Актуальность.

В связи с повсеместным распространением преобразовательной  техники в автоматизированном электроприводе и электроэнергетике, требуется уметь грамотно делать расчет и проектирование некомплектных индуктивных элементов (дросселей). На кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» разрабатываются стенды по изучению активных выпрямителей для машины двойного питания и тиристорного преобразователя для электропривода постоянного тока. Последний особенно актуален в Донецком регионе, поскольку имеется огромное количество электроприводов вышедших из строя и требующих замены системы регулирования координат электропривода и системы импульсно-фазового управления.

В работе приведены примеры расчета и разработки подобных некомплектных элементов. Они базируются на методиках [1] и [5].

Хорошими примерами работ по расчету и проектированию дросселей являются статьи и книги В.Я. Володина, в которых автор показывает относительно простую методику расчета и проектирования дросселей [1].

В статье Ю. Черкашина приведен расчет дросселя при произвольных формах тока [5], на основании относительной магнитной проводимости.

Цель работы. Произвести расчет и проектирование силовых дросселей для активного выпрямителя напряжения и тиристорного преобразователя постоянного напряжения в выпрямительной цепи, а также провести экспериментальную проверку параметров спроектированных элементов.

Результаты работы. Исходные данные проектированию представлены в табл.1.

Таблица 1. Заданные значения параметры дросселей

Для задачи №1 был взят магнитопровод броневой конструкции, типа ШЛ, марка стали 3411 с толщиной пластины 0.35 мм.

Рисунок 1 –Броневой магнитопровод типа ШЛ для трехфазного дросселя

Габаритные размеры магнитопровода: а=2см, b=2.5см, с=2 см, h=5см. Длина средней магнитной линии l_c=16.8 см (рисунок 1).

Для задачи №2 был взят П – образный магнитопровод из листовой холоднокатаной электротехнической стали марки 3414 (Э330А). Его схема с обозначением габаритных размеров приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – ПЛ сердечник для сглаживающего дросселя на постоянный ток

Сущность и общая методика проектирования.

На основании известных данных (габаритные размеры магнитопровода и свойства электротехнической стали) производится последовательный расчет, который начинается с определения количества витков дросселя. По методу В. Я. Володина количество витков и немагнитный зазор сердечника магнитопровода определяется ориентировочно, затем рассчитывается приблизительное значение индуктивности и в зависимости от ее значения корректируются количество витков и немагнитный зазор для попадания в заданные пределы необходимой индуктивности. Для второго метода характерно более точное определение количества витков и немагнитного зазора.

Производится расчет габаритных показателей сердечника:

Примерная габаритная мощность p, ВА:

Расчет начинается с определения конструктивных и электромагнитных параметров. Все они, кроме коэффициента заполнения стали К_с, могут корректироваться в рамках поставленной задачи. Коэффициент заполнения K_с, который равен отношению сечения стали сердечника к общему сечению (в последнее входит изолирующий лак) берется из справочной литературы и для каждого типа сердечника и типа стали он свой, как правило в пределах 0.9-0.97.

Отношение площади чистого проводника в окне сердечника к общей площади окна выражается коэффициентом Ко. Важную роль играет в трансформаторах, где количество витков значительно больше из-за наличия двух обмоток и определяет их габаритную мощность, а в случае с дросселем служит коэффициентом ограничивающим количество витков. Для уменьшения влияния эффекта вытеснения тока нужно производить намотку дросселя из литцендрата (задача 1), что дополнительно уменьшит , поэтому на начальном этапе стоит принять Ko меньше рекомендованного. При подборе параметров так же можно пользоваться рекомендациями из справочной литературы [3]. Значение максимальной индукции Bm принимается исходя из работы на линейном участке кривой намагничивания, а плотность тока J принимается по условиям ограничения падения напряжения на активном сопротивлении или ограничения нагрева и т.д.

Определяется количество вмещаемых витков по формуле:

Если индуктивность оказалась значительно больше заданной (более, чем в 3 раза), необходимо уменьшить количество витков, а если меньше (менее, чем в 3 раза), то увеличить.

Теоретический немагнитный зазор:                           

Определяется индуктивность:        

Если индуктивность оказалась больше требуемого значения, для ее уменьшения увеличиваем магнитный зазор на величину отношения имеющейся индуктивности и заданной, наоборот – уменьшаем:

,

где L_р – рассчитанная индуктивность;

      L_т – требуемая индуктивность;

      δ_р – рассчитанный зазор.

Далее производится пересчет индуктивности по формуле выше.

Для расчета дросселя методом на основе относительной магнитной проницаемости используется кривая намагничивания выбранной марки стали для определения магнитной проницаемости (рис. 3) [2].

Рисунок 3 – Кривые намагничивания некоторых марок стали

Определяется относительная магнитная проницаемость в точке, где кривая сохраняет приблизительно линейный вид:

где B – магнитная индукция в выбранной точке, Тл;

      Н – напряженность магнитного поля в той же точке, А/м;

      µ₀ – магнитная постоянная, равная  Гн/м.

Производится расчет индуктивности:

На основе параметров полученных при расчете необходимо изготовить и испытать экспериментально дроссель.

Для определения индуктивности необходимо получить два параметра дросселя: активное и реактивное сопротивление. Для определения активного сопротивления дроссель подключается к изменяемому постоянному напряжению (см. рисунок 4), чтобы в дальнейшем получить его ВАХ, для каждой точки, которой необходимо рассчитать сопротивление проводника. После расчета полученные значения усредняются, а полученное среднее значение принимается за активное сопротивление дросселя.

Рисунок 4 – Схема для снятия ВАХ проводника дросселя и расчета активного сопротивления

Формула для получения сопротивления:

где  U_L(AC) – напряжение на дросселе, В;

        I_L(AC) – ток через дроссель, А.

Для получения реактивного сопротивления также необходимо насколько точек для снятия ВАХ, но уже с переменным током и напряжением. Для этого дроссель включается в сеть переменного тока с переменной нагрузкой (см. рисунок 5), с помощью которой изменяют потребляемый ток и измеряют сопротивление на дросселе. Далее, по такому же принципу как для активного сопротивления считают сопротивление полное, которое затем усредняют.

Рисунок 5 – Схема экспериментальной проверки дросселя

Полное сопротивление:

Результаты эксперимента и расчета  для разрабатываемых дросселей сведены в таблицы 1.1, 1.2, 2.

Таблица 1.1 – Расчетные данные

Таблица 1.2 – Расчетные данные

Таблица 2 – Экспериментальные данные

Выводы

В данной работе был произведен расчет и проектирование некомплектных дросселей. На основе полученных результатов были изготовлены дроссели и проведены их экспериментальные проверки на соответствие заданным параметрам.

Список использованной литературы

1. Володин, В.Я. Расчёт дросселя // Электронный ресурс. – Режим доступа: https://www.ferrite.com.ua/user_files/File/literature/literature24.pdf
2. Карпов, Е.В. Параметры некоторых типов электротехнических сталей // Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.next-tube.com/articles/core/core.pdf
3. С.Г. Бунин, Л.П. Яйленко. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. К.:Технiка, 1984 год, стр.203–204.
4. Компел. Расчёт дросселей // Электронный ресурс. – Режим доступа:https://www.compel.ru/lib/ne/2015/1/5-silovyie-drosseli-i-sinfaznyie-filtryi-dlya-poverhnostnogo-montazha-obyat-neobyatnoe
5. Ю. Черкашин. Расчет дросселей с магнитопроводом при произвольной форме тока // Электронный ресурс. – Режим доступа: https://www.power-e.ru/pdf/2008_3_20.pdf