Power Electronics

Размах индукции в боковых кернах ограничен параметрами материала сердечника. Поэтому преимущества предложенной компоновки сомнительны. Уменьшение потерь в сердечнике будет восполнено (возможно с лихвой) увеличением потерь в более длинной обмотке.

О преимуществах спорно конечно .
Получил экспериментальные данные :
1. один типовой сердечник из двух Ш12Х20 3000НМС (от блока питания цветного телевизора ...-поколения). Одна из половинок (боковые керны) прошлифована . Собран без зазора. Пробная обмотка 45 витков на стандартном каркасе (подогнан по немного уменьшевшейся высоте окна). Измеренная индуктивность-2мГн.
2. Эта же пробная катушка , на обрезанном серрдечнике
Измеренная индуктивность-1.5мГн
3. Сердечник собран из 4-Х типовых Ш12Х20 обрезанных , и собранных по варианту в посте выше . Собран без зазора (2 половинки предварительно сошлифовывались). Пробная катушка (1)размотана и этим же проводом l=346см на гильзе 26Х23Х29 мм вновь намотана обмотка из теперь уже 33 витков.Измеренная индуктивность-2.2мГн
Вывод: отличий требующих учета (собственно об этом и был вопрос) при расчете трансформатора на сердечнике

от расчета трансформатора на двух типовых сердечниках по "приближенно-общим" методикам не выявлено.
Особо интересны мнения "несогласных"?

Nik
Во времена соцдифицита такой изголизм, типа "на выдумки хитра" даже приветствовался и был понятен. Что сейчас заставляет так поступать? Сечение переменное, зазоры (их много) неоднозначны - типовой расчет не применить. Если для создания своей методы расчета пороху нет, то только эксперимент. Воспроизводимость никакая. ИМХО.

_________________
Время - лучший эксперт. ОНО может блестеть так же, но золото дольше.

О создании своей методы речь не вел, типовая - получается , применима (об этом и испрашивал) . Повторяемость в пределах "типовой" также получается .Не нашел примеров, когда при введении зазоров для увеличения dB, тут же учитывается увеличение потерь (нагрев) вызванных увеличением dB.

Вариант "своей" методики или почему китайцы "литц" игнорируют:
1 . Вводим приближение - из-за скин-эффекта ток распределяется ТОЛЬКО по поверхности проводника (глубиной проникновения пренебрегаем - очень мала)
2. Сравниваем периметр одножильных проводников в "китайских" моточных с периметром жгутов самодельного "литца".
Вывод: Не научно однако, а полный тепловой расчет сложен и проверяется (уточняется) эксперементально.

Nik
В разделе "книги и журналы" есть книга: Р.Х. Бальян, В.П. Обрусник. Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств. http://valvolodin.narod.ru/books/Opt_trans.djvu

Там подробно и доступно описывается почему стандартные сердечники имеют именно такие размеры, на что влияет изменение геометрии, и даже методы оптимизации под конкретные применения (как раз ваш случай).
Потом поделитесь результатом - не подвела ли вас интуиция

Скачал. Начал знакомиться. Ниже рисунок из книги и цитата со ссылкой на него . Это только я не понимаю или сколько еще в книге таких "опечаток" (что же характеризует коэффициент Na)


Поэтому решил просто сравнить данные по температуре двух трансформаторов .
За основу взял http://valvolodin.narod.ru/articles/Test_fer.html
Полагаю : Сердечник работает с заходом в область насыщения - dB=max, поэтому при работе должен наблюдаться довольно значительный нагрев трансформатора (на практике -греется). Трансформатор на двух стандартных сердечниках еще не собрал , поэтому данных пока нет.
Ко всем: Такой вариант корректен?

скорее первое, чем второе.
тот коэфф показывает какая часть магнитопровода находится в катушке, а какая снаружи ее. и ошибки на картинке нет.

Было бы понятнее , если в тексте так написали изначально.

В самом деле, иногда в технической литературе содержатся опечатки, которые обычно достаточно легко вычисляются. Видимо к этому стоит относится с пониманием, а не с иронией. Что касается указанного фрагмента, то здесь вроде бы ясно написано, что Na это соотношение ширины внутренней части магнитопровода к ширине наружней.

Для сравнение температурных режимов различных сердечников необходимо обеспечить одинаковые условия охлаждения этих сердечников, что является достаточно проблемматичной задачей.
ИМХО проще учиться на опыте других, чем самостоятельно проходить путь начиная от Эдисона, Фарадея и др. до наших дней.

Согласен со всем этим.
В условиях естественного охлаждения , полагаю точность сравнения будет достаточной для любительской практики.

Статья Герасимова А.А. и Кастрова М.Ю.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
НАПРЯЖЕНИЯ

Собрал макет и затем набросал модельку http://flyfolder.ru/2202533 . Легкий шок: результаты моделирования соответствуют практическим измерениям с точностью на уровне погрешностей используемых приборов (например , измеренное тестером напряжение на конденсаторе фильтра -9.5В) . Конечно результаты предварительные, но трансформатор на двух комплектах Ш12Х20 (половинки подшлифованы для устранения зазора) 3000НМС от ИБП TV , обмотки намотаны одиночным проводом диаметром 1мм 36 витков в три слоя (мотались одновременно в два провода) достиг через 15 минут с момента запуска (температура в помещении 24 грдС, охлаждение естественное) температуры на поверхности сердечника около 80грдС , температура обмоток близка к 100грдС. И рост температуры продолжался.
Сравнение вариантов с различным сердечником еще не проводил , необходимо доработать макет .
Во время загрузки .asc прошло сообщение об атаке. Пока "вижу" только ошибку (в загруженном файле)- Lm=0.0927 (так должно быть)

Tom Napier
Исследование с помощью осциллографа кривых перемагничивания ферромагнитных сердечников.

Почему используют сердечники?
При аналогичных ампервитках, ферромагнитный сердечник позволяет получать в тысячи раз больший магнитный поток по сравнению с катушкой без сердечника. Индуктор с сердечником из порошкового железа или феррита имеют меньшие размеры и при этом могут запасать больше энергии. Для получения необходимой индуктивности можно мотать меньше витков, что уменьшает активное сопротивление катушки и увеличивает её добротность Q.
Однако сердечники имеют три основных недостатка.
Первый заключается в том, что материал сердечника обладает проводимостью из-за которой он выполняет роль вторичной обмотки, которая позлащает часть энергии подводимой к индуктору. Чаще сердечники делают из высоко резистивного магнитного материала наподобие феррита или из мелкодисперсного железного порошка в непроводящей матрице.
Второй заключается в том, что индуктивность катушки с сердечником зависит от тока, протекающего через обмотку. Индуктивность большая при малых токах, но резко снижается когда достигается ток насыщения.
Третий заключается в том, что сердечник остаётся намагниченными, даже когда ток обмотке снижается до нуля. Этот эффект известен как гистерезис. В первых компьютерах этот эффект использовали для запоминания битов информации. Первое время гистерезис использовали в DC-DC преобразователях для управления их частотой.

B-H Кривые
Насыщение и гистерезис можно изучать, просматривая B-H кривые сердечника на осциллографе. На этих графиках можно наблюдать зависимость между напряжённостью магнитного поля (H) приложенной к сердечнику и результирующей магнитной индукцией (B) в сердечнике.
В тороидальном сердечнике H=W*I/Lc, где W - количество витков, I - ток и Lc - средняя длина окружности тороида. Так как N и L неизменны, то H пропорциональна току.
В этом испытании ток индуктора линейно нарастает и убывает до нуля. Сигнал, пропорциональный этому току, подаётся на вход Х осциллографа. На вход Y необходимо подать сигнал пропорциональный магнитной индукции. Этот параметр не может быть измерен непосредственно.
В воздухе B пропорциональна H и график B-H линеен и имеет постоянный наклон. Коэффициент B/H называется относительной проницаемостью сердечника, которая может быть ниже пяти для некоторых порошковых сердечников и больше 5000 для ферритов.
Типовой магнитный материал имеет кривую перемагничивания показанную на рис.1. Из графика видно, что проницаемость сердечника падает в области больших токов.


Рис.1 В-Н кривые слегка насыщенного сердечника

Использование кривых
Во многих DC-DC конвертерах к индуктору прикладывается постоянное напряжение. В этом случае поначалу ток линейно нарастает некоторое время, накапливая энергию в индукторе. Когда ток достигнет уровня насыщения, индуктивность падает и темп нарастания тока увеличивается. Этот нарастающий ток накапливает мало дополнительной энергии в индукторе, но может повредить ключевой транзистор. В DC-DC конвертерах индукторы практически всегда работают ниже уровня насыщения. Таким образом, для разработки, необходимо знать этот уровень. Сердечники с низкими потерями имеют B-H график в котором участки положительного и отрицательного перемагничивания практически совпадают, т.е. петля гистерезиса имеет минимальную площадь.

Инструмент для снятия B-H зависимости
Для ясности я разделяю схему тестера на генератор пилообразного тока (рис.3) и анализатор сердечника (рис.4). Генератор пилообразного тока формирует равные положительные и отрицательные пики тока. Ток, с помощью переключателя SW1 может ступенчато изменяться с шагом 0.5А.


Рис.3 Генератор пилообразного тока (540Гц)

Шунт R18 служит для измерения текущего значения тока и обеспечивает горизонтальную развертку (Х) осциллографа. Так как ток изменяется с постоянной скоростью, то напряжение на индукторе пропорционально его индуктивности. Если индуктивность неизменна, то напряжение будет иметь прямоугольную форму, где положительное и отрицательное значения будут пропорциональны индуктивности и скорости изменения тока. Если проницаемость изменяется, то индуктивность и напряжение соответственно изменятся.
На вход (Y) осциллографа необходимо подать сигнал пропорциональный индукции в сердечнике. Этот сигнал получается с помощью интегратора, на вход которого подаётся напряжение индуктора. В интеграторе любое смещение на входе приведёт к беспредельному росту выходного напряжения. Когда к индуктору не приложено постоянное напряжение, на входе Y так же должен быть ноль. Это условие достигается подключением резистора величиной 1 мегом (R24) параллельно интегрирующему конденсатору. Это незначительно изменяет отображаемую кривую, но позволяет игнорировать постоянное смещение на выходе Y.


Рис.4 Анализатор сердечника, формирующий сигналы горизонтальной и вертикальной развёртки


Рис.5 Внешний вид тестера

Список

Пункт Описание
U1 +8 V regulator, 7808, JRC
U2 -8 V regulator, 7908, JRC
U3 Function generator, ICL8038,Harris
U4 Dual op-amp, TL082, TI
U5 Dual op-amp, TL082, TI
Q1 PNP transistor, 2N3906
Q2 NPN power transistor, MJE200,ON Semiconductor
Q3 NPN transistor, 2N3904
Q4 PNP power transistor, MJE210,ON Semiconductor
D1 1A rectifier, 1N4001
D2 1A rectifier, 1N4001
C1 Electrolytic capacitor,2,200 uF 16V
C2 Electrolytic capacitor,2,200 uF 16V
C3 Electrolytic capacitor, 470 uF 10V
C4 Electrolytic capacitor, 470 uF 10V
C5 Plastic capacitor, 0.047 uF 50V
C6 Ceramic capacitor, 1,000 pF 50V
C7 Ceramic capacitor, 0.1 uF 50V
C8 Ceramic capacitor, 0.1 uF 50V
C9 Plastic capacitor, 0.047 uF 50V
R1 1% resistor, 13.0K
R2 1% resistor, 13.0K
R3 1% resistor, 3.01K
R4 1% resistor, 3.01K
R5 1% resistor, 6.04K
R6 1% resistor, 18.2K
R7 1% resistor, 2.21K
R8 5% resistor, 39K
R9 5% resistor, 1K
R10 1% resistor, 200 ohm
R11 1% resistor, 200 ohm
R12 1% resistor, 51.1 ohm
R13 1% resistor, 51.1 ohm
R14 1% resistor, 1.0K
R15 1% resistor, 1.0K
R16 2% resistor, 2.2 ohm 0.5 W
R17 2% resistor, 2.2 ohm 0.5 W
R18 2% resistor, 1.0 ohm 0.5 W
R19 1% resistor, 10.0K
R20 1% resistor, 20.0K
R21 1% resistor, 20.0K
R22 1% resistor, 100K
R23 1% resistor, 100K
R24 1% resistor, 1.00 M
R25 1% resistor, 20.0K
VR1 Trimmer, 2K
VR2 Variable resistor, 5K
L Тестируемая индуктивность
SW1 Переключатель на шесть положений
J1 Coax connector to PSU
J2 BNC connector (X output)
J3 BNC connector (Y output)
9 VAC 800 mA wall-transformer

Какой вариант расчета считать правильным?