Современные индуктивные элементы производства компании TRAFECO для силовой электроники создаются с использованием магнитных материалов с низкими потерями и с одновременным использованием технологии CoreECOTM, которая позволяет дополнительно уменьшить потери. В данной статье представлены эксплуатационные и конструктивные параметры сглаживающих, насыщающих и выравнивающих дросселей и дросселей, работающих в приложениях с высокочастотной переменной составляющей.
Сглаживающие дроссели
Результатом работы выпрямителя, в общем случае, является форма сигнала, представляющая собой сумму постоянной составляющей и переменных сигналов напряжения и тока. Пульсации в выпрямленном сигнале, вызванные наличием переменных составляющих в напряжении и токе, вызывают дополнительные потери и специфические технические проблемы. Использование индуктивных элементов на выходе выпрямителя ограничивает амплитуды переменных составляющих напряжения и тока, что дает эффект сглаживания пульсаций выходного сигнала. Ток в цепи выпрямителя часто имеет импульсную, прерывистую форму. Использование дросселя, накапливающего энергию, с достаточно большой индуктивностью позволяет восстановить непрерывность протекания тока. Эффективность индуктивного фильтра тем выше, чем выше частота переменных составляющих напряжения [1].
Сглаживающие индуктивные элементы бывают трех основных видов, которые существенно отличаются линейностью магнитной характеристики L(I). Полная магнитная линейность наблюдается в индуктивных элементах без сердечника типа AirECOTM. Это так называемые воздушные катушки, состоящие исключительно из медных или алюминиевых обмоток и конструктивных элементов. Катушки могут быть приспособлены для естественного или принудительного воздушного охлаждения.
Другая группа — дроссели с открытым сердечником, в которых магнитный поток дросселя частично закрыт окружающей средой и воздухом. Эти дроссели имеют характеристику, подверженную постепенному насыщению, где трудно определить конкретную точку насыщения или точку отчетливого преломления характеристики L(I). Риск опасного насыщения дросселя этого типа при перегрузке очень низок.
Наиболее часто применяются дроссели с закрытым сердечником с плащом или колонной.
Характеристики закрытых дросселей с магнитопроводом имеют тенденцию к резкому насыщению. Способ борьбы с этим явлением заключается в введении в магнитную цепь зазоров с большим сопротивлением. В стержнях сердечника дросселя изготавливаются от нескольких до десятков воздушных зазоров соответствующей ширины, расположенных как можно более равномерно по высоте стержня. Это позволяет контролировать и изменять форму магнитной характеристики дросселя и диапазон ее линейности. Результатом формирования характеристики является возможность проектирования дросселей, которые будут иметь требуемую индуктивность при заданной нагрузке. Это позволяет нам проектировать и изготавливать индуктивные элементы, которые будут переходить в состояние магнитного насыщения при соответствующем значении тока.
Конструкция и параметры дросселей импульсных контроллеров
Непосредственные преобразователи постоянного тока — выключатели и прерыватели (англ. «chopper») используются для регулирования среднего значения напряжения. Эффект регулирования напряжения достигается путем управления временем проводимости тиристора при постоянном периоде формы сигнала или путем изменения частоты переключений при постоянном времени проводимости. Такое регулирование используется, в частности, в приводах постоянного тока. Пульсации тока на выходе прерывателя уменьшаются с помощью индуктивного или индуктивно-емкостного фильтра. Такие системы работают на относительно высокой частоте переключения, что выгодно для привода, но значительно ухудшает условия работы индуктивных элементов в фильтре.
Дроссели, работающие в выходных фильтрах прерывателей постоянного тока, являются элементами, подверженными воздействию высокочастотной составляющей тока. Постоянная составляющая выходного тока вызывает подмагничивание сердечника, а высокочастотная составляющая переменного тока является основным источником потерь в сердечнике и обмотке дросселя. Потери в индуктивных компонентах очень сильно зависят от частоты переменной составляющей тока и от его амплитуды, определяемой в амперах межпикового значения (Ap-p). В обмотке дросселя, в которой течет ток с относительно
высокой частотой, возникает скин-эффект (англ. «Skin effect») и эффект близости (англ. «Proximity effect»). Эти явления часто определяют величину потерь в обмотке дросселя. Скин-эффект индуцирует протекание тока только в поверхностном слое проводов, и толщина проводящего слоя уменьшается с увеличением частоты. Скин-эффект можно уменьшить с помощью использования обмоток, сформированных в жгут параллельных изолированных проводов либо тонких пластин. Поперечное сечение отдельного провода либо толщина пластины в жгуте определяется в зависимости от глубины проникновения тока на поверхности провода. Глубина проникновения тока (1) зависит от частоты (f), магнитной проницаемости (μ, μO,μr) и проводимости (σ) проводника [4].
Потери в магнитном сердечнике дросселя состоят из основных гистерезисных потерь и потерь на вихревые токи, а также дополнительных потерь утечки, связанных с рассеиванием потока, возникающих в местах разрывов в сердечнике. Снижение потерь на вихревые токи путем пакетирования сердечника из тонких изолированных трансформаторных пластин или использования современных аморфных и нанокристаллических магнетиков с низкими потерями для дросселей недостаточно [Таблица 1]. В областях в зоне зазоров происходит изменение направления потока, что создает дополнительные потери на вихревые токи в материале сердечника, обмотке и в элементах конструкции.
Выравнивающие дроссели и дроссели насыщения
Силовые электронные параллельные системы сложных выпрямителей (например, 12-пульсных выпрямителей) предусматривают использование компенсирующих индуктивных элементов в местах соединения между выпрямителями. Назначение связанных дросселей — сбалансировать нагрузку между секциями выпрямителя. Аналогичную задачу выполняют выравнивающие дроссели, используемые в мощных тиристорных цепях, где тиристоры работают параллельно. Задача дросселя — поддержание равномерного прохождения тока в параллельно соединенных тиристорах. Из-за неравномерного распределения напряжения на тиристорах один из тиристоров переходит в состояние проводимости раньше. Это создает в дросселе электродвижущую силу, которая противодействует напряжению на этом тиристоре и одновременно увеличивает напряжение на другом тиристоре. Таким образом, связанный дроссель выравнивает распределение напряжения на тиристорах и приводит к равной токовой нагрузке.
Переход в состояние проводимости тиристоров происходит постепенно. Если ток проводимости тиристора возрастает слишком быстро, это может привести к тепловому повреждению. Причиной этой опасности является конечная скорость увеличения поверхности перехода, участвующего в проводимости. Использование дросселя насыщения позволяет ограничить скорость нарастания тока до значения, по крайней мере, равного скорости увеличения поверхности проводящего перехода. Характеристика дросселя формируется таким образом, что она становится насыщенной после введения задержки нарастания тока. Дроссель в этой схеме выполняет функцию защиты тиристора [3].
Технология производства сердечников CoreECOTM
Потери мощности в дросселях для силовой электроники сильно зависят от амплитуд и частот составляющих тока дросселя. Величина потерь мощности в дросселях также сильно определяется конструкцией сердечника и обмотки. Отсутствие непрерывности сердечника в дросселе является причиной возникновения рассеяния магнитного потока возле зазора. Этот поток вызывает дополнительные вихревые токи и гистерезисные потери в элементах конструкции дросселя и в его обмотке.
Диапазон воздействия рассеяния потока возле зазора зависит в основном от ширины воздушных зазоров, используемых в сердечнике [5]. В случае широких зазоров в сердечнике может возникнуть магнитное сжатие рассеяния потока с ферромагнитными структурами в непосредственной близости от дросселя. Такие индуктивные потери, возникающие в близлежащих ферромагнитных элементах, приведут к увеличению тока нагрузки дросселя.
Типичная конструкция дроссельного сердечника включает в себя введение нескольких воздушных зазоров в магнитную цепь. Сердечник обычно изготавливается из вырезанных элементов пластин трансформатора с малыми потерями с минимально возможной толщиной пластины в направлении потока. Это снижает гистерезисные потери и вихревые токи.
В случае дросселей для силовой электроники повышенной мощности, дросселей фильтров гармоник, где важным техническим параметром является линейность магнитных характеристик L(I), конструкция сердечника предполагает наличие широких воздушных зазоров, позволяющих формировать характеристики дросселя. Различные фрагменты материала магнитного сердечника работают в разных условиях. Это происходит из-за неравномерного распределения индукции в сердечнике и нарушенного направления потока. В сердечниках, изготовленных из анизотропных трансформаторных пластин, нам необходимо сформировать ход магнитного потока в направлении, параллельном направлению прокатки (наилучшие свойства пластины), что позволяет достичь наименьших гистерезисных потерь. Современные материалы с аморфной или нанокристаллической структурой, используемые в дросселях для силовой электроники (рис.3), в основном изотропны, и изменение направления потока не вызовет увеличения гистерезисных потерь. Нарушения направления потока в сердечнике, однако, сильно увеличивают потери на вихревые токи в сердечниках с намоткой из тонких аморфных лент или сердечниках, пакетированных из кристаллических пластин, независимо от толщины используемых пластин.
В областях рядом с зазорами наблюдается неблагоприятное искривление направления потока в сердечнике, который, проникая почти перпендикулярно в широкие пластины, создает интенсивные дополнительные потери на вихревые токи в материале сердечника.
Скачать PDF
M. Лукевский — Энергетическое оборудование 5/2018
