eng
Выпуск #4/2008
А.Юшков, М.Лукевски.
Силовые трансформаторы фирмы Elhand Transformatory
Силовые трансформаторы фирмы Elhand Transformatory
Просмотры: 2794
Появление транзистора в 50-х годах прошлого столетия положило начало быстрому развитию силовой электроники. Традиционные источники питания заменялись более эффективными импульсными источниками со значительно меньшими массогабаритными показателями. Современные полупроводниковые ключи позволяют создавать преобразователи, работающие на все более высоких частотах. Постоянно совершенствуемые магнитные материалы обеспечивают разработку трансформаторов и индуктивных элементов с оптимальными параметрами. Ведущим европейским производителем силовых компонентов, предназначенных для работы на высоких частотах, является компания Elhand Transformatory (Польша), которая как частное предприятие существует на рынке с 1981 года. Марка изделий компании хорошо известна в мире и ассоциируется с их высоким качеством. Компания производит сухие трансформаторы, силовые дроссели и блоки питания для систем энергетики, средств управления, автоматики и сортировки, медицинской аппаратуры. Изделия компании можно найти в оборудовании железнодорожного транспорта, кораблестроительной, авиационной, горнодобывающей, сталеплавильной и химической отраслей промышленности. Рассмотрим трансформаторы для преобразовательных схем, выпускаемых данной польской фирмой.
Трансформаторы для импульсных источников питания
В импульсном источнике питания постоянного тока с преобразователем типа push-pull (рис.1) первичное напряжение питания подается на транзисторный мост инвертора. Попеременно переключаемая, чаще всего на большой частоте, пара транзисторов подает напряжение прямоугольной формы на трансформатор – преобразующий элемент, согласующий значения выпрямляемого напряжения и тока. Значение напряжения, подаваемого на трансформатор, задается продолжительностью включения транзисторов. Сглаживание выходного напряжения обеспечивает индуктивный или индуктивно-емкостной фильтр, включенный на выходе диодного моста. Преобразователи типа push-pull предназначены для питания приемников большой мощности [1].
Трансформатор с нанокристаллическим сердечником
Трансформаторы, работающие в импульсных цепях, подвержены воздействию различных факторов, вызывающих дополнительные потери. На основе конфигурации схемы преобразователя (например, полномостовой) и оптимальной рабочей частоты системы можно подобрать магнитный материал сердечника трансформатора. При расчете обмотки трансформатора следует учитывать вероятность роста потерь вследствие возникновения скин-эффекта – увеличения сопротивления обмотки с увеличением частоты тока. Существенное влияние на работу трансформатора оказывают также потери на гистерезис сердечника и потери, вызываемые возникающими в сердечнике вихревыми токами. Для их ограничения сердечники современных трансформаторов выполняются из магнетиков с низкими потерями. К таким магнетикам относится нанокристаллический материал торговой марки Vitroprem 500F, предназначенный для применения в электронных силовых системах. Получают этот материал методом контролируемой термообработки аморфного сплава железа. У Vitroprem 500F узкая петля магнитного гистерезиса (рис.2) и большое электрическое сопротивление, благодаря чему удается эффективно ограничить вихревые токи и обеспечить оптимальные значения частоты, плотности магнитного потока и коэффициента формы напряжения, питающего трансформатор [2]. Внешний вид тороидального сердечника на основе сплава Vitroprem 500F приведен на рис.3.
Нанокристаллический сплав Vitroprem 500F имеет следующие характеристики:
Толщина ленты………………………………...............................~25 мкм
Индукция насыщения…………………………...........................1,2 T
Коэрцитивная сила (статическая)…………….......................<3 A/м
Коэффициент магнитной проницаемости……..................10 000–150 000
Удельное электрическое сопротивление……....................115 мкОм·см
Частота, f0……………………………………….............................100 кГц
Магнитострикция насыщения…………….............................10-8–10-6
Отклонения индуктивности, ∆B0…………….........................0,6 T
Коэффициент формы, F0………………………........................1,11 (синус)
Потери в сердечнике
при f0 = 100 кГц, B = 0,3 T…………………....................Pfe = 80 Вт/кг
при F0, ∆B0, f0……………………………….........................110 Вт/кг
Температура Кюри……………………………............................600°C
Допустимая температура
в непрерывном режиме работы…………….................120°С
при кратковременной перегрузке………….................180°C
Чтобы обеспечить правильную работу трансформатора, необходимо определить значения оптимальной индуктивности сердечника ∆Bopt и оптимальной плотности тока обмоток Sopt. Для выбранного материала сердечника эти параметры рассчитываются после того, как уже определены предпочтительные для заданных условий работы значения массы mfe, термического сопротивления Rth и потери мощности Po. На этом этапе устанавливаются также значения частоты и формы напряжения питания – f, F. Значение ∆Bopt рассчитывается по формуле:
[...]
.
При расчете обмоток следует предварительно установить значения тока Icu и сопротивления ρcu материала, из которого они будут выполнены. Важным параметром также является площадь сечения обмотки Acu, подобранная так, чтобы при оптимальной плотности тока температура обмоток не превышала допустимого значения ∆T:
[...]
Зная значение оптимальной индукции сердечника и плотность тока обмоток, можно определить значение преобразуемой мощности Pmax при частоте напряжения питания f:
Pmax=k·f·Afe·Acu·∆Bopt·Copt, где k – коэффициент мощности преобразователя, который зависит от его вида. Для полномостовой схемы преобразователя типа push-pull коэффициент мощности , где τm=0,5·τmax·(1+UE,min/ UE,max) – пульсации преобразователя.
Число витков первичной обмотки Np подбирают так, чтобы при напряжении питания UE магнитная индукция сердечника не превышала значение оптимальной индукции ∆Bopt. Число витков вторичной обмотки NS зависит от значения постоянного напряжения на выходе UA [3]. Таким образом, Np=(τmax· UE,min)/(f·Afe·∆Bopt) и Ns=(UA·Np)/(τmax· UE,min). После определения параметров обмоток следует выполнить контрольный расчет и проверить соответствие размеров обмоток отверстию сердечника с учетом изолирующих материалов.
Однофазные и трехфазные силовые трансформаторы компании Elhand Transformatory
Одно- и трехфазные силовые трансформаторы, соответственно, типа ET1S и ET3S, поставляемые компанией Elhand Transformatory (рис.4, 5), отвечают требованиям стандарта МЭК IEC60726. Они предназначены для питания энергоемкого электрооборудования. Частота составляет 50/60 Гц, напряжение первичной и вторичной обмоток – до 1000 В. При мощности до 10 кВА класс изоляции трансформаторов – Е (максимальная температура "горячей точки" 120°С), при мощности свыше 10 кВА – F (155°С) или H (180°С). Класс защищенности – IP00.
По требованию заказчика трансформаторы могут быть собраны в корпусы со степенями защиты IP 23, IP 44 и IP 54 и с возможностью вывода питающих кабелей через дроссельные катушки. Число выводов со стороны первичной и вторичной обмоток соответствует требованиям заказчика. В стандартном исполнении трансформаторы приспособлены к монтажу на четыре винта с помощью крепежных уголков и имеют порошковое лаковое покрытие цвета RAL 7032.
Размеры трансформаторов ET1S и ET3S приведены на рис.6 и в табл.1 и 2.
Дополнительную информацию можно получить на сайтах http://www.argussoft.ru и http://www.elhand.com
Литература
1. http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de Dr Ing. Heinz Schmidt-Walter, Switched Mode Power Supplies.
2. www.vacuumschmelze.de Nanocrystalline VITROPERM/EMC components.
3. www.vacuumschmelze.de Tape-wound cores in power transformers for switched mode power supplies.
В импульсном источнике питания постоянного тока с преобразователем типа push-pull (рис.1) первичное напряжение питания подается на транзисторный мост инвертора. Попеременно переключаемая, чаще всего на большой частоте, пара транзисторов подает напряжение прямоугольной формы на трансформатор – преобразующий элемент, согласующий значения выпрямляемого напряжения и тока. Значение напряжения, подаваемого на трансформатор, задается продолжительностью включения транзисторов. Сглаживание выходного напряжения обеспечивает индуктивный или индуктивно-емкостной фильтр, включенный на выходе диодного моста. Преобразователи типа push-pull предназначены для питания приемников большой мощности [1].
Трансформатор с нанокристаллическим сердечником
Трансформаторы, работающие в импульсных цепях, подвержены воздействию различных факторов, вызывающих дополнительные потери. На основе конфигурации схемы преобразователя (например, полномостовой) и оптимальной рабочей частоты системы можно подобрать магнитный материал сердечника трансформатора. При расчете обмотки трансформатора следует учитывать вероятность роста потерь вследствие возникновения скин-эффекта – увеличения сопротивления обмотки с увеличением частоты тока. Существенное влияние на работу трансформатора оказывают также потери на гистерезис сердечника и потери, вызываемые возникающими в сердечнике вихревыми токами. Для их ограничения сердечники современных трансформаторов выполняются из магнетиков с низкими потерями. К таким магнетикам относится нанокристаллический материал торговой марки Vitroprem 500F, предназначенный для применения в электронных силовых системах. Получают этот материал методом контролируемой термообработки аморфного сплава железа. У Vitroprem 500F узкая петля магнитного гистерезиса (рис.2) и большое электрическое сопротивление, благодаря чему удается эффективно ограничить вихревые токи и обеспечить оптимальные значения частоты, плотности магнитного потока и коэффициента формы напряжения, питающего трансформатор [2]. Внешний вид тороидального сердечника на основе сплава Vitroprem 500F приведен на рис.3.
Нанокристаллический сплав Vitroprem 500F имеет следующие характеристики:
Толщина ленты………………………………...............................~25 мкм
Индукция насыщения…………………………...........................1,2 T
Коэрцитивная сила (статическая)…………….......................<3 A/м
Коэффициент магнитной проницаемости……..................10 000–150 000
Удельное электрическое сопротивление……....................115 мкОм·см
Частота, f0……………………………………….............................100 кГц
Магнитострикция насыщения…………….............................10-8–10-6
Отклонения индуктивности, ∆B0…………….........................0,6 T
Коэффициент формы, F0………………………........................1,11 (синус)
Потери в сердечнике
при f0 = 100 кГц, B = 0,3 T…………………....................Pfe = 80 Вт/кг
при F0, ∆B0, f0……………………………….........................110 Вт/кг
Температура Кюри……………………………............................600°C
Допустимая температура
в непрерывном режиме работы…………….................120°С
при кратковременной перегрузке………….................180°C
Чтобы обеспечить правильную работу трансформатора, необходимо определить значения оптимальной индуктивности сердечника ∆Bopt и оптимальной плотности тока обмоток Sopt. Для выбранного материала сердечника эти параметры рассчитываются после того, как уже определены предпочтительные для заданных условий работы значения массы mfe, термического сопротивления Rth и потери мощности Po. На этом этапе устанавливаются также значения частоты и формы напряжения питания – f, F. Значение ∆Bopt рассчитывается по формуле:
[...]
.
При расчете обмоток следует предварительно установить значения тока Icu и сопротивления ρcu материала, из которого они будут выполнены. Важным параметром также является площадь сечения обмотки Acu, подобранная так, чтобы при оптимальной плотности тока температура обмоток не превышала допустимого значения ∆T:
[...]
Зная значение оптимальной индукции сердечника и плотность тока обмоток, можно определить значение преобразуемой мощности Pmax при частоте напряжения питания f:
Pmax=k·f·Afe·Acu·∆Bopt·Copt, где k – коэффициент мощности преобразователя, который зависит от его вида. Для полномостовой схемы преобразователя типа push-pull коэффициент мощности , где τm=0,5·τmax·(1+UE,min/ UE,max) – пульсации преобразователя.
Число витков первичной обмотки Np подбирают так, чтобы при напряжении питания UE магнитная индукция сердечника не превышала значение оптимальной индукции ∆Bopt. Число витков вторичной обмотки NS зависит от значения постоянного напряжения на выходе UA [3]. Таким образом, Np=(τmax· UE,min)/(f·Afe·∆Bopt) и Ns=(UA·Np)/(τmax· UE,min). После определения параметров обмоток следует выполнить контрольный расчет и проверить соответствие размеров обмоток отверстию сердечника с учетом изолирующих материалов.
Однофазные и трехфазные силовые трансформаторы компании Elhand Transformatory
Одно- и трехфазные силовые трансформаторы, соответственно, типа ET1S и ET3S, поставляемые компанией Elhand Transformatory (рис.4, 5), отвечают требованиям стандарта МЭК IEC60726. Они предназначены для питания энергоемкого электрооборудования. Частота составляет 50/60 Гц, напряжение первичной и вторичной обмоток – до 1000 В. При мощности до 10 кВА класс изоляции трансформаторов – Е (максимальная температура "горячей точки" 120°С), при мощности свыше 10 кВА – F (155°С) или H (180°С). Класс защищенности – IP00.
По требованию заказчика трансформаторы могут быть собраны в корпусы со степенями защиты IP 23, IP 44 и IP 54 и с возможностью вывода питающих кабелей через дроссельные катушки. Число выводов со стороны первичной и вторичной обмоток соответствует требованиям заказчика. В стандартном исполнении трансформаторы приспособлены к монтажу на четыре винта с помощью крепежных уголков и имеют порошковое лаковое покрытие цвета RAL 7032.
Размеры трансформаторов ET1S и ET3S приведены на рис.6 и в табл.1 и 2.
Дополнительную информацию можно получить на сайтах http://www.argussoft.ru и http://www.elhand.com
Литература
1. http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de Dr Ing. Heinz Schmidt-Walter, Switched Mode Power Supplies.
2. www.vacuumschmelze.de Nanocrystalline VITROPERM/EMC components.
3. www.vacuumschmelze.de Tape-wound cores in power transformers for switched mode power supplies.
Отзывы читателей
