Конструкция выходного индуктора инвертора 50/60 Гц

Я собираюсь сделать полуобученное предположение о подходящем ферритовом материале (и форме сердечника), чтобы посмотреть, что из этого получится. Я понятия не имею, наткнусь ли я на сердечник, подходящий для требований OP, но процесс будет одинаковым, будь то ферритовый, железный или порошковый сердечник. Я выбираю ферритовый вариант, потому что знаю, что потери на частоте переключения ШИМ будут лучше, и я делал это раньше на аналогичных работах.

Конструкция выходной катушки индуктивности зависит от нескольких вещей, и для себя я хотел бы установить, какова частота переключения ШИМ, поэтому сейчас я собираюсь предположить, что она составляет 50 кГц - эта частота должна быть намного выше, чем форма волны 50 Гц. вы пытаетесь реконструировать, потому что выходной фильтр катушки индуктивности должен выполнять две задачи:

• Удалите остатки ШИМ 50 кГц, оставив плавную форму волны 50 Гц.
• Не ослаблять частоту сети 50 Гц

Оба противоположны - вам нужны большие значения индуктивности, чтобы избавиться от ШИМ, но вы хотите, чтобы меньшие значения индуктивности оставляли форму волны переменного тока свободной для прохождения через нее. Частота среза фильтра нижних частот должна быть так же далека от 50 Гц, как и от 50 кГц, и это можно определить:

$F_C = \sqrt{50\times 50,000} = 1581Hz$

Затем принимается решение о значениях фильтров L и C. Что здесь приходит на ум, так это то, что вы не хотите, чтобы C был настолько большим, чтобы через индуктор проходил значительный дополнительный ток частотой 50 Гц из-за того, что конденсатор потребляет большие реактивные токи. Насколько большим может быть C? Я собираюсь сделать дикий удар в темноте и сказать 10 мкФ - это импеданс на частоте 50 Гц 318 Ом, и это означает, что реактивный ток будет около 786 мА на синусоидальном сигнале 250 В RMS.

По сравнению с 20 А, которые требуются нагрузке, это довольно мало, поэтому, возможно, емкость можно увеличить до 30 мкФ. На данный момент это своего рода компромисс - я знаю, что слишком большой реактивный ток добавляется к реальному току нагрузки и заставляет сердечник дросселя насыщаться раньше. Это вызывает проблемы с рассеиванием тепла и может в экстремальных ситуациях привести к тому, что резонансная частота LC поднимется до частоты ШИМ и приведет к значительному потреблению тока и потенциально массивным пикам формы сигнала. Помните, что LC также действует как последовательная LC-цепь с обратным проводом, и при резонансе это будет выглядеть как короткое замыкание с чрезвычайно высокими пиками частоты ШИМ на конденсаторе.

Теперь мы можем рассчитать индуктивность, используя перестановку:

$F_C = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$

${F_C}^2 = \dfrac{1}{4\pi^2 LC}\therefore L=\dfrac{1}{4\pi^2\cdot {F_C}^2\cdot C}$= 337$\mu H$

Далее идет выбор материала сердечника, и я собираюсь рассмотреть для него ферритовый материал (при условии, что его можно сделать с использованием ферритов).

Ясно, что 337 мкГн не является проблемой для ферритов, но ток насыщения может быть проблемой. Преобладающий ток насыщения находится на частоте 50 Гц и составляет 20 А (среднеквадратичное значение) (пиковое значение 28 А). Вы должны посмотреть на кривые BH различных ферритов, чтобы увидеть, вызовет ли 28A значительное насыщение.

Как ты делаешь это?

B — плотность потока, а H — напряженность магнитного поля. H - это ампер-витки на метр, а «метр» относится к средней длине сердечника. Делая это как можно большим, мы уменьшаем H и, следовательно, уменьшаем насыщенность. Делая «витки» как можно меньше, мы также уменьшаем H. Мы, конечно, ничего не можем сделать с усилителями.

Я собираюсь выбрать материал 3C92 от ferroxcube — он рекомендован ferroxcube для силовых катушек индуктивности. Вот его основные детали:

Если вы посмотрите на нижний правый график, он показывает кривую BH, и я бы сказал, что значение H не более 100 ампер-витков на метр является хорошим началом. Он будет насыщать, но не настолько, чтобы чрезмерно греться, уменьшать индуктивность и пропускать частоты ШИМ.

Следующим шагом является поиск сердечника из материала 3С92. Я выбрал тип, с которым я знаком, планарный феррит E64:

Если вы посмотрите на одну из таблиц выше, то увидите, что эффективная длина двух половинок сердечника составляет 79,9 мм. Теперь у вас есть все цифры, чтобы определить, будет ли проблема с насыщением, но сначала вам нужно использовать$A_L$цифра, чтобы определить, сколько витков необходимо для достижения 337 мкГн. Неразрывный 3C92 имеет$A_L$цифра 11 200 нГн на виток (в квадрате), а с 5 витками вы получите индуктивность 25 x 11,2 мкГн = 280 мкГн. 6 витков дают 403 мкГн.

Допустим, оптимально 6 витков (это уменьшит рассчитанную выше емкость 30 мкФ). Однако вырисовывается большая проблема - 28 А и 6 витков, разделенных на 0,08 метра, дают поле H 2100 - намного больше, чем 100 ампер-витков на метр.

Далее необходимо ввести воздушный зазор. Это снижает эффективную проницаемость материала и снижает насыщение для данного поля H. Если вы посмотрите на приведенную выше таблицу для материала 3C90, вы увидите, что существуют версии с зазором, и они дают вам представление о том, насколько снижается проницаемость для данного зазора. Поскольку снижение проницаемости напрямую снижает B при том же значении H, введение зазора, скажем, в 1,1 мм уменьшит проницаемость примерно в 23 раза (используя приблизительные числа для 3C90). Это означает, что H может увеличиться в 23 раза для достижения того же уровня насыщения.

Итак, теперь мы можем использовать значение H, равное 2300 ампер-витков на метр, НО,$A_L$уменьшился до 0,63 мкГн на виток (в квадрате), поэтому для «восстановления» требуемой индуктивности нам потребуется около 23 витков. Но увеличение количества витков с 6 до 23 означает увеличение поля H примерно в 4:1 раза, так что теперь становится очевидным, что выбранный мной сердечник не будет достаточно «мужским» для работы.

Таким образом, для планарного сердечника E64, изготовленного из материала 3C92:

Я могу получить примерно 337 мкГн с 23 витками и зазором 1,1 мм, но поле H с ампер-витками на метр будет 28 x 23/0,08 = 8050, а с зазором 1,1 мм я не должен управлять сердечником. поле H больше 2300.

Что бы я сделал дальше, так это искал сердечник, эффективная длина которого в 4 раза больше, чем 80 мм, производимые двумя планарными сердечниками E64. Тем не менее, скорее всего, будет несколько итераций «высоси и посмотри», прежде чем можно будет выбрать феррит, соответствующий спецификации. Одна вещь, которую следует пересмотреть, - это емкость 30 мкФ - если выбрать 100 мкФ, индуктивность снизится примерно до 100 мкГн и потребуется меньше витков. Есть много вещей, чтобы попробовать и увидеть.

Это будет тот же процесс для других типов сердечников - вычисление количества витков для достижения индуктивности, а затем вычисление поля H, чтобы увидеть, насыщается ли сердечник. Игра со значением емкости и зазором позволит оптимизировать ситуацию, но для феррита ясно, что зазор будет необходим. Если требование OP было 5A RMS, то это выполнимо с набором сердечников E64 с зазором около 1 мм.

РЕДАКТИРОВАТЬ

При некотором внимательном рассмотрении можно увеличить резонансную частоту LC до 5 кГц (одна десятая частоты ШИМ). Это означает, что индуктор (ранее 337 мкГн) уменьшается до 33,7 мкГн:

$F_C = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{33.7\times 10^{-6}\times 30\times 10^{-6}}}$= 5005 Гц.

Количество витков на сердечнике с зазором 1 мм теперь будет 7, и это 3,3-кратное уменьшение поля H - ранее использовалось 23 витка, поэтому это означает, что для достижения того же насыщения поля B сердечник может работать в 3,3 раза больше, чем текущий. Это означает, что «рабочие» ампер-витки на метр составляют:

$\dfrac{28\times 7}{0.08}$= 2450, и это довольно близко к тому, что может выдержать ядро ​​​​E64 с зазором в 1 мм. Возможно, если бы емкость была удвоена до 60 мкФ, это сработало бы, но у меня все равно возникло бы желание использовать ферритовый сердечник большего размера.