердечник трансформатора намагничивается (в интервалы времени включенного транзистора через обмотку W1) и размагничивается (в интервалы времени выключенного транзистора через обмотку W3) по частным гистерезисным циклам, причем мгновенные значения магнитной индукции b и намагничивающей силы h могут принимать только положительные значения, т.е. ток намагничивания трансформатора может принимать только положительные или нулевые значения. Предельным частным циклом намагничивания при этом будет являться петля намагничивания с координатами Вг (значение остаточной ин-

© Панфилов С.Ю., Чивенков А.И., Панфилов И.С., Вихорев Н.Н., 2016.

дукции кривой намагничивания материала сердечника) и ВИ (значение индукции на начале изгиба кривой намагничивания материала сердечника).

Отличие ППН типа Р2 от ППН типа Р1 состоит в формировании направления рекуперации энергии, накопленной в трансформаторе в интервал времени включенного силового транзистора: в ППН типа Р1 энергия возвращается в первичный источник, а в ППН типа Р2 направляется в нагрузку.

а)

ТУ1

УЭ2

и УЭ3

Ы

С1

Ян

УТ1

в)

+Е

"Ш*

УТ1

+Е

"Г

УТ1

-Е

ТУ1

Ь1

; "2 и УЭ2

\ С1

>- "3

и Ян -1 1-

б)

ТУ1

г)

Рис. 1. Основные схемы однотактных трансформаторных ППН

Оптимальным режимом работы ППН обоих типов является режим, при котором ток дросселя не прерывается (не принимает нулевых значений), а ток намагничивания трансформатора, наоборот, должен обязательно принимать нулевые значения в интервал времени выключенного транзистора.

Для ППН типа Р2 такими условиями является

Ек^

(1)

1 >

21Н к/п21/

< ЕкЗ (1 - кЗ ) = (1 _ к )П .

31 ^^ г Г (1 к З )п21;

21 Н к1ЬШ 1/

П„ <

Ьдр >

ЕкЗ (1 _ КЗ )п21

(2) (3)

2/н (1 _ кI)/

где Е - входное напряжение;

пш - отношение числа витков Б-обмотки к числу витков М-обмотки трансформатора; кз - относительное время включенного состояния транзистора - параметр, обратно пропорциональный скважности Q;

Е

Lwi - индуктивность первичной обмотки трансформатора;

1Н - ток нагрузки преобразователя;

f - тактовая частота преобразования.

к7 - коэффициент, учитывающий отношение тока размагничивающей обмотки к току вторичной обмотки W2 (рекомендуемые значения kI < 0,1);

Lpf - индуктивность дросселя фильтра.

В ППН типа Р1 ограничительные условия на значения индуктивности первичной обмотки трансформатора не налагаются и должны выполняться следующие условия:

«31 =1; (4)

^ ЕкЗ (1 - к3 )п21

Д 2IHf • (5)

В ППН типов Р1П2 и Р2П2 принципиально возможно осуществить перемагничивание по предельной петле, т.е. мгновенные значения магнитной индукции b и намагничивающей силы h могут принимать не только положительные значения, но и отрицательные. Предельным циклом намагничивания сердечника трансформатора при этом будет являться петля намагничивания с координатами ВИ и -ВИ.

Перемагничивание сердечника трансформатора до отрицательных значений магнитной индукции осуществляется за счет энергии дросселя, накопленной в интервал времени включенного транзистора. Схемно это достигается тем, что трансформатор снабжается дополнительной обмоткой W4, включенной последовательно с дросселем. Ток дросселя протекает через обмотку W4 только в интервал времени выключенного транзистора.

В ППН типа Р1П2 энергия, накопленная в трансформаторе в интервал времени включенного транзистора, передается в первичный источник в интервал времени выключенного транзистора. Кроме того, в первичный источник возвращается и часть энергии дросселя. В ППН типа Р2П2 энергии трансформатора и дросселя передаются только в нагрузку.

Эффективное использование свойств преобразователей типов Р1П2 и Р2П2 достигается при обеспечении перемагничивания сердечника трансформатора к моменту очередного включения транзистора до отрицательных значений магнитной индукции, вплоть до предельной -ВИ. При этом в интервал времени выключенного транзистора значения могут принимать и большие по модулю отрицательные значения, что на принципе работы не отражается.

Условием режима обеспечения отрицательных значений магнитной индукции в ППН типа Р1П2 является

...... ф.; (П31П41 - 3n43 - 4n21 + 2П41 ) + 4k3 (п21 + «43 ) - «43 ]

LДР >-Щ-f-■ (6>

Условием режима обеспечения предельного перемагничивания сердечника трансформатора в ППН типа Р1П2 является

L Ek3 fr - кЗ )(n21 - n41) + k3«41(1 + n31)] ^

ДР 2(Ih - 1др min )f

где 1др min - значение тока дросселя в момент очередного включения транзистора.

С учетом того, что

• HИ1СР

1 Дрmin > , (8)

получим условие (7) как зависимость от типоразмера сердечника трансформатора

L = ЦСР^ОEk3k3max СП41[(1 ~ k3)(П21 ~ П41) + k3П41(1 + П31)] ДР 2f (VcP^0n4lEIHk3max -ВИ 1СРSCTJBPk3max) ' (9)

где Ня - значение намагничивающей силы, соответствующее точке изгиба кривой намагничивания; 1СР - средняя длина магнитопровода, S СТ - площадь поперечного сечения магнитопровода;

BPk3max - перепад магнитной индукции сердечника трансформатора при kЗ max ;

максимальное относительное время включенного состояния транзистора. Условием режима обеспечения отрицательных значений магнитной индукции в ППН типа Р2П2 является

£ > Ek3 n2lLWl [k3 (n2l ~ n4l) ~ П21(2 + n43 ~ k3 П43)] q q^

Д Ek3 (2 + n43 - k3 n43 ) - 2IHf (2n2i " n4l )LWl '

При предельном перемагничивании (в момент включения транзистора значение индукции соответствует режиму насыщения) возможны несколько вариантов работы сердечника трансформатора:

• ток намагничивания в момент времени выключения транзистора принимает имеет отрицательные значения (вариант 1);

• ток намагничивания в момент времени выключения транзистора принимает положительные значения (вариант 2).

Условие варианта 1

2

^ _ AiEk3maxn4lLA2k3n4l ' "21V1 k3)] (11)

jдр

варианта 2

Lm =

AiEk3

max n4l[A2k3n4l + n2l(l -k3)] 2Al (n2l - n4l)ihk3max f - A3lcpsct fBP

AlEk3 L A2k3n4l + n2l (l - k3 )]

(12)

2 Al (n2l - n4l)IHf - A4lCP SCT fBm

где Bp - заданный перепад магнитной индукции;

Al = McP^0k3 max П41; (l3)

a2 = "21 + k3 (l - п41); (14)

A3 = 2п21ВИk3max - k3Враб"41 ; (l5)

A4 = 2n2lBPABk3 - n4l(2k3ВРАБ - k3maxВИ> (16)

В [2] предлагается производить предварительный выбор сердечников дросселей (накопительных ЭМК) по эмпирическому выражению, используя понятие электромагнитной мощности и действующего значения токов дросселя. При этом действующее значение тока не в полной мере отражает реальные процессы, протекающие дросселе, поскольку соотношения действующего, максимального и минимального токов зависят от формы тока, которая в общем случае зависит от принципа действия ППН.

Предлагается целесообразным на начальном этапе проектирования дросселя, используя результаты расчета ППН, определять типоразмер сердечника по максимальному (пиковому) значению тока дросселя и его индуктивности.

Для этого, преобразуя выражение для определения индуктивности дросселя

LДP = ScL W 2 (17)

lCP

и закона полного тока

I W

Я_ 1 max " /1 „ч

max - —j-> (18)

lr

lCP

получим выражение для требуемого объема сердечника дросселя

т 12

v > S ] - тдр1 mix nQ4

vct > sct1ср - тт2 ' (19)

ДДо hm

max

где ДСР - средняя относительная магнитная проницаемость материала сердечника; Д0 - абсолютная магнитная проницаемость; W - число витков ЭМК; Hmax - максимальная намагничивающая сила; Imax - максимальный ток ЭМК. Выражение (19) позволяет определить типоразмер сердечника дросселя по его минимальному допустимому объему или массе (при известной удельной массе материала).

Особенностью ППН типа Р2 является необходимость выполнить ряд условий для полного размагничивания трансформатора (до остаточной индукции Вг) при выключенном транзисторе и обязательному протеканию тока через дроссель. Это возможно? только если объем сердечника трансформатора будет соответствовать условию

2ДсрДо Е1НКЗ П21 _

< В^ ( )

где BP - рабочий размах индукции;

Ьля обеспечения непрерывности тока дросселя в ППН типа Р2 необходимо выполнить условие

v . F 21 н тдрf- Екз С1 - кЗ )n21 , ч VCT < ДсрДоЕкзn21-Дп2г2 г-• (21)

Bpj ТДР

При проектировании трансформаторов для ППН типа Р1П2 для перемагничивания сердечника трансформатора сердечник должен удовлетворять условиям

тг ^ ДсрДоЕкз max П411Н

VCT < up f (22)

ВРВИ J

или

y^ ^ дсрд0Е2кЗmixn41 (n21 - n41) ^3)

ЯнВрВи f

где Ви - значение индукции на начале изгиба кривой намагничивания материала сердечника;

RH - сопротивление нагрузки ППН. Для трансформаторов ППН типа Р2П2 объем сердечника должен удовлетворять условиям

у < 2ДсрДоЕкЗmaxn41(n21 - n41)lH Т BPf (2п21ВИКЗ max - кзврnj '

или

VCT <-—З lliax 4;v 21-41/ Н З—^, (25)

ВИ f [2п21ВРкЗ - П41(2кЗВР - кЗmaxВИ )J

Для ППН типа Р2 размах индукции ВР сердечника трансформатора не должен превышать ВИ - Вг, а для ППН типов Р1П2 и Р2П2 - не более 2ВИ. Средняя относительная магнит-

2ДсрДо екз max n41(n21 - n41)lНкЗ

ная проницаемость материала сердечника должна соответствовать выбранному частному циклу намагничивания (перемагничивания).

При выводе выражений были сделаны следующие допущения: не учитывались реальные параметры элементов и пульсации напряжения на конденсаторе.

В приведенных выражениях все величины имеют размерность системы СИ.

Выводы

В однотактных ППН с размагничиванием и перемагничиванием сердечника трансформатора возможны различные режимы работы, которые в общем случае характеризуются режимом работы дросселя выходного фильтра и намагничивания сердечника трансформатора. На режимы работы значительное влияние оказывает величина индуктивности выходного фильтра. Кроме того, на режимы работы ППН типов Р2, Р1П2 и Р2П2 влияет величина индуктивности первичной обмотки трансформатора (эффективный объем сердечника трансформатора).

Получены аналитические выражения регулировочный характеристик для различных режимов работы ППН и выражения, позволяющие определить параметры преобразователей типов Р и РП, соответствующие границам режимов работы. Погрешность полученных выражений не превышает 12-15% и позволяет проводить предварительный выбор параметров элементов ППН на начальной стадии проектирования силовой части источников вторичного электропитания.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение №14.5 77.21.0073 о предоставлении субсидии от 05.06.2014, уникальный идентификатор проекта RFMEFI5 7714X0073).

Библиографический список

1. Чивенков, А.И. Расширение функциональных возможностей инвертора напряжения систем интеграции возобновляемых источников энергии и промышленной сети / В.И. Гребенщиков, А.П. Антропов, Е.А. Михайличенко // Инженерный вестник Дона. - 2013. - №1. -http: //www. ivdon. ru/magazine/issue/ 107?page=3

2. Соснина, Е.Н. Нормирование энергопотребления образовательных учреждений на основе нейросетевого подхода. / А.В. Шалухо, Р.Ш. Бедретдинов, И.А. Липужин // Инженерный вестник Дона. 2013. h№ 3. ttp://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1841.

3. Severns R. Modern DC - to - DC switchmode converter circuits / G. Bloom // Van Nostrand Reinhold Co, 1985.

4. Severns R. Swithcmode Converter Topologies-Make Them Work For You!, Intersil, Inc., Application Note AO35, 1980.

5. Тылес М.Г. Пути повышения массогабаритных показателей однотактных преобразователей постоянного напряжения с гальванической развязкой / С.Ю. Панфилов, И.В. Полетаев, А.В. Тюрин // Проблемы преобразовательной техники: тез. докл. 4 Всесоюз. науч.-техн. конф., Черновцы, сент. - Киев. 1987. Ч. 2. - С. 222-224.

6. Александров, В.В. К расчету накопительных магнитных элементов импульсных преобразователей напряжения / М.Г. Тылес, С.Ю. Панфилов // Техника средств связи. Сер. ТРС. - 1982. - Вып. 9 (29) - С. 75-78.

7. Тылес, М.Г. Однотактные преобразователи напряжения с размагничиванием и перемагничиванием сердечника трансформатора / С.Ю. Панфилов, И.В. Полетаев, А.В. Тюрин // Специальная техника средств связи. Сер. СВЭП. - 1983. - Вып. 1. - С. 57-62.

8. Тылес, М.Г. Унифицированные полярно-инвертирующие преобразователи напряжения в гибридно-пленочном исполнении / С.Ю. Панфилов, А.В. Тюрин // Специальная техника средств связи. Сер. СВЭП. - 1984. - Вып. 1. - С. 39-47.

9. Панфилов, С.Ю. Схема управления силовым транзистором на основе однотактного трансформаторного преобразователя / Н.Н. Вихорев, И.С. Панфилов, А.И. Чивенков, Д.Н. Лапаев

// Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы научно-технической конференции / НГТУ. - Н.Новгород. - 2014. - С. 186-189. 10. Вихорев, Н.Н. Источник питания катода установки ионного легирования / И.С. Панфилов, А.И. Чивенков, С.Ю. Панфилов // Современные технологии и технический прогресс: сб. статей по материалам IV Международной научно-практической конференции (22 июля 2015 г., город Воронеж). - 2015. - С. 62-65.

Дата поступления в редакцию 27.04.2016

S.Y. Panfilov1, A.I. Chivenkov1, I.S. Panfilov2, N.N. Vikhorev1

REQUIREMENTS FOR THE PARAMETERS OF ELECTROMAGNETIC COMPONENTS DC CONVERTERS

Nizhny Novgorod state technical university n. a. R.E. Alexeyev 1, JSC "SIE" POLET"2

Purpose: This work aims to cover preliminary design problems of components of electromagnetic pulse voltage converters for electronic devices.

Design/methodology/approach: Synthesis of analytical expressions, allowing to make an indicative calculation of the DC/DC converters.

Findings: Analytical expressions adjusting characteristics for various modes of converters DC and expression, allowing to define the parameters of single-ended converters of various types corresponding to the boundaries of operating modes.

Research limitations/implications: The design of the power unit with a power supply of electronic equipment. Originality/value: A selection method for electromagnetic components of magnetic circuits in the required volume subject private hysteresis cycles of their work, are given the necessary mathematical expressions.

Key words: inductor, transformer, single-ended converter, magnetization and demagnetization of the core transistor, residual induction, magnetization loop, the volume of the core.