Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2

в 17:09, , рубрики: ИБП, ИИП, импульсный трансформатор, Производство и разработка электроники, метки:

Пролог

И все таки меня пригласили! Теперь дело со статьями пойдет более оперативно. Темой следующей части изначально я хотел сделать схемотехнику какого нибудь блока, а чего ждать? Но тут вспомнил свою школьную молодость и саму великую проблему с которой сталкивался — как изготовить неведомое для меня на тот момент зверя устройство — импульсный трансформатор. Прошло десять лет и я понимаю, что у многих (и не только начинающих) радиолюбителей, электронщиков и студентов возникают такие трудности — они попросту их боятся, а как следствие стараются избегать мощных импульсных источников питания (далее ИИП).
После этих размышлений я пришел к выводу, что первая тема должна быть именно про трансформатор и ни о чем другом! Хотелось бы еще оговориться: что я подразумеваю под понятием «мощный ИИП» — это мощности от 1 кВт и выше или в случае любителей хотя бы 500 Вт.

Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 1
Рисунок 1 — Вот такой трансформатор на 2 кВт для Н-моста у нас получится в итоге

Великая битва или какой материал выбрать?

Когда-то внедрив в свой арсенал импульсную технику думал, что трансформаторы можно делать только на доступном всем феррите. Собрав первые конструкции первым делом решил выставить их на суд более опытных товарище и очень часто слышал такую фразу: «Ваш феррит гавно не самый лучший материал для импульсника». Сразу я решил узнать у них какую же альтернативу можно ему противоспоставить и мне сказали — альсифер или как его еще называют синдаст.

Чем же он так хорош и действительно ли лучше феррита?


Для начала надо определиться что должен уметь почти идеальный материал для трансформатора:
1) должен быть магнитомягким, то есть легко намагничиваться и размагничиваться
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 2
Рисунок 2 — Гистерезисные циклы ферромагнетиков: 1) жесткий цикл, 2) мягкий цикл

2) материал должен обладать как можно большей индукцией насыщения, что позволит либо уменьшить габариты сердечника, либо при их сохранение повысить мощность

Насыщение

Явление насыщения трансформатора состоит в том, что, несмотря на увеличение тока в обмотке, магнитный поток в сердечнике, достигнув некоторой максимальной величины, далее практически не изменяется.
В трансформаторе режим насыщения приводит к тому, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную частично прекращается. Нормальная работа трансформатора возможна лишь тогда, когда магнитный поток в его сердечнике изменяется пропорционально изменению тока в первичной обмотке. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы сердечник не был в состоянии насыщения, а это возможно лишь тогда, когда его объём и сечение не меньше вполне определённой величины. Следовательно, чем больше мощность трансформатора, тем большим должен быть его сердечник.

3) материал должен иметь как можно меньшие потери на перемагничивание и токи Фуко

4) свойства материала не должны сильно изменяться при внешнем воздействии: механические усилия (сжатие или растяжение), изменение температуры и влажности.

Теперь рассмотрим свойства феррита и насколько он соответствует предъявленным выше требованиям.


Феррит — является полупроводником, а значит обладает собственным высоким электрическим сопротивлением. Это означает, что на высоких частотах потери на вихревые токи (токи Фуко) будут достаточно низкими. Получается как минимум одно условия из списка выше у нас уже выполнено. Идем дальше…
Ферриты бывают термостабильными и не стабильными, но этот параметр не является определяющим для ИИП. Важно то, что ферриты работают стабильно в температурном диапазоне от -60 и до +100 оС и это у самый простых и дешевых марок.
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 3
Рисунок 3 — Кривая намагничивания на частоте 20 кГц при разных температурах

И наконец-то самый главный пункт — на графике выше мы увидели параметр, который будет определять практически все — индукция насыщения. Для феррита она обычно принимается 0,39 Тл. Стоит запомнить, что при разных условиях — этот параметр будет меняться. Он зависит как от частоты, так и от температуры работы и от других параметров, но особый акцент стоит сделать на первых двух.

Вывод: феррит ништяк! отлично подходит для наших задач.

Несколько слов об альсифере и чем он отличается


1) альсифер работает в чуть большем широком спектре температур: от -60 и до +120 оС — подходит? Еще лучше чем феррит!
2) коэффициент потерь на гистерезис у альсиферов постоянный лишь в слабых полях (при малой мощности), в мощном поле они растут и очень сильно — это очень серьезный минус, особенно на мощностях более 2 кВт, так что тут проигрывает.
3) индукция насыщения до 1,2 Тл!, в 4 раза больше чем у феррита! — главный параметр и так обгоняет, но не все так просто… Конечно это достоинство никуда не уйдет, но пункт 2 ослабляет его и очень сильно — определенно плюс.

Вывод: альсифер лучше чем феррит, в этом дядьке мне не соврали.

Результат битвы: любой прочитав описание выше скажет альсифер нам подавай! И правильно… но попробуйте найти сердечник из альсифера и чтобы с габаритной мощностью 10 кВт? Тут обычно человек приходит в тупик, оказывается их и нету особо в продаже, а если и есть, то на заказ напрямую у производителя и цена вас испугает.
Получается используем феррит, тем более если оценивать в целом, то он проигрывает очень незначительно… феррит оценивается относительно альсифера в «8 из 10 попугаев».

Хотел я обратиться к своему любимому матану, но решил этого не делать, т.к. +10 000 знаков к статье считаю избыточным. Могу лишь посоветовать книгу с очень хорошими расчетами авторства Б. Семенова «Силовая электроника: от простому к сложному». Смысла пересказывать его выкладки с некими добавлениями смысла не вижу


И так приступаем к выполнению расчета и изготовлению трансформатора

Первым делом хочется сразу вспомнить очень серьезный момент — зазор в сердечнике. Он может «убить» всю мощность или добавить еще так на 30-40%. Хочу напомнить, что делаем мы трансформатор для Н-моста, а он относится к — прямоходовым преобразователям (forward по-буржуйский). Это значит, что зазор в идеале должен быть 0 мм.
Как-то раз, обучаясь курсе на 2-3 решил собрать сварочный инвертор, обратился к топологии инверторов Kemppi. Там я увидел в трансформаторах зазор 0,15 мм. Стало интересно для чего же он. Подходить к преподавателям не стал, а взял и позвонил в российское представительство Kemppi! А что терять? На моей удивление меня соединили с инженером-схемотехником и он рассказал мне несколько теоретических моментов, которые позволили мне «выползти» за потолок в 1 кВт.
Если в кратцезазор в 0,1-0,2 мм просто необходим! Это увеличивает скорость размагничивания сердечника, что позволяет прокачать через трансформатор большую мощность. Максимальный эффект от такого финта ушами зазора достиг в топологии «косой мост», там введение зазор 0,15 мм дает прирост 100%! В нашем Н-мосту эта прибавка скромнее, но 40-60% думаю тоже не дурно.

Для изготовления трансформатора нам понадобится вот такой набор:

а) Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 4
Рисунок 4 — Ферритовый сердечник Е70/33/32 из материала 3С90 (чуть лучший аналог N87)

б) Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 5
Рисукок 5 — Каркас для сердечника Е70/33/32 (тот что больше) и дроссель D46 из распыленного железа

Габаритная мощность такого трансформатора составляет 7,2 кВт. Такой запас нам нужен для обеспечения пусковых токов в 6-7 раз больше номинальных (600% по ТЗ). Такие пусковые токи правда бывают лишь у асинхронных двигателей, но учесть необходимо все!
Неожиданно «всплыл» некий дроссель, он понадобится в нашей дальнейшей схеме (аж 5 штук) и поэтому решил показать как и его наматывать.

Далее необходимо посчитать параметры намотки. Я использую программу от известного в определенных кругах товарища Starichok51. Человек с огромными знаниями и всегда готовый учить и помогать, за что ему спасибо — в своей время помог встать на путь истинный. Называется программа — ExcellentIT 8.1.

Привожу пример расчета на 2 кВт:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 6
Рисунок 6 — Расчет импульсного трансформатора по мостовой схеме на 2 кВт повышающий

Как производить расчет:

1) Выделено красным. Это вводные параметры, которые обычно выставляются по умолчанию:
а) максимальная индукция. Помните для феррита она 0,39 Тл, но у нас трансформатор работает на достаточно высокой частоте, поэтому программа выставляет 0,186 сама. Это индукция насыщения в саааамых плохих условиях, включая нагрев до 125 градусов
б) частота преобразования, она задается нами и чем она определяется на схеме будет в следующих статьях. Частота эта должна быть от 20 до 120 кГц. Если меньше — мы будет слышать работу транса и свист, если выше, то наши ключи (транзисторы) будут иметь большие динамические потери. А IGBT ключи даже дорогие работают до 150 кГц
в) коэф. заполнения окна — важный параметр, ибо место на каркасе и сердечнике ограничено, не стоит его делать больше 0,35 иначе обмотки не влезут
г) плотность тока — этот параметр может быть до 10 А/мм2. Это максимальный ток, который может протекать через проводник. Оптимальное значение 5-6 А/мм2 — в условиях жесткой эксплуатации: плохое охлаждение, постоянная работа на предельной нагрузке и прочее. 8-10 А/мм2 — можно ставить если у вас устройство идеально вентилируется и стоит over 9000 несколько куллеров.
д) питание на входе. Т.к. мы рассчитываем трансформатор для DC->DC 48В в 400В, то ставим входное напряжение как в расчете. Откуда цифра взялась. В разряженном состоянии аккумулятор отдает 10.5В, дальше разряжать — снижать срок службы, умножаем на количество батарей (4 шт) и получаем 42В. Возьмем с запасом 40В. 48В берется из произведения 12В * 4 шт. 58В берется из соображения, что в заряженном состоянии батарея имеет напряжение 14,2-14,4В и по аналогии умножаем на 4.

2) Выделено синим.
а) ставим 400В, т.к. это запас для обратной связи по напряжению и для нарезки синуса необходимо минимум 342В
б) номинальный ток. Выбираем из соображения 2400 Вт / 220(230) В = 12А. Как видите везде я беру запас не менее 20%. Так поступает любой уважающий себя производитель качественной техники. В СССР такой запас был эталонный 25% даже для самых сложных условий. Почему 220(230)В — это напряжение на выходе уже чистого синуса.
в) минимальный ток. Выбирается из реальных условий, этот параметр влияет на размер выходного дросселя, поэтому чем больше минимальный ток, тем меньше дроссель, а значит и дешевле устройство. Я опять же выбрал худший вариант 1А, это ток на 2-3 лампочки или 3-4 роутеров.
г) падение на диодах. Т.к. у нас на выходе будут диоды быстродействующие (ultra-fast), то падение на них 0.6В в худших условиях (превышена температура).
д) диаметр провода. У меня некогда купленная катушка меди 20 кг на такой случай и как раз с диаметром 1 мм. Тут ставим тот, который у вас есть. Только более 1,18 мм ставить не советую, т.к. начнет сказываться скин-эффект

Скин-эффект

Скин-эффект — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.
Если говорить не как гугл, а моим колхозным языком, то если взять проводник большого сечения, то он не будет использоваться полностью, т.к. токи на большей частоте протекают по поверхности, а центр проводника будет «пустой»

3) Выделено зеленым. Тут все просто — топология у нас планируется «полный мост» и выбираем ее.

4) Выделено оранжевым. Происходит процесс выбора сердечника, все интуитивно понятно. Большое количество стандартных сердечников уже есть в библиотеки, как и наш, но если что можно и добавить путем ввода габаритов.

5) Выделено фиолетовым. Выходные параметры с расчетами. Отдельным окном выделил коэф. заполнения окна, помните — не более 0,35, а лучше не более 0,3. Так же даны все необходимые значения: количество витков для первичной и вторичной обмотки, количество проводов ранее заданного диаметра в «косе» для намотки.
Так же даны параметры для дальнейшего расчета выходного дросселя: индуктивность и пульсации напряжения.

Теперь необходимо рассчитать выходной дроссель. Нужен он чтобы сгладить пульсации, а так же чтобы создать «равномерный» ток. Расчет проводится в программе того же автора и называется она DrosselRing 5.0. Расчет для нашего трансформатора приведу:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 7
Рисунок 7 — Расчет выходного дросселя для повышающего DC-DC преобразователя

В данном расчете все проще и понятнее, работает по тому же принципу, выходные данные: количество витков и количество проводов в косе.

Стадии изготовления

Теперь у нас есть все данные для изготовления трансформатора и дросселя.
Главное правило намотки импульсного трансформатора — все без исключения обмотки должны быть намотаны в одну сторону!

Стадия 1:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 8
Рисунок 8 — Процесс намотки вторичной (высоковольтной) обмотки

Мотаем на каркас необходимое число витков в 2 провода диаметром 1 мм. Запоминаем направление намотки, а лучше отмечаем маркером на каркасе.

Стадия 2:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 9
Рисунок 9 — Изолируем вторичную обмотку

Изолируем вторичную обмотку фторопластовой лентой толщиной 1 мм, такая изоляция выдерживает не менее 1000 В. Так же дополнительно пропитываем лаком, это еще +600В к изоляции. Если нету фторопластовой ленты, то изолируем обычным сантехническим фумом в 4-6 слоев. Это тот же фторопласт, только 150-200 мкм толщиной.

Стадия 3:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 10
Рисунок 10 — Начинаем мотать первичную обмотку, распаиваем провода на каркас
Намотку проводим в одну сторону со вторичной обмоткой!

Стадия 4:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 11
Рисунок 11 — Выводим хвост первичной обмотки

Доматывает обмотку, изолируем ее так же фторопластовой лентой. Желательно еще и пропитать лаком.

Стадия 5:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 12
Рисунок 12 — Пропитываем лаком и распаиваем «хвост». Намотка обмоток окончена
Стадия 6:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 13
Рисунок 13 — Завершаем намотку и изоляцию трансформатора киперной лентой с окончательной пропиткой в лаке

Киперная лента

Киперная лента — хлопчатобумажная (реже шёлковая или полушелковая) тесьма из киперной ткани шириной от 8 до 50 мм, саржевого или диагонального переплетения; суровая, отбельная или гладкокрашеная. Материал ленты отличается высокой плотностью за счет переплетения, он толще, чем у своего ближайшего аналога — миткалевой ленты — из-за использования более толстых нитей.
Спасибо википедии.

Стадия 7:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 14
Рисунок 14 — Так выглядит законченный вариант трансформатора

Зазор 0,15 мм устанавливается в процессе склеивания, путем вкладывания между половинками сердечника подходящей пленки. Лучший вариант — пленка для печати. Сердечник склеивается клеем моментом (хорошим) или эпоксидной смолой. 1-й вариант на века, 2-й позволяет в случае чего разобрать трансформатор без повреждений, например, если понадобится домотать еще обмотку или добавить витков.


Намотка дросселя

Теперь по аналогии необходимо намотать дроссель, конечно мотать на тороидальном сердечнике сложнее, но такой вариант будет компактнее. Все данные у нас имеются из программы, материал сердечника распыленное железо или пермаллой. Индукция насыщения у данного материала 0,55 Тл.

Стадия 1:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 15
Рисунок 15 — Обматываем кольцо фторопластовой лентой

Эта операция позволяет избежать случая с пробоем обмотки на сердечник, это бывает редко, но мы же за качество и делаем для себя!

Стадия 2:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 16
Рисунок 16 — Наматываем нужное количество витков и изолируем

В данном случае количество витков не уместится в один слой намотки, поэтому необходимо после намотки первого слоя произолировать и намотать второй слой с последующей изоляцией.

Стадия 3:
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор. Часть 2 - 17
Рисунок 17 — Изолируем после второго слоя и пропитываем лаком

Эпилог

Надеюсь моя статья научит вас процессу расчету и изготовлению импульсного трансформатора, а так же даст вам некоторые теоретические понятия о его работе и материалах из которого он изготавливается. Постарался не нагружать данную часть излишней теорией, все на минимуму и сосредоточиться исключительно на практических моментах. И самое главное на ключевых особенностях, которые влияют на работоспособность, таких как зазор, направления намотки и прочее.
Продолжение следует...

Автор: R4ABI

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля