Управляемый дроссель является основным элементом магнитного - усилителя (рис. 78) - электромагнитного устройства, позволяющего регулировать мощность цеременного тока в рабочей цепи дросселя малой мощностью постоянного тока в его управляющей цепи или усиливать слабые сигналы постоянного тока, превращая их в значительные изменения переменного тока.
Управляемый дроссель представляет собой катушку индуктивности с магнито-проводом (сердечником), характеризующуюся переменным индуктивным сопротивлением, обусловленным подмагничиванием ферромагнитного сердечника постоянным током. Вследствие этого ток в рабочей обмотке дросселя представляется возможным изменять путем изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала магнитопровода, подвергая его одновременному воздействию переменной и постоянной магнитодвижущих сил.
Траектория рабочей точки управляемого дросселя на кривой намагничивания. Управляемый дроссель с одним сердечником в качестве магнитного усилителя практически не применяется, поскольку в такой схеме возможна трансформация переменного тока основной частоты из рабочей цепи в цепь управления, что значительно снижает кратность изменения мощности нагрузки. Включение дополнительного сопротивления 7Д (рис. 10 - 1) для подавления переменных составляющих в цепи управления приводит к потерям и снижению коэффициента усиления мощности (активное сопротивление) или к увеличению инерционности (индуктивность) усилителя.
Кривые зависимости индукции и магнитной проницаемости стали от напряженности поля.| Кризые одновременного намагничивания трансформаторной стали марки Э-42.| Магнитный усилитель с выходом на постоянном токе. Управляемые дроссели подобного рода могут быть использованы в системах регулируемого электропривода и других устройствах.
Рассмотрим вначале управляемый дроссель. На рис. 8 - 1, а изображен дроссель с двумя обмотками, имеющий ферромагнитный сердечник, например из листовой стали. Обмотка 1 включена на синусоидальное напряжение (/, частота и действующее значение которого неизменны.
Рассмотрим вначале управляемый дроссель. На рис. 8 - 1, а изображен дроссель с двумя обмотками, имеющий ферромагнитный сердечник, например из листовой стали. Обмотка / включена на синусоидальное напряжение U, частота и действующее значение которого неизменны.
Сердечники управляемого дросселя (рис. 8 - 42 - 8 - 44) часто характеризуют семейством кривых одновременного намагничивания, представляющих зависимость переменной составляющей индукции от переменной составляющей напряженности для разных значений напряженности постоянного поля. При различных формах кривой переменной составляющей индукции или напряженности и при различных сопротивлениях цепи управления для четных гармоник получаются различные семейства кривых. Их вид зависит и от того, для каких значений (напряженности и индукции (амплитудных, действующих, средних) строятся кривые.
Схема простейшего управляемого дросселя (см. рис. 11.1) оказывается малопригодной для широкого применения, так как в обмотке управления с большим числом витков наводится значительная переменная ЭДС вследствие прямой трансформаторной связи между рабочей обмоткой и обмоткой управления. Кроме того, переменный ток в цепи нагрузки дросселя существенно искажает свою форму. Поэтому при создании магнитных усилителей используются конструкции, основанные на двух О-образных сердечниках (рис. 11.5, а) или на одном Ш - образном сердечнике (рис. 11.5, б), лишенные указанных недостатков.
Чем отличается управляемый дроссель от катушки с ферромагнитным магнитопровадом.
Схема установки для исследования управляемого дросселя. Экспериментальное исследование управляемого дросселя выполняют на установке (рис. 80) из магнитного усилителя МУ с параллельно соединенными рабочими обмотками, которые присоединяются к сети переменного тока А - В через двухполюсный автоматический выключатель В и регулирующий автотрансформатор ЛАТР, позволяющий плавно изменять величину напряжения Ui на зажимах исследуемой цепи. Вольтметр Vy измеряет напряжение Uy на зажимах управляющей цепи. Частотомер Hz измеряет частоту / переменного тока.

Однако использование управляемого дросселя заметно удорожает и усложняет схему источника питания.
Для этого используются управляемые дроссели, содержащие подмаг-ничивающие обмотки. Аналогично последовательной феррорезонанс-ной цепи триггерный эффект возникает и в параллельном ферроре-зонансном контуре.
Дроссель насыщения. Дроссель насыщения (или управляемый дроссель) представляет собой включенную в цепь переменного тока катушку со стальным сердечником, индуктивность которой можно регулировать в широких пределах, изменяя степень насыщения стали путем подмагничивания постоянным током.
Снять основную ампер-вольтную характеристику управляемого дросселя, для чего плавно изменять регулирующим автотрансформатором ЛАТР величину входного напряжения от нуля до номинального значения и записывать показания измерительных приборов в таблицу.
По такому же принципу, как управляемые дроссели, работают и магнитные усилители.
По такому же принципу, как управляемые дроссели, работают и магнитные усилители. В отличие от дросселей магнитные усилители имеют не одну, а ряд обмоток управления (обычно не более десяти), которые включаются на напряжение управления, напряжения обратных связей и другие; на выходе усилителя формируется требуемое управляющее воздействие.
Простейший пневмопреобра. Сопло / с заслонкой 2 образуют управляемый дроссель переменного сопротивления ДУ. Проточная камера ПК сообщается линией связи ЛС с глухой камерой ГК, называемой измерительной.
Если последовательно с рабочей обмоткой wp управляемого дросселя (рис. 22 - 44) включить нагрузку и питать рабочую цепь от источника переменного напряжения, то можно регулировать ток и мощность нагрузки, изменяя ток управления. Такое устройство называют простейшим магнитным усилителем. Однако в этом случае и ток и напряжение на рабочей обмотке несинусоидальные, что существенно затрудняет анализ и расчет усилителя.
От чего зависит индуктивность рабочей обмотки управляемого дросселя.
Схемы размещения обмоток дросселей с под-магничиванисм. На рис. 13.1, а изображена схема управляемого дросселя с трех-стержневым сердечником. Рабочая обмотка подразделена на две секции, расположенные на крайних стержнях, обмотка управления помещена на среднем стержне.
В связи с тем что с помощью управляемого дросселя с подмагничиванием можно, затрачивая незначительную мощность в цепи управления, управлять значительной мощностью в рабочей цепи, представляется возможным использовать его в качестве усилителей тока, напряжения и мощности. Усилители, действие которых основано на том же принципе, что и дросселей с подмагничиванием, являются магнитными усилителями.
В различных областях электротехники в настоящее время находят применение управляемые дроссели и магнитные усилители.

На рис. 72 приведена схема простейшего магнитного усилителя, который представляет собой управляемый дроссель с подмаг-ничиванием. Управляющая обмотка постоянного тока, показанная тонкой линией, нанесена на средний сердечник, а обмотки переменного тока - на крайние сердечники.
Как увеличение постоянного тока в управляющей обмотке сказывается на ампер-вольтной характеристике управляемого дросселя.
Рассмотрим устройство и принцип работы датчиков положения, выполненных в виде управляемых дросселей и трансформаторов насыщения. Сердечник дросселя может быть любой формы, в частности лучше использовать ферритовые кольца с прямоугольной петлей гистерезиса серийного производства. Обмотка дросселя накладывается на сердечник с двух краев так, чтобы он непосредственно мог касаться L-образных магнитопроводов.
Принципи-альная схема датчи-р ка угла поворота.| Методы периодического изменения магнитного сопротивления магиитопроводов. а - для построения модуляторов. б - для датчиков напряженности поля. Ст, на котором установлены один или несколько магнитных усилителей (управляемых дросселей) УД. Когда наконечник магнита М располагается напротив наконечника усилителя, поток магнита М насыщает магнитопроводы усилителя и ток в его обмотках резко возрастает. Кратность изменения тока может превышать 25 и разрешающая способность такого типа датчиков может достигать 2 - Ю-4 рад.
Датчик положения с дросселями насыщения. Рассмотрим устройство и принцип работы датчиков положения, выполненных в виде управляемых дросселей и трансформаторов насыщения.
Механизмы пневматической дистанционной передачи у этих регуляторов выполнены по схеме компенсации перемещения и включают управляемый дроссель (сопло - заслонка), мембранный усилитель, узел отрицательной обратной связи (одновитковая трубчатая пружина) и узел ручной корректировки величины выходного сигнала. Регулирующее устройство отличается от механизма пневматической дистанционной передачи наличием в линии отрицательной обратной связи дроссельного клапана, предназначенного для изменения диапазона дросселирования.
Однополюсный переключатель на два положения П в правом положении дает возможность снять ампер-вольтные характеристики управляемого дросселя, а в левом - рабочие характеристики магнитного усилителя.
Применительно к инверторам напряжения регулирование напряжения непосредственно на выходе инвертора осуществляется магнитными усилителями, управляемыми дросселями, различного рода стабилизаторами и др. , что увеличивает установленную мощность и искажает форму напряжения нагрузки.
Схема установки для исследования управляемого дросселя. Для того чтобы магнитный усилитель работал при наибольших коэффициентах усиления, необходимо расчетом согласовать параметры управляемого дросселя с величинами напряжения питания, нагрузки и поступающих сигналов.
Параллельно с распределителями и насосами соединен дросссльно-клапаннын блок 11, в котором смонтированы предохранительные клапаны и управляемые дроссели. Предохранительные клапаны предназначены для ограничения давления жидкости в напорных линиях насосов. Дроссели сбрасывают часть потока жидкости в сливную линию при параллельном включении насосов.
Сравнивая уравнения (82а) с (80а), можно видеть, что с помощью автоматически управляемого дросселя достигается повышение энергетической добротности, осуществимое в обычном приводе лишь при несимметричных условиях его работы. При уменьшении значения аи энергетическая добротность привода возрастает. Однако на выбор значения аи накладываются определенные ограничения, не позволяющие принимать его достаточно малым.

Было установлено, что применение в трансформаторе сердечника из того же железо-никелевого сплава, из которого сделан управляемый дроссель, не дает заметного улучшения схемы.
Регулирующий блок РБС-ПМ. Принципиальная схема регулятора соотношения типа РБС-ПМ (рис. 9 - 9) отличается несколько другим выполнением делительной дроссельной приставки и наличием управляемого дросселя. Последний построен на базе пневматической следящей камеры со сдвоенным соплом и включен вместо одного из переменных дросселей делительной приставки.
Схемы магнитных элементов. При последовательном включении (рис. 11 - 35, а) питание цепи нагрузки осуществляется от источника напряжения и сердечник является управляемым дросселем. Элементы с последовательным включением нагрузки называются дроссельными.
Схема и характеристики индуктивного преобразователя.| Схема транзисторного LC-генератора, управляемого током, с ключевым режимом транзистора. На рис. 3.4 показаны схемы и характеристики L F (Iw) - при различных (Iw) - индуктивного преобразователя (управляемого дросселя), выполненного на кольцевых сердечниках из материала 79НМ, имеющих наружный диаметр 35 мм, внутренний диаметр 25 мм, с лентой толщиной 0 05 мм и шириной б мм.
Для регулирования рабочих процессов, происходящих в мощных электрических установках переменного тока, применяют статические электромагнитные аппараты, называемые дросселями с подмагничиванием, или управляемыми дросселями. Они не имеют подвижных частей и выполнены в виде катушки (рабочей обмотки), расположенной на замкнутом ферромагнитном сердечнике, на котором намотана вспомогательная обмотка управления. На рабочую обмотку дросселя подают переменное напряжение, а для изменения ее эквивалентной индуктивности используют обмотку управления, получающую питание от маломощного источника постоянного тока.
Если же схема должна быть реверсивной или если от нее требуется высокая чувствительность и точность, то более пригодна мостовая схема с одним, двумя или четырьмя управляемыми дросселями.
Наиболее широко используются управляемые дроссели и магнитные усилители.
Существуют различные методы предотвращения токовых перегрузок, возникающих при первоначальном включении источников питания. Один из них состоит в использовании управляемого дросселя, который включается последовательно с первичной обмоткой трансформатора источника питания. В первые моменты времени после подключения сетевого напряжения дроссель обладает большим сопротивлением, которое с течением времени постепенно уменьшается. Вследствие этого напряжение на первичной обмотке трансформатора медленно возрастает, что и обеспечивает уменьшение токовых перегрузок диодов схемы выпрямления.
Управляемый дроссель представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом (сердечником), характеризующуюся переменным индуктивным сопротивлением, обусловленным подмагничиванием ферромагнитного сердечника постоянным током. Так же как и катушка индуктивности с магнитопроводом, управляемый дроссель вследствие нелинейной зависимости между магнитным потоком и током имеет нелинейную зависимость между индуктивностью и током L (I), а следовательно, между индуктивным сопротивлением и током катушки. Вследствие этого ток в рабочей обмотке дросселя представляется возможным изменять путем изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала магнитопровода, подвергая его одновременному воздействию переменной и постоянной магнитодвижущих сил.
Устройство работает следующим образом. При неизменном значении / вх на площадь FI действовало давление, определяемое, состоянием управляемого дросселя.
Здесь излагаются основные функции систем автоматического управления, принципы автоматизации электроприводов, способы составления схем. Рассматриваются типовые схемы широко распространенных систем релейно-контактного управления, а также более сложные системы с применением управляемых дросселей и магнитных усилителей, с электромашинным управлением, с электронно-ионной автоматикой и полупроводниковыми устройствами. В современных системах управления часто совместно с ЭМУ и электронно-ионным устройствами применяются магнитные усилители. Поэтому рассмотрение замкнутых систем начинается с основных расчетных зависимостей и особенностей схем с магнитными усилителями. Последующие главы посвящены следящим электроприводам, принципам их построения и расчетам замкнутых систем.

Если исходить из условий максимального сохранения природного состояния коллектора, то продуктивный пласт необходимо вскрывать при условии депрессии или равновесия между пластовым и забойным давлениями. Однако в настоящее время отсутствуют технические средства, которые могли бы надежно обеспечить такие условия проводки скважин (вращающиеся превенторы, дистанционно управляемые дроссели, сепараторы бурового раствора), поэтому на практике вынуждены вскрывать пласты в условиях репрессии.

Ни одна люминесцентная газоразрядная лампа (бытовой или офисный светильник, уличный фонарь) без дросселя работать не будет. Это своеобразный гаситель или ограничитель напряжения, которое подается в колбу газоразрядной лампы. А точнее сказать, на ее электроды. В принципе, с немецкого так это слово и переводится. Но это не единственная функция данного прибора. Еще дроссель создает пусковое напряжение, которое необходимо для образования электрического разряда между электродами. Именно таким образом зажигается люминесцентный источник света. Кстати, пусковое напряжение краткосрочное, длится доли секунды. Итак, дроссель – это прибор, который отвечает и за включение лампы, и за ее нормальную работу.

Дроссель — прибор, отвечающий за нормальную работу ламп

Принцип работы

Необходимо сразу оговориться, что в основе принципа работы этого прибора лежит самоиндукция катушки. Если рассмотреть устройство дросселя, то это обычная катушка, которая работает по типу электрического трансформатора. То есть, можно смело применять в разговоре термин дроссель трансформатор. Хотя в конструкции лежит всего лишь одна обмотка.

По сути, катушка – это сердечник из стальных или ферромагнитных пластин, которые изолированы друг от друга. Это делается специально для того, чтобы не образовались токи Фуко, которые создают большие помехи. У такой катушки очень большая индуктивность. При этом она на самом деле выступает мощным сдерживающим барьером при снижении напряжения в сети, а особенно при его сильном росте.

Но именно эта конструкция считается низкочастотной. Почему такое у нее название? Все дело в том, что переменный ток, который протекает в бытовых сетях – это широкий диапазон колебаний: от единицы до миллиарда герц и выше. Пределы диапазона очень велики, поэтому чисто условно колебания разделяют на три группы:

• Низкие частоты, их еще называют звуковые, имеют диапазон колебаний от 20 Гц до 20 кГц.
• Ультразвуковые частоты: от 20 кГц до 100 кГц.
• Сверхвысокие частоты: свыше 100 кГц.

Так вот вышеописанная конструкция – это низкочастотный дроссель трансформатор. Что касается высокочастотных приборов, то их конструкция отличается отсутствием сердечника. Вместо них, как основа навивки медного провода, используются пластиковые каркасы или обычные резисторы. При этом сам дроссель трансформатор представляет собой секционную (многослойную) навивку.

По устройству дроссель — это обычная катушка, которая работает по типу электрического трансформатора

Дроссели очень тщательно рассчитываются по задаваемым параметрам, которые будут поддерживать работу ламп дневного света. Особенно это касается начала свечения, где необходимо разрядом пробить газовую среду. Здесь требуется высокое напряжение. После чего прибор, наоборот, становится сдерживающим устройством. Ведь для того, чтобы лампа светилась, большого напряжения не надо. Отсюда и экономичность светильников данного типа.

Сердечник для дросселя

Материал для сердечника также представлен несколькими позициями. Его выбор лежит в основе габаритов самого дросселя. К примеру, магнитный сердечник – это возможность уменьшить размеры дросселя до минимума. При этом показатели индуктивности не изменяются.

Оптимальный вариант для высокочастотных приборов – это сердечники из магнитодиэлектрических сплавов или феррита. Кстати, именно сплавы позволяют использовать сердечники данного типа практически во всех диапазонах.

Характеристики

Выбирать дроссель трансформатор надо по нескольким характеристикам, главная из которых – индуктивность (измеряется в генри Гн). Но кроме этого еще есть и другие:

• Сопротивление. Учитывается при постоянном токе.
• Изменение напряжения (допустимого).
• Ток подмагничивания, применяется номинальное значение.

Разновидность дросселей

Люминесцентные лампы представлены на рынке большим ассортиментом. И у каждого вида ламп дневного света свой дроссель трансформатор. К примеру, лампа ДРЛ и ДНАТ не могут зажигаться от одного вида дросселя. Все дело в различных параметрах пуска и поддержания горения. Здесь и напряжение отличается, и сила тока.

А вот лампа МГЛ может работать и от дросселя лампы ДРЛ, и от ДНАТ. Но тут есть один момент. Яркость свечения данного источника света будет зависеть от подаваемого напряжения. Да и цветовая температура будет разной.

Внимание! Любой дроссель трансформатор по сроку эксплуатации «переживет» несколько ламп. Конечно, при оговорке, что эксплуатация светильника проводится правильно.

Но учитывать приходится тот факт, что лампа с годами «стареет». На вольфрамовые электроды люминесцентных ламп дневного света наносится специальная паста из щелочных металлов. Так вот эта паста постепенно испаряется, электроды оголяются, а, значит, повышается напряжение, что приводит к перегреву дросселя. Конечный результат может быть двух вариантов:

1. Произойдет обрыв обмотки катушки, что приведет к отключению подачи напряжения на электроды.
2. Произойдет замыкание катушки. А это подключение лампы напрямую к сети переменного тока. Лампа перегорит – это точно, а может и взорваться, что приведет к порче светильника в целом.

Поэтому совет – не стоит ждать, когда лампа сама перегорит. Есть специальный график замены, который определяет производитель, и которого необходимо строго придерживаться. Опытные электрики при проведении профилактических работ обязательно проверяют эти осветительные приборы на параметр напряжения. Если он подходит к пределу нормы, то лампу меняют еще до срока эксплуатации. Лучше заменить недорогую лампу, чем дорогой дроссель трансформатор.

Добавим, что производители сегодня предлагают усовершенствованные системы защиты люминесцентных светильников. В их конструкцию добавили предохранительные автоматы, которые срабатывают при повышении напряжения внутри газоразрядного источника света.

Разделение по назначению

По сути, все дроссели делятся на две основные группы, как и лампы, в которых они устанавливаются.

1. Однофазные. Их используют в светильниках бытовых и офисных с подключением к сети в 220 вольт.
2. Трехфазные. Подключаются к сети 380 вольт. К ним относятся лампы ДРЛ и ДНАТ.

По месту установки эти приборы делятся также на две группы:

1. Встраиваемые. Их еще называют открытыми. Такие дроссели устанавливают в корпус светильника, который защищает его и от влаги, и от пыли, и от ветра.
2. Закрытые (герметичные, влагозащищенные). У этих приборов есть специальный короб, защищающий их. Такие модели можно устанавливать на улице под открытым небом.

Электронные аналоги

Основная масса дросселей – это достаточно габаритные приборы. Чтобы уменьшить их размеры, но при этом не изменять параметров, необходимо заменить катушку индуктивности полупроводниковым стабилизатором, который, в принципе, собой представляет высокой мощности транзистор. То есть в конечном итоге получается электронный дроссель.

По сути, установленный транзистор стабилизирует скачки (колебания) напряжения, уменьшают его пульсацию. Но придется учитывать тот факт, что электронный дроссель является все-таки полупроводниковым устройством. Так что в высокочастотных приборах его использовать нет смысла.

Как и многие электронные приборы, дроссели маркируются в зависимости от своих параметров. Это достаточно сложная аббревиатура, которая неопытным электрикам будет непонятна. Поэтому была введена цветовая маркировка. То есть, на приборе нанесено несколько цветных колец, которые определяют индуктивность устройства. Первых два кольца – это номинальная индуктивность, третье – это множитель, четвертое – это допуск.

Внимание! Если на дросселе всего три цветных кольца, то по умолчанию принимается, что его допуск составляет 20%.

Цветовая маркировка удобна, особенно для тех, кто начинает разбираться в области электрики. С ее помощью можно точно подобрать параметры устанавливаемых приборов (транзистор, электронный дроссель, резистор и так далее).

Заключение по теме

Итак, нами было проведено определение значения дросселя, его устройство, принцип работы и классификация. Как показывает практика, это устройство может работать десятилетиями, если правильно эксплуатировать сам светильник. Даже самые большие скачки напряжения дроссель прекрасно гасит. А, значит, лампа будет светить долго и без проблем.

Похожие записи:

В этом материале речь идет о различных типах обмоток выпускаемых промышленностью моточных изделий.

Увеличение рабочей частоты и мощности преобразователей приводит к тому, что число витков трансформатора снижается, и они не могут заполнить собой весь слой по ширине намотки. В этом случае вместо обмоточного провода лучше использовать фольгу, причем ее ширина выбирается таким образом, чтобы заполнить по ширине весь слой. Это необходимо для того, чтобы уменьшить индуктивность рассеяния обмотки. Число слоев фольги совпадает с числом витков и остается лишь выбрать толщину фольги. В низкочастотных преобразователях толщину фольги можно выбирать таким образом, чтобы заполнить все окно. При этом уменьшается омическое сопротивление обмотки и, следовательно, потери в ней. Однако в высокочастотных преобразователях это правило перестает действовать из-за поверхностного эффекта. При оценке влияния поверхностного эффекта необходимо учитывать форму тока, которая в некоторых топологиях преобразователей может значительно отличаться от синусоидальной, например в мостовом преобразователе (см. рис. 1 ). Величина индуктивности и емкости фильтра на этом рисунке выбраны для входных и выходных значений, показанных тока и напряжения, показанных там же.

Рис. 1. Мостовой преобразователь

Рис. 2. Окно трансформатора на сердечнике ЕС70

На рисунке 2 показано окно трансформатора на сердечнике ЕС70, первичная и вторичная обмотки состоят из четырех слоев фольги каждая. На рисунке показано, что обмотка заполняет все окно, но едва ли в реальном высокочастотном трансформаторе число слоев и толщина фольги столь велики, чтобы заполнить все окно.
Перед тем как выбрать толщину фольги, необходимо определить токи в обмотках и гармонический состав тока. Лучше всего это сделать с помощью симулятора и заодно предварительно убедиться, что в установившемся процессе при замкнутой петле обратной связи в преобразователе отсутствуют явно выраженные колебания. Симуляцию можно произвести, например, с помощью POWER 4-5-6 . На графиках представлены результаты симуляции.

Рис. 3. Форма тока первичной обмотки трансформатора мостовой схемы

На рисунке 3 показан ток первичной обмотки трансформатора мостовой схемы (см. рис. 1 ) и его гармонический состав при максимальном входном напряжении и максимальной нагрузке. Постоянная составляющая тока, разумеется, отсутствует, частота основной гармоники составляет 50 кГц. Кроме того, в спектре присутствуют две нечетные гармоники частотой 150 и 250 кГц. На рисунке 4 показан ток одной из вторичных полуобмоток. Ток индуктивности фильтра приведен на рисунке 5 . Наибольшее значение имеет постоянная составляющая и пульсация тока с удвоенной рабочей частотой.

Рис. 4. Ток вторичной полуобмотки трансформатора мостовой схемы

Рис. 5. Ток индуктивности фильтра мостовой схемы

Выбор толщины фольги зависит от величины постоянной составляющей тока и значения гармоник переменных составляющих, а также от величины допустимых потерь в обмотках.

Математические методы анализа сложны и не имеют аналитического решения. Можно использовать для анализа кривые Доуэлла , но и этот метод довольно утомителен и громоздок.

Рис. 6. Результаты расчета на симуляторе

Результаты расчета представлены на рисунке 6 . На нем показаны графики зависимости величины потерь от толщины фольги для первичной и вторичной обмоток трансформатора и для обмотки дросселя фильтра. Заметим, что графики для обмоток трансформатора имеют экстремумы типа минимум, а для обмотки дросселя - не имеют.

Для первичной обмотки трансформатора минимальные потери наблюдаются при толщине фольги 0,35 от глубины проникновения, что составляет около 0,2 мм. Поскольку токи вторичной обмотки содержатзначительную постоянную составляющую, для вторичной обмотки номинальная толщина фольги больше и равна примерно половине глубины проникновения на рабочей частоте 50 кГц.

Рис. 7. Окно трансформатора с обмоткой из фольги с толщиной, выбранной по результатам расчета

На рисунке 7 показано окно трансформатора с обмоткой из фольги с указанной выше толщиной. Как видно, заполнение окна меньше 20%. При малом заполнении окна возрастает индуктивность рассеяния. Для ее уменьшения можно усложнить намотку чередованием первичного и вторичного слоев. Однако в этом случае, во-первых, увеличится стоимость, во-вторых, возрастет проходная емкость. Можно также использовать метод намотки «сэндвич» .

Поскольку обмотка дросселя отличается от трансформаторной, т.к. в обмотке дросселя протекает в основном постоянный ток, можно увеличивать толщину фольги обмотки и свести к минимуму в ней потери. В данном случае толщина фольги была выбрана равной 0,7 мм, что составляет 3,4 толщины проникновения при частоте 100 кГц. В этом случае окно дросселя с сердечником RM12 заполняется полностью.

Конструкция дросселей довольно многообразна. Выбор типа дросселя зависит от приложения. Помимо очевидных параметров - индуктивность, максимальный ток, ток насыщения, необходимо учитывать еще и гармонический состав токов, т.к. потери в дросселе на переменном токе существенно превышают потери при постоянном токе.

Если дроссель необходим для цепи постоянного тока, где величина пульсации тока невелика, можно использовать дроссель с сердечником барабанного типа (drum core). Свое название он получил из-за внешнего сходства с соответствующим ударным инструментом. Низкопрофильный сердечник такого дросселя состоит из двух плоских дисков сверху и снизу и узкого стержня между ними. Особенность конструкции обеспечивает больший ток без насыщения сердечника, чем в тороидальном дросселе.

Рис. 8. Дроссель с сердечником барабанного типа

Однако, как видно из рисунка 8 , на котором показан сердечник с обмоткой, применение такого дросселя в цепи переменного или постоянного тока с большими пульсациями нежелательно, т. к. велики потери по переменному току из-за эффекта близости в многослойной обмотке.

Такие дроссели производят в настоящее время многие компании. Среди них - Ferroxcube, малоизвестная компания в России, которая производит миниатюрные сердечники барабанного типа высотой 0,8-3 мм и диаметром 3,5-8 мм из феррита нового типа ЗС92 . Максимальная частота, на которую рассчитан этот материал, достигает 400 кГц, индукция насыщения при 25°С составляет 0,47 Тл, а плотность мощности при 100°С, частоте 100 кГц и индукции 0,2 Тл достигает 350 кВт/м 3 .

Но основная «изюминка» этого феррита заключается в хороших температурных свойствах. При температуре 175°С индуктивность дросселя с таким сердечником уменьшится всего лишь вдвое, тогда как у традиционных ферритов MnZn она упадет до 10% от начальной. Преимущества ферритов ЗС92 над традиционными начинают проявляться при температуре около 120°С.

Рис. 9. Дроссели, испытывающиеся в эксперименте компании West Coast Magnetics

В настоящее время в преобразователях часто используется дроссель с плоской спиральной обмоткой из фольги (см. крайний правый дроссель на рис. 9 ). Подробно дроссель с такой обмоткой рассмотрен в . Там же проведен сравнительный расчет параметров дросселей со спиральной обмоткой из фольги и дросселя с традиционной обмоткой из фольги.

Из этого расчета следует, что при частоте 400 кГц соотношение между сопротивлением обмотки на переменном и постоянном токах для дросселя со спиральной обмоткой составляет R AC = 20,2R DC , а для дросселя с обычной обмоткой из фольги R AC =]0]R DC . При этом в первом случае величина сопротивления составила примерно 11,6 мОм, а во втором - превысила 62 мОм. Преимущество дросселя со спиральной обмоткой объясняется большим расстоянием между слоями. В приведенном выше примере оно было 4 мм, что примерно в 38 раз больше глубины проникновения при частоте 400 кГц. При этом эффект близости практически не проявляется, следовательно, и сопротивление обмотки на переменном токе уменьшается.

Преимущество дросселя со спиральной обмоткой подтверждается и в . В этой работе исследовались дроссели для корректора коэффициента мощности. Испытывались дроссели со спиральной обмоткой, с традиционной обмоткой из фольги и с обмоткой из провода. Минимальное сопротивление R DC = 2,92 мОм оказалось у дросселя со спиральной обмоткой, у двух других дросселей величина сопротивления составила 3,92 мОм. Во всех случаях обмотки состояли из 16 витков.

Интересный эксперимент провели в компании West Coast Magnetics . Инженеры этой компании провели сравнительные испытания дросселей четырех типов (см. рис. 9 ), предназначенных для преобразователей мощностью 1-100 кВт. Слева направо на этом рисунки расположены следующие устройства.

Дроссель на Ш-образном сердечнике с зазором из цинкового феррита с обмоткой из шести слоев медной фольги, изготовленной по фирменной технологии компании. Начальная магнитная проницаемость феррита составляет 2000. Площадь поперечного сечения обмотки дросселя составляет 31600 круговых мил (круговой мил равен площади круга диаметром 1 мил, или 5,07-10 -4 мм 2).
- Тороидальный дроссель из железо-никелевого сплава с малой магнитной проницаемостью и обмоткой из 13 витков провода 10 AWG.
- Тороидальный дроссель из желе-зоникелевого сплава с большим содержанием железа и бифилярной намоткой 10 витков провода 7 AWG.
- Покупные дроссели с плоской спиральной обмоткой. В эксперименте использовались два дросселя этого типа: с 22 витками и сечением обмотки 22600 круговых мил и с 12 витками с сечением обмотки 38200 круговых мил. Испытания проводились при токе
65 А, минимальная индуктивность дросселей при этом токе была не менее 10 мкГн. Схема испытания была довольно проста - резонансная LC-цепочка: параллельно дросселю подключались два последовательно соединенных конденсатора емкостью 0,1 Ф с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Результаты эксперимента показаны на рисунке 10 с графиками зависимости потерь в дросселе в зависимости от амплитуды пульсаций тока при частотах 100 и 250 кГц. На этом рисунке приняты следующие обозначения для графиков.

1 - дроссель на Ш-образном сердечнике;
2 - дроссель на тороидальном сердечнике с высоким содержанием железа;
3 - дроссель со спиральной обмоткой из 12 витков;
4 - дроссель на тороидальном сердечнике из железоникелевого сплава;
5 - дроссель со спиральной обмоткой из 22 витков.

Как видно из результатов эксперимента, наименьшие потери наблюдались в дросселе, изготовленном по фирменной технологии компании West Coast Magnetics. Неплохие результаты при небольшой амплитуде пульсаций и у дросселя со спиральной намоткой из 12 витков, однако при увеличении амплитуды пульсаций он начинает уступать дросселям на тороидальных сердечниках. Большие потери в дросселе со спиральной обмоткой из 22 витков объяснимы - при увеличении их числа уменьшилось расстояние между слоями и увеличилось влияние эффекта близости.

Заметим, что в двух из трех приведенных в статье примерах дроссель со спиральной намоткой выиграл у дросселя с традиционной намоткой из фольги. Однако в этих примерах сравнение проводилось по сопротивлению обмоток на переменном и постоянном токах, а в третьем примере речь шла о натурном эксперименте, в котором дроссели испытывались в рабочей схеме, т.е. помимо потерь в обмотке учитывались и потери в сердечнике. К тому же, в испытаниях принимали участие дроссели с разным числом витков, причем наименьшее их число было у дросселя West Coast Magnetics, что, скорее всего, во многом и предопределило его результаты.

На основании испытания дросселей от различных производителей еще нельзя делать вывод о преимуществе того или иного типа обмотки. Например, очень многообещающе выглядят последние разработки дросселей со спиральной обмоткой компании Coilcraft, которые не принимали участие в испытаниях.
И все же определенные выводы из этой статьи можно сделать.

Низкопрофильные дроссели с сердечником барабанного типа лучше применять в цепях постоянного тока с незначительной амплитудой пульсации.
- Дроссели с плоской спиральной обмоткой подходят для использования в цепях, где пульсации тока не превышают 5-10%.
- В цепях с большой амплитудой пульсации, например в резонансных преобразователях, желательно использовать дроссели с большой высотой сердечника, т.к. при этом уменьшается число слоев обмотки. Выигрыш в испытаниях компании West Coast Magnetics дросселя собственной конструкции во многом обусловлен самым малым числом слоев обмотки - шестью.
- Если используется сердечник с немагнитным зазором, то во избежание краевых эффектов, желательно удалить этот зазор подальше от проводников обмотки.