Трансформатор импульсов электроэнергии однополярного тока

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрометаллургии в качестве гальванической развязки в источниках питания высокочастотной дуги постоянного тока, используемой для плавления металлических порошков, электроэрозионной обработки поверхности и изготовления деталей сложной формы.

Известно, что трансформация импульсов электроэнергии однополярного тока затруднительна по причине насыщения рабочей индукции магнитопровода трансформатора в соответствии с кривой намагничивания для данного материала. При небольшой мощности (например, управляющие сигналы на базу/затвор силовых транзисторов) возможна передача энергии с помощью трансформатора без существенных потерь полезного сигнала по частной петле намагничивания вблизи области насыщения магнитопровода, при этом индукция изменяется в пределах от остаточной В_r до (в пределе) индукции насыщения B_s. Схематично частная петля намагничивания показана на фиг.1 заштрихованной областью. У самых лучших представителей класса ферромагнетиков остаточная индукция примерно равна половине индукции насыщения [Силовая электроника от простого к сложному / Семенов Б.Ю. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 419 с]. В таких условиях работы магнитопровод трансформатора работает наименее эффективно. Для однотактных преобразователей предложенные схемы трансформации однополярного тока сильно ограничивают регулировочные характеристики источников силового электропитания и требуют введения в схему дополнительных элементов для защиты силовых транзисторов от потенциального пробоя вследствие возникновения ЭДС самоиндукции. Поэтому необходима разработка простых способов снижения остаточной индукции в магнитопроводе силового трансформатора без значительного усложнения схем.

В процессе развития импульсной электротехники наиболее интересные технологические решения этой проблемы предлагались в цепях двуполярного тока, где явление насыщения рабочей индукции магнитопровода имеет туже природу и объясняется подмагничиванием сердечника силового трансформатора кратковременными постоянными токами, возникающими из-за асимметрии импульсов, вызванной рядом причин схемотехнического характера.

Введение обратной связи по потоку рассеяния или току намагничивания силового трансформатора реализовано в импульсном преобразователе напряжения [И.В. Фомин // Патент РФ №2035833 от 20.05.1995] и [Тупиков Н.Г. и др. // Патент РФ №2410829 от 27.01.2011] - аналог. В этом случае, при увеличении тока подмагничивания, коррекция длительности управляющих импульсов производится в каждом такте управления. Такое схемное решение связано со значительными сложностями измерения контролируемых параметров (потока рассеивания и тока подмагничивания). При значительной асимметрии импульсов, вызванной разбросом параметров силовых транзисторов, ошибок монтажа ВЧ дросселей и топологии печатных плат, рост тока через первичную обмотку трансформатора может происходить с большой скоростью, и тогда ограничение длительности импульсов не успевает скорректировать асимметрию, компаратор отключает силовой каскад, что приводит к нарушению нормального режима работы преобразователя. Таким образом, наличие значительной инерционности переходных процессов в цепях обратной связи может приводить к выходу из строя силовых ключей и аварийным ситуациям. Такой преобразователь никак не предусматривает снижение остаточной индукции, что ограничивает его применение в качестве источника питания высокочастотной дуги однополярного тока.

Включение разделительного конденсатора в первичную обмотку силового трансформатора приводит к симметрированию положения рабочей петли гистерезиса в резонансных схемах [Особенности работы высокочастотного силового трансформатора в схеме последовательного резонансного инвертора. / С. Земан, А. Осипов, О. Сандырев. - Силовая Электроника. - №1. - 2007] - аналог. В этом случае ток подмагничивания силового трансформатора полностью отсутствует за счет того, что среднее значение тока разделительного конденсатора в установившемся режиме равно нулю. Такое техническое решение наиболее эффективно в резонансных схемах, однако при ступенчатом скачке напряжения с определенной величиной асимметрии возникают низкочастотные колебания, приводящие к завышению рабочей индукции трансформатора и нарушению нормального режима работы преобразователя. Для устранения этих колебаний необходимо, чтобы длительность фронта скачка напряжения не превышала постоянную времени колебательного процесса, что вызывает определенные сложности при расчете разделительной емкости. Устройство никак не предусматривает снижение остаточной индукции, что ограничивает его применение в качестве источника питания высокочастотной дуги однополярного тока.

Устранение асимметричного режима работы трансформатора путем введения немагнитного зазора [Б. Гусев, Д. Овчинников / Мостовой преобразователь с удвоителем тока при подмагничивании сердечника трансформатора // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2005. Вып. 5.] - прототип - является эффективным техническим решением в борьбе с подмагничиванием магнитопровода и позволяет уменьшить смещение частного цикла петли намагничивания при воздействии значительных асимметрий. Размагничивающий эффект зазора, приводит к сдвигу петли гистерезиса и заметному снижению магнитной проницаемости магнитопровода при уменьшении остаточной индукции, в связи с этим значительно увеличивается полезный размах индукции. Малые величины зазора фактически не влияют на потери в магнитопроводе, однако оказывают необходимый размагничивающий эффект, исключающий быстрое насыщение магнитопровода при действии однополярного тока. Такое устройство магнитопровода трансформатора наиболее простое, однако снизить остаточную индукцию до нуля и полностью устранить ток подмагничивания не удается, вследствие чего приходится увеличивать запас рабочей индукции по отношению к индукции насыщения, которая должна включать постоянный уровень, обусловленный током подмагничивания. Для повышения устойчивости к воздействию тока подмагничивания необходимо увеличение немагнитного зазора магнитопровода, что не всегда возможно из-за возрастания потерь на перемагничивание и значительного роста тока намагничивания трансформатора. Устройство не пригодно для снижения остаточной индукции до нуля и трансформации импульсов электроэнергии однополярного тока.

Задачей настоящего изобретения является разработка трансформатора импульсов электроэнергии однополярного тока с нулевой остаточной индукцией магнитопровода для гальванической развязки в источниках питания высокочастотной дуги, используемой для плавления металлических порошков, электроэрозионной обработки поверхности и изготовления деталей сложной формы.

Технический результат достигается за счет использования вставки из неодимового магнита с аксиальным расположением полюсов, помещенной в зазор магнитопровода трансформатора толщиной 1 мм. На фиг. 1, 2 представлена схема трансформатора со вставкой из неодимового магнита. На фиг. 3 изображен трансформатор со вставкой из неодимового магнита. Цифрами обозначены: (1) - магнитопровод трансформатора; (2) - вставка из неодимового магнита; (3) - обмотки трансформатора. Вектор индукции неодимового магнита, расположенного в зазоре магнитопровода, ориентирован навстречу вектору индукции однополярного тока, протекающего в обмотках трансформатора, и служит для снижения остаточной индукции магнитопровода В_r до нуля и, как следствие, для увеличения КПД трансформатора. В качестве магнитопровода использовали феррит марки М2000НМ со следующими характеристиками: коэрцитивная сила Н_с=16 А/м; остаточная индукция В_r=0,14 Тл; индукция насыщения B_s=0,38 Тл [LTspice: компьютерное моделирование электронных схем. / Володин В.Я. - СПб. - БХВ-Петербург, 2010, - 400 с]. Работа трансформатора импульсов электроэнергии однополярного тока на частоте 60 кГц с различной скважностью импульсов S=1,1; S=2; S=10 напряжением 500 В и током от 0,5 до 1 А характеризуется следующими примерами.

Пример 1. Вставка из неодимового магнита предварительно намагничена до В1=0,15Тл. КПД трансформатора равен 82% при различной скважности импульсов S=1,1; S=2; S=10 и токах в диапазоне 0,5 - 1 А.

Пример 2. Вставка из неодимового магнита предварительно намагничена до В2=0,4 Тл. КПД трансформатора равен 92% при различной скважности импульсов S=1,1; S=2; S=10 и токах в диапазоне 0,5 - 1 А.

Пример 3. Вставка из неодимового магнита предварительно намагничена в поле соленоида без сердечника до Н=18А/м. КПД трансформатора равен 79% при различной скважности импульсов S=1,1; S=2; S=10 и токах в диапазоне 0,5 - 1 А.

Из приведенных примеров видно, что наиболее эффективным является случай, где вставка из неодимового магнита намагничена до величины индукции насыщения B_s феррита М200НМ - материла сердечника силового трансформатора.

Таким образом, предложенный трансформатор импульсов электроэнергии однополярного тока со вставкой из неодимового магнита с аксиальным расположением полюсов, помещенной в зазор магнитопровода трансформатора толщиной 1 мм может служить для гальванической развязки в источниках питания высокочастотной дуги, используемой для плавления металлических порошков, электроэрозионной обработки поверхности и изготовления деталей сложной формы.