что такое сетевой дроссель
Зачем нужны сетевые дроссели в силовых преобразователях?
Зачем вообще нужны сетевые дроссели? Это — очень важный элемент силовой схемы мощного статического преобразователя, который служит буфером между питающей сетью и самим преобразователем. Сетевой дроссель выполняет несколько очень существенных функций: он повышает коэффициент мощности статического преобразователя в среднем на 30…35 %, не прибегая к сложным схемотехническим ухищрениям; подавляет высшие гармоники входного тока преобразователя, возникающие в неуправляемом выпрямителе; выравнивает линейные напряжения на входе преобразователя при некотором перекосе фаз
Рис. 2.4.6. Внешний вид некоторых типовых дросселей фирмы «Elhand»
питающего напряжения; подавляет быстрые изменения напряжения на входе преобразователя вследствие коммутационных воздействий стороннего оборудования на питающую сеть; снижает скорость нарастания токов короткого замыкания. Тот, кто мало-мальски сталкивался с силовой техникой, знает, что питающее сетевое напряжение под влиянием работы высокочастотных преобразователей, потребляющих ток от сети в импульсном режиме, подвержено искажениям. Сетевые дроссели призваны гасить эти помехи и снижают риск попадания гармоник в питающую сеть. Более того, если в качестве силовых ключей используются тиристоры, сетевые дроссели гарантированно обеспечивают защиту их от лавинного нарастания тока проводимости вплоть до момента переключения [37].
где 1 <— ток основной гармоники;
Мы уже говорили ранее, что любой статический преобразователь характеризуется определенным значением коэффициента мощности, связанным с его схемотехническим построением. За счет чего снижается коэффициент мощности? За счет появления реактивной составляющей потребляемой мощности и увеличения потребления полной мощности по сравнению с активной. В потребляемом от сети токе появляются, кроме основной, высшие гармоники — 5, 7, 11, 13, 17, 19. В соответствии с известным соотношением коэффициент мощности:
Нетрудно заметить, что чем больше действующие значения высших гармоник тока, тем меньше коэффициент мощности, и тем больше влияние статического преобразователя на питающую сеть. Однако здесь есть одно важное обстоятельство, которое нас выручает: реактивное сопротивление, присутствующее в питающей сети (это могут быть различные реактансы трансформаторов питающих подстанций), может существенно подавлять высшие гармоники. К сожалению, трансформаторных реактансов далеко не всегда хватает для эффективного подавления гармоник, поэтому приходится для преобразователей эти реактансы увеличивать, искусственно вводя сетевые дроссели.
Выбрать соответствующий дроссель фирмы «Elhand» для установки в разрабатываемый преобразователь достаточно просто. Главным условием выбора является соотношение индуктивности подводящих проводов (с учетом реактанса питающего генератора или трансформатора) Ls и собственно индуктивности сетевого дросселя Ld\
где UT — величина напряжения на силовом приборе в момент его коммутации, В;
diT/dt — крутизна нарастания тока проводимости силового прибора, А/с.
Оценить параметры UT и diT/dt в случае использования IGBT приборов несложно — эти данные можно получить из анализа величины выпрямленного питающего напряжения, а также скорости нарастания тока при переключении, который определяется характером нагрузки преобразователя (активная, индуктивная, комбинированная) и скорости коммутации IGBT приборов.
Значительно сложнее оценить значение Ls, так как заранее неизвестно, как будет питаться преобразователь, от какого источника, какой длины окажутся питающие проводники, какой будет их длина и конфигурация. Поэтому фирма «Elhand» рекомендует в любом случае устанавливать в разрабатываемый преобразователь сетевой дроссель, ориентируясь по величине тока, потребляемой от сети. С этой целью, для облегчения такого выбора, специалисты «Elhand» разработали типовой ряд трехфазных дросселей типа ED3N. Некоторые типономиналы из этого ряда приведены в табл. 2.4.1.
Основным проектировочным критерием здесь является допустимое падение напряжения на дросселе в нагруженном состоянии, которое не должно превышать нескольких процентов от номинального напряжения сети:
где UL — падение напряжения на дросселе;
Входные и выходные фильтры частотных преобразователей — сетевой и моторный дроссель
Ввиду нарастающего использования устройств, включающих в свои схемы тиристоры (генераторы сетевых гармоник), появляется довольно много возмущений в электросети. Из-за конструктивных особенностей параметры на выходе частотного преобразователя (ЧП) также имеют искривлённую форму со множеством помехо-создающих гармоник. Вносят свою лепту в «загрязнение» сети составляющие компоненты ЧП: ШИМ-инвертор и выпрямитель.
Каким образом это проявляется? Негативные последствия выражаются в виде теплового электрического пробоя изоляции обмоток электродвигателя, быстрого износа изоляционных материалов, повышения шумового уровня, электрической эрозии деталей машины. Помимо этого, частотные преобразователи способны стать источником помех в сети, оказывать отрицательное влияние на остальное электрооборудование. Для уменьшения отрицательного воздействия гармонических составляющих, генерируемых преобразователями частоты, используют всевозможные фильтры.
Фильтры, тормозные резисторы, автоматические выключатели
Широкий спектр используемых электрофильтров для ЧП включает в себя:
Схема подключения преобразователя частоты со всем этим хозяйством выглядит примерно так:
Что такое дроссель? Прежде чем ответить на вопрос, совершим краткий информационный экскурс в физику. Или пропустите 3 абзаца, если уже знаете.
Вокруг всякого проводника, по которому течет ток, наводится магнитное поле, обладающее энергией. Индуктивность – это свойство цепи, чтобы противостоять скорости течения электрического потока. Если прервать ток в сильно индуктивной цепи, образуется существенный скачок напряжения. Индуктивность в цепи считается, по сути, той инерцией, устойчивостью к изменению скорости течения потока.
Что означает индуктивность в катушке? Если обмотать катушку, расширится магнитное поле провода и многократно увеличится эффект. Кстати намоткой и перемоткой проволочных витков точно рассчитывается, какая сила противодействия будет вызвана. Это свойство и называется индуктивностью. Дроссель (он же ограничитель) в принципе и есть индуктор.
Таким образом, индуктивность катушки зависит от различных факторов, таких как тип сердечника(вокруг которого она намотана), количество витков, площадь и длина рулона. Реактивное сопротивление зависит от частоты приложенного напряжения и индуктивности.
Тормозные резисторы применяются для превращения электроэнергии в тепловую, т.е. рассеивания энергии вокруг. Повышение мощности рассеивания для преобразователя частоты достигается при параллельном подсоединении резисторов.
Автоматические выключатели– аппараты, служащие для защиты и отключения ЧП от сети.
Ассортимент фильтров и дросселей
Входные сетевые дроссели ACL для ЧП переменного тока. Ограничители обеспечивают надежную защиту устройств от скачков напряжения.
Ценные преимущества использования катушек индуктивности:
Входные ограничители INV служат для решения вопроса электромагнитной совместимости и экономии электроэнергии.
Выполняемые функции ограничителей:
Выходные катушки индуктивности FS (ферритовые кольца) –электрофильтры синфазных помех. Рекомендуются к использованию в совокупности с электрофильтрами EMC. Данные устройства представляют собой дифтрансформаторы с ферритовым сердечником, «обмотками» коего служат провода моторного кабеля. Электрофильтр уменьшает высокочастотные излучения, к примеру, когда используются неэкранированные кабели. Требуемое число колец прямо пропорционально размерам, рабочему напряжению ПЧ, длине кабеля.
Иногда требуется создать пакет из колец для исключения перенасыщения, об этом свидетельствует температура колец выше 70 °C (которая в нормальных условиях ниже). Провода необходимо использовать лишь с круглыми жилами.
Выходные электрофильтры dU/dt FLS относятся к разряду низкочастотных устройств, ослабляющих частоты выше заданной частоты среза. Являют собой Г-образную форму из дросселей и конденсаторов.
В основном применяются в:
Дроссели ДРТ для преобразователя частоты – ограничители, снижающие вероятность повреждения защищаемого электроустройства из-за импульсных перенапряжений. Последние могут вызваны такими причинами, как:
Синусные фильтры типа OSF— призваны обеспечивать защиту изоляционных обмоток двигателей от перепадов в сети. Дают возможность сглаживать ШИМ ЧП и получить качественную синусоиду. Используются в случае, когда длина провода превышает 50-100 м.
Структура механизма идентична конструкции электрофильтров dU/dt. Разница в том, что из дросселя и конденсаторов с большими номиналами образуется LC-фильтр. Размеры устройств достаточно велики, примерно равны габаритам самого преобразователя частоты.
Входные сетевые дроссели DCL в цепи постоянного тока предназначены для коррекции нестандартных форм волн, созданных конденсаторными фильтрами. Функции заключаются в сглаживании нежелательных гармоник и пульсаций в шинах постоянного тока при нарастающей мощности.
Выходные моторные дроссели OCL переменного тока–оптимальное решение для повышения ресурса приводов путем защиты от воздействия наивысших гармоникна выходе. Если расстояние 100-120 м до двигателя, то, скорее всего, понадобится моторный дроссель.
Заключение
Ассортимент фильтров довольно широкий. У каждого устройства свой рабочий диапазон сигнала в полосе подавления, при котором оно способно корректно функционировать. Стоит лишь отметить, что в этом кроется коварство данной техники. Выход за пределы заданного диапазона, исходя из технологии фильтра, порой приводит к ограничению, сложному искажению сигнала и прочим странным эффектам.
Надежный и простой в эксплуатации сетевой дроссель очень важен в силовой схеме мощного частотного преобразователя. Повышающий коэффициент мощности, он особенно рекомендуется в системе, где задействованы другие нелинейные элементы, создающие нежелательные помехи.
Введение
Задача современных приводных систем заключается в обеспечении процесса регулирования скорости вращения в широком диапазоне, а также возможности проведения более «плавного запуска» электромашины. На сегодняшний день самым простым решением данных задач является использование в качестве источника питания инвертора напряжения. Кроме явных преимуществ такого решения и растущей популярности его применения, необходимо также знать и те проблемы, которые могут возникнуть при использовании преобразователей частоты. Эти проблемы связаны с негативным влиянием инверторов на питающую сеть (высшие гармоники в токе питания – и, как следствие, рост потребляемой реактивной мощности) и на приводимый в движение двигатель (повышение уровня шума, дополнительные потери, ускорение процесса старения изоляции, эрозия подшипников).
Учитывая широкий спектр проблем, в статье рассматриваются только вопросы, связанные с одновременной работой инвертора и двигателя. Проблемы, а также паразитные явления, возникающие в таких системах, довольно часто недооцениваются. Данная статья позволит читателю оценить и осознать уровень существующих проблем.
На нижеприведенном рисунке показаны все защитные элементы, которые можно условно разделить на входные и выходные. Входные элементы служат для подавления негативного влияния выпрямителя, выходные элементы предназначены для борьбы с проблемами, создаваемыми ШИМ–инвертором. К входным элементам относятся сетевые дроссели и сглаживающие дроссели. К выходным: дроссели du/dt; моторные дроссели; синус-фильтры.
ВХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ
1. Сетевые дроссели
Сетевой дроссель является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты. Защищает сеть от высших гармоник 5, 7, 11 и т. д. (250Гц, 350 Гц, 550 Гц).
Преимущества применения сетевых дросселей типа ED3N:
Рис.2. Форма входного тока преобразователя частоты без дросселя и с сетевым дросселем ED3N.
2. Сглаживающие дроссели
Сглаживающий дроссель ED1W. Выполняет те же функции, что и сетевой дроссель, кроме защиты преобразователя частоты от импульсных всплесков напряжения в сети и от перекосов фаз питающего напряжения.
Преимущества применения сглаживающих дросселей типа ED1W:
Рис.3. Форма входного тока преобразователя частоты без дросселя и с дросселем ED1W.
ВЫХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗАЩИТЫ
Принцип действия большинства используемых на сегодняшний день преобразователей частоты основан на широтно-импульсной модуляции выходных импульсов напряжения (PWM – Pulse Width Modulation; ШИМ – широтно-импульсная модуляция). Получаемое таким образом напряжение имеет форму последовательности импульсов с очень коротким временем нарастания (высокая крутизна фронта), напряжение не является синусоидальным. Для инвертора это является положительным фактором, поскольку переключение в течение короткого промежутка времени позволяет поддерживать уровень, при котором потери в преобразователе сведены к минимуму. Однако, крутизна нарастания напряжения (du/dt) выходных импульсов, а также возрастающая частота переключения, используемая в инверторах, могут стать причиной возникновения паразитных явлений в кабеле двигателя и непосредственно в самом двигателе. Эти явления существенно влияют на сокращение долговечности двигателя и повышают вероятность аварии приводной системы в целом. Наиболее часто возникающие проблемы:
a) высокая скорость нарастания напряжения (du/dt) – при небольшом расстоянии между инвертором и двигателем, высокая крутизна нарастания выходного напряжения инвертора негативно воздействует на изоляцию кабеля и его обмотку. В современных преобразователях показатели крутизны достигают отметки 10 и даже 12 [кВ/мкс], в то время как в двигателях допустимая крутизна нарастания напряжения не должна превышать 1 [кВ/мкс].
b) перенапряжение на клеммах двигателя – является результатом возникающих волновых явлений, которые иногда называют «Эффектом длинной линии электропередачи», «Эффектом отраженной волны» или «Эффектом стоячей волны». При длине кабеля ок. 10 [м] уже наблюдаются признаки эффекта. Основная коварность этих следующих с высокой частотой импульсов перенапряжения заключается в том, что мотор «убивается» на протяжении длительного времени и часто выход из строя мотора не связывают с питанием его от ШИМ-инвертора. Мотор перематывают или устанавливают новый и все через некоторое время повторяется. Эквивалентную схему кабельной линии электропередачи можно представить в виде последовательного соединения паразитных емкостей и индуктивностей рассеивания кабельной линии:
a) схема приводной системы (инвертор – кабель – двигатель);
b) крутизна нарастания выходного напряжения инвертора;
c) перенапряжение на клеммах двигателя
Рис.4. Напряжение на обмотке двигателя без дросселя.
Рис.5. Одиночный импульс выходного напряжения инвертора (верхняя осциллограмма) и напряжение на зажимах мотора (нижняя осциллограмма). Без дросселей. Длина кабеля 211м, частота ШИМ 2 кГц, преобразователь частоты 0,75 кВт, асинхронный двигатель 0,75 кВт, 2820 об/мин
Рис.6. Напряжение на моторе (верхняя осциллограмма) и ток (нижняя осциллограмма). Без дросселей. Длина кабеля 211м, частота ШИМ 2 кГц, преобразователь частоты 0,75 кВт, асинхронный двигатель 0,75 кВт, 2820 об/мин
Даже при невысокой индуктивности последовательность импульсов напряжения высокой крутизны приводит к возникновению перенапряжения. С увеличением длины кабеля повышается его результирующая индуктивность, а усиливающиеся волновые явления и перенапряжение могут повредить изоляцию двигателя. Величина перенапряжения на обмотках двигателя может достигать величины более 1000В. В то время как допустимое значение перенапряжения для низковольтного двигателя общепромышленного назначения ограничено величиной 1000В; минимальное время нарастания напряжения 2 мкс.
c) дополнительные потери в двигателе и кабеле питания – высшие гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в кабеле питания, сердечнике двигателя и обмотке, особенно в «беличьей клетке» ротора. Это снижает КПД двигателя и приводной системы в целом. Дополнительные потери – это выделяемое тепло. Потери приводят к повышению температуры двигателя и кабеля, ускоряют процесс старения изоляции, значительно сокращая тем самым срок их службы. Надежность системы снижается.
d) экранный, подшипниковый ток и токи утечки на землю –dысокочастотные составляющие схемы замещения асинхронных двигателей и паразитные емкости кабеля питания относятся к тем параметрам, которые практически всегда остаются в стороне, т.е. не учитываются при сетевом питании. Значения этих емкостей находятся в пределах от нескольких до десятка с лишним [нФ] и для потребителей не имеют существенного значения. Проблема появляется только при питании двигателей от ШИМ-инверторов. При высокой частоте переключений результирующее реактивное сопротивление паразитных емкостей кабеля и двигателя уменьшается. Чем меньше значение результирующего реактивного сопротивления, тем большее количество тока проходит через паразитные емкости. Значения паразитного экранного, подшипникового тока и тока утечки на землю суммируются с соответствующей нагрузкой преобразователя (рис.1.a), что в критической ситуации (например, при применении длинных кабелей) может привести к необходимости изменения мощности инвертора и сечения кабеля питания.
e) эмиссия электромагнитных помех – выходной сигнал напряжения ШИМ- инвертора состоит из основной гармоники (Гц), полосы несущей частоты (кГц) и гармоник высшего порядка (МГц), возникающих вследствие быстрого переключения транзисторных ключей. Именно последний диапазон частот отвечает за эмиссию электромагнитных помех. Данные помехи расходятся равномерно во всех направлениях, а кабель двигателя вместе с ШИМ- инвертором является основным источником электромагнитных помех всей системы автоматики машины.
f) создание высокого уровня шума – кроме вышеперечисленных негативных результатов проявления высших гармоник в выходном напряжении инвертора, остается еще проблема шума. Гармоники с более высокой частотой приводят к возникновению свиста и «треска» двигателя, что влияет на комфорт обслуживания приводной системы.
Дроссели du/dt
Эффект действия дросселей du/dt типа ED3Du проявляется в защите изоляции обмоток двигателя от импульсов напряжения большой амплитуды с высокой скоростью нарастания обусловленных особенностью современных ШИМ–инверторов и эффектом «отраженной волны». Дроссели особо эффективны при небольшой длине моторного кабеля и низкой частоте ШИМ и являются тем необходимым минимумом, который должен обеспечить пользователь для надежной работы приводной системы.
Преимущества применения дросселей du/dt типа ED3dU:
Рис.7. Кривые напряжения перед и за дросселем du/dt типа ED3dU.
Рис.9. Напряжение на зажимах двигателя (верхняя осциллограмма) и ток двигателя (нижняя осциллограмма). Дроссель du/dt типа ED3dU-2,58/2,1 (2,58мГн, 2,1А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м
Моторные дроссели
Моторные дроссели в отличие от дросселей du/dt имеют более высокую индуктивность и поэтому могут работать при большой длине кабеля и большой частоте переключений. Это чаще всего применяемое и успешное устройство, которое защищает двигатель от негативного влияния ШИМ преобразователя частоты.
Преимущества применения моторных дросселей типа ED3S:
Рис.10. Кривые напряжения перед и за моторным дросселем.
Рис.11. Одиночные импульсы напряжения на выходе инвертора (верхняя осциллограмма) и двигателя (нижняя осциллограмма). Моторный дроссель типа ED3S-22,4/2,1 (22,4 мГн, 2,1А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 2кГц, длина кабеля 211м.
Рис.12. Напряжение (верхняя осциллограмма) и ток двигателя (нижняя осциллограмма). Моторный дроссель типа ED3S-22,4/2,1 (22,4мГн, 2,5А) на зажимах инвертора 0,75кВт, 400В, 50Гц; ШИМ 10кГц, длина кабеля 211м.
Синус-фильтры
Синус-фильтры преобразуют импульсное напряжение ШИМ-инвертора на синусоидальное напряжение, эффективно ограничивают негативное влияние преобразователя частоы на двигатель и кабель питания. Коэффициент искажения THDU выходного напряжения фильтров типа EF3LC меньше 5%, поэтому условия работы двигателей аналогичны тем, что и при сетевом питании. Ток и напряжение являются синусоидальными, а систему в целом отличает электромагнитная совместимость. Дополнительные потери в кабеле и двигателе, а также электромагнитные помехи сведены к минимуму, а систему в целом отличает электромагнитная совместимость. Чаще всего синусоидальные фильтры применяются при длинных кабельных соединениях (позволяя использовать при этом неэкранированный кабель, который намного дешевле) и в приводных системах во взрывоопасных помещениях (поскольку исключают риск возникновения перенапряжения на клеммах двигателя). Наличие фильтров необходимо также в случае параллельной работы сразу нескольких двигателей, приводимых в движение от одного инвертора, а также при модернизации приводных систем старого типа, в которых привод и двигатель не были приспособлены к работе с инвертором.
Преимущества применения синус-фильтров типа EF3LC:
Таким образом, главное назначение дросселя в электрической схеме — задержать на себе ток определенного частотного диапазона или накапливать энергию за определенный период времени в магнитном поле.
Если бы ток через катушку мог изменяться мгновенно, то на катушке при этом возникало бы бесконечное напряжение. Самоиндукция катушки при изменении тока сама формирует напряжение — ЭДС самоиндукции. Таким образом, дроссель задерживает ток.
Если необходимо подавить переменный компонент тока в цепи (а помехи или пульсации — это как раз пример переменной составляющей), то в такую цепь устанавливают дроссель — катушку индуктивности, обладающую для тока частоты помех значительным индуктивным сопротивлением. Пульсации в сети существенно снизятся, если на пути установлен дроссель. Таким же образом можно развязать или изолировать друг от друга сигналы различной частоты, действующие в цепи.
Итак, дроссель — катушка самоиндукции, применяемая в качестве большого индуктивного сопротивления для тех или иных переменных токов.
В том случае, если дроссель должен представлять большое индуктивное сопротивление токам низкой частоты, он должен обладать большой индуктивностью, и в этом случае он делается со стальным сердечником. Дроссель высокой частоты (представляющий большое сопротивление токам высокой частоты) делается обычно без сердечника.
Низкочастотный дроссель похож с виду на железный трансформатор, с тем лишь отличием, что обмотка на нем всего одна. Катушка навита на сердечник из трансформаторной стали, пластины которого изолированы между собой дабы снизить вихревые токи.
Такая катушка обладает высокой индуктивностью (более 1 Гн), она оказывает значительное противодействие любому изменению тока в электрической цепи, где она установлена: если ток резко стал убывать — катушка его поддерживает, если ток начал резко возрастать — катушка станет его ограничивать, не даст резко нарасти.
Дроссель с ферромагнитным сердечником имеет меньшие габариты, чем дроссель без сердечника той же индуктивности. Для работы на высоких частотах используют сердечники ферритовые или из магнитодиэлектрических составов, отличающихся малой собственной емкостью. Такие дроссели способны работать в довольно широком диапазоне частот.
Безвитковые дроссели предназначены для подавления высокочастотных помех в электрических цепях. Обычно они представляют собой ферритовый сердечник, выполненный в виде полого цилиндра (или кольца круглого сечения), через который проходит проводник.
Реактивное сопротивление такого дросселя на низких частотах (в том числе на промышленной частоте) мало, а на высоких частотах (0,1 МГц…2,5 ГГц) велико. Таким образом, если в кабеле возникает высокочастотная помеха, то такой дроссель ее подавляет с вносимым затуханием 10…15 дБ. Для создания магнитопроводов безвитковых дросселей применяют марганец-цинковые и никель-цинковые ферриты.
Дроссели переменного тока широко используются в качестве реактивных (индуктивных) сопротивлений, элементов LR- и LC-контуров, а также в выходных фильтрах преобразователей переменного тока. Такие дроссели изготавливают с индуктивностью от десятых долей микрогенри до сотен генри на токи от
1 мА до 10 А. Они имеют одну обмотку, расположенную на магнитопроводе из ферро- или ферримагнитного материала.
При проектировании дросселя переменного тока необходимо учитывать его следующие основные номинальные параметры: требуемую мощность (наиболее допустимое значение тока), частоту тока, добротность и массу.
Повысить добротность можно различными методами. С точками зрения изготовления магнитопроводов необходимо учитывать, что повысить добротность можно за счет:
выбора магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями;
увеличения площади поперечного сечения магнитопровода;
введения немагнитного зазора.
Сглаживающие дроссели – элементы преобразователей, предназначенные для уменьшения переменной составляющей напряжения или тока на входе или выходе преобразователя. Такие дроссели имеют одну обмотку, в токе которой (в отличие от дросселей переменного тока) присутствуют как переменная, так и постоянная составляющие. Обмотка дросселя включается последовательно с нагрузкой.
Дроссель должен иметь большую индуктивность (индуктивное сопротивление). На его обмотке происходит падение переменной составляющей напряжения, в то время как постоянная составляющая (за счет малого активного сопротивления обмотки) выделятся на нагрузке.
Составляющие тока создают в магнитопроводе дросселя постоянный магнитный поток (который играет роль подмагничивающего) и переменный поток, изменяющийся по синусоидальному закону. За счет постоянной составляющей тока магнитный поток (индукция) в магнитопроводе изменяется в соответствии с начальной кривой намагничивания, в то время как за счет переменной составляющей перемагничивание осуществляется по частным циклам при соответствующих значениях тока.
При увеличении тока переменная составляющая магнитного потока уменьшается (при постоянстве переменной составляющей тока), что приводит к уменьшению дифференциальной магнитной проницаемости и, следовательно, к уменьшению индуктивности дросселя. Физически уменьшение индуктивности с увеличением подмагничивающего тока связано с тем, что по мере увеличения этого тока магнитопровод дросселя все более и более насыщается.
Дроссели насыщения используются в качестве регулируемых индуктивных сопротивлений в цепях переменного тока. Такие дроссели имеют не менее двух обмоток, одна из которых (рабочая) включается в цепь переменного тока, а другая (управляющая) – в цепь постоянного тока. В принципе работы дросселей насыщения лежит использование нелинейности кривой В(Н) магнитопроводов при их намагничивании управляющим и рабочим токами.
Магнитопроводы таких дросселей не имеют немагнитного зазора. Основными особенностями дросселей насыщения (по сравнению со сглаживающими дросселями) являются значительно большее значение переменной составляющей магнитного потока в магнитопроводе и синусоидальный характер ее изменения.
Развитие радиоэлектронной аппаратуры предъявляет к дросселям различные требования, в частности требует уменьшения габаритов и снижения уровня электромагнитных помех в условиях высокой плотности монтажа компонентов. Для решения этой задачи были разработаны многослойные ферритовые чип-фильтры на основе поверхностного монтажа на печатной плате.
Такие устройства получают по тонкопленочной технологии. На подложку наносятся тонкие слои феррита (например, тайваньская компания «Chilisin Electronics» использует Ni–Zn-феррит), между которыми формируется структура полувитка катушки.
После нанесения слоев, количество которых может достигать нескольких сотен, производится спекание, при котором формируется объемная катушка с ферритовым магнитопроводом. Благодаря такой конструкции минимизируются поля рассеяния и соответственно практически исключается взаимное влияние элементов друг на друга, так как силовые линии в основном замыкаются внутри магнитопровода.
Многослойные ферритовые чип-фильтры: а – технология изготовления; б – внешний вид, соотнесенный со шкалой с шагом 1 мм
Многослойные ферритовые чип-фильтры используются для фильтрации высокочастотных помех в силовых и сигнальных цепях бытовой электроники, источников питания и др. Основными производителями чип-фильтров являются компании «Chilisin Electronics», «TDK Corporation» (Япония), «Murata Manufacturing Co., Ltd» (Япония), «Vishay Intertechnology» (США) и др.
Дроссели с магнитопроводом, изготовленным из магнитодиэлектрика на основе карбонильного железа применяются в радиоаппаратуре, работающей в диапазоне 0,5…100,0 МГц.
В дросселях могут использоваться магнитопроводы, изготовленные из всех известных магнитомягких материалов: электротехнических сталей, ферритов, магнитодиэлектриков, а также прецизионных, аморфных и нанокристаллических сплавов.
В отличие от дросселей в трансформаторах, магнитных усилителях и других подобных устройствах магнитопровод служит для концентрации магнитного потока при минимизации магнитных потерь. В этом случае основная функция, которую выполняет магнитопровод, практически исключает его изготовление из магнитодиэлектрика, который обладает малой относительной магнитной проницаемостью.
Широкая номенклатура ферритов различных марок, предназначенных для работы в аналогичных с магнитодиэлектриками диапазонах частот, сужает область применения магнитодиэлектриков для изготовления магнитопроводов электромагнитных устройств.
Итак, по назначению электрические дроссели подразделяются на:
Дроссели переменного тока, работающие во вторичных импульсных источниках питания. Катушка накапливает энергию первичного источника питания в своем магнитном поле, затем отдает ее в нагрузку. Обратноходовые преобразователи, бустеры — в них используются дроссели, причем иногда с несколькими обмотками, как у трансформаторов. Аналогичным образом работает магнитный балласт люминесцентной лампы, служащий для ее розжига и поддержания номинального тока.
Дроссели насыщения, применяемые в стабилизаторах напряжения, и феррорезонансных преобразователях (трансформатор частично превращается в дроссель), а также в магнитных усилителях, где сердечник подмагничивается с целью изменения индуктивного сопротивления цепи.
Сглаживающие дроссели, применяемые в фильтрах для устранения пульсаций выпрямленного тока. Источники питания со сглаживающими дросселями были очень популярны в период расцвета ламповых усилителей из-за отсутствия конденсаторов с очень большой емкостью. Для сглаживания пульсаций после выпрямителя должны были использоваться именно дроссели.
Выделяющееся на дросселе Др усиленное переменное напряжение подавалось на сетку следующей лампы через разделительный конденсатор С. Вследствие того, что индуктивное сопротивление дросселя растет с частотой, дроссельный усилитель не мог давать сколько-нибудь равномерного усиления в широкой полосе частот и применялся только в тех случаях, когда нужно усиливать сравнительно узкую полосу частот и большой равномерности усиления в этой полосе не требовалось.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: