Ферромагнитный нелинейный элемент

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрических установках и радиотехнических устройствах в качестве ферромагнитного нелинейного элемента (ФНЭ) для преобразования электрической электромагнитной энергии в область повышенных частот, стабилизации напряжения и других целей. Технический результат состоит в уменьшении мощности потерь в режиме глубокого насыщения. ФНЭ содержит катушку индуктивности, выполненную на магнитопроводе, резистор, первый и второй управляемые ключи, первый и второй компараторы, источник опорного напряжения отрицательной полярности и источник опорного напряжения положительной полярности. Изобретение позволяет существенно уменьшить токи, протекающие через катушку ферромагнитного нелинейного элемента, до величины в точке излома ампервеберной характеристики, при которой ферроматериал переходит в режим насыщения. 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в электротехнических установках и радиотехнических устройствах в качестве нелинейного ферромагнитного элемента (ФНЭ) для преобразования электромагнитной энергии в область повышенных частот, стабилизации напряжения и других целей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ФНЭ [1], содержащий катушку индуктивности, выполненную на магнитопроводе, первый вывод которой является первым внешним зажимом ФНЭ.

Недостатком известного ФНЭ являются большие потери мощности при работе в режиме глубокого насыщения, когда через катушку протекают большие токи, обусловленные малой индуктивностью, и поэтому на омическом сопротивлении обмотки создаются большие потери мощности. Причем, чем больше витков содержит катушка индуктивности, тем больше мощность потерь.

Изобретение направлено на уменьшение мощности потерь в режиме глубокого насыщения.

Это достигается тем, что в ФНЭ, содержащий катушку индуктивности, выполненную на магнитопроводе, первый вывод которой является первым внешним зажимом ФНЭ, введены резистор, первый вывод которого является вторым внешним зажимом ФНЭ, а второй соединен со вторым выводом катушки индуктивности и является общей точкой, первый управляемый ключ (УК) и второй УК, первые силовые выводы которых подсоединены к первому внешнему зажиму ФНЭ, а вторые их силовые выводы подключены к общей точке, первый компаратор и второй компаратор, инвертирующие входы которых соединены со вторым внешним зажимом ФНЭ, при этом выход первого компаратора подсоединен к управляющему входу первого УК, а выход второго компаратора подключен к управляющему входу второго УК, источник опорного напряжения отрицательной полярности, выход которого соединен с не инвертирующим (прямым) входом первого компаратора, источник опорного напряжения положительной полярности, выход которого подсоединен к не инвертирующему входу второго компаратора.

На фиг. 1 приведена схема ФНЭ, содержащая катушку индуктивности 1, выполненную на магнитопроводе 2, первый вывод которой является первым внешним зажимом 3 ФНЭ, введены: резистор 4, первый вывод которого является вторым внешним зажимом 5 ФНЭ, а второй вывод соединен со вторым выводом катушки индуктивности 1 и является общей точкой, первый УК 6 и второй УК 7, первые силовые выводы 8 и 9 которых подсоединены к первому внешнему зажиму 3 ФНЭ, а вторые силовые выводы подключены к общей точке, первый компаратор 10 и второй компаратор 11, инвертирующие входы которых соединены со вторым внешним зажимом 5 ФНЭ, при этом выход первого компаратора 10 подсоединен к управляющему входу 12 первого УК 6, а выход второго компаратора 11 подключен к управляющему входу 13 второго УК 7, источник опорного напряжения 14 отрицательной полярности, выход которого соединен с не инвертирующим входом первого компаратора 10, а также источник опорного напряжения 15 положительной полярности, выход которого подсоединен к не инвертирующему входу второго компаратора 11.

Управляемые ключи УК 6 и УК 7 выполняются на полупроводниковых диодах (ПД) и биполярных транзисторах (БТ). В качестве примера на фиг. 2 приведен один из вариантов схем ключей. УК 6 (фиг. 2, а) реализован на первом ПД 16 и первом БТ 17 n-p-n типа, а УК 7 (фиг. 2, б) выполнен на втором ПД 18 и втором БТ 19 p-n-p типа. При этом анод ПД 16 подсоединен к силовому выводу 8 УК 6, а его катод подключен к коллектору БТ 17. Катод ПД 18 соединен с силовым выводом 9 УК 7, а анод ПД 18 соединен с коллектором БТ 19. Ниже показано, что полупроводниковые диоды обеспечивают разомкнутое состояние управляемых ключей УК 6 и УК 7 при инверсном состоянии транзисторов БТ 17 и БТ 19.

Рассмотрим принцип работы ФНЭ, для чего воспользуемся рисунками (фиг. 1 и 2) и временными диаграммами (фиг. 3) при условии, что к входным зажимам 3 и 5 ФНЭ (фиг. 1) подключен идеальный источник синусоидального тока (фиг. 3, а)

$$i_{и}=I_{и}\sin \omega t,\left(1\right)$$

где I_и - амплитуда тока; ω=2π/T - частота колебаний; T - период колебаний.

Ток i_и (1) создает на резисторе 4 напряжение (фиг. 3, а)

$$u_5=-R{I}_{и}\sin \omega t,\left(2\right)$$

где R - сопротивление резистора 4.

Резистор 4 используется в качестве датчика тока. Значение R должно быть весьма малым, чтобы не влиять на процессы, протекающие в схеме. Напряжение u₄ с помощью компараторов управляет работой ключей УК 6 и УК 7.

На интервале времени t₁…t₂ первый УК 6 находится в замкнутом состоянии, а второй УК 7 - в разомкнутом. Следовательно, катушка индуктивности 1 с помощью УК 6 замкнута накоротко, поэтому ток, протекающий через нее, при замыкании УК 6 в момент t=t₁ сохраняет постоянное значение i₁=I_m=const (фиг. 3, г). При этом потокосцепление, создаваемое катушкой индуктивности 1, ψ=Li₁=LI_m=Ψ_m=const (фиг. 3, г), где L - индуктивность катушки, а через УК 6 протекает ток i₆=i_и-i₁=i_и-I_m (фиг. 3, б).

Действительно, на этом интервале времени напряжение на инвертирующем входе первого компаратора 10 меньше, чем на не инвертирующем входе, т.е. u₅<-U_оп (фиг. 3, а). Поэтому на его выходе формируется напряжение u₁₂=+Е (фиг. 3, б), которое приложено к управляющему входу 12 УК 6 и поддерживает БТ 17 n-p-n типа в открытом состоянии, что обеспечивает замкнутое состояние первого УК 6 и протекание через него тока i₆(t) (фиг. 3, б). Напряжение на инвертирующем входе второго компаратора 11 меньше, чем на не инвертирующем входе u₅<+U_оп. Поэтому на его выходе формируется напряжение u₁₃=+Е (фиг. 3, в), которое приложено к управляющему входу 13 УК 7 и поддерживает БТ 19 p-n-p типа в закрытом состоянии, что и обеспечивает разомкнутое состояние второго УК 7.

На интервале времени t₂…t₃ УК 6 и УК 7 находятся в разомкнутом состоянии и токи через них не протекают, т.е. i₆=0 (фиг. 3, б) и i₇=0 (фиг. 3, в). Поэтому ток i_и протекает через катушку индуктивности 1 и потокосцепление ψ=Li_и изменяется по тому же закону, что и ток источника (фиг. 3, г).

Действительно, на этом интервале времени напряжение на инвертирующем входе первого компаратора 10 становится больше, чем на не инвертирующем, т.е. u₅>-U_оп (фиг. 3, а) и на его выходе формируется отрицательное напряжение u₁₂=-Е (фиг. 3, б). При отсутствии ПД 16 на коллектор БТ 17 n-p-n типа будет также приложено отрицательное напряжение u₃=Ldi/dt (фиг. 3, а). Следовательно, БТ 17 будет находиться в инверсном состоянии и способен пропускать ток на интервале Т/2…t₃. Наличие ПД 16 препятствует этому. Напряжение на инвертирующем входе второго компаратора 11 u₅<+U_оп, поэтому u₁₃=+Е и УК 7 по-прежнему находится в разомкнутом состоянии.

На интервале времени t₃…t₄ УК 7 находится в замкнутом состоянии, а УК 6 - в разомкнутом. Следовательно, катушка индуктивности 1 с помощью УК 7 замкнута накоротко, благодаря чему сохраняется постоянное значение тока катушки i₁=-I_m=const перед ее замыканием УК 7 в момент времени t₃ (фиг. 3, г). Потокосцепление катушки индуктивности 1 пропорционально протекающему через нее току, поэтому ψ=Li₁=-LI_m=-Ψ_m=const (фиг. 3, г), а через УК 7 протекает ток i₇=i_и-i₁=i_и+I_m (фиг. 3, в).

Действительно, на этом временном интервале напряжение на инвертирующем входе второго компаратора 11 больше, чем на не инвертирующем, т.е. u₅>+U_оп (фиг. 3, а). Поэтому на его выходе формируется напряжение u₁₃=-Ε (фиг. 3, в), которое приложено к управляющему входу 13 УК 7 и поддерживает БТ 19 p-n-p типа в открытом состоянии, что обеспечивает замкнутое состояние УК 7 и протекание через него тока i₇(t) (фиг. 3, в). Напряжение на инвертирующем входе первого компаратора 10 больше, чем на не инвертирующем входе (u₅>-U_оп). Поэтому на его выходе формируется напряжение u₁₂=-Е (фиг. 3, б), которое приложено к управляющему входу 12 УК 6 и поддерживает БТ 17 n-p-n типа в закрытом состоянии, что обеспечивает разомкнутое состояние первого УК 6.

На интервале времени t₄…t₅ УК 6 и УК 7 находятся в разомкнутом состоянии и токи через них не протекают, т.е. i₆=0 (фиг. 3, б) и i₇=0 (фиг. 3, в). Поэтому ток i_и протекает через катушку индуктивности 1, т.е. i₁=i_и и потокосцепление ψ=Li₁ изменяется по тому же закону, что и ток катушки i₁ (фиг. 3, г).

Действительно, на этом интервале времени напряжение на инвертирующем входе второго компаратора 11 становится меньше, чем на не инвертирующем входе: u₅<+U_оп (фиг. 3, а). Поэтому на его выходе формируется положительное напряжение u₁₃=+Е (фиг. 3, в). При отсутствии ПД 18 на коллектор БТ 19 p-n-p типа будет также поступать положительное напряжение u₃=Ldi/dt (фиг. 3, а). Следовательно, БТ 19 находится в инверсном состоянии и способен пропускать ток на интервале Τ…t₅. Наличие ПД 18 предотвращает протекание тока через УК 7. Напряжение на инвертирующем входе первого компаратора 10 по-прежнему u₅<+U_оп, поэтому u₁₂=-Е и УК 6 остается в разомкнутом состоянии.

Неопределенные выше на интервале 0…t₁ значения тока i₁ и потокосцепления ψ₁(i) в силу периодичности протекающих в рассматриваемой схеме процессов должны быть равны значениям i₁=I_m и ψ₁=Ψ_m, для момента времени t₅ (фиг. 3, г).

Рассмотрение протекающих в ФНЭ процессов позволило выявить форму отклика потокосцепления ψ(t) (фиг. 3, г) при воздействии на него тестового сигнала в виде гармонического тока i(t)=t_и (t) (фиг.3, а). Исключив в зависимостях ψ(t) и i(t) время t, получим ампервеберную характеристику ФНЭ (см. [2] - стр. 211-215), которая приведена на фиг. 4.

Существенным отличием полученной ампервеберной характеристики от известной (фиг. 4 пунктир) является постоянство потокосцепления в области насыщения.

Таким образом, полезный эффект (уменьшение мощности потерь) достигается благодаря тому, что при внешних токах i_и>I_m и i_и<-I_m катушка индуктивности 1 шунтируется управляющими ключами 6 и 7, поэтому ток i_и через катушку не протекает. Управляемые ключи на практике могут быть реализованы как на основе широко распространенных генераторных БТ, так и с применением современных транзисторов типа IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором) [3], имеющих очень малое сопротивление в состоянии насыщения (менее 0.1 Ом) и высокое входное сопротивление, что позволяет управлять ключами малыми токами. Кроме того, эти транзисторы имеют большие допустимые напряжения (единицы киловольт) и токи (десятки ампер), т.е. являются хорошими коммутаторами и при больших уровнях мощностей, а также работают в диапазоне достаточно высоких частот.

Что касается других элементов схемы (компараторов и полупроводниковых диодов), то они выпускаются промышленностью с параметрами, позволяющими выполнить ФНЭ с высоким уровнем реактивных мощностей в диапазоне частот до единиц мегагерц.

Предложенное устройство позволяет существенно уменьшить токи, протекающие через катушку индуктивности ФНЭ до величины I_m - точке излома ампервеберной характеристики, при которой ферроматериал переходит в режим насыщения. Поскольку значение I_m для магнитомягких материалов намного меньше тока глубокого насыщения, при котором работают многие устройства (например, магнитные импульсные модуляторы [4]), то существенно уменьшаются потери в материале, нагрев катушки индуктивности, что повышает КПД и надежность работы устройства.

Кроме этого значительно уменьшаются габариты и масса ФНЭ благодаря уменьшению площади окна магнитопровода путем выбора моточного провода катушки индуктивности 1 с меньшим диаметром. Что касается элементов цепи управления, то они являются малогабаритными с малыми потребляемыми токами, работают при малых напряжениях и выполняются в виде интегральных, поэтому их влияние на габариты устройства не является существенным.

Таким образом, заявляемое устройство промышленно реализуемо, имеет новизну и существенный положительный эффект.

Источники информации

1. Теория нелинейных электрических цепей / Л.В. Данилов, П.Н. Матханов, Е.С. Филипов. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, С. 12-13, рис. 1.4, а.

2. Новожилов О.П. Электротехника и электроника: учебник для бакалавров. - 2-е изд. - М.: Изд. Юрайт, 2013. - 653 с.

3. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. - М.: Изд. дом «Додека - XXI», 2005. 384 с.

4. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: учебник для вузов / Л.А. Белов, М.В. Богачев, М.В. Благовещенский и др.; под. ред. Г.М. Уткина, В.Н. Кулешова и М.В. Благовещенского. - М.: Радио и связь, 1994, с. 319-320, рис. 18.17.

Ферромагнитный нелинейный элемент, содержащий катушку индуктивности, выполненную на магнитопроводе, первый вывод которой является первым внешним зажимом ферромагнитного нелинейного элемента, отличающийся тем, что введены резистор, первый вывод которого является вторым внешним зажимом ферромагнитного нелинейного элемента, а второй - соединен со вторым выводом катушки индуктивности и является общей точкой, первый управляемый ключ и второй управляемый ключ, первые силовые выводы которых подсоединены к первому внешнему зажиму ферромагнитного нелинейного элемента, а вторые их силовые выводы подключены к общей точке, первый компаратор и второй компаратор, инвертирующие входы которых соединены со вторым внешним зажимом ферромагнитного нелинейного элемента, при этом выход первого компаратора подсоединен к управляющему входу первого управляемого ключа, а выход второго компаратора подключен к управляющему входу второго управляемого ключа, источник опорного напряжения отрицательной полярности, выход которого подсоединен к не инвертирующему входу первого компаратора, а также источник опорного напряжения положительной полярности, выход которого подсоединен к не инвертирующему входу второго компаратора.