- •6.Принцип действия и расчет параметров
- •6.1. Общие положения
- •6.2. Импульсный стабилизатор напряжения
- •Напряжения.
- •- Размах пульсаций,
- •6.3. Однотактный преобразователь напряжения
- •Порядок расчета
- •6.4. Однотактный преобразователь напряжения
- •Порядок расчета
- •- Размах пульсаций,
- •6.5. Двухтактный преобразователь напряжения со средней точкой трансформатора (дпн)
- •Порядок расчета
- •- Размах пульсаций,
- •7. Конструктивный расчет трансформатора
- •7.1. Расчет электрических параметров
- •7.2. Расчет потерь в высокочастотном
7.1. Расчет электрических параметров
и выбор сердечника трансформатора
Определение исходных данных для выбора трансформатора
1. Мощность нагрузки преобразователя:
( Вт)
где в вольтах; в амперах (заданы в варианте задания на проектирование).
2. Минимальное и максимальное амплитудное значение напряжения на первичной обмотке трансформатора МПН (или полуобмотке - для ДПН):
(В)
(В)
где Uкэнас напряжение коллектор-эмиттер силового транзистора в режиме насыщения
3.Минимальное амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора:
(В)
где падение напряжения на дросселе ;
сопротивление обмотки дросселя (из справочных данных), для ОПНО Rдр=0, ΔUдр=0.
падение напряжения на выпрямительных диодах и выходного выпрямителя.
Отметим, что влияние активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток силового трансформатора учтено соответствующим выбором числовых значений параметров в формулах.
4. Коэффициент трансформации (отношение числа витков его вторичной обмотки к числу витков первичной
=W2/W1
уточняет полученное раньше (при расчете параметров СК) значение коэффициента трансформации. Его следует округлить с учетом физической реализации трансформатора.
5. Уточняем максимальное амплитудное напряжение на вторичной обмотке трансформатора:
(В)
где максимальное амплитудное напряжение на первичной обмотке трансформатора.
6. Уточняем минимальное значение коэффициента заполнения импульсов напряжения на трансформаторе:
7. Эффективные значения напряжений на первичной и на вторичной обмотках трансформатора определим как:
; ;
8. Эффективные значения токов во вторичной и первичной обмотках трансформатора запишем:
, (А) , (А)
Следует подчеркнуть, что формулы справедливы при малой пульсации тока через дроссель фильтра (Lдр>>Lкр).
9. Теперь можно найти габаритную мощность трансформатора (формула соответствует трансформатору с одной первичной и одной вторичной обмотками):
, (Вт)
10. Рассчитаем параметр, характеризующий электромагнитную мощность трансформатора (в ). Это произведение площади активного поперечного сечения магнитопровода трансформатора (в ), заполняемого обмотками трансформатора и площади Sо (в см2) поперечного сечения окна магнитопровода:
(см4)
где диапазон изменения магнитной индукции в сердечнике трансформатора за время рабочего импульса , Тл; к частота работы преобразователя, кГц, j - плотность тока в обмотках А/мм2, ηтр - кпд трансформатора, kс - коэффициент заполнения стержня магнитопровода ферромагнитным материалом (для прессованных магнитопроводов kс=1), kм - коэффициент заполнения окна магнитопровода обмоточным материалом.
Анализ кривых перемагничивания различных марок ферритов показывает, что диапазон рабочей индукции следует выбирать с учётом изменения петли перемагничивания при повышенной температуре, а также других параметров, таких, как остаточная индукция , увеличение тока намагничивания при “заходе” в процессе работы на “колено” петли гистерезиса, разброс магнитной проницаемости. Исходя из этого при расчётах следует рекомендовать значения , приведённые в табл.7.
Таблица 7
Марка феррита |
Диапазон рабочей индукции , Тл, при |
|
Вт |
Вт |
|
М2000НМ1-А, М2000НМ1-Б, М2000НМ1-17 |
0,12 |
0,1 |
М3000НМ1-А |
0,16 |
0,14 |
М6000НМ-1 |
0,25 |
0,2 |
Плотность тока в обмотках трансформатора выбирается в зависимости от выходной мощности ППН:
КПД трансформатора на этом этапе примем:
для (Вт);
для (Вт);
для (Вт).
Таблица 8
Вт |
1….7 |
8-15 |
16…40 |
41…100 |
101-200 |
|
7…12 |
6…8 |
5…6 |
4…5 |
4…4,5 |
Коэффициент , учитывающий эффективное заполнение площади поперечного сечения сердечника магнитопровода ферромагнетиком, для ферритов равен 1.
Значения коэффициента , учитывающего степень заполнения окна сердечника медью обмоток, на этом этапе принимаем:
при ( Вт)
при (Вт).
Теперь имеются все численные значения величин, входящих в формулу , поэтому можно рассчитать параметр По этому параметру можно выбрать ближайший сердечник кольцевой формы из ряда магнитопроводов ([3], табл.П1.4 или табл.П11 Приложения).
Параметры сердечника:
d - внутренный диаметр, мм,
D - внешний диаметр, мм,
a - ширина сердечника, мм,
b - высота сердечника, мм,
lс - средняя длина магнитной силовой линии, см,
SстSо - произведение площади "стали" на площадь "окна" в см4,
Gст - масса магнитопровода в Г,
S0 - площадь "окна" в см2.
Расчет электрических параметров высокочастотного трансформатора
После выбора типа сердечника в нашем распоряжении оказываются следующие его параметры:
внешний диаметр , внутренний диаметр и высота выбранного сердечника трансформатора;
площадь активного поперечного сечения магнитопровода Sст = SстSо / Sо;
площадь окна магнитопровода .
11.1 Максимальная длительность импульса напряжения (в мкс) на обмотках трансформатора:
tu max= T·Kзмак, где Т=1/fк.
11.2. Число витков первичной W1 и вторичной W2 обмоток силового трансформатора :
( в ); W2=W1·n21
Число витков обмоток и округляем до большего целого числа.
11.3. Диаметр меди проводников (в мм):
для первичной обмотки
;
для вторичной обмотки
,
где и в амперах; в амперах на ; и число параллельных проводов в первичной и вторичной обмотках трансформатора (сначала полагаем NN1=NN2=1, затем это число можем увеличивать в процессе конструктивного расчета трансформатора). Зная диаметр провода, можем определить его расчетное сечение Sр1 и Sр2 (S=π D2/4).
11.4. Из справочных данных для обмоточных проводов (табл. П16 Приложения) и расчетным значениям сечения Sр1 и Sр2 выбираем провод, например типа ПЭТВ, ближайший по значению сечения. Находим площади поперечного сечения выбранных проводов ( ) с учётом изоляции и соответственно для первичной и вторичной обмоток по максимальному наружному диаметру из табл. П16.
11.5. Суммарная площадь поперечного сечения (в ), занимаемая в окне сердечника первичной и вторичной обмотками,
,
где площадь поперечного сечения, занимаемая первичной обмоткой;
площадь поперечного сечения, занимаемая вторичной обмоткой.
11.6. Теперь можно определить коэффициент заполнения окна сердечника обмотками:
,
где площадь сечения окна выбранного нами сердечника трансформатора.
Коэффициент должен находится в пределах Например, при =0,2 окно сердечника, характеризуемое внутренним диаметром d, заполнено обмоткой на 20%. Если коэффициент получился меньше 0,19 или больше 0,25, то, соответствующим образом изменяя плотность тока или число слоев NN, можно добиться необходимого значения. Если коэффициент всё-таки больше 0,25, то необходимо выбрать магнитопровод с большей величиной и повторить расчёт, начиная с пп. 11.1. … 11.6.
11.7. Длина провода (в м), необходимая для намотки первичной и вторичной обмоток:
где средняя длина витка при намотке (в см), определяется по выражениям:
где и размеры сердечников магнитопровода, мм.
11.8. Активное сопротивление постоянному току (в Ом) первичной и вторичной обмоток:
где Sр1 и Sр2 расчетные значения сечения намоточного провода, выбранные по табл.П16 в мм2, ρ - коэффициент, характеризующий электропроводность металла и обратный удельному сопротивлению материала проводки (34 м/Ом мм2 - для алюминия и 57 м/Ом мм2 - для меди [2]).
11.9. Найдём среднюю длину намоточного слоя (в мм):
где d внутренний диаметр сердечника; толщина изоляционного каркаса сердечника; примем мм; допустимый (остаточный) диаметр внутреннего отверстия катушки (трансформатора).
При намотке на станке для тороидальных трансформаторов мм, при намотке вручную мм.
Следует заметить, что внутренний диаметр либо указан точно в паспортных данных на моточный станок, либо определяется особенностями при ручной намотке трансформатора. Однако для конкретных расчётов можно принимать значения, указанные выше.
11.10.Число витков в одном слое каждой из обмоток равно (округляем до целого числа)
где коэффициент укладки обмотки; или диаметр провода с изоляцией (см. табл. П16).
Коэффициент укладки в зависимости от диаметра провода приведён ниже.
Таблица 9
|
0,08 0,31 |
0,31 0,5 |
0,5 … 2,1 |
|
0,8 … 0,75 |
0,75 … 0,7 |
0,65 … 0,6 |
11.11. Число слоёв обмоток , N2 с округлением до целого числа в большую сторону:
,
11.12. Толщина первичной обмотки трансформатора (в мм):
где толщина межслойной изоляции; её значение примем:
мм при напряжении на обмотке до 100 В,
мм при напряжении на обмотке больше 100 В.
11.13. Толщина вторичной обмотки (в мм):
где толщина межслойной изоляции при намотке вторичной обмотки: примем мм.
11.14. Теперь можно рассчитать внутреннюю толщину (в мм) всех обмоток:
где толщина изоляции сердечника по внутренней стороне трансформатора, мм;
толщина изоляционного материала для сердечника, 0,1мм.
11.15. Внешний диаметр трансформатора ( в мм):
где толщина наружной изоляции трансформатора; примем мм.
11.16. Действительный диаметр окна катушки трансформатора (проверочный параметр):